最后更新: 2025-10-27 09:00 查看: 36 次纠错评论(0) 课件开VIP

金属的共形

元素周期表中大多数元素是金属元素。由金属元素或以金属元素为主制成的材料可应用于各个领域，小到日常民用，大到国防军工，都能看到金属材料的身影。可以说，金属及其材料在人类文明进步和社会发展中起着至关重要的作用。
  金属元素在自然界中广泛存在。地球上绝大多数的金属资源存在于地壳和海洋之中，除少数不活泼的金属能以游离态存在之外，其他金属元素大多以化合态形式存在。通过本章学习，我们将了解人们是如何从自然资源中获取金属单质，认识钠、铁等金属及其重要化合物的主要性质和用途，了解化学变化中伴随的能量变化
  
钠和铁都是自然界中储量比较丰富的元素，钠是一种性质非常活泼的金属，铁是人类冶炼和使用最多的金属。本节中我们将以钠、铁为代表，了解金属的主要性质，以及它们在生产、生活中的重要应用。
  
 ## 金属的物理性质
 
 （1） 打开元素周期表，标出金属元素的位置区域，估算它们在已发现元素中所占的比例。
（2） 在日常生活中，你会用到哪些金属材料？这些材料分别有哪些理化性能？

![img-text](/uploads/2025-10/b9ce7d.jpg)

金属表面一般都有光泽，黄金、白银、铂金等饰品就是利用了这一性质。金属具有良好的延展性，可将它们拉成细丝或锤击成薄片。金属既能导电，又有良好的导热性。银的导电性和导热性居金属首位，但由于价格等原因，一般的电线都是用铜制成的。除了这些共性以外，各种金属还具有不同的特性和用途。

合金是由两种或两种以上元素（其中至少一种是金属）组成的具有金属特性的物质。由于纯金属性能的局限性，实际中广泛应用的主要是合金。青铜主要是铜合金，钢铁属于铁碳合金。

> 金属之最
锂——  密度最小的金属
铝——  地壳中含量最高的金属元素
钙——  人体中含量最多的金属元素
铬——  硬度最大的金属
钨——  熔点最高的金属
汞——  熔点最低的金属

## 金属元素的原子结构

金属元素的原子具有较为相似的电子结构，大多数金属元素原子的最外层电子数较少，原子半径较大，容易失去电子。主族金属元素原子在化学反应中失去最外层电子，呈现的最高正价等于原子的最外层电子数。副族金属元素原子的电子结构比较复杂，在化学反应中除能失去最外层的电子外，还能失去排布在内层上的电子，可显示出多种价态。总之，由于金属元素原子的核外电子排布具有共性和个性，因此金属单质的化学性质既有相似的方面，又有差异的体现。

## 金属的化学性质
### 1. 金属与非金属单质的反应
我们知道许多金属与非金属单质在一定条件下能发生化合反应。同一种金属与不同种非金属单质反应时，可能得到不同价态的生成物。同一种金属与同种非金属单质反应时，如果反应条件不同，也可能得到不同价态的生成物。

**实验** 不同条件下钠在空气中的反应 取一小块保存在煤油中的金属钠，用滤纸吸干表面的煤油后，用小刀切开一端的外皮，观察钠表面的光泽和颜色，放置一会儿后，再观察表面的变化（图5.1）。（金属钠使用时要小心，多余的钠要及时放回煤油中）

![图片](/uploads/2025-10/eed148.jpg)
 
 如图5.2所示，取绿豆大小的一块钠放在石英玻璃蒸发皿中，用小火加热片刻，待金属钠燃烧起来立即停止加热，观察并记录现象。
 
 
  ![图片](/uploads/2025-10/ad7e49.jpg)
  
  > 钠
密度：$0.968 g·cm^{-3}$（293 K）
熔点：97.8 ℃
沸点：881.4 ℃

钠暴露在干燥的空气中，易与空气中的氧气反应，生成白色的氧化钠，失去金属光泽而变暗。常温下，钠在空气中就会迅速地被氧化，说明钠的化学性质活泼。

$$
4 \mathrm{Na}+\mathrm{O}_2=2 \mathrm{Na}_2 \mathrm{O}
$$

钠在空气中受热后，先熔化成银色的小球，然后剧烈燃烧，发出黄色火焰，生成一种淡黄色的过氧化钠 （ $\mathrm{Na}_2 \mathrm{O}_2$ ）固体。

$$
2 \mathrm{Na}+\mathrm{O}_2 \xlongequal{\triangle} \mathrm{Na}_2 \mathrm{O}_2
$$

