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金属

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锻铁厂内烧红的金属
锻铁厂内烧红的金属

金属是一种具有光泽(对可见光强烈反射)、富有延展性、容易导电、传热等性质的物质[1]。金属的上述特质都跟金属晶体内含有自由电子有关。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之一。

在自然界中,绝大多数金属以化合态存在,少数金属例如可以游离态存在。金属矿物多数是氧化物硫化物。其他存在形式有氯化物硫酸盐碳酸盐硅酸盐

属于金属的物质有等。在一大气压及25摄氏度常温下,只有不是固体(液态),其他金属都是固体。大部分的纯金属是灰色,例外为黄色,为暗红色[2]

在一些个别的领域中,金属的定义会有些不同。例如因为恒星的主要成分是,天文学中,就把所有其他密度较高的元素都统称为“金属”。因此天文学物理宇宙学中的金属量是指其他元素的总含量[3]。此外,有许多一般不会分类为金属的元素或化合物,在高压下会有类似金属的特质,称为“金属性的同素异形体”。

结构及键结

六方最密堆积及面心立方堆积
六方最密堆积及面心立方堆积

金属晶体中的原子紧密排列,排列方式可分为以下的三种:第一种是体心立方堆积,每个原子排在八个原子之间,另二种是面心立方堆积,每个原子排在六个原子之间,第三种则为六方最密堆积,每个原子排在六个原子之间。这些原子的排列会形成晶体,有些金属会依温度不同,其晶体也随之不同[4]

金属原子容易失去外层电子,因此在其晶体外面有一层电子云,这也是金属是电和热的良导体的原因。当电子移动时,金属的固体特性是来自电子云和原子之间的静电力,这种键结称为金属键[5]

自由电子与金属性质的关系

自由电子使金属具光泽、富有延展性、容易导电、利于传热。在金属晶体中具有中性原子,金属阳离子自由电子,而自由电子可在整个晶体中自由移动。

具光泽

光线照射到金属表面时,自由电子吸收所有频率可见光,然后很快的发射出大部分所吸收的可见光。这也是因为绝大多数金属呈银白色或钢灰色光泽的原因。金属在粉末状态时,由于晶体排列不规则,可见光被自由电子吸收后难以发射出去,所以金属粉末一般呈暗灰色或灰色,但少数金属的粉末会保持原来的颜色及光泽,例如

导电性强

自由电子在金属晶体中作不规则的运动,在外电场的作用下,自由电子会做定向移动,形成电流,为导电性强之原因。

导热性好

当金属的一部分受热时,受热部分的自由电子能量增加、运动加剧,不断与金属阳离子碰撞而交换能量,把热从一部分传向各整体。

延展性良

金属受外时,金属晶体内某一层金属原子离子与另一层的金属原子及离子发生相对滑动,由于自由电子的运动,各层间仍保持着金属键作用力,但这并非金属具延展性的主要原因。 金属的延展性主要是来自差排的滑移造成的,同时也可借由双晶来变形,没有差排的完美金属单晶并不具备延展性。

金属分类

金属的分类各界不同,大致上可分为科学界工业界二种分类法。

科学界会依元素周期表,将金属分为以下各类:

工业界对金属的分类有很多种,可以依颜色分类为黑色金属)和其他的有色金属或非铁金属(工业最常用分类),按密度分类为重金属轻金属,按抗腐蚀程度分为抗腐蚀金属卑金属等。

黑色金属及有色金属

黑色金属包括纯铁(例如熟铁)或是像等铁合金,也包括等元素[6]

纯净的铁及铬是银白色的,而锰是银灰色,都不是黑色,但铁的表面常有黑色或棕色的氧化物,而铬和锰也常用在合金钢中,故称为黑色金属[7]。黑色金属多半会有磁性,但也有例外。

铁、铬及锰以外的金属称为有色金属[6]

重金属及轻金属

重金属是一群有金属特性的元素,依定义的不同.主要包括过渡金属、有时也会包括类金属镧系元素锕系元素的定义。重金属有很多不同的定义[8],有依密度原子序原子量,也有依照化学特性或毒性来定义。

在日常生活中提到的重金属多半是以环境污染领域的定义为准,对生物有明显毒性的金属或类金属元素就视为重金属,若以密度来定义,常见的一种定义是密度大于4.5或是5的金属。

轻金属一般会定义是密度小于5的金属[9],像等都是轻金属。

卑金属和抗腐蚀金属

卑金属锌和酸的反应
卑金属锌和酸的反应

在化学上,卑金属是指容易氧化腐蚀的金属,而且可以和稀盐酸反应产生氢气。卑金属一词和抗腐蚀金属相对。像铁、镍、铅及锌都是卑金属。铜虽然不和稀盐酸反应,但因为容易氧化,也称为卑金属。

炼金术中,卑金属是指常见而廉价的金属,和贵金属(例如金、银等)相对。长久以来炼金术士的目标都是将卑金属变成贵金属。

货币学中,以前货币的价值是在于货币中的贵金属成分。现在大部分的货币都是法定货币,货币的价值由政府法令决定,因此货币可以由廉价的卑金属制成。

抗腐蚀金属是指可以抗氧化或是抗腐蚀的金属,和卑金属不同。抗腐蚀金属因为罕见而高价,常常也是贵金属。像金、铂、银和[10]

贵金属

金矿
金矿

贵金属是指罕见、有高经济价格的金属元素。

一般而言,贵金属的活性也比其他金属要低、有显著光泽及高导电性。以前的贵金属是货币,而现在主要是用在投资及工业的产品上。像等贵金属在ISO 4217中都有编号。其中最广为人知的就是金、银,不但用在工业上,也用在艺术品、珠宝及货币上。

