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金屬
常見(jiàn)物質(zhì)
金屬（Metal）是一種具有光澤（即對可見(jiàn)光強烈反射）、具有高電導率、高熱導率以及可塑性、延展性和高反光性的物質(zhì)。
基本信息
中文名
金屬
英文名
Metal
顏色
特有光澤
透明度
不透明
金屬通常質(zhì)地堅硬，呈結晶狀固體，能產(chǎn)生多種化學(xué)反應，并能同別的金屬一起被制成合金。金屬資源廣泛分布于地殼和海洋中，絕大多數以化合態(tài)存在，極少數不活潑金屬如金、銀以單質(zhì)形式存在。
金屬在人類(lèi)生活中也被廣泛應用。在人類(lèi)社會(huì )發(fā)展史上，繼石器時(shí)代之后出現的銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代，都以金屬材料的應用為其時(shí)代的顯著(zhù)標志。
發(fā)展歷史
第一階段原始鋼鐵的冶煉
距今約300萬(wàn)年，人們以石頭作為工具，稱(chēng)舊石器時(shí)代；1萬(wàn)年以前，人類(lèi)對石器進(jìn)行加工，從而進(jìn)入新石器時(shí)代；在公元4300年前，人類(lèi)就開(kāi)始使用自然中金屬金和銅，并進(jìn)行鍛打和熱加工等工藝；而對于鐵，人們最早使用的是隕鐵，在篝火中發(fā)現。鐵的熔煉大約發(fā)生在公元前2800年，最初的鋼是利用熟鐵滲碳得到的。
明朝時(shí)期宋應星所著(zhù)《天工開(kāi)物》一書(shū)，內有冶鐵、煉鋼、鑄鐘、鍛鐵、淬火等各種金屬加工方法，是世界上有關(guān)金屬加工工藝最早的科學(xué)著(zhù)作之一；
第二階段金屬材料大發(fā)展
英國18世紀出現“高爐”；鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)革命的重要內容和物質(zhì)基礎；人類(lèi)逐漸掌握大規模煉鋼的方法，隨后發(fā)現在鋼材的煉制過(guò)程中添加其他元素，可以改變其性能。
19世紀中葉，現代平爐和轉爐鎳管煉鋼技術(shù)的出現，使人類(lèi)真正進(jìn)入了鋼鐵時(shí)代。與此同時(shí)，銅、鉛、鋅也大量得到應用，鋁、鎂、鈦等金屬相繼問(wèn)世并得到應用，直到20世紀中葉，金屬材料在材料工業(yè)中一直占有主導地位。
電子排布
金屬原子最外層電子數較少，一般為1~2個(gè)。這些電子與原子核的結合力較弱，所以容易脫離原子核的束縛變?yōu)椤白杂呻娮印薄！白杂呻娮印痹陔妶?chǎng)中的定向移動(dòng)使金屬具備導電性，在導電的過(guò)程中自身不發(fā)生化學(xué)變化；金屬導熱主要依靠自由電子的遷移和晶格振動(dòng)，從而使金屬表現出導熱性。
過(guò)渡金屬原子不僅容易失去最外層電子，次外層電子也容易失去，這就導致過(guò)渡原子化合價(jià)可變，當過(guò)度金屬原子之間進(jìn)行結合，不僅最外層電子參與結合，次外層電子也可參與結合，因此，過(guò)渡金屬原子間結合能力較強，表現為熔點(diǎn)高、強度高。由此可知價(jià)電子決定著(zhù)金屬的主要性能；過(guò)渡金屬不同的電學(xué)性能起源于其原子的電子對非成鍵d能帶的填充狀態(tài)，當d軌道部分填充的時(shí)候，具有(半)金屬導電性，當d軌道完全填滿(mǎn)的時(shí)候，具有絕緣性或半導體性。