通过上面实验，可以得到钠具有下列性质

#### 钠的性质
钠具有很强的还原性，除了与氧气反应之外，还能与氯气、硫等非金属单质发生反应。

铁的化学性质也比较活泼，铁原子在化学反应中容易失去最外层的 2 个电子，变成 $\mathrm{Fe}^{2+}$ ；若遇较强的氧化剂，铁原子能失去 3 个电子，变成 $\mathrm{Fe}^{3+}$ 。因此，铁具有还原性，常见的价态为 $+2 、+3$ 价。

常温下，铁在干燥的空气中不易与氧气、氯气、硫等非金属单质发生反应。在潮湿的空气中，铁易被氧化生成铁锈（主要成分是 $\mathrm{Fe}_2 \mathrm{O}_3 \cdot x \mathrm{H}_2 \mathrm{O}$ ）。高温时，铁与氧气、氯气、硫等非金属单质均能发生剧烈的反应。

大多数金属跟钠、铁相似，能与氧气、氯气等非金属单质反应，但由于金属的还原性强弱不同，因此反应的难易和剧烈程度也是不同的。

### 2. 金属与水的反应
许多金属在一定条件下都能与水发生反应。

钠能在冷水中剧烈反应，可用作强除水剂。当钠着火时，不能用水或泡沫灭火剂扑灭，应选用干沙、石粉、专用灭火剂来扑灭。在实验室中，少量金属钠一般保存在煤油或石蜡油中，以隔绝水和空气。

日常生活中人们常用铁或铜制的水壶来盛水和烧水，说明这些金属与冷水或热水不发生反应。但在更高温度下，铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁和氢气。

$$
3 \mathrm{Fe}+4 \mathrm{H}_2 \mathrm{O}(\mathrm{~g}) \xlongequal{\text { 高温 }} \mathrm{Fe}_3 \mathrm{O}_4+4 \mathrm{H}_2
$$

金属铝很活泼，但在空气中易发生＂钝化＂，即在铝的表面生成一层致密的氧化膜，这层氧化膜起着保护内部金属的作用。这也正是化学性质活泼的铝能在空气中稳定存在，以及能用于制作炊具的原因。除去氧化膜后，铝能与热水反应生成氢氧化铝和氢气。

$$
2 \mathrm{Al}+6 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \xlongequal{\triangle} 2 \mathrm{Al}(\mathrm{OH})_3+3 \mathrm{H}_2 \uparrow
$$

### 3．金属与酸、盐溶液的反应
比较活泼的金属如锌、铁，它们能与稀硫酸或盐酸等发生置换反应放出氢气。较活泼的金属也可以把相对不活泼的金属从其盐溶液中置换出来。

较不活泼的金属如铜、银，它们与稀硫酸或盐酸等不发生反应，但能与浓硫酸、硝酸等具有强氧化性的酸发生反应，生成二氧化硫、氮氧化物等。铁、铝等金属在室温下遇浓硫酸、浓硝酸会发生钝化。

## 金属的冶炼

在自然界中，只有少数化学性质稳定的金属能以游离态存在，如金、铂以及少量的银、铜。大多数金属以化合态存在于矿石中，金属的冶炼就是将化合态的金属元素还原为金属单质的过程。在很多矿物中，金属元素一般以离子的形式存在，由于金属离子的氧化性强弱存在差异，使它们被还原为单质的难易程度不同，因此，金属的冶炼方法也就不同。

不活泼金属的硫化物或氧化物在焙烧或加热时就可分解，生成金属单质。例如，焙烧辰砂 $(\mathrm{HgS})$ 或加热氧化汞都可以制取汞。

$$
\begin{aligned}
& \mathrm{HgS}+\mathrm{O}_2 \xlongequal{\text { 焙烧 }} \mathrm{Hg}+\mathrm{SO}_2 \\
& 2 \mathrm{HgO} \xlongequal{\triangle} 2 \mathrm{Hg}+\mathrm{O}_2 \uparrow
\end{aligned}
$$

较活泼的金属可以采用热还原法来制得，常见的还原剂有氢气、焦炭、一氧化碳、活泼金属等。铁是现代生产和生活中使用量最大的金属，炼铁的过程就是加人还原剂将矿石中的铁元素还原成铁单质。

纯净的铁有银白色的金属光泽。铁元素在地壳中以化合态形式存在，含量约占 $4.75 \%$ ，仅次于氧、硅、铝 （图5．3）。

![图片](/uploads/2025-10/72f7bb.jpg)
 
> 铁
密度：7.86 g·cm^3
熔点：1 535 ℃
沸点：2 861 ℃

用于炼铁的矿石主要有赤铁矿（主要成分是 $\mathrm{Fe}_2 \mathrm{O}_3$ ）、磁铁矿（主要成分是 $\mathrm{Fe}_3 \mathrm{O}_4$ ）和菱铁矿（主要成分是 $\mathrm{FeCO}_3$ ）等（图5．4）。

