工程化学教案 第八章 还原法是效率最高、应用最广的治炼方法，是在加热条件下，用C,CO,和A1等还原 剂将金属从相应的氧化物中还原出来。 3。精炼：是进一步除去治炼所得金属产品中的杂质的过程。 ()热分解法：利用某些金属易形成液态或气态化合物，又易分解的性质提纯金属。例 如，含杂质的镍在较低温度下用C0处理，可得气态的羰基镍Ni(C0),后者可在较高温 度下分解，从而获得99.99%的镍。 (②)区域精炼法：用环形加热圈固定于含杂质的金属（如锘）棒的周围，缓慢移动加 热器，金属棒受热部分逐渐熔化。熔融的液态金属再结晶成纯形式时，杂质仍留在熔融 态中，随之而除去（图8-4）。这种过程可进行多次，每进行一次，金属的纯度就提高一 次。用这种方法提纯的半导体材料（储和硅），可得纯度为89个“9”的产品。 (3)电解精炼法：如精铜的电解精炼，其化学原理已在第四章中介绍过。电解精炼的铜 纯度很高，银、铅、镍等金属也可用电解法精炼。 (④)氧化杂质法：如炼钢过程，就是将生铁中的碳用氧化燃烧法部分除去，以达到合适 的碳含量。 二、金属元素 按金属元素的主要物理、化学性质统一考虑，根据其性能特点，可将金属分为八类 即碱土金属、轻金属、稀有金属、易熔金属、难熔金属、铁族金属、贵金属和锕系金属 (尚不包括新发现的104~112号元素)。同一大类金属在性质上有较大的相似性，可作 为选择、使用金属材料的参考。周期表中金属元素的分类： 1.碱土金属区：包括IA、ⅡA和B中的钪共11个金属元素，由于它们的化学性质很 活泼，很少单独用作工程材料。 2.轻金属区：包括Be、Mg、A1三个金属元素，其密度均小于5g·cm-3,是工业中应用 的金属。它们的合金密度小而强度大，在航天、航空、汽车制造等部门中是最重要的轻 型结构材料。 3.稀土金属区：包插Y、a及铜系元素共16种金属元素。由于原子结构相似，半径相 近，这些元素性质十分相似，在自然界常共生在一起。“稀土”是一个历史名词，实际 上它们在地壳中的含量比常见的如Cu、Zm、Sn、Pb等金属都多。我国稀土资源为世界
工程化学教案 第八章 • • 11 还原法是效率最高、应用最广的冶炼方法，是在加热条件下，用 C，CO，H2 和 Al 等还原 剂将金属从相应的氧化物中还原出来。 3. 精炼：是进一步除去冶炼所得金属产品中的杂质的过程。 (1) 热分解法：利用某些金属易形成液态或气态化合物，又易分解的性质提纯金属。例 如，含杂质的镍在较低温度下用 CO 处理，可得气态的羰基镍 Ni(CO)4，后者可在较高温 度下分解，从而获得 99.99％的镍。 (2) 区域精炼法：用环形加热圈固定于含杂质的金属（如锗）棒的周围，缓慢移动加 热器，金属棒受热部分逐渐熔化。熔融的液态金属再结晶成纯形式时，杂质仍留在熔融 态中，随之而除去（图 8-4）。这种过程可进行多次，每进行一次，金属的纯度就提高一 次。用这种方法提纯的半导体材料（锗和硅），可得纯度为 8~9 个“9”的产品。 (3) 电解精炼法：如精铜的电解精炼，其化学原理已在第四章中介绍过。电解精炼的铜 纯度很高，银、铅、镍等金属也可用电解法精炼。 (4) 氧化杂质法：如炼钢过程，就是将生铁中的碳用氧化燃烧法部分除去，以达到合适 的碳含量。 二、金属元素 按金属元素的主要物理、化学性质统一考虑，根据其性能特点，可将金属分为八类 即碱土金属、轻金属、稀有金属、易熔金属、难熔金属、铁族金属、贵金属和锕系金属 （尚不包括新发现的 104～112 号元素）。同一大类金属在性质上有较大的相似性，可作 为选择、使用金属材料的参考。周期表中金属元素的分类： 1. 碱土金属区：包括ⅠA、ⅡA 和ⅢB 中的钪共 11 个金属元素，由于它们的化学性质很 活泼，很少单独用作工程材料。 2. 轻金属区：包括 Be、Mg、Al 三个金属元素，其密度均小于 5g·cm-3，是工业中应用 的金属。它们的合金密度小而强度大，在航天、航空、汽车制造等部门中是最重要的轻 型结构材料。 3. 稀土金属区：包插 Y、La 及镧系元素共 16 种金属元素。由于原子结构相似，半径相 近，这些元素性质十分相似，在自然界常共生在一起。“稀土”是一个历史名词，实际 上它们在地壳中的含量比常见的如 Cu、Zn、Sn、Pb 等金属都多。我国稀土资源为世界
