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通常把元素周期表中具有金屬光澤、可塑性、導電性及導熱性良好的化學元素稱為金屬。金屬最突出的特性是它們的容易失去電子的傾向。在自然界中,絕大多數金屬以化合態存在,少數金屬例如金、鉑、銀、鉍以遊離態存在。金屬礦物多數是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽。

1 金屬 -簡介

金屬 jīn shǔ 英語:metal(s) 

定義

通常把元素周期表中具有金屬光澤、可塑性、導電性及導熱性良好的化學元素稱為金屬。在元素周期表中,金屬元素有80多種,其它元素稱為非金屬。金屬的分類是按歷史上形成的工業分類法,這種分類法雖然沒有嚴格的科學論證,但一直沿用到現代。
金屬最突出的特性是它們的容易失去電子的傾向。因此,從化學角度看,金屬是指在溶液中容易生成正離子的化學元素,其氧化物與水結合形成氫氧化物而不形成相應的酸。金屬之間在化學上的差別主要表現在電子序方面,許多化學反應,特別是氧化還原反應,決定與其電極電位的正負及其數值大小。
從物理角度看,由於金屬的原子的外層結構中都含有遊離的或易激化的電子,因而具有一系列金屬特性(金屬性)。
其它
在自然界中,絕大多數金屬以化合態存在,少數金屬例如金、鉑、銀、鉍以遊離態存在。金屬礦物多數是氧化物及硫化物。其他存在形式有氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽及硅酸鹽。金屬之間的連結是金屬鍵,因此隨意更換位置都可再重新建立連結,這也是金屬伸展性良好的原因。金屬元素在化合物中通常只顯正價。金屬中延展性最好的是金(Au),常溫下導電好的依次是銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)等。

2 金屬 -金屬元素在周期表中的位置

   在元素周期表中被認為是金屬的元素如下 :

 —所有2A和2A族元素;
 —3A族(Al、Ga、In、Tl)、4A族(Sn、Pb)和5A(Bi)中的較重元素;
 —所有過渡金屬(B副族) ;
 —所有鑭系和錒系元素。

在已發現的112種元素, 上述金屬共佔90種。位於「硼-砹分界線」的左下方,在s區、p區、d區、f區等5個區域都有金屬元素,過渡元素全部是金屬元素。
金屬元素的原子結構特徵: 
  除Sn、Sb、Bi等少數幾種金屬的原子最外層電子數大於或等於4以外,絕大多數金屬原子的最外層電子數均小於4,主族金屬原子的外圍電子排布為ns1 或ns2 或ns2 np(1-4),過渡金屬的外圍電子排布可表示為(n-1)d(1-10) ns(1-2)。主族金屬元素的原子半徑均比同周期非金屬元素(稀有氣體除外)的原子半徑大。

3 金屬 -金屬基本特性

金屬的良導電性: 在外電場的影響下,金屬通過其內部的電子運動而傳導電流;金屬的導電性一般比典型的非金屬大幾個數量級,金、銀、銅、鋁是最好的金屬導體;汞是較差的導體,但也被應用在許多必須應用液態導體的電器裝置中。

金屬的良導熱性: 在固體中,金屬無疑都是最佳的導熱體,銅、銀、金、鋁也都是導熱性最好的金屬。
金屬光澤: 磨光的金屬表面具有反射光線的性能,大多數金屬能反射所有波長的光線,因而呈銀白色,銅和金吸收光譜中藍色區域的某些光線,因而呈黃色和紅色。
金屬的延展性: 大多數金屬都有延性(能被拉長成絲)和展性(能被捶打成薄片)。
金屬的非揮發性: 除汞外,所有金屬在25℃時都是固體,金屬的熔點範圍很寬,熔點低的接近室溫,如Cs為29℃,Ga30℃,而鎢達3380℃ 。
金屬不溶於水和有機溶劑: 沒有金屬能「真正溶解」於水和有機溶劑,只有液態汞能溶解某些金屬生成汞齊。金屬在失去電子后容易生成金屬鍵,金屬鍵的強度直接與佔據晶格位置的正離子的電荷有關。

4 金屬 -金屬的分類 

有色金屬有色金屬
 1、冶金工業分類法:

現代工業上習慣把金屬分為黑色金屬和有色金屬兩大類,鐵、鉻、錳三種金屬屬於黑色金屬,其餘的所有金屬都屬於有色金屬。有色金屬大體上可以分成重有色金屬、輕金屬、貴金屬、稀有金屬和半金屬等五類。

