《化学金属和金属材料思维导图》

一、金属的性质

1.1 物理性质

• 1.1.1 金属光泽： 反射可见光的能力强，呈现金属特有的光泽。
  • 银白色：常见金属如铁、铝。
  • 金黄色：金。
  • 紫红色：铜。
• 1.1.2 导电性： 电子容易自由移动，能很好地导电。
  • 导电性强弱顺序：Ag > Cu > Au > Al > Fe。
  • 温度升高，导电性下降。
• 1.1.3 导热性： 自由电子的运动传递能量，能很好地导热。
  • 导热性强弱顺序与导电性类似。
• 1.1.4 延展性： 可以拉成细丝（延性）或压成薄片（展性）。
  • 延展性好坏顺序：Au > Ag > Cu > Al > Fe。
• 1.1.5 密度： 单位体积的质量。
  • 重金属：密度大于4.5 g/cm³，如铁、铜、锌。
  • 轻金属：密度小于4.5 g/cm³，如钠、铝、镁。
• 1.1.6 熔点： 熔化时的温度。
  • 金属熔点范围广，从-39℃ (Hg) 到 3410℃ (W)。
• 1.1.7 硬度： 抗刻划或抗压能力。
  • 金属硬度差异大，可影响其应用。

1.2 化学性质

• 1.2.1 与氧气反应
  • 活泼金属： 易与氧气反应。
    • 常温下反应：如钠、钾。
    • 加热条件下反应：如镁、铝。
  • 不活泼金属： 不易与氧气反应，如金、铂。
  • 铝的钝化： 铝在空气中形成致密的氧化膜，阻止进一步氧化。
• 1.2.2 与酸反应
  • 活泼金属： 能与稀盐酸或稀硫酸反应生成盐和氢气。
    • 金属活动性顺序的应用：只有排在氢之前的金属才能置换出酸中的氢。
  • 不活泼金属： 不能与稀盐酸或稀硫酸反应。
  • 特殊情况： 浓硫酸和硝酸的氧化性强，与金属反应不产生氢气。
• 1.2.3 与盐溶液反应
  • 金属活动性顺序的应用： 排在前面的金属可以将排在后面的金属从其盐溶液中置换出来。
  • 反应条件： 金属必须排在盐中金属的前面；盐必须可溶；金属不能与水反应（如K,Ca,Na)。
• 1.2.4 金属活动性顺序
  • K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au
  • 规律：越靠前的金属，活动性越强，越容易失去电子。

二、金属材料

2.1 金属材料的分类

• 2.1.1 纯金属： 仅含一种金属元素的材料。
  • 优点：具有金属元素的固有性质。
  • 缺点：强度和硬度一般较低。
• 2.1.2 合金： 由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的材料。
  • 优点：性能优于纯金属，如强度、硬度、耐腐蚀性等。
  • 常见合金：
    • 钢： 含碳量在0.02%~2.11%的铁碳合金。
      • 生铁：含碳量较高，一般为2%~4.3%。
      • 钢：含碳量较低。
      • 不锈钢：含铬、镍等元素的合金钢，具有良好的耐腐蚀性。
    • 铝合金： 添加硅、铜、镁等元素的铝合金，具有密度小、强度高等特点。
    • 铜合金： 添加锌、锡等元素的铜合金，如黄铜、青铜等。

2.2 合金的特性

• 2.2.1 强度和硬度： 通常高于组成它们的纯金属。
• 2.2.2 熔点： 通常低于组成它们的纯金属。
• 2.2.3 耐腐蚀性： 某些合金的耐腐蚀性优于纯金属。
• 2.2.4 其他特性： 导电性、导热性、延展性等也可能发生改变。

2.3 金属材料的应用

• 2.3.1 建筑领域： 钢筋混凝土、金属结构。
• 2.3.2 交通运输领域： 汽车、飞机、轮船、轨道交通。
• 2.3.3 电子电器领域： 导线、电子元件、外壳。
• 2.3.4 机械制造领域： 各种机器零件、工具。
• 2.3.5 日常生活： 餐具、炊具、装饰品。

三、金属的保护

3.1 金属腐蚀

• 3.1.1 定义： 金属或合金与周围介质发生化学或电化学反应而遭受破坏的现象。
• 3.1.2 类型：
  • 化学腐蚀： 金属与干燥气体或非电解质溶液直接发生化学反应。
  • 电化学腐蚀： 金属与电解质溶液发生电化学反应。
    • 析氢腐蚀：在酸性较强的溶液中发生，产生氢气。
    • 吸氧腐蚀：在酸性较弱或中性的溶液中发生，吸收氧气。
• 3.1.3 影响因素：
  • 金属本身的性质。
  • 周围介质的成分和性质。
  • 温度、湿度、压力等环境因素。

3.2 防止金属腐蚀的措施

• 3.2.1 改变金属的内部结构： 制成合金。
• 3.2.2 在金属表面覆盖保护层：
  • 涂油漆、凡士林等。
  • 电镀、喷镀。
  • 用化学方法形成致密的氧化膜（如铝的钝化）。
• 3.2.3 电化学保护法：
  • 牺牲阳极保护法： 连接比被保护金属更活泼的金属，使其先被腐蚀。
  • 外加电流保护法： 连接电源负极，使金属作为阴极受到保护。

四、金属资源的利用与保护

4.1 金属资源的来源

• 4.1.1 矿物： 地壳中存在的含金属元素的矿石。
• 4.1.2 海水： 海水中含有大量的金属元素，如镁、钠等。

4.2 金属资源的利用

• 4.2.1 冶炼： 将金属从矿石中提取出来的过程。
  • 常见冶炼方法：
    • 热还原法：用焦炭、一氧化碳、氢气等还原剂还原金属氧化物。
    • 电解法：电解金属化合物。
    • 湿法冶金：用化学溶液浸出金属，再进行提取。
• 4.2.2 加工： 将金属制成各种产品。
  • 铸造、锻造、冲压、焊接等。

4.3 金属资源的保护

• 4.3.1 合理开采： 避免过度开采，保护矿产资源。
• 4.3.2 资源回收： 回收废旧金属，减少资源浪费。
• 4.3.3 寻找替代品： 开发新型材料，替代部分金属材料。
• 4.3.4 防止金属腐蚀： 延长金属制品的使用寿命，减少资源消耗。

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