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金属(常见物质)

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。 地球上的绝大多数金属元素是以化合态存在于自然界中的。这是因为多数金属的化学性质比较活泼,只有极少数的金属如金、银等以游离态存在。金属在自然界中广泛存在,在生活中应用极为普遍,是在现代工业中非常重要和应用最多的一类物质。

由于金属的电子倾向脱离,因此具有良好的导电性, 且金属元素在化合物中通常带正价电,但当温度越高时,因为受到了原子核的热震荡阻碍,电阻将会变大。金属分子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,这也是金属伸展性良好的原因。

在自然界中,绝大多数金属以化合态存在,少数金属例如金、银、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。

属于金属的物质有金、银、铜、铁、锰、锌等。在一大气压及25摄氏度的常温下,除汞(液态)外,其他金属都是固体。大部分的纯金属是银白(灰)色,只有少数不是,如金为黄赤色,铜为紫红色。金属大多带“钅”旁。

通常将具有正的温度电阻系数的物质定义为金属。使用的含112种元素的元素周期表中,金属元素共90种。位于“硼-砹分界线”的左下方,在s区、p区、d区、f区等5个区域都有金属元素,过渡元素全部是金属元素。

在固态金属导体内,有很多可移动的自由电子。虽然这些电子并不束缚於任何特定原子,但都束缚於金属的晶格内;甚至于在没有外电场作用下,因为热能,这些电子仍旧会随机地移动。但是,在导体内,平均净电流是零。挑选导线内部任意截面,在任意时间间隔内,从截面一边移到另一边的电子数目,等于反方向移过截面的数目。

除锡、锑、铋等少数几种金属的原子最外层电子数大于或等于4以外,绝大多数金属原子的最外层电子数均小于4,主族金属原子的外围电子排布为ns1或ns2或ns2 np(1-4),过渡金属的外围电子排布可表示为(n-1)d(1-10) ns(1-2)。主族金属元素的原子半径均比同周期非金属元素(稀有气体除外)的原子半径大。

狭义的有色金属又称非铁金属,是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合金。有色合金是以一种有色金属为基体(通常大于50%),加入一种或几种其他元素而构成的合金。

中国在1958年,将铁、铬、锰列入黑色金属,并将铁、铬、锰以外的64种金属列入有色金属。这64种有色金属包括:铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡、铜、铅、锌、锡、钴、镍、锑、汞、镉、铋、金、银、铂、钌、铑、钯、锇、铱、铍、锂、铷、铯、钛、锆、铪、钒、铌、钽、钨、钼、镓、铟、铊、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇、硅、硼、硒、碲、砷、钍。

有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,电阻比纯金属大、电阻温度系数小,具有良好的综合机械性能。常用的有色合金有铝合金、铜合金、镁合金、镍合金、锡合金、钽合金、钛合金、锌合金、钼合金、锆合金等。

有色金属中的铜是人类最早使用的金属材料之一。现代有色金属及其合金已成为机械制造业、建筑业、电子工业、航空航天、核能利用等领域不可缺少的结构材料和功能材料。 [1]

由两种或两种以上化学元素,且其中至少有一种是金属元素所组成具有金属特性的物质称为合金。由两种元素组成的合金统称为“二元合金”,由三种以上元素组成的合金通称为“多元合金”。合金的结构和性质,决定于组成合金的组分间相互作用的特性。

合金的晶体由不同类的原子组成,根据组成元素的相互作用不同,具有不同的晶体结构和性质。镍铬合金具有较高的电阻率和耐热性(1000℃~1200℃),常用作电炉丝;铝合金单位重量的强度高的接近于优质钢;铍青铜具有极高的硬度和强度,且有较好的弹性,抗腐蚀性强,可焊性和切削加工性良好,常用于制造特殊轴承、弹性元件、不发生火花的工具。由于合金的机械性、物理和化学性能往往优于纯金属,因此,工业上应用的金属材料几乎都是合金。 [2]

黑色金属:铁、铬、锰三种。

有色金:铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡、铜、铅、锌、锡、钴、镍、锑、汞、镉、铋、金、银、铂、钌、铑、钯、锇、铱、铍、锂、铷、铯、钛、锆、钒、铌、钽、钨、钼、镓、铟、铊、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇、钍。

常见金属:如铁、铝、铜、锌等。

稀有金属:如锆、铪、铌、钽等。

轻金属:密度小于4500千克/立方米,如钛、铝、镁、钾、钠、钙、锶、钡等。

重金属:密度大于4500千克/立方米,如铜、镍、钴、铅、锌、锡、锑、铋、镉、汞等。

贵金属:价格比一般常用金属昂贵,地壳丰度低(又称克拉克值(CLARKE value),一种表示地壳中化学元素平均含量的数值),提纯困难,如金、银及铂族金属。

准金属元素:性质价于金属和非金属之间,如硅、硒、碲、砷、硼等。

稀有金属:包括稀有轻金属,如锂、铷、铯等;