之首，稀土元素在国民经济各部门和国防尖端技术中有极重要的应用，且领域还在不断 扩大。 4.难熔金属区：主要包括VB、VB、IB和VWIB(M咖除外)元素。这类金属中金属键强 度大，熔点很高，都在1700℃以上，其中以W的熔点最高为3410℃，并且硬度大，而 C工是所有金属中最硬的，是制造耐磨、耐热耐腐蚀材料的理想金属。 5.铁族金属区：包括Mm、Fe、Co、Ni,它们在性质上较为相似，其中以铁为最重要， 铁、锰及其合金属黑色金属，钴、镍及其合金属有色金属。黑色金属有优良的综合性质 且价格低廉。占目前使用的金属材料的90%以上。Co、N1及其合金具有特殊的高温强度 是重要的战略物资。 6.贵金属区：包括铜分族和铂族元素。它们的特点是高的化学惰性、价格昂贵。除Cu 外，只用于仪表工业和制备催化剂等少数场合。Cu价较低廉，传热、导热、导电性能优 良，是电气工业中不可缺少的材料，其合金广泛用于机械工业中。 7.易熔金属区：这类金属的金属键较弱，熔点低、硬度小，除A5、G外，熔点一般都 在300℃以下，因此是制造低熔点合金的主要金属。Ga、Ge、As作为重要的半导体材料， 在高新技术中有广泛的应用。Zn、C及其合金在许多介质中都有较好的耐蚀性，世界 Z如量中约有一半用于防腐蚀镀层。 8.钢系金属区这类金属在自然界存在的很少，大多是人造元素，除在原子能工业中应 用外，在科学研究中有较大的意义。 三、合金 尽管金属单质有数十种之多，但纯金属的性能往往不能满足生产和科研的需要，实 际上应用最多的是各种合金。含金是一种金属与另一种或几种其他金属或非金属熔合而 具有金属特征的物质。按其结构，合金可以有三种基本类型。 1.固溶体 固溶体结构示意图一种金属与另一种金属或非金属熔融时相互溶解、凝固时形成 组成均匀的固体，就称金属固溶体。其中含量多的称溶剂金属，含量少的称溶质金属。 固溶体可分成取代（置换）固溶体和间隙固溶体。在取代固溶体中溶剂金属与溶质金属 晶格类型相同、原子半径和电负性都相近，溶质金属原子取代晶格中溶剂金属原子的某
• • 12 之首，稀土元素在国民经济各部门和国防尖端技术中有极重要的应用，且领域还在不断 扩大。 4. 难熔金属区：主要包括ⅣB、ⅤB、ⅥB 和ⅦB（Mn 除外）元素。这类金属中金属键强 度大，熔点很高，都在 1700℃以上，其中以 W 的熔点最高为 3410℃，并且硬度大，而 Cr 是所有金属中最硬的，是制造耐磨、耐热耐腐蚀材料的理想金属。 5. 铁族金属区：包括 Mn、Fe、Co、Ni，它们在性质上较为相似，其中以铁为最重要， 铁、锰及其合金属黑色金属，钴、镍及其合金属有色金属。黑色金属有优良的综合性质 且价格低廉。占目前使用的金属材料的 90%以上。Co、Ni 及其合金具有特殊的高温强度， 是重要的战略物资。 6. 贵金属区：包括铜分族和铂族元素。它们的特点是高的化学惰性、价格昂贵。除 Cu 外，只用于仪表工业和制备催化剂等少数场合。Cu 价较低廉，传热、导热、导电性能优 良，是电气工业中不可缺少的材料，其合金广泛用于机械工业中。 7. 易熔金属区：这类金属的金属键较弱，熔点低、硬度小，除 As、Ge 外，熔点一般都 在 300℃以下，因此是制造低熔点合金的主要金属。Ga、Ge、As 作为重要的半导体材料， 在高新技术中有广泛的应用。Zn、Cd 及其合金在许多介质中都有较好的耐蚀性，世界 Zn 量中约有一半用于防腐蚀镀层。 8. 锕系金属区这类金属在自然界存在的很少，大多是人造元素，除在原子能工业中应 用外，在科学研究中有较大的意义。 三、合金 尽管金属单质有数十种之多，但纯金属的性能往往不能满足生产和科研的需要，实 际上应用最多的是各种合金。含金是一种金属与另一种或几种其他金属或非金属熔合而 具有金属特征的物质。按其结构，合金可以有三种基本类型。 1. 固溶体 固溶体结构示意图 一种金属与另一种金属或非金属熔融时相互溶解、凝固时形成 组成均匀的固体，就称金属固溶体。其中含量多的称溶剂金属，含量少的称溶质金属。 固溶体可分成取代（置换）固溶体和间隙固溶体。在取代固溶体中溶剂金属与溶质金属 晶格类型相同、原子半径和电负性都相近，溶质金属原子取代晶格中溶剂金属原子的某
