解放军文职招聘考试金属的物理性质和化学性质

 金属的物理性质和化学性质

一、金属的物理性质

1 、金属单质的晶体结构
关于金属单质晶体结构的详细内容已在第八章中有所讨论，我们将金属单质原子的堆积方式分为下列三种。
六方紧密堆积
立方紧密堆积
体心立方根积
2 、金属的物理性质
自由电子的存在和紧密堆积的结构使金属具有许多共同的性质如良好的导电性、导热性、延展性以及金属光泽等。下面分别说明之：
1 ）．金属光泽
由于金属原子以最紧密堆积状态排列，内部存在自由电子，所以当光线投射到它的表面上时，自由电子吸收所有频率的光，然后很快放出各种频率的光，这就使绝大多数金属呈现钢灰色以至银白色光泽。此外金显黄色，铜显赤红色，铋为谈红色，铯为淡黄色以及铅是灰蓝色，这是因为它们较易吸收某一些频率的光之故。金属光泽只有在整块时才能表现出来，在粉末状时，一般金属都呈暗灰色或黑色。这是因为在粉末状时，金属晶面取向杂乱，晶格排列得不规则，吸收可见光后辐射不出去，所以为黑色。
许多金属在光的照射下能放出电子。有一些能在短波辐射照射下放出电气这种现象称为光电效应。另一些在加热到高温时能放出电子，这种现象称为热电现象。
2 ）．金属的导电性和导热性
根据金属键的概念，所有金属中都有自由电子，在没有外加电场作用时，自由电子没有一定运动方向，因此没有定向电流产生。当金属导线接到电源的正、负两极时，有了电势差、自由电子便沿着导线由负极移向正极，形成电流。这就显示出导电性。这与电解质的水溶液或熔融盐的导电原因是不同的，离子导电在两极上会发生化学反应。
当温度升高时，金属离子和金属原子的振动增加，电子的运动受阻碍程度增加，因此金属的导电性就降低。
1 ）．   超导电性
金属材料的电阻通常随温度的降低减小。 1911 年 Onnes 以现汞冷却到低于 4.2K 时，其电阻突然消失，导电性差不多是无限大，这种性质称为超导电性。具有超导电性的物质称为超导体。超导体电阻突然消失时的温度称为临界温度。
超导材料大致可分为纯金属、合金和化合物三类。
2 ）．   金属的延展性
金属的延性，可以抽成丝。如最细的白金直径不过 1/5000mm 。
金属的展性，可以压成薄片。如最薄的金箔，只有 1/10000mm 厚。
3 ）．   金属的密度
锂、钠、钾比水轻，大多数金属密度较大。
4 ）．   金属的硬度
金属的硬度一般较低大，但它们之间有很大的差别较大。有的坚硬如铬、钨等。有些软可用小刀切割如钠、钾。
5 ）．   金属的熔点
金属的熔点一般较高，但高低差别较大。最难熔的是钨，最易熔的是汞，铯和镓。汞在常温下是液体，铯和镓在手上受热就能熔化。
6 ）．   金属玻璃
金属玻璃有三种特性：
A ． 同时具有高强度和高韧性
B ． 优良的耐腐蚀性
C ． 良好的磁学性能。
典型的金属玻璃有两类：
A ． 过渡金属与某些非金属形成的合金；
B ． 过渡金属间组成的合金。
3 、金属的内聚力
所谓内聚力就是物质内部质点间的相互作用力。对各种金属来说，也就是金属键的强度，即核和自由出子问的引力。金属的内聚力可以用它的升华热衡量。升华热是指单位物质的量的金属晶体转变为自由原子所而的能量，也就是拆散金属晶格所需的能量。显然金属键越强、内聚力越大，升华热就越高。 M(s)=M(g)
一些金属在 298K 时的升华热列在 P654 表 16 — 4k 。
金属键的强度主要决定于：
1 ）．   原子的大小，随原子半径增大升华热减小，例如从锂到铯升华热递减；
2 ）．   价电子数目，价电子数目增加，升华热随之增加。
金属的内聚力也呈周期变化。
内聚力大的金属，其熔点、沸点高硬度也大。
二、 金属的化学性质

