19章-金属通论(教学课件)

第19章金属通论19-1概述19-2金属提炼19-3金属的物理性质和化学性质19-4合金第十九章金属通论第十九章金属通论教学目的1.通过讲授和课堂讨论初步了解金属的一般物理化学性质；2.了解金属冶炼的方法和现状，掌握艾林汉姆（Ellingham）图的意义及使用方法；3.了解合金的基本知识。第十九章金属通论教学重点:Ellinghan图的原理、分析和应用教学难点:Ellinghan图的原理、分析和应用教学方法:讲授法和讨论法元素分类元素109种，金属84种，准金属8种，非金属17种。一、金属元素特征：1.X＜2.0；2.价层电子数少，在化学反应中易失电子。二、位置s，d，ds，f，p区左下。§19.1概述第十九章金属通论三、分类：金属通常可分为黑色金属和有色金属两大类:1.黑色金属包括铁、锰和铬以及它们的合金，主要是铁碳合金(钢铁)。2.有色金属是指除去铁、铬、锰之外的所有金属。有色金属大致按其密度、价格、在地壳中的储量和分布情况、被人们发现以及使用的早晚等分为五大类：(1)轻有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以下的有色金属，如：铝、镁、钠、钾、钙、锶、钡。§19.1概述第十九章金属通论(2)重有色金属：一般指密度在4.5g/cm3以上的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、锡、汞等。(3)贵金属：这类金属包括金、银和铂族元素(铂、铱、俄、钌、钯、铑)，由于它们对氧和其它试剂的稳定性，而且在地壳中含量少，开采和提取比较困难故价格比一般金属贵，因而得名贵金属。它们的特点是密度大(10.4—22.48g/cm3)；熔点高(1189—3273K)；化学性质稳定。与之相对的其它金属则称为“贱金属”。§19.1概述第十九章金属通论(4)准金属：一般指硅、锗、硒、砷、硼，其物理化学性质介于金属与非金属之间，分布于周期表的P区。其他的则为普通金属。(5)希有金属：通常是指在自然界中含量很少，分布稀散、发现较晚，难以从原料中提取的或在工业上制备及应用较晚的金属。这类金属包括：锂、铷、铯、铍、钨、钼、钽、铌、钛、铪、钒、铼、镓、铟、铊、锗、稀土元素及人造超铀元素等。§19.1概述第十九章金属通论§19.1概述第十九章金属通论四、含量表示：将化学元素在地球化学系统中的平均含量称为丰度，为纪念美国地球化学家克拉克在计算地壳内元素平均含量所作的贡献，通常把多元素在地壳中含量的百分比称为克拉克值。如以质量百分比表示，就称为“质量克拉克值”或简称“克拉克”值。如以原子百分数表示，则称为“原子克拉克值”。五、在自然界的存在1.游离态Au,Ag,Bi,Re(稀少）2.游离态及化合态：较活泼金属：如铁，有单质、氧化物3.化合态：活泼金属（1）卤化物:ⅠA.ⅡA如：NaCl，CaF2，光卤石MgCl2·KCl·6H2O）（2）难溶盐矿石:ⅡA的CO32-.PO43-.SO42-及硅铝酸盐§19.1概述第十九章金属通论(4)硫化物形态：闪锌矿（Zns）方铅矿（Pbs）辉铜矿（MoS2）闪银矿（Ag2S）（5）卤化物形态：NaCl,CaF2,光卤石（MgCl2·KCl·6H2O）（6）含氧酸盐菱矿MgCO3方解石CaCO3（7）硫酸盐重晶石BaSO4石膏CaSO4·2H2O（8）硝酸盐钠硝石NaNO3（9）磷酸盐磷灰石[Ca5F(PO4)3]（10）硅酸盐绿柱石（3BeO·Al2O3·6SiO2）（3）氧化物:磁铁矿（Fe3O4）软锰矿（MnO2）赤铜矿（Cu2O）矾土矿（At2O3·XH2O）§19.1概述第十九章金属通论方法：湿，干法（火法）过程：富集，冶炼和精炼19-2-1金属还原过程的热力学以氧化物为基础，ΔfG越负，氧化物越稳定，同一T、P下同一类型氧化物的ΔfG越负，越难得到金属。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论原理：用消耗1mol氧生成氧化物过程的标准自由能变对温度作图。根据的关系，假定和为定值，对T作图得一条直线。