炼铁最主要的化学反应是（以赤铁矿石为例）：

$$
\mathrm{Fe}_2 \mathrm{O}_3+3 \mathrm{CO} \xlongequal{\text { 高温 }} 2 \mathrm{Fe}+3 \mathrm{CO}_2
$$

![图片](/uploads/2025-10/edea25.jpg)
 
 在实际生产中，人们把铁矿石和焦炭等原料混合，在高温下炼制，这样炼出来的铁碳合金，称为生铁。为了提高性能和扩大用途，再除去生铁里的一部分碳和其他杂质，便炼制成了钢，也称为碳钢。在普通碳钢里添加适量的一种或多种合金元素，使钢具有一些特殊的性能，这种钢称为合金钢。钢铁材料的品种繁多，广泛应用于建筑、家电、机械、造船、汽车、铁道、能源等领域（图5.5），是许多基础建设的物质保障，也为国家持续快速的经济发展做出了重大贡献。
 
  ![图片](/uploads/2025-10/6cec68.jpg)
  
![图片](/uploads/2025-10/94376e.jpg)
   
   
### 化学书写

活泼金属离子的氧化性很弱，用还原剂很难将它们从化合态还原成单质，一般采用电解法制得。金属钠就是用电解熔融的氯化钠来制取的。

$$
2 \mathrm{NaCl}(\text { 熔融 }) \xlongequal{\text { 通直流电 }} 2 \mathrm{Na}+\mathrm{Cl}_2 \uparrow
$$

金属铝是用电解熔融氧化铝的方法制得的，但氧化铝熔点高，很难直接熔融电解。工业上用冰晶石（ $\mathrm{Na}_3 \mathrm{AlF}_6$ ）作为助熔剂，使氧化铝熔融的温度大大降低，然后通直流电制取。

$$
2 \mathrm{Al}_2 \mathrm{O}_3 \xlongequal[\text { 助熔剂 }]{\text { 通直流电 }} 4 \mathrm{Al}+3 \mathrm{O}_2 \uparrow
$$

## 稀土 
稀土是元素周期表中第3族的钪、钇和15种镧系元素的总称。稀土金属质地比较软，具有优良的光、电、磁等物理特性，它们的化学性质极为相似，都是很活泼的金属，常见化合价为+3。这些稀土金属常被作为神奇的“调料”使用，只需极少量，就能显著改变材料的性能。

![图片](/uploads/2025-10/93f9cd.jpg)
 
 例如在铝中加入千分之几的钪，就能明显提升铝合金在高温强度、结构稳定性、抗腐蚀等方面的性能。钪也是铁的有效改良剂，添加少量钪便可显著提高铸铁的强度和硬度。因钪具有较高熔点，且密度又跟铝接近，因此又可被应用于钪钛合金和钪镁合金等，这种高熔点轻质合金材料通常用在航天飞机和火箭上。
当然，钪只是稀土金属中的一员。稀土元素还可用于生产荧光、永磁、超导、储氢、磁光存储及光导纤维等材料中。这些稀土材料极具价值且有广泛的用途，在通信、电子计算机、航空航天、医药卫生、新能源等尖端科技领域都有应用。

中国化学家徐光宪（1920—2015）所创立的“串级萃取理论”在稀土工业得到了普遍应用，引导了我国稀土分离科技和产业的全面革新，为稀土功能材料和器件的发展提供了物质保证，使我国实现了从稀土资源大国到生产和应用大国的飞跃，极大地提升了我国稀土产业的国际竞争力
 
#### 特种钢炼制

特种钢的制造在军事、航空航天工业上起着关键性的作用。特种钢就是在碳素钢里适量地加入一种或几种其他元素，例如稀土元素，从而使钢具有各种特殊性能。从事特种钢炼制的科研人员，是国家急需的人才，主要的工作是研究元素添加对特种钢性质的影响和特种钢制备的化学工艺等。

`例`	某种合金材料耐腐蚀、强度大。它和铁的部分物理常数如下表
所示
 ![图片](/uploads/2025-10/692a00.jpg)
 
请根据表中数据对该合金材料的性能和用途做出基本评价。

解：物质的用途应该与其相应的理化性质或性能相匹配。从已知条件和表中信息可知，该合金材料具有高熔点、低密度、高硬度、耐腐蚀等优良性能。拥有这些性能的合金材料，适用于航天器的外壳、炉具、门窗框等。不足之处就是其导电性较差，不适合用作导线等

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