金属的价电子构型有以下几种：
价电子构型
价电子层构型 IA 、 HA 族金属 ns ^1-2
IIIA — VIA 族金属 ns ² np ^1-4
过渡金属 (n-1)d ^1-9 ns ^1-2
铜族、锌族 (n-1)d ¹⁰ ns ^1-2
镧系金属、锕系金属 nf ^0-14 (n+1)d ^0-2 (n+2)s²
多数金属元素的原子最外层只有 3 个以下的电子，某些金属 ( 如 Sn 、 Pb 、 Sb 、 Bi 等 ) 原子的最外层虽然有 4 个或 5 个电子，但它们的电子层数较多，原了半径较大，因此在反应时它们的价电子较易失去或向非金属元素的原子偏移。过渡金属还能失去部分次外层的 d 电子。
金属最主要的共同化学性质是都易失去最外层电子变成金属正离子，因而表现出较强的还原性。
各种金属原子失去电子的难易很不相同，因此金属还原性的强弱也大不相同。从理论部分的学习知道，在气相中金属原子失去电子的难易用电离势数值大小来衡量。在水溶液中金属失去电子能力的大小，用电离势数值大小来衡量。现按标准电极电势数值由负到正排成金属活动顺序，并将各种金属的主要化学性质归纳在表 16 — 5 中。
一、金属与非金属反应
金属与非金属反应的难易程度，大致和金属活动顺序相同。位于金属活动顺序表前面的一些金属很容易失去电子，它们在常温下就能与氧化合形成氧化物，钠、钾的氧化很快，铷、铯会发生自燃。位于金属活动顺序表后面的一些金属则很难失去电子，如铜、汞等必须在加热情况下才能与氧化合，而银、金即使在炽热的情况下也很难与氧等非金属化合。金属与非金属的反应情况和金属表面生成的氧化膜的性质也有很大关系，有些金属如铝、铬形成的氧化物结构紧密，它紧密覆盖在金属表面，防止金属继续氧化。这种氧化模的保护作用叫钝化。所以常将铁等金属表面镀铬，渗铝，这样既美观，又能防腐。在空气中铁表面生成的氧化物，结构疏松，因此铁在空气中易被腐蚀。
二、金属与水、酸的反应
金属与水、酸反应的情况，一是和反应物的本性有关，即和金属的活泼性与酸的性质有关；二是与生成物的性质有关；三是与反应温度、酸的浓度有关。
在常温下纯水的氢离子浓度为 10 -7 mol/L, φ 0 ＜ -0 ． 41V 的金属都可能与水反应。性质很活泼的金属如纳、钾在常温下就与水剧烈地起反应。钙的作用比较缓和，镁只能和沸水起反应，铁则须在炽热的状态下和水蒸气发生反应。有些金属如镁等与水反应生成的氢氧化物不溶于水覆盖在金属表面，在常温时使反应难于继续进行。
一般 φ 0 ＜为负值的金属都可以与非氧化性酸反应放出氢气。有一些金属虽然贝 φ 0 为负，但由表面形成了很致密的氧化膜而“钝化”，实际上难溶于酸。有的金属与酸作用，由于生成难沉淀覆盖在金属表面而使反应难以进行，例如铅与硫酸作用生成 PbSO 4 覆盖在铅表面，因而难溶于硫酸。
φ 0 为正值的金属一般不容易被酸中的氢离子氧化只能被氧化性的酸氧化、或在氧化剂的存在下，与非氧化性酸作用。
有的金属如铝、铬、铁等在浓 HNO₃ 、浓 H₂SO₄ 中由于钝化而不发生作用。
三、金属与碱反应
金属除了少数显两性以外，一般都不与碱起作用。锌、铝与强碱反应生成氢和锌酸盐或铝酸盐，反应如下：
                   Zn+2NaOH+2H₂O=Na 2 [Zn(OH)₄ ]+H₂
                   2A1+2NaOH+6H₂O ＝ 2NaAl(OH)₄ ]+3H₂
铍、镓、铟、锡等也能与强碱反应。
四．金属与配位剂的作用
金属的化学在相当大程度上可以说是它们的配位化合物的化学。由于配合物的形成，改变了金属的电极电势值，从而影响元素的性质。
                     2Cu+2H₂O+2CN^- =2[Cu(CN)₂]^- +2OH^- +H₂