其他的贵金属是铂族元素,包括和铂,其中交易量最大的是铂[11]

对于贵金属的需求不只是因为其实际的应用,也是因为贵金属可以用来投资及保值英语Store_of_value。在2006年的夏季,钯的价格曾经是金价的一半。而铂的价格多半是金价的两倍。银的价格明显的比其他贵金属要便宜不少,因为在制币及珠宝上的应用,传统上仍视为是贵金属。

金属的提取

金属一般会利用采矿的方式,提取到所需的金属成分较高的矿石。矿石需透过勘探英语Prospecting技术确定其位置,再挖掘并检验矿床。矿物资源一般可以分为可以用重型设备开探的露天矿英语Surface mining,以及地下矿英语Underground mining (hard rock)

在矿石开采出来后,需经过萃取英语Extractive metallurgy才能得到金属,一般会用化学或电化学的还原法。高温冶金英语Pyrometallurgy利用高温将矿石变成金属,湿式冶金英语hydrometallurgy是利用水溶液达到类似目的。需利用哪一种冶金法则依金属及其杂质而定。

若矿石是金属和非金属的离子化合物,需要和还原剂加热以产生金属。大部分的金属(例如铁)矿石,可以和碳加热产生产生金属。有些金属(像是或是)没有成本够低廉的还原剂,则会用电解的方式提炼[12][13]

含硫的矿石一般不会直接还原为金属,而是在空气中加热,变成氧化物后再冶炼。

金属之最

金属种类 特优性质[1]
导热导电
延性最突出
展性最优
密度最大(25℃的密度是是22.57g/cm3
密度最小(27℃的密度是0.534g/cm3
硬度最高(8.5摩氏硬度
硬度最低(最软,可用小刀切割)
熔点最高(3407℃)
熔点最低(-38.87℃,常温下呈液态)

五金

五金即指这五种常见的金属元素,后该词引申至指一般常见的金属制品,所以五金店所卖的不仅限于这五种金 属。

合金

合金是由二种或多种化学元素组成,其中主要元素是金属的混合物[14]。很多纯金属太软、太脆或是高化学活性,不适合使用。将数种金属以特定比例组合,形成合金,可以将纯金属的性质调整为一些较理想的特性。制造合金的目的一般是要使金属脆性降低、提升硬度、抗蚀性,或是有理想的颜色及光泽。在目前仍在使用的合金中,合金(不锈钢碳钢工具钢英语Tool steel合金钢等)不论是在产量或是产值都是最高的。铁加入不同比例的碳,可以得到低碳钢、中碳钢及高碳钢,碳含量越高,其韧性及展性会下降。若碳含量超过2%,则称为铸铁。而在碳钢中加入超过10%的即为不锈钢。

其他主要的合金有的合金[15]。铜合金早在史前时代就开始应用,青铜时代用的青铜即为铜合金,而且在现在也有很多的应用。其他三种合金是近代才开始的研究,由于其金属的活性,需要利用电解方式才能提炼纯金属。铝合金、钛合金和镁合金的特点是其高比强度,一般会用在一些比强度比价格重要的应用中,例如太空船或是一些汽车的应用。

有时会针对高需求的应用来设计合金,例如喷气发动机中的合金可能是由十种以上金属所合成。[来源请求]

相关条目

参考文献

  1. ^ 1.0 1.1 袁运开. 自然科学概论. 五南图书出版股份有限公司. 2005: 95–. ISBN 978-957-11-3709-4. 
  2. ^ 元素的分类与通性. Nani.com.tw. [2014-05-17]. 
  3. ^ John C. Martin. What we learn from a star's metal content. New Analysis RR Lyrae Kinematics in the Solar Neighborhood. [2005-09-07]. (原始内容存档于2016-06-29). 
  4. ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 978-0-12-352651-9.
  5. ^ Mortimer, Charles E. Chemistry: A Conceptual Approach 3rd. New York:: D. Van Nostrad Company. 1975. 
  6. ^ 6.0 6.1 工业系统概论. 清华大学出版社有限公司. 2005: 104–. ISBN 978-7-302-10931-0. 
  7. ^ 十万个为什么/新世纪版精读本/数学化学. 少年儿童出版社. 2001: 160–. ISBN 978-7-5324-4776-3. 
  8. ^ John H. Duffus: "Heavy Metals"- A Meaningless Term, Chemistry International, November 2001, http://www.iupac.org/publications/ci/2001/november/heavymetals.html
  9. ^ A.F. Holleman und N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, S. 1141, Berlin 2007, Walter de Gruyter, ISBN 978-3-11-017770-1.
  10. ^ A. Holleman, N. Wiberg, "Lehrbuch der Anorganischen Chemie", de Gruyter, 1985, 33. edition, p. 1486
  11. ^ Platinum Guild: Applications Beyond Expectation 互联网档案馆存档,存档日期2009-05-03.
  12. ^ Los Alamos National Laboratory – Sodium. [2007-06-08]. 
  13. ^ Los Alamos National Laboratory – Aluminum. [2007-06-08]. 
  14. ^ 制造工程与技术原理. 清华大学出版社有限公司. 2004: 19–. ISBN 978-7-302-08120-3. 
  15. ^ 启杰·杨. 制造程序. 五南图书出版股份有限公司. 1999: 28–. ISBN 978-957-11-1764-5. 
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