稀有难熔金属:如锆、钼、钨等;

稀有分散金属:如镓、铟、锗、铊等;

稀土金属如钪、钇、镧系金属;

放射性金属:如镭、钫、钋及锕系元素中的铀、钍等。

金属分为活性金属和钝性金属两种。 根据金属活动性顺序,氢前金属称为活性金属,氢后金属就是钝性金属。

钾 钙 钠 镁 铝 锌 铁 锡 铅 (氢) 铜 汞 银 铂 金

K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au

1、氢前面的金属能与弱氧化性强酸反应,置换出酸中的氢(浓硫酸、硝酸强氧化性强酸与金属反应不生成氢气)。

如:Fe + 2HCl FeCl2 + H2

2、活动性强的金属能与活动性弱的金属盐溶液反应。

3、大多数金属能与氧气反应。

4、排在H前面的金属,理论上讲都能与水发生化学反应。在常温下,钾,钙,钠等能与水发生剧烈反应,镁、铝等能与热水反应,铁等金属在高温下能与水蒸气反应。

5、金属均无氧化性,但金属离子有氧化性,活动性越弱的金属形成的离子氧化性越强。

6、金属都有还原性,活动性越弱的金属还原性越弱。

金属元素是化学元素的主体,是人们生产和生活的主要物质资源。

钨(W) 在各种金属元素中,钨是最难熔化和最难挥发的金属元素。钨主要用于制造合金钢;纯钨则主要用于制造灯炮中的钨丝,也用于电子仪器、光学仪器等。

铬(Cr) 铬是银白色金属,硬度极高,具有抗腐蚀性,用于电镀和制造特殊钢材。本世纪,当人们致力于研究铬的坚硬性质时,无意中发现了它的耐腐蚀性,从而诞生了不锈钢。现在,不锈钢及镀铬制品已在医疗器械、饮具、餐具等领域得到广泛应用。

锰(Mn) 纯净的锰性坚而脆,难以在生产和生活中应用,但锰的合金则有广泛的用途。锰钢既坚硬、又坚韧,是制造铁轨、轴承、装甲板的理想材料。

锂(Li) 锂是最轻而比热最大的金属元素。锂不仅用于制造超轻合金和锂电池,而且是尖端技术的重要材料。锂合金在航天工业上可大大减轻重量而降低能耗,在原子能工业上有重要作用;在冶金工业中,锂常用作脱氧剂和脱气剂,以消除金属铸件中的孔隙和气泡。

钛(Ti) 钛的比强度(强度与比重的比值)在所有金属元素中最高。钛及钛为主体的合金是新型的结构材料,质硬而轻,主要用于制造飞机、潜艇、耐腐蚀化工设备及各种机械零件。钛合金在-253~ 500°C的温度范围内,都可保持高强度,是理想的航天材料。在炼钢中,少量的钛还是良好的脱氧、除氮及脱硫剂。 [3]

地壳中含量最高的金属元素:铝(含量为7.73%)

人体中含量最高的金属元素:钙(含量为1.5%)

目前世界年产量最高的金属:铁

密度最小的金属:氢(2016年1月英国科学家在爱丁堡大学首次制成金属态氢,氢成为密度最小的金属)

密度最大的金属:锇(22.48×10/m)

最硬的金属:铬(莫氏硬度约为9)

最软的金属:铯(莫氏硬度约0.5)

导电性最强的金属:银

导热性最强的金属:银

制造新型高速飞机最重要的金属:钛(被科学家称为“二十一世纪的金属”或“未来的钢铁”)

海水中储量最大的放射性元素:铀(陆地铀矿的总储量约200万吨,海洋里含铀的总量高达40万万吨)

含同位素最多的元素:锡(有10种稳定的同位素)

含同位素最少的元素:钠(只有Na-23稳定)

展性最强的金属:金(最薄的金厚度只有1/10000mm)

延性最好的金属:铂(最细的铂丝直径只有1/5000mm)

熔点最高的金属:钨(熔点:3410±20℃)

熔点最低的金属:汞(熔点-38.8℃)

熔沸点相差最大的元素是镓(熔点30℃,沸点2403℃)

地壳中含量最少的金属是钫(即使是在含量最高的矿石中,每吨也只有37×10负13次方克;地壳中的含量约为1×10^-21 %)

光照下最易产生电流的金属元素:铯(当其表面受到光线照射时,电子便能获得能量从表面逸出,产生光电流)

金属性最强的金属:铯

世界上最贵的金属:锎(每克1千万美元,比金贵50多万倍)

世界上最便宜的金属:铁

最易应用的超导元素:铌(把它冷却到-263.9℃的超低温时,会变成一个几乎没有电阻的超导体)

最能吸收气体的金属元素:钯(1体积胶状钯能吸收氢气1200体积)


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