STHGrrrSrHrGr§19.2金属的冶炼第十九章金属通论埃林汉姆图（氧化物自由能—温度图19-1）：作用：1）找出氧化物的适宜分解温度2）找出适宜的还原剂§19.2金属的冶炼第十九章金属通论STHGrrrT=0，为的近似值，即直线的截距。直线的斜率为-。〈0，斜率为正，随温度的升高而增大，几乎所有的金属氧化物的生成过程都是属于这种情形。GrHrSrGrSr§19.2金属的冶炼第十九章金属通论CO=0，与温度无关，如的自由能-温度图。〉0，熵增过程，随温度的升高而减小，如的自由能-温度图。2COSrGrSrGrSTHGrrr1．从图中可以看出，凡rG为负值区域内的所有金属都能自动被氧气氧化，凡在这个区域以上的金属则不能。由图可知约在773K以上Hg就不被氧所氧化，而HgO只需稍微加热，超过773K就可以分解得到金属。STHGrrr埃林汉姆图2．稳定性差的氧化物rG负值小，rG-T直线位于图上方,例如HgO。稳定性高的氧化物rG负值大,rG-T直线位于图下方如MgO。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论3.在自由能图中,一种氧化物能被位于其下面的那些金属所还原，因为这个反应的rG0。例如，铝热法，在1073K时Cr2O3能被Al还原。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论4．图中C+O2=CO2的rS≈0;反应2C+O2=2COrS0;反应2CO+O2=2CO2rS0。三条直线交于983K。高于此温度,2C+O2=2CO的反应倾向大，低于此温度，2CO+O2=2CO2的反应倾向更大。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论STHGrrr生成CO的直线向下倾斜,对于火法冶金有很大实际意义，这使得几乎所有金属的rG-T直线在高温下都能与C-CO直线相交。因此许多金属氧化物在高温下能被碳还原。碳为一种广泛应用的优良的还原剂。在2273K以上，C可以还原Al2O3，但由于所需温度太高，且还原生成碳化物，使这个过程的实用性受到限制。注意：用判断氧化还原反应的自发过程的方向是在平衡条件下，并不涉及反应速度和机理，在实际生产中，经过很复杂，需要全面的，具体的分析，才能得到正确的结论。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论19-2-2工业上冶炼金属的一般方法工业上的还原过程即称为冶炼，把金属从化合物还原成单质。由于金属的化学活泼性不同，要把金属还原成单质，需采取不同的冶炼方法，工业上提炼金属一般有下列几种方法：§19.2金属的冶炼第十九章金属通论一、热分解法有一些金属仅用加热矿石的方法就可以得到。他们的化合物负值小，不稳定，易分解。在金属活动顺序中，在氢后面的金属其氧化物受热就容易分解，如:HgO和Ag2O加热发生下列分解反应：2HgO==2Hg+O22Ag2O=4Ag+O2将辰砂(硫化汞)加热也可以得到汞：HgS+O2==Hg+SO2Gr§19.2金属的冶炼第十九章金属通论辰砂二、热还原法大量的冶金过程属于这种方法。焦炭、一氧化碳、氢和活泼金属等都是良好的还原剂。1．用C或CO作还原剂（碳热还原法）SnO2+2C===Sn+2CO2Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2反应若需要高温，常在高炉和电炉中进行。所以这种冶炼金属的方法又称为火法冶金，例如MgO+C==Mg+CO§19.2金属的冶炼第十九章金属通论如果矿石主要成分是碳酸盐，也可以用这种方法冶炼。因为一般重金属的碳酸盐受热时都能分解为氧化物，再用焦炭还原。如矿石是硫化物，那么先在空气中锻烧，使它变成氧化物，再用焦炭还原，如从方铅矿提取铅：2PbS+3O2===2PbO+2SO2PbO+C===Pb+CO碳热还原法的缺点：制得的金属中含有碳和碳化物，得不到较纯的金属。COZnCZnOCOZnOZnCOΔ2Δ3§19.2金属的冶炼第十九章金属通论2．氢热还原法工业上要制取不含炭的金属常用氢还原法。生成热较小的氧化物。例如，氧化铜、氧化铁等，容易被氢还原成金属。