金属

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金属(Metal)

目录

什么是金属

  金属是一种具有光泽(即对可见光强烈反射)、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。金属的上述特质都跟金属晶体内含有自由电子有关。在自然界中,绝大多数金属以化合态存在,少数金属例如金、铂、、铋以游离态存在。金属矿物多数是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。金属之间的连结是金属键,因此随意更换位置都可再重新建立连结,这也是金属延展性良好的原因。金属元素在化合物中通常只显正价。相对分子质量较大的被称为重金属。

金属的分类[1]

  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。有色金属大致上按其密度、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。

  (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、锡等。

  (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(10.4~22.48 g/cm3);熔点高(1189—3273K);化学性质稳定。

  (4)准金属:一般指硅、铭、硒、砷、硼,其物理化学性质介于金属与非金属之间,如脆,是电和热的不良导体。

  (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、希土元素及人造超铀元素等。

金属在自然界的存在[1]

  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

  (2)难溶盐矿石:ⅡA的CO_3^{2-}PO_4^{3-}SO_4^{2-}、硅铝酸盐

  (3)氧化物及硫化物:过渡金属

金属的性质[1]

金属的物理性质

  1.金属光泽

  由于金属原子以最紧密堆积状态排列,内部存在自由电子,所以当光线投射到它的表面上时,自由电子吸收所有频率的光,然后很快放出各种频率的光,这就使绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。此外金显黄色,铜显赤红色,铋为谈红色,铯为淡黄色以及铅是灰蓝色,这是因为它们较易吸收某一些频率的光之故。金属光泽只有在整块时才能表现出来,在粉末状时,一般金属都呈暗灰色或黑色。这是因为在粉末状时,金属晶面取向杂乱,晶格排列得不规则,吸收可见光后辐射不出去,所以为黑色。

  许多金属在光的照射下能放出电子。有一些能在短波辐射照射下放出电气这种现象称为光电效应。另一些在加热到高温时能放出电子,这种现象称为热电现象。

  2.金属的导电性和导热性

  根据金属键的概念,所有金属中都有自由电子,在没有外加电场作用时,自由电子没有一定运动方向,因此没有定向电流产生。当金属导线接到电源的正、负两极时,有了电势差、自由电子便沿着导线由负极移向正极,形成电流。这就显示出导电性。这与电解质的水溶液或熔融盐的导电原因是不同的,离子导电在两极上会发生化学反应。

  3.金属的延展性

  金属的延性,可以抽成丝。如最细的白金直径不过1/5000mm。

  金属的展性,可以压成薄片。如最薄的金箔,只有1/10000mm厚。

  4.金属的密度

  锂、钠、钾比水轻,大多数金属密度较大。

  5.金属的硬度

  金属的硬度一般较低大,但它们之间有很大的差别较大。有的坚硬如铬、钨等。有些软可用小刀切割如钠、钾。

  6.金属的熔点

  金属的熔点一般较高,但高低差别较大。最难熔的是钨,最易熔的是汞,铯和镓。汞在常温下是液体,铯和镓在手上受热就能熔化。

金属的化学性质

  (一)金属与非金属反应

  位于金属活动顺序表前面的一些金属很与氧化合形成氧化物,钠、钾的氧化很快,铷、铯会发生自燃。位于金属活动顺序表后面的一些金属,如铜、汞等必须在加热情况下才能与氧化合,而银、金即使在炽热的情况下也很难与氧等非金属化合。如铝、铬形成致密的氧化膜,防止金属继续被氧化,即钝化。在空气中铁表面生成的氧化物结构疏松,因此,铁在空气中易被腐蚀。

  (二)金属与水、酸的反应

  在常温下纯水的[H + ] = 10 − 7mol·L − 1,其\phi_{H^+/H2}=-0.41V。因此,φ0<-0.41V的金属都可能与水反应。

  钠、钾与水剧烈反应。钙与水的作用比较缓和,镁只能与沸水起反应,铁则须在炽热的状态下与水蒸气发生反应。如镁等与水反应生成的氢氧化物不溶于水,覆盖在金属表面,在常温时使反应难于继续进行。

  一般φ0<0 的金属都可以与非氧化性酸反应放出氢气。有一些金属“钝化”。如铅与硫酸反应生成难溶物。φ0>0 的金属一般不容易被酸中的氢离子氧化,只能被氧化性的酸氧化,或在氧化剂的存在下,与非氧化性酸反应。如铜不和稀盐酸反应,而能与硝酸反应。

  (三)金属与碱反应

  金属除了少数显两性以外,一般都不与碱起作用。锌、铝与强碱反应,生成氢和锌酸盐或铝酸盐,反应如下:

  Zn+2NaOH+2H2O===Na2[Zn(OH)4] + H2

  2Al+2NaOH+6H2O===2Na[Al(OH)4] + 3H2

  铍、镓、铟、锡等也能与强碱反应。

  (四)金属与配位剂的作用

  由于配合物的形成,改变了金属的φ0值,从而影响元素的性质。如铜不能从水中置换出氢气,但在适当配位剂存在时,反应就能够进行:

  2Cu+2H2O + 4CN===2[Cu(CN)2] + 2OH + H2

  如有氧参加,这类反应更易进行。

  4M+2H2O + 8CN + O2 = 4[M(CN)2] + 4OH(M=Cu,Ag,Au)

  这个反应是从矿石中提炼银和金的基本反应。王水与金、铂的反应都与形成配合物有关。

  在这些反应中,金属都是还原剂,但是也有例外。例如,除了卤素以外,金的电子亲和势比任何其它元素都要高,故可以制得含Au的化合物,CsAu是一个含Au的离子化合物。

参考文献

  1. 1.0 1.1 1.2 第19章 金属通论.无机化学.天水师范学院精品课程
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