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第十六章 金属通论
本章要求
能用结构的知识说明金属的物理、
化学性质。
掌握一般的金属冶炼方法，并能用
热力学函数判断金属从其化合物中被
还原的可能性和难易程度。
了解合金的基本类型和性质。
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第一节 概 述
在已知的109种元素中，金
属元素有87种，准金属有5
种，非金属17种，金属在周
期表中的位置见图。
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一、金属的分类
金属通常可分为黑色金属和有色金属两
大类：
1、黑色金属：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：除去铁、铬、锰之外的
所有金属。
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有色金属的分类
有色金属又分为五类：
轻有色金属：一般指密度在
的有色金属，如：铝、镁、钠、钾、钙、
锶、钡。
重有色金属：一般指密度在
的有色金属，其中有铜、镍、铅、锌、钴、
锡、汞、锡等。
贵金属：包括金、银和铂族元素，由于它
们稳定、含量少、开采和提取困难、价格
贵，因而得名贵金属。
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准金属：半导体，一般指硅、硒、碲、
砷、硼。
稀有金属；自然界中含量很少，分布
稀散、发现较晚，难以从原料中提取
的或在工业上制备和应用较晚的金属。
如：锂、铷、铯、钨、锗、稀土元素
和人造超铀元素等。
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二、金属在地壳中的含量
丰度的概念：化学元素在地壳中的平均
含量称为丰度。
克拉克值：为纪念美国科学家克拉克在
计算地壳中元素平均含量所做的贡献，
将各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，称
为“质量克拉克值”，简称“克拉克值
”；如以原子百分数表示，则称为“原
子克拉克值”。
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三、金属的存在
活泼金属以化合态形式存在，不活泼的金
属往往以单质的形式存在。有些金属如铜、
银等既能以单质又能以化合态形式存在。
在地壳中存在的金属化合物具有低的溶解
性，而易溶的化合物则主要存在于海水中
和海水蒸发后形成的大盐床上。
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轻有色金属主要以碳酸盐、磷酸盐、
硫酸盐和氯化物的形式存在；重有色
金属主要以硫化物和氧化物的形式存
在。
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第二节 金属的物理性质
金属 非金属
常温时，除了汞是液体
外，其它金属都是固体
常温时，除了溴是液体
外，有些是气体，有些
是固体
一般密度比较大 一般密度比较小
有金属光泽 大多没有金属光泽
大多是热及电的良导体
,电阻通常随着温度的
增高而增大
大多不是热和电的良导
体，电阻通常随温度的
增高而减小
大多具有展性和延性 大多不具有展性和延性
固体金属大多属金属晶
体
固体大多属分子型晶体
蒸气分子大多是单原子
的
蒸气（或气体）分子大
多是双原子或多原子的
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1、金属光泽：
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，铋为淡
红色，铯为淡黄色，铅是灰蓝色。
许多金属在光的照射下能放出电子(光电
效应)。
另一些在加热到高温时能放出电子(热电
现象)。
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2、金属的导电性和导热性：
大多数金属有良好的导电性和导热性。
常见金属的导电和导热能力由大到小
的顺序排列如下：
Ag，Cu，Au，Al，Zn，Pt，Sn，
Fe，Pb，Hg
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3、超导电性：
金属材料的电阻通常随温度的降低而减小。
1911年首次发现汞冷到低于时，其电阻
突然消失,导电性差不多是无限大,这种性质
称为超导电性。具有超导性质的物体称为超
导体。
超导体电阻突然消失时的温度称为临界温度
(T0)。超导体的电阻为零，也就是电流在超
导体中通过时没有任何损失。
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超导材料大致可分为纯金属、合金
和化合物三类。
超导材料可以制成大功率超导发电
机、磁流发电机、超导储能器、超
导电缆、超导磁悬浮列车等。
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4、金属的延展性：
金属有延性，可以抽成细丝。例如
最细的白金丝直径为1/5000mm。
金属又有展性，可以压成薄片，例
如最薄的金箔，可达1/10000mm厚。
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5、金属的密度
锂、钠、钾比水轻，锂的密度甚
至比煤油还轻，所以锂保存在石
蜡里，钠和钾保存在煤油中。
大多数金属的密度较大。
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6、金属的硬度
一般较大，有的坚硬,如铬、钨等；
但 ⅠA、ⅡA(铍、镁除外）都是较
软的金属,可用小刀切割。
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7、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。
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8、金属玻璃(非晶态金属)
将某些金属熔融后,以极快的速度淬冷。
由于冷却速度极快,高温时金属原子的
无序状态被“冻结”,不能形成密堆积
结构，得到与玻璃类似结构的物质,故
称为金属玻璃。
金属玻璃同时具有高强度、高韧性、
优良的耐腐蚀性和良好的磁学性能，
因此它有许多重要的用途。
典型的金属玻璃有两大类：一类是过
渡金属与某些非金属形成的合金；另
一类是过渡金属间组成的合金。
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金 属 之 最
导电性和导热性最好的金属是银
延性最好的金属是铂
展性最好的金属是金
硬度最大的金属是铬
