氢原子百科 
金属（Metal）是一种具有光泽（即对可见光强烈反射）、具有高电导率、高热导率以及可塑性、延展性和高反光性的物质。 [1]
金属通常质地坚硬，呈结晶状固体，能产生多种化学反应，并能同别的金属一起被制成合金。金属资源广泛分布于地壳和海洋中，绝大多数以化合态存在，极少数不活泼金属如金、银以单质形式存在[2]。
金属在人类生活中也被广泛应用。在人类社会发展史上，继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，都以金属材料的应用为其时代的显著标志。[3]
第一阶段原始钢铁的冶炼
距今约300万年，人们以石头作为工具，称旧石器时代；1万年以前，人类对石器进行加工，从而进入新石器时代；[4]在公元4300年前，人类就开始使用自然中金属金和铜，并进行锻打和热加工等工艺；而对于铁，人们最早使用的是陨铁，在篝火中发现。铁的熔炼大约发生在公元前2800年，最初的钢是利用熟铁渗碳得到的。
中国在六千多年前已经冶炼出黄铜，在四千多年前已有简单的青铜工具，在三千多年前已用陨铁制造兵器；春秋时期已会冶炼生铁，比欧洲要早一千八百多年以上；[5]
明朝时期宋应星所著《天工开物》一书，内有冶铁、炼钢、铸钟、锻铁、淬火等各种金属加工方法，是世界上有关金属加工工艺最早的科学著作之一；[6]
第二阶段金属材料大发展
英国18世纪出现“高炉”；钢铁工业的发展，成为产业革命的重要内容和物质基础；[5]人类逐渐掌握大规模炼钢的方法，随后发现在钢材的炼制过程中添加其他元素，可以改变其性能。
19世纪中叶，现代平炉和转炉镍管炼钢技术的出现，使人类真正进入了钢铁时代。与此同时，铜、铅、锌也大量得到应用，铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用，直到20世纪中叶，金属材料在材料工业中一直占有主导地位。[5]
电子排布
金属原子最外层电子数较少，一般为1~2个。这些电子与原子核的结合力较弱，所以容易脱离原子核的束缚变为“自由电子”。“自由电子”在电场中的定向移动使金属具备导电性，在导电的过程中自身不发生化学变化[7]；金属导热主要依靠自由电子的迁移和晶格振动，从而使金属表现出导热性。[8]
过渡金属原子不仅容易失去最外层电子，次外层电子也容易失去，这就导致过渡原子化合价可变，当过度金属原子之间进行结合，不仅最外层电子参与结合，次外层电子也可参与结合，因此，过渡金属原子间结合能力较强，表现为熔点高、强度高。由此可知价电子决定着金属的主要性能；[9]过渡金属不同的电学性能起源于其原子的电子对非成键d 能带的填充状态，当d轨道部分填充的时候，具有(半)金属导电性，当d 轨道完全填满的时候，具有绝缘性或半导体性。[10]
晶体结构
金属和合金在固态下通常是晶体。在固态金属中，众多原子依靠金属键结合在一起。固态金属两原子之间的相互作用力为正离子与周围电子的吸引力，正离子与正离子，以及电子与电子之间的排斥力。结合能是吸引力和排斥力的相互作用效果，不同金属具备不同的结合能。当大量金属原子结合位固体时，为使固态金属具有最低能量，以保持其稳定状态，原子之间也保持着一定的平衡距离，这便是固态金属中的原子紧密规则排列的重要原因。[11]
液态金属水银的电子结构，其最外侧的轨道是‘充满’的，虽然能放出电子，但却没有接受电子的空闲轨道，所以电子一个也进不了。由于只能用能量高的空闲轨道进行结合，所以成了弱结合。[12]
分布情况