晶體結構
金屬和合金在固態(tài)下通常是晶體。在固態(tài)金屬中，眾多原子依靠金屬鍵結合在一起。固態(tài)金屬兩原子之間的相互作用力為正離子與周?chē)娮拥奈Γx子與正離子，以及電子與電子之間的排斥力。結合能是吸引力和排斥力的相互作用效果，不同金屬具備不同的結合能。當大量金屬原子結合位固體時(shí)，為使固態(tài)金屬具有最低能量，以保持其穩定狀態(tài)，原子之間也保持著(zhù)一定的平衡距離，這便是固態(tài)金屬中的原子緊密規則排列的重要原因。
液態(tài)金屬水銀的電子結構，其最外側的軌道是‘充滿(mǎn)’的，雖然能放出電子，但卻沒(méi)有接受電子的空閑軌道，所以電子一個(gè)也進(jìn)不了。由于只能用能量高的空閑軌道進(jìn)行結合，所以成了弱結合。
分布情況
金屬在自然界中的分布很廣。由于各種金屬的化學(xué)活性相差很大，因而它們在自然界中存在的形式各不相同。 少數化學(xué)性質(zhì)不太活潑的金屬元素，在自然界中以游離單質(zhì)存在，其余大多數金屬以化合物狀態(tài)存在。一般輕金屬以氧化物（赤鐵礦主要成分為Fe2O3、磁鐵礦主要成分為Fe3O4）、氟化物（如CaF2）、硫酸鹽（MgSO4）、磷酸鹽、碳酸鹽（如CaCO3）等形式存在，重金屬則多以氧化物、硫化物成礦，還有許多以硅酸鹽形式存在。這些礦物大多埋藏在地下，成為地殼巖石圈的組成部分。也有些溶解度較大的礦物被雨水或地下水帶入海洋。此外海底巖層中原本就含有各種礦藏，所以在海洋中也有大量金屬資源。
地殼中豐度最高的5種元素是“氧、硅、鋁、鐵、鈣”。部分金屬豐度如下表。
金屬 | 豐度 |
鋁 | 0.081 |
鐵 | 0.063 |
鈣 | 0.05 |
銅 | 2.5×10 |
錫 | 2.0×10 |
鉛 | 1.7×10 |
銀 | 5.0×10 |
金 | 1.6×10 |
鉑 | 0.5×10 |
金屬分類(lèi)
黑色金屬
工業(yè)上對鐵、鉻和錳的統稱(chēng)，亦包括這三種金屬的合金。如：鋼、生鐵、鐵合金、鑄鐵等。純凈的鐵和鉻是銀白色的，而錳是銀灰色。由于鋼鐵表面通常覆蓋一層黑色的四氧化三鐵，而錳和鉻主要應用于冶煉黑色的合金鋼，所以才會(huì )被誤以為是“黑色”金屬。
有色金屬
泛指除去鐵（有時(shí)也除去錳和鉻）和鐵基合金以外的所有金屬。有色金屬由于種類(lèi)眾多，其礦產(chǎn)地的數量也就比黑色金屬要多得多。有色金屬可分為重金屬、輕金屬、貴金屬及稀有金屬。
黑色金屬--鋼
重金屬：一般指密度大于5g/cm的金屬。如金、銀、銅、鐵、汞、鉛、鎘等，重金屬在人體中累積達到一定程度，會(huì )造成慢性中毒，另外重金屬是土壤環(huán)境中一類(lèi)具有潛在危害的污染物，長(cháng)期累積將改變農用地土壤的功能。
有色金屬---黃金
輕金屬：一般指相對密度在5g/cm以下的有色金屬。包括鋁、鎂、鋰、鈹、銣、銫、鉀、鈉、鈣、鍶、鋇、鈦等。輕金屬不僅密度小，而且化學(xué)活性大，與氧、硫、碳及鹵素化合物接觸相當穩定。鋁是輕金屬中用量最大的一種，其產(chǎn)量和消費量均僅次于鋼鐵，是第二大金屬。