熔点最高的金属是钨
熔点最低的金属是汞
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第三节 金属的化学性质
多数金属元素的原子最外层只有3个以
下的电子，通常易失去电子外层 (过渡
金属还能失去部分次外层的d电子) ，
表现出较强的还原性。但各种金属原
子失去电子的难易程度差别很大，因
此，金属还原性的强弱也大不相同。
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在气相中金属原子失去电子
的难易用电离势数值大小来
衡量。在水溶液中金属失去
电子能力的大小就要用标准
电极电势的数值来衡量。
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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。
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二、金属与水、酸的反应
常温下纯水的[H+]=10-7mol·L-1，其
H+/H2=。因此, <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。
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一般<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。
>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。
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三、金属与碱反应
金属一般都不与碱起作用。但锌、铝等少数
显两性的可与强碱反应，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
Sn+2NaOH+2H2O=Na2[Sn(OH)4]+H2
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四、金属与配位剂的作用
由于配合物的形成，改变了金属的
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
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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。
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第四节 金属的提炼
一、金属的提炼
能用来提炼金属的矿物称为矿石（如：软
锰矿、闪锌矿、绿柱石、黑钨矿、辰砂、
锡石）。绝大多数矿石都多少含有杂质，
主要是石英、石灰石和长石等。这些物质
也称为脉石，所以从矿石中提炼金属一般
经过三大步骤：(1)矿石的富集，(2)冶炼，
(3)精炼。
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1、矿石的富集
是预先处理矿石，把其中所含大量脉
石移去，以提高矿石中有用成分的含
量。富集选矿的方法很多，根据矿石
的颜色、光泽、形状等不同的特征可
进行简单的手选，利用矿石中有用成
分与脉石的密度、磁性、粘度、熔点
等性质的不同，可以采用不同的方法
选矿，常用的选矿法有水选法、磁选
法和浮选法等。
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2、冶炼
工业上的还原过程即称为冶炼，把金
属从化合物中的还原成单质。
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：
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(1)热分解法
有一些金属仅用加热矿石的方法
就可以得到。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
将辰砂(硫化汞)加热也可以得到汞：
HgS+O2=Hg+SO2
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(2)热还原法
a．用焦炭作还原剂
SnO2+2C=Sn+2CO2
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
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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，那末先在空气
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
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b．用氢气做还原剂
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。
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。
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c．用比较活泼的金属作还原剂
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；
(a)还原力强；
(b)容易处理；
(c)不和产品金属生成合金；
(d)可以得到高纯度的金属；
(e)其它产物容易和生成金属分离；
(f)成本尽可能低，等等。
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通常用铝、钙、镁、钠等做还原剂，
铝是最常用的还原剂即铝热法。例
如，将铝粉和氧化铁作用可得到铁，
这个是我们较熟悉的。
铝容易和许多金属生成合金。可采
用调节反应物配比来尽量使铝完全
反应而不残留在生成的金属中。
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。
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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+4NaCl
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2
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(3)、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和熔盐电解法两
