金属思维导图

金属思维导图

一、金属定义与分类

• 1.1 定义
  • 具有光泽、延展性、易导电、易导热等特性的物质。
  • 元素周期表中占据较大比例，主要分布在左侧和中间区域。
  • 原子结构：价电子容易失去，形成阳离子。
• 1.2 分类依据
  • 1.2.1 按化学性质
    • 活泼金属： 易与酸、氧气等反应。例如：碱金属、碱土金属。
    • 较活泼金属： 在一定条件下与酸反应。例如：铁、锌。
    • 不活泼金属： 难以与其他物质反应。例如：金、铂。
  • 1.2.2 按用途
    • 黑色金属： 指铁、铬、锰及其合金。
    • 有色金属： 除黑色金属以外的所有金属。
      • 重金属： 密度较大的有色金属。例如：铜、铅、锌。
      • 轻金属： 密度较小的有色金属。例如：铝、镁、钛。
      • 稀有金属： 在自然界含量较少，提炼困难的金属。例如：稀土金属、贵金属。
  • 1.2.3 按晶体结构
    • 面心立方 (FCC): 铝、铜、金、银、镍。具有良好的延展性。
    • 体心立方 (BCC): 铁、铬、钨、钒。强度较高。
    • 密排六方 (HCP): 镁、钛、锌、铍。塑性较差。
• 1.3 金属键
  • 金属原子通过金属键结合在一起。
  • 金属键的形成：金属原子失去价电子形成金属阳离子，价电子自由移动形成“电子气”。
  • 金属键的特性：无方向性、无饱和性。
  • 金属键强度：影响金属的熔点、沸点、硬度等物理性质。

二、金属的物理性质

• 2.1 导电性
  • 原因：自由电子的存在。
  • 影响因素：温度（温度升高，电阻增大）、杂质（杂质增加，电阻增大）。
  • 应用：电线、电缆、电子元件。
• 2.2 导热性
  • 原因：自由电子的运动。
  • 影响因素：金属的种类、温度。
  • 应用：炊具、散热器。
• 2.3 延展性
  • 原因：金属键的无方向性。
  • 延展性好的金属：金、银、铜、铝。
  • 应用：拉丝、锻造、轧制。
• 2.4 光泽
  • 原因：金属表面对光的反射。
  • 金属的光泽：银白色、金黄色等。
  • 应用：装饰品、反光材料。
• 2.5 熔点和沸点
  • 受金属键强度影响。
  • 熔点高的金属：钨、钼。
  • 熔点低的金属：汞、钠。
• 2.6 密度
  • 重金属：密度大，例如：铅、金。
  • 轻金属：密度小，例如：铝、镁。

三、金属的化学性质

• 3.1 与氧气反应
  • 大多数金属在一定条件下能与氧气反应。
  • 反应类型：氧化反应。
  • 例如：
    • 铁生锈：缓慢氧化。
    • 镁燃烧：剧烈氧化。
    • 金不与氧气反应。
• 3.2 与酸反应
  • 活泼金属与酸反应：生成盐和氢气。
  • 反应类型：置换反应。
  • 例如：
    • 锌与稀盐酸反应。
    • 铜与浓硫酸反应（加热）。
• 3.3 与盐溶液反应
  • 金属活动性强的金属可以把金属活动性弱的金属从其盐溶液中置换出来。
  • 反应类型：置换反应。
  • 例如：
    • 铁与硫酸铜溶液反应。
• 3.4 金属活动性顺序
  • K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Sn > Pb > (H) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au
  • 应用：判断金属与酸、盐溶液的反应。

四、金属的冶炼

• 4.1 冶炼方法
  • 火法冶金： 利用高温加热，使金属从矿石中分离出来。例如：炼铁、炼铜。
  • 湿法冶金： 利用化学溶液溶解矿石，再用化学方法提取金属。例如：用硫酸铜溶液浸出铜矿。
  • 电解法： 利用电解原理提取金属。例如：电解铝、电解铜。
• 4.2 主要金属的冶炼
  • 铁： 铁矿石 (赤铁矿、磁铁矿) -> 高炉炼铁 -> 生铁。
    • 主要反应：氧化还原反应。
  • 铝： 铝土矿 -> 氧化铝 -> 电解氧化铝 -> 铝。
    • 主要反应：电解反应。
  • 铜： 硫化铜矿 -> 焙烧 -> 氧化铜 -> 与焦炭反应 -> 铜。
    • 主要反应：氧化还原反应。
• 4.3 冶炼过程中的环境问题
  • 产生废气：二氧化硫、粉尘等。
  • 产生废渣：矿渣等。
  • 产生废水：含有重金属离子等。
  • 防治措施：
    • 安装除尘设备。
    • 回收利用废渣。
    • 处理废水。

五、金属材料

• 5.1 纯金属
  • 具有特定的化学成分和物理性质。
  • 例如：铁、铜、铝。
• 5.2 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物质。
  • 合金的性能优于纯金属。
  • 例如：
    • 钢铁： 铁碳合金。
      • 钢：含碳量较低，韧性好。
      • 生铁：含碳量较高，硬而脆。
    • 铝合金： 铝与硅、铜、镁等元素的合金。
      • 强度高、密度小、耐腐蚀。
    • 铜合金： 铜与锌、锡等元素的合金。
      • 黄铜：铜锌合金。
      • 青铜：铜锡合金。
    • 记忆合金： 具有形状记忆效应的合金。
• 5.3 金属材料的应用
  • 建筑：钢筋、铝合金门窗。
  • 交通：汽车、火车、飞机。
  • 电子：电子元件、电路板。
  • 医疗：手术器械、植入物。
  • 日常用品：餐具、炊具。

六、金属的腐蚀与防护

• 6.1 金属腐蚀
  • 金属与周围介质发生化学或电化学反应而引起的破坏现象。
  • 化学腐蚀： 金属与干燥气体或非电解质溶液直接反应。
  • 电化学腐蚀： 金属与电解质溶液发生原电池反应。
    • 析氢腐蚀：在酸性条件下发生。
    • 吸氧腐蚀：在中性或碱性条件下发生。
• 6.2 金属防护
  • 改变金属的内部结构： 制成合金。
  • 覆盖保护层：
    • 喷漆。
    • 镀金属：镀锌、镀铬。
    • 涂油。
    • 钝化处理：在金属表面形成致密的氧化膜。
  • 电化学保护：
    • 牺牲阳极保护法：连接比被保护金属更活泼的金属。
    • 外加电流保护法：施加一定的外加电流，使被保护金属成为阴极。

七、金属资源与可持续发展

• 7.1 金属资源现状
  • 金属资源储量有限，部分金属资源面临枯竭。
  • 金属资源分布不均。
• 7.2 金属资源的可持续利用
  • 提高资源利用率： 采用先进的冶炼技术，提高金属回收率。
  • 开发替代材料： 用非金属材料替代金属材料。
  • 回收利用废旧金属： 建立完善的回收体系。
  • 保护环境： 减少冶炼过程中的环境污染。
  • 加强资源管理： 合理开发利用金属资源。