貴金屬：這些金屬在地殼里的豐度低，分布稀散，彼此互溶共生，富集、分離和提純都較困難，價(jià)格較貴。化學(xué)性質(zhì)也較穩定，不易發(fā)生化學(xué)反應，如金、銀和鉑族金屬（鉑、釕、銠、鈀、鋨、銥）。
稀有金屬：在地殼中含量較少、分布稀散或難以從原料中提取的金屬。如鋰、鈹、鈦、釩、鍺、鉬、銫、鑭、鎢、鐳等。
合金
合金是一種以金屬為基礎，加入其他金屬或非金屬，經(jīng)過(guò)熔煉或燒結制成的具有金屬特性的材料。機械制造中所用的金屬材料是以合金為主，很少使用純金屬。是因為合金比純金屬擁有更好的力學(xué)性能和工藝性能，且價(jià)格低廉。最常用合金為是以鐵為基礎的鐵碳合金，如碳素鋼、合金鋼、灰鑄鐵等，還有以銅為基礎的黃銅、青銅等，以鋁為基礎的鋁硅合金等。
金屬性質(zhì)
物理性質(zhì)
常溫下，大部分為固體，唯一呈液態(tài)的是汞；金屬外觀(guān)：除Cu、Au外，大多數金屬為銀白色，有金屬光澤；金屬一般都具備良好的導電性、導熱性、延展性。
金屬光澤
自由電子很容易吸收可見(jiàn)光的能量，而被激發(fā)到較高能級，當它跳回原能級時(shí)，就把吸收的可見(jiàn)光能量輻射出來(lái)，從而使金屬不透明，顯金屬光澤。
延展性
金屬鍵不存在飽和性和方向性，當金屬的兩部分發(fā)生相對位移時(shí)，金屬的正離子始終被包圍在電子云中，從而保持著(zhù)金屬鍵的結合，所以金屬具有延展性。
導電導熱
金屬導熱主要依靠自由電子的遷移和晶格振動(dòng)，“自由電子”在電場(chǎng)中的定向移動(dòng)使金屬具備導電性。這些都是源于“自由電子”，而金屬的價(jià)層電子數較少容易失去，易產(chǎn)生自由電子，所以金屬一般都具備良好的導電性、導熱性。
力學(xué)性能
- 強度：金屬材料在靜載荷作用下抵抗永久變形或斷裂的能力。根據力的形式不同，可以有屈服強度、斷裂強度、抗拉強度、彎曲強度、扭轉強度、抗壓強度等等。
- 塑性：金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生永久變形而不破壞的能力。受力后，材料保留了一部分變形。
- 硬度：金屬材料表面抵抗比他更硬的物體壓入的能力。硬度是一個(gè)綜合指標，代表了強度、塑性等力學(xué)性能的綜合性。常見(jiàn)有布氏硬度，洛氏硬度和維氏硬度。
- 韌性：金屬材料抵抗沖擊載荷（力的作用時(shí)間很短）而不被破壞的能力。
- 疲勞指材料對交變應力表現出來(lái)的性質(zhì)；彈性是指金屬材料在外力消失時(shí)，能使材料恢復原先尺寸的一種特性。
金屬的磁性
只有少數金屬是鐵磁性的，而大部分金屬是即抗磁性或順磁性。例如鐵、鈷、鎳為鐵磁性金屬，它們內部的電子自旋可以在小范圍內自發(fā)地排列起來(lái)，形成一個(gè)自發(fā)磁化區，這種自發(fā)磁化區就叫磁疇。鐵磁類(lèi)物質(zhì)磁化后，內部的磁疇整整齊齊、方向一致地排列起來(lái),使磁性加強，就構成磁鐵了。磁鐵的吸鐵過(guò)程就是對鐵塊的磁化過(guò)程，磁化了的鐵塊和磁鐵不同極性間產(chǎn)生吸引力，鐵塊就牢牢地與磁鐵“粘”在一起了。
化學(xué)性質(zhì)
較完整的金屬活動(dòng)順序（排序從強到弱）：