(1)重有色金屬。簡稱重金屬,包括銅、鉛、鋅、錫、鎳、鈷、銻、汞、鎘、鉍、鉻和錳12種金屬。銻有時被劃歸半金屬類,鉻和錳有時也被列為黑色金屬。這類金屬的共同特點是密度較大,都在6600kg/m3以上。
(2)輕金屬。包括鋁、鎂、鈣、鍶、鋇、鉀、鈉7種金屬。這類金屬的共同特點是密度較小,都在4000kg/m3以下;化學性質活潑,易與氧、鹵素、水等作用。
(3)貴金屬。包括金、銀及鉑族金屬中的鉑、鋨、銥、釕、銠、鈀8種金屬。這類金屬的共同特點是化學性質穩定,密度大(10000~22000kg/m3),熔點較高(1189~3273K)。
(4)稀有金屬。這個名稱並不全是由於它們在地殼中丰度低的原因,而是某些稀有金屬在地殼中的貯存狀態比較分散,或發現比較晚,或製取較困難,因而其生產和應用都較晚。在歷史上給人以「稀有」的概念,遂被稱為稀有金屬而沿用至今。稀有金屬根據其物理化學性質或其在礦物中的共生情況,又分為五類。
第一類是稀有輕金屬,包括鋰、銣、銫和鈹,共4種金屬。共同特點是密度小(在0.53-1.859g/cm3之間),化學活性強,氧化物和氯化物都很穩定,難以還原成金屬,一般都用熔鹽電解法和金屬熱還原製取。其性質及生產方法與輕金屬鋁、鎂等相似。
第二類是稀有高熔點金屬,包括鈦、鋯、鉿、釩、鈮、鉭、鎢、鉬和錸,共9種金屬。其共同特點是熔點高,鎢的熔點達3680K;耐腐蝕性能好。具有多種原子價,它們的碳、氮、硼、硅化合物熔點也很高,硬度大,生產工藝上一般都是先製取純氧化物或鹵化物,再用金屬熱還原法或熔鹽電解法製取,鈦由於密度小,也有將它劃歸輕金屬類的;錸由於無獨立的礦床,主要分散在某些金屬(特別是鉬)的硫化礦中,因而也有人將它劃歸稀散金屬類。
第三類是稀土金屬,包括鑭系元素鑭、鈰、鐠、釹、鉅、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥及鈧、釔,共17個金屬。其共同特點是最外兩層電子結構相同,釔與鈧也與之相似,因而它們的物理化學性質非常相近,在礦物中共生,分離困難。在冶鍊過程中的行為也大體相似。
第四類是稀散金屬,包括鎵、銦、鉈、鍺、硒、碲,共6種金屬。其共同特點是只有極少的獨立礦物,一般都是以類質同象形態存在於其他礦物中。鍺、硒、碲具有典型的半金屬性質,因此也有把它們劃歸入半金屬類的。
第五類是放射性金屬,包括天然放射性金屬釙、鈁、鐳、錒、釷、鏷和鈾,以及人造放射性金屬鍀、鎿、鈈、鎇、鋦、錇、鐦、鎄、鐨、鍆、鍩、鐒和104~109號元素,共25種金屬。其共同特點是能自發放射出具有某種能量的射線(α、β、γ射線)。
(5)半金屬。又稱似金屬或類金屬(metalliods)。包括硅、砷、硼、碳和砹共4種。其特點是它們的導電率介於金屬和非金屬之間,並且都具有一種或幾種同質異構體,其中一些具有金屬性質,一些具有非金屬性質。半金屬大都是半導體材料。硒、碲、鍺、銻、釙也具有半金屬的屬性,按中國慣例已劃歸入其他類別中。2、其它:
常見金屬:如鐵、鋁、銅、鋅等; 
稀有金屬:如鋯、鉿、鈮、鉭等;     

1.輕金屬。密度小於4500千克/立方米,如鋁、鎂、鉀、鈉、鈣、鍶、鋇等。    
2.重金屬。密度大於4500千克/米3,如銅、鎳、鈷、鉛、鋅、錫、銻、鉍、鎘、汞等。    
3.貴金屬。價格比一般常用金屬昂貴,地殼丰度低,提純困難,如金、銀及鉑族金屬。    
4.准金屬元素。性質價於金屬和非金屬之間,如硅、硒、碲、砷、硼等。    
5.稀有金屬。包括稀有輕金屬,如鋰、銣、銫等; 
6.稀有難熔金屬,如鈦、鋯、鉬、鎢等;    
7.稀有分散金屬,如鎵、銦、鍺、鉈等;    
8.稀土金屬,如鈧、釔、鑭系金屬;    
9.放射性金屬,如鐳、鈁、釙及阿系元素中的鈾、釷等。