而具有很大生成热的氧化物，例如，氧化铝、氧化镁等，基本上不能被氢还原成金属。用高纯氢和纯的金属氧化物为原料，可以制得很纯的金属。如Mo,W的制备O3HWHWO21473K23§19.2金属的冶炼第十九章金属通论3．金属热还原法（金属置换法）用一种较活泼的金属把另一种金属从其化合物中还原出来。选择哪一种金属做还原剂，除rG来判断外还要注意下几方面情况；(1)还原力强；(2)容易处理；(3)不和产品金属生成合金；(4)可以得到高纯度的金属；(5)其它产物容易和生成金属分离；(6)成本尽可能低，La还原性强于Mg、Al，但更多选Mg，Al等等。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论通常用铝、钙、镁、钠等做还原剂。a.铝是价廉的金属，生成氧化铝的反应是强烈的放热反应，可以用铝和许多金属氧化物反应，而不必额外给反应混合物加热。用铝从金属氧化物还原出金属的过程叫铝热法。（不足是可与多种金属形成合金，通常调节反应物配比，尽量使铝完全反应而不残留在生成的金属中。）Cr2O3+Al=2Cr+Al2O3§19.2金属的冶炼第十九章金属通论b.钙、镁一般不和各种金属生成合金，因此可用作钛、锆、铪、钒、铌、钽等氧化物的还原剂。c.有些金属氧化物很稳定，金属难被还原出来，可以用活泼金属还原金属卤化物来制备，如：TiCl4+4Na===Ti+4NaClTiCl4+2Mg===Ti+2MgCl2RECl3+3Na=RE+3NaCl(RE=稀土)§19.2金属的冶炼第十九章金属通论三、电解法排在铝前面的几种活泼金属，不能用一般还原剂使它们从化合物中还原出来。这些金属用电解法制取最适宜，电解是最强的氧化还原手段。电解法有水溶液电解（Al以后的金属）和熔盐电解法（Al,Mg,Ca,Na等）两种。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论湿法冶金：如氰化性可用控制贵金属Ag,Au等。Au+8NaCN+2H2O+O2=4Na[Au(CN)2]+4NaOH2[Au(CN)2]-+Zn=2Au+[Zn(CN)4]2-缺点：耗电，成本高。一种金属采用什么提炼方法与它们的化学性质、矿石的类型和经济效果等有关。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论1234567铌钽银金镉汞铟铊锡铅锑铋碲钋砹氡氙碘铷铯锶钡钇锆铪钼钨锝铼钌铑钯锇铱铂氢锂氦铍硼碳氮氧氟氖钠镁铝硅磷硫氯氩钾钙钪钛钒铬锰铁钴镍铜锌镓锗砷硒溴氪ZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnIBIAIIAIIIAIVAVAVIAVIIAVIIIIIBIIIBIVBVBVIBVIIBHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPClSArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbCsSrBaYLaLu-123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555672737475767778798081828384858657-711.电解法2.电解法或活泼金属还原3.热还原法4.热分解法金属的提炼方法与它们在周期表中的位置大致关系见表。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论19-2-3金属的精炼一、电解精炼:不纯的金属做电解槽的阳极，薄片纯金属做成阴极。常用此法精炼提纯的金属有Cu、Au、Pb、Zn、Al等。二、气相精炼法原理：利用金属单质或化合物的沸点与所含杂质的沸点不同的特点，通过加热控制温度使之分离的精练方法。§19.2金属的冶炼第十九章金属通论（1）直接蒸馏法：镁、汞、锌、锡等可用直接蒸馏法提纯。例如，粗锡中的锡和所含杂质具有不同的沸点，控制温度在锡的沸点以下，“杂质沸点”以上，可使杂质挥发除去。为了改善蒸馏条件，采用真空蒸馏是很适合的。（2）气相析出法：金属化合