鋰（Li）、銫(Cs)、 銣(Rb)、 鉀(K)、鐳(Ra)、鋇(Ba)、鈁(Fr)、鍶(Sr)、 鈣(Ca)、 鈉(Na)、 鑭(La)、 鐠(Pr)、釹(Nd)、 钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、 錒(Ac)、釓（Gd）、鋱（Tb）、镅（Am）、釔（Y）、鎂（Mg）、鏑（Dy）、銩（Tm）、鐿（Yb）、镥（Lu）、 鈰（Ce）、鈥（Ho）、鉺（Er）、鈧（Sc）、钚（Pu）、釷（Th）、鈹（Be）、镎（Np）、鈾（U）、鉿（Hf）、鋁（Al）、鈦（Ti）、鋯（Zr）、釩（V）、錳（Mn）、鈮（Nb）、鋅（Zn）、鉻（Cr）、鎵（Ga）、鐵（Fe）、鎘（Cd）、銦（In）、鉈（Tl）、鈷（Co）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、錫（Sn）、鉛（Pb）、[氫（H）]、銅（Cu）、釙（Po）、汞（Hg）、銀（Ag）、鈀（Pd）、鉑（Pt）、金（Au）。
簡(jiǎn)要列舉部分與金屬發(fā)生的反應：
1.大多數金屬與氧氣（O2）等非金屬反應。金屬與氧氣反應最為常見(jiàn)的是“生銹”，例如鐵生銹、銅生銹等。
化學(xué)方程式：Fe+O2=Fe2O3
不同的金屬同氧氣（O2）反應的激烈程度存在不同：
①如鈉與氧氣的反應
Na+O2=Na2O（只需與空氣接觸即可發(fā)生）
②如鎂條的燃燒
反應現象：鎂條劇烈燃燒，發(fā)出耀眼的強光，產(chǎn)生大量的白煙。
化學(xué)方程式：2Mg＋O2=2MgO （反應條件：點(diǎn)燃）
2.活潑金屬與酸反應
如鎂條與稀鹽酸反應
現象：鎂條逐漸溶解，同時(shí)產(chǎn)生無(wú)色氣泡。
離子方程式：Mg＋2H=Mg＋H2↑
3.與鹽溶液發(fā)生置換反應
在金屬活動(dòng)性順序中，位于前面的金屬能夠把位于后面的金屬從它們的鹽溶液中置換出來(lái)。
注意：K、Ca、Na金屬活動(dòng)性非常強，但不能用它們置換化合物中的金屬，因為它們會(huì )先同溶液中的水劇烈反應。
現象：鋁絲表面有紅色物質(zhì)生成。
離子方程式：2Al＋3Cu=3Cu＋2Al
b．銅絲與硝酸銀溶液反應。
現象：銅絲表面有銀白色物質(zhì)生成。
離子方程式：Cu＋2Ag=Cu＋2Ag
4.金屬與水反應
排在H前面的金屬，理論上講都可以與水發(fā)生化學(xué)反應。但是基于活動(dòng)順序，不同金屬與水反應的條件不盡相同。鉀，鈣，鈉等在常溫下能與水發(fā)生劇烈反應；鎂、鋁等能與熱水反應；鐵等金屬在高溫下能與水蒸氣反應。
5.金屬還原性
在金屬活動(dòng)順序表中，一般位置越后的金屬，金屬性越弱，原子的還原性越弱；位置越前的金屬，金屬性越強，原子的還原性越強。
焰色反應
許多金屬或它們的化合物在燃燒時(shí)火焰呈特殊的顏色，叫做焰色反應。
屬于物理變化，相應金屬不管是離子還是單質(zhì)灼燒時(shí)都會(huì )呈現其對應焰色。
焰色反應
堿金屬元素及鈣、鍶、鋇、銅等少數金屬能發(fā)生焰色反應。
金屬提煉
從含金屬的礦石中提煉金屬一般需要經(jīng)過(guò)三大步驟：①采礦和選礦；②冶煉；③精煉。
選礦就是對開(kāi)采出來(lái)的礦石進(jìn)行預處理，把礦石中大量脈石（主要是石英、石灰石和長(cháng)石等）除去，以提高礦石中有用成分的含量，達到富集的目的。常用的選礦方法有水選法、磁選法和浮選法等。選礦過(guò)程主要利用礦石中有用成分與脈石在物理性質(zhì)上的差別將它們分開(kāi)。