金属在自然界中的分布很广。由于各种金属的化学活性相差很大，因而它们在自然界中存在的形式各不相同。 少数化学性质不太活泼的金属元素，在自然界中以游离单质存在，其余大多数金属以化合物状态存在。一般轻金属以氧化物（赤铁矿主要成分为Fe2O3、磁铁矿主要成分为Fe3O4）、氟化物（如CaF2）、硫酸盐（MgSO4）、磷酸盐、碳酸盐（如CaCO3）等形式存在，重金属则多以氧化物、硫化物成矿，还有许多以硅酸盐形式存在。这些矿物大多埋藏在地下，成为地壳岩石圈的组成部分。也有些溶解度较大的矿物被雨水或地下水带入海洋。此外海底岩层中原本就含有各种矿藏，所以在海洋中也有大量金属资源。[13]
地壳中丰度最高的5种元素是“氧、硅、铝、铁、钙”。部分金属丰度如下表。
金属丰度铝0.081铁0.063钙0.05铜2.5×10-5锡2.0×10-6铅1.7×10-5银5.0×10-8金1.6×10-9铂0.5×10-9
[14]
金属分类
黑色金属
工业上对铁、铬和锰的统称，亦包括这三种金属的合金。如：钢、生铁、铁合金、铸铁等。纯净的铁和铬是银白色的，而锰是银灰色。由于钢铁表面通常覆盖一层黑色的四氧化三铁，而锰和铬主要应用于冶炼黑色的合金钢，所以才会被误以为是“黑色”金属。[17][18]
有色金属
泛指除去铁（有时也除去锰和铬）和铁基合金以外的所有金属。有色金属由于种类众多，其矿产地的数量也就比黑色金属要多得多。有色金属可分为重金属、轻金属、贵金属及稀有金属。[19]
重金属：一般指密度大于5g/cm3的金属[20]。如金、银、铜、铁、汞、铅、镉等，重金属在人体中累积达到一定程度，会造成慢性中毒，另外重金属是土壤环境中一类具有潜在危害的污染物，长期累积将改变农用地土壤的功能。[21]
轻金属：一般指相对密度在5g/cm3以下的有色金属。包括铝、镁、锂、铍、铷、铯、钾、钠、钙、锶、钡、钛等。轻金属不仅密度小，而且化学活性大，与氧、硫、碳及卤素化合物接触相当稳定。铝是轻金属中用量最大的一种，其产量和消费量均仅次于钢铁，是第二大金属。[22]
贵金属：这些金属在地壳里的丰度低，分布稀散，彼此互溶共生，富集、分离和提纯都较困难，价格较贵。化学性质也较稳定，不易发生化学反应，如金、银和铂族金属（铂、钌、铑、钯、锇、铱）。[23]
稀有金属：在地壳中含量较少、分布稀散或难以从原料中提取的金属。如锂、铍、钛、钒、锗、钼、铯、镧、钨、镭等。[23]
合金
合金是一种以金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔炼或烧结制成的具有金属特性的材料。机械制造中所用的金属材料是以合金为主，很少使用纯金属。是因为合金比纯金属拥有更好的力学性能和工艺性能，且价格低廉。最常用合金为是以铁为基础的铁碳合金，如碳素钢、合金钢、灰铸铁等，还有以铜为基础的黄铜、青铜等，以铝为基础的铝硅合金等。[24]
物理性质
常温下，大部分为固体，唯一呈液态的是汞；金属外观：除Cu、Au外，大多数金属为银白色，有金属光泽；金属一般都具备良好的导电性、导热性、延展性。[25]
金属光泽
延展性
导电导热
金属导热主要依靠自由电子的迁移和晶格振动，“自由电子”在电场中的定向移动使金属具备导电性。这些都是源于“自由电子”，而金属的价层电子数较少容易失去，易产生自由电子，所以金属一般都具备良好的导电性、导热性。[7][8]
力学性能
强度：金属材料在静载荷作用下抵抗永久变形或断裂的能力。根据力的形式不同，可以有屈服强度、断裂强度、抗拉强度、弯曲强度、扭转强度、抗压强度等等。塑性：金属材料在载荷作用下产生永久变形而不破坏的能力。受力后，材料保留了一部分变形。硬度：金属材料表面抵抗比他更硬的物体压入的能力。硬度是一个综合指标，代表了强度、塑性等力学性能的综合性。常见有布氏硬度，洛氏硬度和维氏硬度。韧性：金属材料抵抗冲击载荷（力的作用时间很短）而不被破坏的能力。疲劳指材料对交变应力表现出来的性质；弹性是指金属材料在外力消失时，能使材料恢复原先尺寸的一种特性。