5 金屬 -金屬材料基本特性

       金屬材料性能為更合理使用金屬材料,充分發揮其作用,必須掌握各種金屬材料製成的零、構件在正常工作情況下應具備的性能(使用性能)及其在冷熱加工過程中材料應具備的性能(工藝性能)。   
       材料的使用性能包括物理性能(如比重、熔點、導電性、導熱性、熱膨脹性、磁性等)、化學性能(耐用腐蝕性、抗氧化性),力學性能也叫機械性能。  
       材料的工藝性能指材料適應冷、熱加工方法的能力。金屬材料比表面積研究是非常重要的。

(一)、機械性能
金屬鍶金屬鍶

 機械性能是指金屬材料在外力作用下所表現出來的特性。
1、強度:材料在外力(載荷)作用下,抵抗變形和斷裂的能力。材料單位面積受載荷稱應力。
2、屈服點(бs):稱屈服強度,指材料在拉抻過程中,材料所受應力達到某一臨界值時,載荷不再增加變形卻繼續增加或產生0.2%L。時應力值,單位用牛頓/毫米2(N/mm2)表示。
3、抗拉強度(бb)也叫強度極限指材料在拉斷前承受最大應力值。單位用牛頓/毫米2(N/mm2)表示。
4、延伸率(δ):材料在拉伸斷裂后,總伸長與原始標距長度的百分比。
5、斷面收縮率(Ψ)材料在拉伸斷裂后、斷面最大縮小面積與原斷面積百分比。
6、硬度:即材料軟硬程度,指材料抵抗其它更硬物壓力其表面的能力,常用硬度按其範圍測定分佈氏硬度(HBS、HBW)和洛氏硬度(HKA、HKB、HRC)。
測定硬度試驗的方法很多,大體上可以分為彈性回條法(肖氏硬度)壓入法(布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度)和划痕法(莫氏硬度)等三大類,生產上應用最廣泛的是壓入法。它是將一定形狀、尺寸的硬質壓頭在一定大小載荷作用下壓入被測材料表層,以留下的壓痕表面面積大小或深度計算材料的硬度值。
由於硬度測定時的測定規範,所用儀器設備等不同,用壓入法井台測定材料的硬度的方法也有多種。常用的方法是布氏硬度法(HB),維氏硬度法(HV),洛氏硬度法(HR)。
7、衝擊韌性(Ak):常用衝擊吸收功 Ak 表示,指材料在衝擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的力。是材料抵抗衝擊載荷的能力,單位為焦耳/厘米2(J/cm2)。

拉伸的應力及階段
1、彈性:εe=σe/E, 指標σe,E
2、剛性:△L=P·l/E·F 抵抗彈性變形的能力強度
3、強度: σs---屈服強度,σb---抗拉強度
4、韌性:衝擊吸收功Ak
5、疲勞強度: 交變負荷σ-1<σs
6、硬度 HR、HV、HB

1、Ⅰ階段 線彈性階段 拉伸初期 應力—應變曲線為一直線,

金屬金屬飾品

此階段應力最高限稱為材料的比例極限σe.
2、Ⅱ階段 屈服階段 當應力增加至一定值時,應力—應變曲線出現水平線段(有微小波動),在此階段內,應力幾乎不變,而變形卻急劇增長,材料失去抵抗變形的能力,這種現象稱屈服,相應的應力稱為屈服應力或屈服極限,並用σs表示。
3、Ⅲ階段 為強化階段,經過屈服后,材料又增強了抵抗變形的能力。強化階段的最高點所對應的應力,稱材料的強度極限。用σb表示,強度極限是材料所能承受的最大應力。
4、Ⅳ階段 為頸縮階段。當應力增至最大值σb后,試件的某一局部顯著收縮,最後在縮頸處斷裂。
對低碳鋼σs與σb為衡量其強度的主要指標。   
剛性:△L=P·l/E·F,抵抗彈性變形的能力。   
P---拉力,l---材料原長,E---彈性模量,F---截面面積   
塑性變形:外力去處后,不能恢復的變形,即殘餘變形稱塑性變形。   
材料能經受較大塑性變形而不破壞的能力,稱為材料的塑性或延伸性。衡量材料塑性的兩個指標是延伸率和斷面收縮率。   
延伸率δ=(△l0/l)×100% 斷面收縮率ψ=((A-A1)/A)×100%    
疲勞強度:材料抵抗無限次應力(107)循環也不疲勞斷裂的強度指標,交變負荷σ-1<σs為設計標準。  