絕大多數金屬在自然界中都是以它們的化合物或鹽的形式存在的，由于金屬的化學(xué)活性不同，金屬離子得到電子被還原為金屬原子的能力也不同，因而相應的冶煉方法也不同。工業(yè)上提煉金屬常用的方法有：
還原法
這是使用得最為廣泛的一種方法 ：常用的還原劑有碳、一氧化碳、氫和活潑金屬。按還原劑不同，又可分為下列幾種情況。
碳還原法
氫還原法
由于用碳做還原劑所得到的金屬往往含有碳和金屬碳化物，得不到純金屬。因此若要制取不含碳的金屬，或希望得到純度較高的金屬，常用氫還原法。一般說(shuō)，具有較少生成焓的氧化物，如氧化銅、 氧化鐵、氧化鈷、氧化鎢等，容易被氫還原成金屬。
化學(xué)方程式：WO3+3H2=2W+3H2O （反應條件：高溫）
金屬還原法
一些具有較大生成焓的氧化物，如氧化鋯、氧化鈦等，基本上不能被氫氣還原，而只能使用金屬還原法。鋁是最常用的還原劑，此外鈣、鎂也是常用的還原劑。由于鋁的還原能力強，價(jià)廉易得，生成氧化鋁的反應強烈放熱，可節約能耗。因而常用鋁還原其它金屬氧化物，以制備相應的金屬。
化學(xué)方程式：Cr2O3+2Al=2Cr+Al2O3 （反應條件：高溫）但鋁容易與許多金屬生成合金，得到的金屬中常雜有鋁，這是用鋁做還原劑的缺點(diǎn)。用鈣、鎂做還原劑，并不和被還原金屬生成合金，得到的金屬純 度較高。通常用來(lái)制備鈦 、鋯、鉿、釩、鈮、鈾等金屬。
熱分解法
化學(xué)方程式：ThI4=Th+2I2 （反應條件：加熱）
鈦、鋯、鉿、釩、鉻等金屬，都可以從它們的碘化物分解而得。此法的優(yōu)點(diǎn)在于制得的金屬純度較高。在金屬活動(dòng)序中處于氫后面的金屬，則可通過(guò)熱分解它們的氧化物來(lái)制取。
化學(xué)方程式：2HgO=2Hg+O2 ↑ （反應條件：加熱）
電解法
電解是最強的還原手段，任何離子化合物都可以進(jìn)行電解，在陰極上得到還原產(chǎn)品。因而幾乎所有的金屬都可以用電解法來(lái)制備。這種方法得到的產(chǎn)品純度很高，但能耗大，成本高。目前，在工業(yè)上對鋁和比鋁更活潑的金屬，如鈣、鎂、鈉等，都是用電解法制取得。
金屬用途
- 金屬在人類(lèi)生產(chǎn)生活中用途十分廣泛。 例如，純金屬、金屬的合金、金屬間隙化合物或金屬的復合材料。金屬或金屬材料種類(lèi)繁多，簡(jiǎn)單介紹一下各類(lèi)金屬典型用途。
- 元素周期表中金屬與非金屬交界區的一些金屬元素，如鎵、銦、鍺等， 是典型的半導體材料，大量用于制造各類(lèi)半導體器件及電子元件。
- 銀、銅、金、鋁是所有金屬中導電性較好的。銀和金的化學(xué)穩定性高，但價(jià)格貴，通常在要求較高的 場(chǎng)合用做導電元部件，而銅和鋁 （尤其是鋁、質(zhì)輕價(jià)廉）則廣泛用于電器工業(yè)，制造各種導線(xiàn)、電纜、電極及導電元部件。
- 金、銀、銅自古以來(lái)就是制造貨幣的主要材料，直至今天仍是一些國家造幣合金的成分 。此外制造各種飾物 、器皿以及精 美的工藝品、收藏品也是金和 銀的一個(gè)重要用途。