[26]
金属的磁性
只有少数金属是铁磁性的，而大部分金属是即抗磁性或顺磁性。例如铁、钴、镍为铁磁性金属，它们内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，这种自发磁化区就叫磁畴。铁磁类物质磁化后，内部的磁畴整整齐齐、方向一致地排列起来,使磁性加强，就构成磁铁了。磁铁的吸铁过程就是对铁块的磁化过程，磁化了的铁块和磁铁不同极性间产生吸引力，铁块就牢牢地与磁铁“粘”在一起了。[27]
化学性质
元素的化学特性决定于最外层电子数，而金属原子最外层电子数较少，一般为1~2个，易失去电子变为正离子，所以金属元素具有相对较强的还原性，易发生氧化反应。[28]
较完整的金属活动顺序（排序从强到弱）：
锂（Li）、铯(Cs)、 铷(Rb)、 钾(K)、镭(Ra)、钡(Ba)、钫(Fr)、锶(Sr)、 钙(Ca)、 钠(Na)、 镧(La)、 镨(Pr)、钕(Nd)、 钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、 锕(Ac)、钆（Gd）、铽（Tb）、镅（Am）、钇（Y）、镁（Mg）、镝（Dy）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、 铈（Ce）、钬（Ho）、铒（Er）、钪（Sc）、钚（Pu）、钍（Th）、铍（Be）、镎（Np）、铀（U）、铪（Hf）、铝（Al）、钛（Ti）、锆（Zr）、钒（V）、锰（Mn）、铌（Nb）、锌（Zn）、铬（Cr）、镓（Ga）、铁（Fe）、镉（Cd）、铟（In）、铊（Tl）、钴（Co）、镍（Ni）、钼（Mo）、锡（Sn）、铅（Pb）、[氢（H）]、铜（Cu）、钋（Po）、汞（Hg）、银（Ag）、钯（Pd）、铂（Pt）、金（Au）。[29]
简要列举部分与金属发生的反应：
1.大多数金属与氧气（O2）等非金属反应。[30]金属与氧气反应最为常见的是“生锈”，例如铁生锈、铜生锈等。
化学方程式：Fe+O2=Fe2O3[31]
不同的金属同氧气（O2）反应的激烈程度存在不同：
①如钠与氧气的反应
Na+O2=Na2O（只需与空气接触即可发生）
②如镁条的燃烧
反应现象：镁条剧烈燃烧，发出耀眼的强光，产生大量的白烟。
化学方程式：2Mg＋O2=2MgO （反应条件：点燃）
2.活泼金属与酸反应
在金属活动性顺序中，排在(H)前面的金属能与稀盐酸(或稀硫酸)反应置换出H2，排在(H)之后的金属不能。金属的位置越靠前，其活动性越强，反应越剧烈。[32]
如镁条与稀盐酸反应
现象：镁条逐渐溶解，同时产生无色气泡。
离子方程式：Mg＋2H＋=Mg2＋＋H2↑
在金属活动性顺序中，位于前面的金属能够把位于后面的金属从它们的盐溶液中置换出来[33]。
注意：K、Ca、Na金属活动性非常强，但不能用它们置换化合物中的金属，因为它们会先同溶液中的水剧烈反应。
a．铝丝与硫酸铜溶液反应。
现象：铝丝表面有红色物质生成。
离子方程式：2Al＋3Cu2＋=3Cu＋2Al3＋
b．铜丝与硝酸银溶液反应。
现象：铜丝表面有银白色物质生成。
离子方程式：Cu＋2Ag＋=Cu2＋＋2Ag
4.金属与水反应
排在H前面的金属，理论上讲都可以与水发生化学反应。但是基于活动顺序，不同金属与水反应的条件不尽相同。钾，钙，钠等在常温下能与水发生剧烈反应；镁、铝等能与热水反应；铁等金属在高温下能与水蒸气反应。[34][35]
5.金属还原性