(二)、工藝性能
金屬鑄件金屬鑄件

 指材料承受各種加工、處理的能力的那些性能。
鑄造性能:指金屬或合金是否適合鑄造的一些工藝性能,主要包括流性能、充滿鑄模能力;收縮性、鑄件凝固時體積收縮的能力;偏析指化學成分不均性。
焊接性能:指金屬材料通過加熱或加熱和加壓焊接方法,把兩個或兩個以上金屬材料焊接到一起,介面處能滿足使用目的的特性。
頂氣段性能:指金屬材料能承授予頂鍛而不破裂的性能。
冷彎性能:指金屬材料在常溫下能承受彎曲而不破裂性能。彎曲程度一般用彎曲角度α(外角)或彎心直徑d對材料厚度a的比值表示,a愈大或d/a愈小,則材料的冷彎性愈好。
衝壓性能:金屬材料承受衝壓變形加工而不破裂的能力。在常溫進行衝壓叫冷衝壓。檢驗方法用杯突試驗進行檢驗。
鍛造性能:金屬材料在鍛壓加工中能承受塑性變形而不破裂的能力。

(三)、化學性能
有色金屬有色金屬

 指金屬材料與周圍介質掃觸時抵抗發生化學或電化學反應的性能。
耐腐蝕性:指金屬材料抵抗各種介質侵蝕的能力。
抗氧化性:指金屬材料在高溫下,抵抗產生氧化皮能力。   
金屬的氧化 
  金屬的氧化有兩種含義,狹義的含義是指金屬與環境介質中的氧化合而生成金屬氧化物的過程;廣義金屬氧化就是金屬與介質作用失去電子的過程,氧化反應產物不一定是氧化物也可以是硫化物、鹵化物、或其他化合物。 
金屬的鈍性 
  處於鈍態下的金屬性質 。

6 金屬 -金屬粉基本特性

常用的金屬粉有鋁粉、鋅粉、鉛粉,合金形式的金屬粉有銅鋅粉(俗稱金粉)、鋅鋁粉、不鏽鋼粉等。

有色金屬有色金屬

 一、與其他顏料相比較,金屬顏料有它的特殊性。由於粉末狀的金屬顏料以金屬或合金組成,故有明亮的金屬光澤和顏色。困此,許多金屬顏料用做裝飾性顏料,如銅鋅粉,它的色相從淡金直至赤金,使被塗裝的物品絢麗多彩;鋁粉色相銀白,也用於裝飾。近年來鋁粉的新品種閃光鋁粉與透明顏料配合使用,塗裝面不僅有金屬亮點,而且五彩繽紛,裝飾效果非常好;鱗片狀的鋅粉略呈淡色的金屬光,能使塗裝物與周圍景物混為一體,有偽裝效果。

二、大多數金屬顏料都是鱗片狀粉末,它調入成膜物而且塗裝成膜時,像落葉鋪地一樣與被塗物平行,互相連結,互相遮掩,多層排列,形成屏障,金屬鱗片阻斷了成膜物的微細孔,阻止外界有害氣體或液體在塗膜中的滲透,保護了塗膜及被塗裝物品,這是它物理屏蔽的防腐能力,而鋅粉除了有屏蔽能力

之外,還有陰極保護作用,大量的鋅粉在塗膜內互相連成導電層,當塗層遇到電化學腐蝕時,由於鋅比鐵具有負的電極電位差,首先被腐蝕,從而保護了鋼鐵底材。不鏽鋼粉具有良好的化學穩定性,能阻止化學腐蝕。

三、色淺、高光澤的金屬粉還有保溫能力,這類金屬粉幾乎不吸收光線,能反射可見光、紫外光,對於熱輻射也是如此,因此,可用於需要保溫、防止光和熱輻射的物品上,如貯存油品、氣體的罐、塔上,金屬粉能反射日光中紫外線的60%以上,故又能防止塗膜因紫外光照射老化,有利於延長塗膜的壽命。

黑色金屬黑色金屬

四、金屬顏料是極微細的粉末,且多屬鱗片狀,但也有球形、水滴形、樹枝形的,都與其製造方法有關。金屬粉末須經過表面處理才具有顏料特性,如分散性、遮蓋力等,不同的表面處理可使金屬親油或親水,以適應不同塗料的要求。

五、大多數金屬顏料通過物理加式方式進行生產,使純金屬或合金成為特定的粉,如從固態、液態及氣態金屬轉化為粉末。一、由金屬的氣相狀態轉化為粉末如升華法製取鋅粉、超細鋁粉粉。二、由金屬的液相狀態轉化為粉末如氣動霧化法製取鋁粉、鋅粉及銅金粉。三、由金屬的固相狀態轉化為粉末的如切削法、球磨法製造鎂粉、鋁粉、不鏽鋼粉及鈦粉。