- 鐵是所 有金屬中用途最廣、用量 最大的 一 種 金屬，從 遠 古鐵 器時(shí) 代起，鐵就是制造生產(chǎn) 工具、生活用 具和武器的基本材料 。今天，鐵仍是各種不同性能 的鋼材的基本成分。
- 鐵、鈷、鎳有順磁性，它們是許多磁性材料的主要成分。永磁材料是 一 類(lèi)重要的電子材 料，用它制成 的元器件，無(wú)需再加能量就可提供恒定的磁場(chǎng)。永磁材料在各種電子電工儀表、記錄儀、通風(fēng)設備、發(fā)電機、電動(dòng)機、電聲、電視器件中都起著(zhù)重要的作用。
- 大多數鉑系金屬能吸收氣體，尤其是H2，其中鈀吸收H2的功能特別強。因 此可 用鉑 和 鈀作為貯氫材料。在電子工業(yè)中，用鈀管做成H2過(guò)濾器，以制備高純H2。此外，鉑系金屬特別是釕、銠 、鉑、鈀（及其化合物）常用做化學(xué)工業(yè)的催化劑。
- 部分金屬由于其熔點(diǎn) 、沸點(diǎn)較高且硬度較大的特點(diǎn)，用做金屬陶瓷的重要原料，例如高熔點(diǎn)金屬鎢和鉻。此外，鎢、鉬等高熔點(diǎn)金屬還常被用做電子儀器中的熱電子發(fā)射材料，鎢更被大量用來(lái)制造各類(lèi)燈泡中的燈絲和 硬質(zhì)合金。
- 稀土金屬化學(xué)性質(zhì)活潑，有相當強的還原能力，對鋼液有脫氧 、脫硫及清除有害雜質(zhì)的作用，在冶金 工業(yè)中有重要的用途。微量稀土金屬可大大改善甚至根本改變合金的性質(zhì)，被稱(chēng)為冶金工業(yè)的維生 素，是重 要的合金成分。
- 在玻璃、陶瓷工業(yè)中，稀土元素常作為添加劑。玻璃中引入稀土元素后可改善其性能 ，制成 多種 新型 玻璃（彩色玻璃、光學(xué)玻璃、吸光玻璃及激光玻璃等），廣 泛應用于光學(xué)儀器、電子工業(yè)、電機以及原子能工業(yè)，在陶瓷中添加稀土氧化物可改進(jìn)陶瓷的燒結性、致密度、顯微結構和相組成，以滿(mǎn)足在不同場(chǎng)合下使用的陶瓷材料的質(zhì)量要求和性能 要求。
- 金屬元素是人類(lèi)必需元素。微量元素在體內含量很少，但它們在生命過(guò)程中的作用不可低估。缺少必需的微量元素，酶的活性就會(huì )降低或完全喪失，激素、蛋白質(zhì)、維生素的合成和代謝也就會(huì )發(fā)生障礙，人類(lèi)生命過(guò)程就難以繼續進(jìn)行。比如鐵是血液中交換和輸送氧所必需的一種元素；鋅是一種與生命攸關(guān)的元素，被譽(yù)為“生命之花”，它是構成多種蛋白質(zhì)所必需的。
金屬之最
- 地殼中含量最高的金屬元素：鋁
- 地殼中含量最少的金屬：釙
- 人體中含量最高的金屬元素：鈣
- 年產(chǎn)量最高的金屬：鐵
- 硬度最大的金屬：鉻
- 熔點(diǎn)最高的金屬：鎢
- 熔點(diǎn)最低的金屬：汞
- 密度最小的金屬：鋰
- 導電性最好金屬：銀
- 最早發(fā)現的貴金屬：金
- 最純的金屬：鍺
- 最昂貴的金屬：锎
- 最穩定的金屬：金
- 航空航天最重要的金屬：鈦
- 最早使用的金屬：銅
- 比熱容最大的金屬：鋰
- 最怕冷的金屬：錫
- 最耐腐蝕的金屬：銥
- 最能吸收氣體的金屬元素：鈀
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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