工程化学教案 第八章 些位置，例如Cu、Z形成的黄铜合金就属于这种类型。在间隙固溶体中，溶质原子比 溶剂原子小得多，其半径至少小40%，因此，前者可进入后者的晶格间隙中所示。例如， 碳原子溶入ā下e中形成的铁素体，就是间隙固溶体。间隙固溶体中，溶质数量常被 限制在百分之几内。 2.金属化合物（金属互化物） 如两种组分原子半径和电负性相差较大时，则易形成金属化合物。碳与许多金属在 合金中可形成间隙化合物。这类化合物一般硬而脆，熔点较高。铁碳合金中形成的化合 物组成为Fe,C,称渗碳体。 俄罗斯科学家最近合成A1Ti的金属化合物，比强度大，耐磨性好，耐蚀性比不 锈钢高100倍。用于制造超音速飞机的机翼，不需氧化保护即可抵抗1300℃高温侵袭： 用以制作叶轮和无冷却装置的喷口，可使发动机的拉力提高25%，重量减轻40%：用以 制作气缸套、涡轮机部件，可使废气排出量减少一半，使用品质较低的燃料，发动机的 使用寿命也将大大提高。现已广泛用于船舶制造、电力传输和化工部门等领域。 3.机械混合物 两种金属在熔融时互溶，但凝固时分别结晶，整个合金组织不均匀而且成分不同的 微晶体的机械混合物。在钢中，渗碳体和铁素体相间存在，形成的就是一种机械混合物。 四、常用合金 1.钢铁 钢铁是铁与C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe外，C 的含量对钢铁的机械性质起着主要作用，故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要的、 用量最大的金属材料。 按含碳量不同，铁碳合金分为钢与铸铁两大类，钢是含碳量小于1.8%的铁碳合金。 碳钢是最常用的普通钢，治炼方便、加工容易、价格低廉、而且在多数情况下能满足使 用要求，所以应用十分普遍。按含碳量不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随 含碳量升高，碳钢的硬度增加，韧性下降。合金钢又叫特种钢，在碳钢的基础上加入 种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能，如高硬 度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性等等。经常加入钢中的合金元素有Si、黑、M血、C 13
工程化学教案 第八章 • • 13 些位置，例如 Cu、Zn 形成的黄铜合金就属于这种类型。在间隙固溶体中，溶质原子比 溶剂原子小得多，其半径至少小 40%，因此，前者可进入后者的晶格间隙中所示。例如， 碳原子溶入α Fe 中形成的铁素体，就是间隙固溶体。间隙固溶体中，溶质数量常被 限制在百分之几内。 2. 金属化合物（金属互化物） 如两种组分原子半径和电负性相差较大时，则易形成金属化合物。碳与许多金属在 合金中可形成间隙化合物。这类化合物一般硬而脆，熔点较高。铁碳合金中形成的化合 物组成为 Fe3C，称渗碳体。 俄罗斯科学家最近合成 Al Ti 的金属化合物，比强度大，耐磨性好，耐蚀性比不 锈钢高 100 倍。用于制造超音速飞机的机翼，不需氧化保护即可抵抗 1300℃高温侵袭； 用以制作叶轮和无冷却装置的喷口，可使发动机的拉力提高 25%，重量减轻 40%；用以 制作气缸套、涡轮机部件，可使废气排出量减少一半，使用品质较低的燃料，发动机的 使用寿命也将大大提高。现已广泛用于船舶制造、电力传输和化工部门等领域。 3. 机械混合物 两种金属在熔融时互溶，但凝固时分别结晶，整个合金组织不均匀而且成分不同的 微晶体的机械混合物。在钢中，渗碳体和铁素体相间存在，形成的就是一种机械混合物。 四、常用合金 1. 钢铁 钢铁是铁与 C、Si、Mn、P、S 以及少量的其他元素所组成的合金。其中除 Fe 外，C 的含量对钢铁的机械性质起着主要作用，故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要的、 用量最大的金属材料。 按含碳量不同，铁碳合金分为钢与铸铁两大类，钢是含碳量小于 1.8%的铁碳合金。 碳钢是最常用的普通钢，冶炼方便、加工容易、价格低廉、而且在多数情况下能满足使 用要求，所以应用十分普遍。按含碳量不同，碳钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。随 含碳量升高，碳钢的硬度增加，韧性下降。合金钢又叫特种钢，在碳钢的基础上加入一 种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能，如高硬 度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性等等。经常加入钢中的合金元素有 Si、W、Mn、Cr