7 金屬 -作用及應用

       通常用於粉末塗料的金屬顏料主要是鋁粉和銅粉、珠光粉。由於粉末塗料所選用的樹脂或固化劑不是含有鹼性就是有一定的酸性,對於這些金屬及金屬氧化物都會產生一定程度的影響,因此對金屬顏料的表面處理就顯得尤為重要。雖然大多數金屬顏料在出廠前都已尼過表面處理,但是能否經受粉末塗料施工條件(200度10 分鐘)的考驗是很成問題的。銅粉可採用苯並三氮唑等進行表面保護,對耐化學不穩定的鋁粉就無計可施了,所以銀色的美術型粉末塗層往往在使用一個階段後會出現發黑現象。 
       鎳粉在無色透明的樹脂中呈黃色,如果將它和其他顏色透明樹脂配合,可製成金色、橙色、黃綠色的塗層。在含有金屬顏料的粉末塗料中如果要製造彩色塗層,其遮蓋力應依靠金屬顏料而不應依靠著色顏料。最好選用遮蓋力較低的著色顏料或透明顏料,尤其要少用或不用鈦白炭黑等。因為高遮蓋力顏料的存在將使金屬顏料黯然失色。 
      金屬材料性能為更合理使用金屬材料,充分發揮其作用,必須掌握各種金屬材料製成的零、構件在正常工作情況下應具備的性能(使用性能)及其在冷熱加工過程中材料應具備的性能(工藝性能)。材料的使用性能包括物理性能(如比重、熔點、導電性、導熱性、熱膨脹性、磁性等)、化學性能(耐用腐蝕性、抗氧化性),力學性能也叫機械性能。

8 金屬 -從植物中收穫金屬

金屬金屬

1995年,俄羅斯奧爾登堡大學的生物學家梅格列特在研究一種叫蓼的一年生草本植物時,意外地發現蓼的葉子中含有異常高的鋅、鉛、鎘等金屬。在一些被鋅、鉛、鎘之類金屬污染過的土地上種了大量的蓼。這些蓼長得非常茂盛,葉子又大又厚,結果在1 公頃的土地上,一個季節就收穫了大量的蓼。梅格列特將蓼草放入800 ℃的爐子里燒,草化為灰燼,結果從中得到了1.3千克鎘、23千克鉛、322千克鋅。
德國奧爾登大學的一個試驗小組已在一處廢金屬堆放場引種俄羅斯大蓼獲得成功。該試驗小組已從德國各地尤其是環保組織接到了大量訂單,同時還為推廣這項研究成果專門成立了一家商業性公司。它的業務活動已引起德國軍事部門的很大興趣,因為歷史上的各種軍事演習場包括二戰時期用作化學武器倉庫的地方都有待改造,消除污染,以凈化環境,回收有害金屬。
美國加利福尼亞的專家們通過研究發現,野生芥菜有從土壤中蓄積鎳的功能,他們把種植的半公頃的野生芥菜桿割下來,晒乾再燒成灰,每100克芥菜灰中獲得了15-20克鎳。他們正著手培育蓄積金屬能力更強的芥菜新品種,預計可以從每平方米的土地上獲取12克鎳。儘管通過這種方式獲取鎳的效果遠不及其它辦法,但對環境無任何污染。 
科學研究證明,植物在千百萬年漫長的進化演變過程中,已經練就了一身非凡絕招,許多植物有累積某些金屬元素的能力。如堇菜好鋅、香薷含銅比較豐富、煙草含鈾特別多,還有紫雲英含硒、苜蓿含鉭、石松含錳格外豐富。生長在含黃金特別多的土壤中的玉米或木賊草,燒成灰,每噸竟可以提取到10克黃金。有些植物能累積稀有金屬,如鉻、鑭、釔、鈮、釷等,被稱為「綠色稀有金屬庫」。它們對稀有金屬的聚集能力要比一般植物高出幾十倍、成百倍,甚至上千倍。比如鉻,在一般植物中用光譜檢測也很難發現,而鳳眼蘭卻能在根上累積鉻,其含量可達到0.13%。
這一系列的發現引起了科學家們的極大興趣,被人們稱為「綠色冶金」技術。專家預言如果這一成果取得突破性的進展,人類將有可能通過種植植物來獲得所需的金屬,同時還可以改善遭受人類破壞的環境。

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