金屬
結(jié)構(gòu)及鍵結(jié)
六方最密堆積及面心立方堆積
金屬晶體中的原子緊密排列,排列方式可分為以下的兩種:第一種是體心立方堆積,每個(gè)原子排在八個(gè)原子之間,另一種是面心立方堆積,每個(gè)原子排在六個(gè)原子之間。這些原子的排列會(huì)形成晶體,有些金屬會(huì)依溫度不同,其晶體也隨之不同 。
金屬原子容易失去外層電子,因此在其晶體外面有一層電子云,這也是金屬是電和熱的良導(dǎo)體的原因。當(dāng)電子移動(dòng)時(shí),金屬的固體特性是來(lái)自電子云和原子之間的靜電力,這種鍵結(jié)稱為金屬鍵 。
自由電子與金屬性質(zhì)的關(guān)系
自由電子使金屬具光澤、富有延展性、容易導(dǎo)電、利于傳熱。在金屬晶體中具有中性原子,金屬陽(yáng)離子與自由電子,而自由電子可在整個(gè)晶體中自由移動(dòng)。
當(dāng)光線照射到金屬表面時(shí),自由電子吸收所有頻率的可見(jiàn)光,然后很快的發(fā)射出大部分所吸收的可見(jiàn)光。這也是因?yàn)榻^大多數(shù)金屬呈銀白色或鋼灰色光澤的原因。金屬在粉末狀態(tài)時(shí),由于晶體排列不規(guī)則,可見(jiàn)光被自由電子吸收后難以發(fā)射出去,所以金屬粉末一般呈暗灰色或灰色,但少數(shù)金屬的粉末會(huì)保持原來(lái)的顏色及光澤,例如金和鋁。
自由電子在金屬晶體中作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng),在外電場(chǎng)的作用下,自由電子會(huì)做定向移動(dòng),形成電流,為導(dǎo)電性強(qiáng)之原因。
當(dāng)金屬的一部分受熱時(shí),受熱部分的自由電子能量增加、運(yùn)動(dòng)加劇,不斷與金屬陽(yáng)離子碰撞而交換能量,把熱從一部分傳向各整體。
金屬受外力時(shí),金屬晶體內(nèi)某一層金屬原子及離子與另一層的金屬原子及離子發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),由于自由電子的運(yùn)動(dòng),各層間仍保持著金屬鍵的作用力。
金屬分類
金屬的分類各界不同,大致上可分為科學(xué)界及工業(yè)界二種分類法。
科學(xué)界會(huì)依元素周期表,將金屬分為以下各類:
堿金屬 :鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁,共6個(gè),均為周期表第1族的元素。
堿土金屬 :鈹、鎂、鈣、鍶、鋇、鐳,共6個(gè),均為周期表第2族的元素。
鑭系元素 :如鑭、鈰、鐠、釹、钷等,電子填充到4f軌道上的過(guò)渡金屬。
錒系元素 :如錒、釷、鏷、鈾、镎等,電子填充到5f軌道上的過(guò)渡金屬。。
過(guò)渡金屬 :如鐵、鈷、鎳、錳、銀等,周期表第3族到第12族的元素。。
主族金屬 :如鋁、鎵、銦、銻、鉍等,周期表中s區(qū)及p區(qū)的金屬元素。
工業(yè)界對(duì)金屬的分類有很多種,可以依顏色分類為黑色金屬(鐵、鉻、錳)和其他的有色金屬或非鐵金屬(工業(yè)最常用分類),按密度分類為重金屬和輕金屬,按抗腐蝕程度分為抗腐蝕金屬和卑金屬等。
黑色金屬及有色金屬
黑色金屬包括純鐵(例如熟鐵)或是像鋼等鐵合金,也包括鉻、錳等元素 。
純凈的鐵及鉻是銀白色的,而錳是銀灰色,都不是黑色,但鐵的表面常有黑色或棕色的氧化物,而鉻和錳也常用在合金鋼中,故稱為黑色金屬 。黑色金屬多半會(huì)有磁性,但也有例外。
鐵、鉻及錳以外的金屬稱為有色金屬 。
重金屬及輕金屬
重金屬是一群有金屬特性的元素,依定義的不同.主要包括過(guò)渡金屬、有時(shí)也會(huì)包括類金屬、鑭系元素及錒系元素的定義。重金屬有很多不同的定義 ,有依密度、原子序或原子量,也有依照化學(xué)特性或毒性來(lái)定義。
在日常生活中提到的重金屬多半是以環(huán)境污染領(lǐng)域的定義為準(zhǔn),對(duì)生物有明顯毒性的金屬或類金屬元素就視為重金屬,若以密度來(lái)定義,常見(jiàn)的一種定義是密度大于4.5或是5的金屬。
輕金屬一般會(huì)定義是密度小于5的金屬 ,像鋰、鈹、鈉、鎂、鋁等都是輕金屬。
卑金屬和抗腐蝕金屬
卑金屬鋅和酸的反應(yīng)
在化學(xué)上,卑金屬是指容易氧化或腐蝕的金屬,而且可以和稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。卑金屬一詞和抗腐蝕金屬相對(duì)。像鐵、鎳、鉛及鋅都是卑金屬。銅雖然不和稀鹽酸反應(yīng),但因?yàn)槿菀籽趸?,也稱為卑金屬。
在煉金術(shù)中,卑金屬是指常見(jiàn)而廉價(jià)的金屬,和貴金屬(例如金、銀等)相對(duì)。長(zhǎng)久以來(lái)煉金術(shù)士的目標(biāo)都是將卑金屬變成貴金屬。