在金属活动顺序表中，一般位置越后的金属，金属性越弱，原子的还原性越弱；位置越前的金属，金属性越强，原子的还原性越强。[36]
焰色反应
许多金属或它们的化合物在燃烧时火焰呈特殊的颜色，叫做焰色反应。[37]
属于物理变化，相应金属不管是离子还是单质灼烧时都会呈现其对应焰色。
碱金属元素及钙、锶、钡、铜等少数金属能发生焰色反应。[38]
金属提炼
从含金属的矿石中提炼金属一般需要经过三大步骤：①采矿和选矿；②冶炼；③精炼。
选矿就是对开采出来的矿石进行预处理，把矿石中大量脉石（主要是石英、石灰石和长石等）除去，以提高矿石中有用成分的含量，达到富集的目的。常用的选矿方法有水选法、磁选法和浮选法等。选矿过程主要利用矿石中有用成分与脉石在物理性质上的差别将它们分开。
绝大多数金属在自然界中都是以它们的化合物或盐的形式存在的，由于金属的化学活性不同，金属离子得到电子被还原为金属原子的能力也不同，因而相应的冶炼方法也不同。工业上提炼金属常用的方法有：
还原法
碳还原法
由于碳资源丰富，便宜易得，因而用得十分普遍，如从锡石（SnO2 ）或者赤铜石（Cu2O）提取锡和铜就是用碳还原法。
化学方程式：SnO2＋2C=Sn+2CO↑ Cu2O+2C=2Cu+CO↑ （反应条件：高温）通常在高炉和电炉中进行，所以这种冶炼方法又称为火法冶金。
氢还原法
由于用碳做还原剂所得到的金属往往含有碳和金属碳化物，得不到纯金属。因此若要制取不含碳的金属，或希望得到纯度较高的金属，常用氢还原法。一般说，具有较少生成焓的氧化物，如氧化铜、 氧化铁、氧化钴、氧化钨等，容易被氢还原成金属。
化学方程式：WO3+3H2=2W+3H2O （反应条件：高温）
金属还原法
一些具有较大生成焓的氧化物，如氧化锆、氧化钛等，基本上不能被氢气还原，而只能使用金属还原法。铝是最常用的还原剂，此外钙、镁也是常用的还原剂。由于铝的还原能力强，价廉易得，生成氧化铝的反应强烈放热，可节约能耗。因而常用铝还原其它金属氧化物，以制备相应的金属。
化学方程式：Cr2O3+2Al=2Cr+Al2O3 （反应条件：高温）但铝容易与许多金属生成合金，得到的金属中常杂有铝，这是用铝做还原剂的缺点。用钙、镁做还原剂，并不和被还原金属生成合金，得到的金属纯 度较高。通常用来制备钛 、锆、铪、钒、铌、铀等金属。
热分解法
有些金属可直接通过热分解其氧化物、卤化物（主要是碘化物）的方法制得。
化学方程式：ThI4=Th+2I2 （反应条件：加热）
钛、锆、铪、钒、铬等金属，都可以从它们的碘化物分解而得。此法的优点在于制得的金属纯度较高。在金属活动序中处于氢后面的金属，则可通过热分解它们的氧化物来制取。
化学方程式：2HgO=2Hg+O2 ↑ （反应条件：加热）
电解法
电解是最强的还原手段，任何离子化合物都可以进行电解，在阴极上得到还原产品。因而几乎所有的金属都可以用电解法来制备。这种方法得到的产品纯度很高，但能耗大，成本高。目前，在工业上对铝和比铝更活泼的金属，如钙、镁、钠等，都是用电解法制取得。
[39]
金属用途
金属在人类生产生活中用途十分广泛。 例如，纯金属、金属的合金、金属间隙化合物或金属的复合材料。金属或金属材料种类繁多，简单介绍一下各类金属典型用途。[40]碱金属和碱土金属（ｓ区金属），由于其化学性质较为活泼，是极好的还原剂、脱卤剂。特别是金属Na 和金属Mg在有机合成化学工业及冶金工业中有着重要而广泛的用途。ｓ区金属具备良好的导电性，而且有些金属，如铯，经过照射后会产生电流，即能产生光电效应。因而铯、钾、铷常被用做光电材料，能把光信号转变为电信号。 [40]ｓ区金属及铝属于轻金属，是制造轻质合金的重要原料。由于铍、镁 、铝质地相对较硬，且密度较小适于制造轻质合金。