种。活泼金属如铝、镁、钙、钠等用
熔融化合物电解法制备。
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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。金属的提炼方法
与它们在周期表中的位置大致关
系见表。
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二、金属还原过程的热力学
金属氧化物越稳定，则还原
成金属就越困难，比较它们的生
成自由能就可以知道。氧化物的
生成自由能越负的，则该氧化物
越稳定，而金属就越难被还原。
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艾林汉在1944年首先用消耗1molO2生成氧
化物过程的自由能变化对温度作图。根据：
rG=rH-TrS
的关系，只要rS不等于零，则rG将随温
度的改变而改变。假如rH和rS为定值,
则rG对绝对温度作图便得到一直线。直线
的斜率等于反应的熵变。
只要反应物或生成物不发生相变（熔化、
气化、相转变） rG对T作图都是直线。
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1．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。
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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。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。
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3．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=2CO的反应倾向更大。
生成CO的直线向下倾斜,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。能够被碳还原，碳
为一种广泛应用的优良的还原剂。
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三、金属的精炼
1、电解精炼:
该法将不纯的金属做成电解槽的阳
极，薄片纯金属做成阴极，通过电解，
纯金属在阴极上析出。
常用此法精炼提纯的金属有Cu、
Au、Pb、Zn、Al等。
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2、气相精炼法
镁、汞、锌、锡等沸点较低的
金属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。
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3、羰化法
这是提纯金属的一种较新的方法。
现以镍为例。羰化法提纯镍是基于镍
能与一氧化碳生成易挥发并且也容易
分解的一种化合物——四羰基合镍。
Ni+4CONi(CO)4
生成的气体冷凝后，精馏得
Ni(CO)4，最后热分解而得到纯镍粉。
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4、碘化物热分解法
可用于提纯少量锆、铪、铍、硼、
硅、钛和钨等。
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5、区域熔炼法
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6、气相水解法
近年来有采用火花放电、氢氧焰等进
行气相加水分解的方法制高纯物质。
如将铝放人纯水中，用火花放电方法
制成Al(OH)3再于1580K加热Al(OH)3
可制得纯度为%的Al2O3。
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关于湿法冶金
湿法冶金也叫水法冶金，它是利
用在溶液中进行的化学反应（置
换、氧化还原、中和。水解等）
对原料中的金属进行提取和分离
的冶金过程。
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第五节 合 金
在熔化状态时金属可以相互溶解
或相互混合，形成合金。金属与
某些非金属也可以形成合金，例
如生铁就是铁和碳的合金。故合
金可认为是具有金属特性的多种
元素的混合物。
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1、低共熔混合物
低共熔混合物是两种金属的非均匀混
合物，其熔点总比任一纯金属的熔点
要低。例如铋的熔点为544K，镉的熔
点为594K，铋镉合金的最低熔化温度
是413K，这个温度称为最低共熔温度。
组成对应于这一温度的合金称为低共
熔混合物。对铋和镉合金来说，低共
熔混合物含40％Cd和60％Bi。
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2、金属固溶体
固熔体具有一种均匀的组织。它是
合金组成物在固态下彼此相互溶解
而形成的晶体，称为固溶体（固态
溶液）。固溶体中被溶组成物（溶
质）可以有限地或无限地熔于基体
组成物（溶剂）的晶格中。根据溶
质原子在晶体中所处的位置，固溶
体分为置换固溶体、间充固溶体和
缺位固溶体。
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作业
2、4、10、16、17。
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软锰
矿
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闪锌
矿
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绿柱石
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黑钨
矿
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辰砂
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锡石SnO2
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碱金属单质部分性质
锂 钠 钾 铷 铯
密度
（g/c
m3)
熔点
（K)
沸点
（K)
1620 1156 1047 961
硬度
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