在貨幣學(xué)中,以前貨幣的價(jià)值是在于貨幣中的貴金屬成分?,F(xiàn)在大部分的貨幣都是法定貨幣,貨幣的價(jià)值由政府法令決定,因此貨幣可以由廉價(jià)的卑金屬制成。
抗腐蝕金屬是指可以抗氧化或是抗腐蝕的金屬,和卑金屬不同。抗腐蝕金屬因?yàn)楹币?jiàn)而高價(jià),常常也是貴金屬。像金、鉑、銀和銠等 。
貴金屬
金礦
貴金屬是指罕見(jiàn)、有高經(jīng)濟(jì)價(jià)格的金屬元素。
一般而言,貴金屬的活性也比其他金屬要低、有顯著光澤及高導(dǎo)電性。以前的貴金屬是貨幣,而現(xiàn)在主要是用在投資及工業(yè)的產(chǎn)品上。像金、銀、鉑和鈀等貴金屬在ISO 4217中都有編號(hào)。其中最廣為人知的就是金、銀,不但用在工業(yè)上,也用在藝術(shù)品、珠寶及貨幣上。
其他的貴金屬是鉑族元素,包括釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑,其中交易量最大的是鉑 。
對(duì)于貴金屬的需求不只是因?yàn)槠鋵?shí)際的應(yīng)用,也是因?yàn)橘F金屬可以用來(lái)投資及 保值 ( 英語(yǔ) : Store_of_value ) 。在2006年的夏季,鈀的價(jià)格曾經(jīng)是金價(jià)的一半。而鉑的價(jià)格多半是金價(jià)的兩倍。銀的價(jià)格明顯的比其他貴金屬要便宜不少,因?yàn)樵谥茙偶爸閷毶系膽?yīng)用,傳統(tǒng)上仍視為是貴金屬。
金屬的提取
金屬一般會(huì)利用采礦的方式,提取到所需的金屬成分較高的礦石。礦石需透過(guò) 勘探 ( 英語(yǔ) : Prospecting ) 技術(shù)確定其位置,再挖掘并檢驗(yàn)礦床。礦物資源一般可以分為可以用重型設(shè)備開(kāi)探的 露天礦 ( 英語(yǔ) : Surface mining ) ,以及 地下礦 ( 英語(yǔ) : Underground mining (hard rock) ) 。
在礦石開(kāi)采出來(lái)后,需經(jīng)過(guò) 萃取 ( 英語(yǔ) : Extractive metallurgy ) 才能得到金屬,一般會(huì)用化學(xué)或電化學(xué)的還原法。 高溫冶金 ( 英語(yǔ) : Pyrometallurgy ) 利用高溫將礦石變成金屬, 濕式冶金 ( 英語(yǔ) : hydrometallurgy ) 是利用水溶液達(dá)到類似目的。需利用哪一種冶金法則依金屬及其雜質(zhì)而定。
若礦石是金屬和非金屬的離子化合物,需要和還原劑加熱以產(chǎn)生金屬。大部分的金屬(例如鐵)礦石,可以和碳加熱產(chǎn)生產(chǎn)生金屬。有些金屬(像是鈉或是鋁)沒(méi)有成本夠低廉的還原劑,則會(huì)用電解的方式提煉 。
含硫的礦石一般不會(huì)直接還原為金屬,而是在空氣中加熱,變成氧化物后再冶煉。
金屬之最
五金
五金 即指金、銀、銅、鐵和錫這五種常見(jiàn)的金屬元素,后該詞引申至指一般常見(jiàn)的金屬制品,所以五金店所賣(mài)的不僅限于這五種金屬。
合金
合金是由二種或多種化學(xué)元素組成,其中主要元素是金屬的混合物 。很多純金屬太軟、太脆或是高化學(xué)活性,不適合使用。將數(shù)種金屬以特定比例組合,形成合金,可以將純金屬的性質(zhì)調(diào)整為一些較理想的特性。制造合金的目的一般是要使金屬脆性降低、提升硬度、抗蝕性,或是有理想的顏色及光澤。在目前仍在使用的合金中,鐵合金(鋼、不銹鋼、碳鋼、 工具鋼 ( 英語(yǔ) : Tool steel ) 、合金鋼等)不論是在產(chǎn)量或是產(chǎn)值都是最高的。鐵加入不同比例的碳,可以得到低碳鋼、中碳鋼及高碳鋼,碳含量越高,其韌性及展性會(huì)下降。若碳含量超過(guò)2%,則稱為鑄鐵。而在碳鋼中加入超過(guò)10%的鉬、鎳及鉻即為不銹鋼。
其他主要的合金有鋁、鈦、銅及鎂的合金 。銅合金早在史前時(shí)代就開(kāi)始應(yīng)用,青銅時(shí)代用的青銅即為銅合金,而且在現(xiàn)在也有很多的應(yīng)用。其他三種合金是近代才開(kāi)始的研究,由于其金屬的活性,需要利用電解方式才能提煉純金屬。鋁合金、鈦合金和鎂合金的特點(diǎn)是其高比強(qiáng)度,一般會(huì)用在一些比強(qiáng)度比價(jià)格重要的應(yīng)用中,例如太空船或是一些汽車(chē)的應(yīng)用。
有時(shí)會(huì)針對(duì)高需求的應(yīng)用來(lái)設(shè)計(jì)合金,例如 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的合金可能是由十種以上金屬所合成。
相關(guān)條目
元素周期表
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