镁合金、铝合金和铍合金密度小而 强度高，是重要的轻型结构材料，广泛应用于宇宙飞船、航空、汽车、机械工业等方面。 [40]碱金属及ｐ区金属单质大多数熔点低，是制造低熔合金的重要原料，例如锡、铅、铋等 。这类合金用于自动灭火设备，锅炉安全装置、信号仪表等。[40]元素周期表中金属与非金属交界区的一些金属元素，如镓、铟、锗等， 是典型的半导体材料，大量用于制造各类半导体器件及电子元件。[40]银、铜、金、铝是所有金属中导电性较好的。银和金的化学稳定性高，但价格贵，通常在要求较高的 场合用做导电元部件，而铜和铝 （尤其是铝、质轻价廉）则广泛用于电器工业，制造各种导线、电缆、电极及导电元部件。[40]金、银、铜自古以来就是制造货币的主要材料，直至今天仍是一些国家造币合金的成分 。此外制造各种饰物 、器皿以及精 美的工艺品、收藏品也是金和 银的一个重要用途。[40]铁是所 有金属中用途最广、用量 最大的 一 种 金属，从 远 古铁 器时 代起，铁就是制造生产 工具、生活用 具和武器的基本材料 。今天，铁仍是各种不同性能 的钢材的基本成分。[40]铁、钴、镍有顺磁性，它们是许多磁性材料的主要成分。永磁材料是 一 类重要的电子材 料，用它制成 的元器件，无需再加能量就可提供恒定的磁场。永磁材料在各种电子电工仪表、记录仪、通风设备、发电机、电动机、电声、电视器件中都起着重要的作用。[40]铂系金属有很高的化学稳定性，且耐高温 。在化学工业中利用它们的稳定性质可制造特殊用途的反应器皿、蒸发皿、坩埚。铂、钌、铑 、钯也是制造耐腐蚀电极及热电偶的重要材料。铂铱合金用于制造标准度量衡的校准器，锇铱合金还用于制造指南针的主要零件及自来水笔尖等。[40] 大多数铂系金属能吸收气体，尤其是H2，其中钯吸收H2的功能特别强。因 此可 用铂 和 钯作为贮氢材料。在电子工业中，用钯管做成H2过滤器，以制备高纯H2。此外，铂系金属特别是钌、铑 、铂、钯（及其化合物）常用做化学工业的催化剂。[40] 部分金属由于其熔点 、沸点较高且硬度较大的特点，用做金属陶瓷的重要原料，例如高熔点金属钨和铬。此外，钨、钼等高熔点金属还常被用做电子仪器中的热电子发射材料，钨更被大量用来制造各类灯泡中的灯丝和 硬质合金。 [40]稀土金属化学性质活泼，有相当强的还原能力，对钢液有脱氧 、脱硫及清除有害杂质的作用，在冶金 工业中有重要的用途。微量稀土金属可大大改善甚至根本改变合金的性质，被称为冶金工业的维生 素，是重 要的合金成分。[40]在玻璃、陶瓷工业中，稀土元素常作为添加剂。玻璃中引入稀土元素后可改善其性能 ，制成 多种 新型 玻璃（彩色玻璃、光学玻璃、吸光玻璃及激光玻璃等），广 泛应用于光学仪器、电子工业、电机以及原子能工业，在陶瓷中添加稀土氧化物可改进陶瓷的烧结性、致密度、显微结构和相组成，以满足在不同场合下使用的陶瓷材料的质量要求和性能 要求。[40]金属元素是人类必需元素。微量元素在体内含量很少，但它们在生命过程中的作用不可低估。缺少必需的微量元素，酶的活性就会降低或完全丧失，激素、蛋白质、维生素的合成和代谢也就会发生障碍，人类生命过程就难以继续进行。比如铁是血液中交换和输送氧所必需的一种元素；锌是一种与生命攸关的元素，被誉为“生命之花”，它是构成多种蛋白质所必需的。[41]
金属之最
参考资料 51
- 参考 1
- 参考 2
- 参考 3
- 参考 4
- 参考 5
- 参考 6
- 参考 7
- 参考 8
- 参考 9
- 参考 10
- 参考 11
- 关于汞的秘密，你可曾知道? — 河北省科学技术厅
- 参考 13
- 地壳元素“丰度”与人类历史——扑克、硬币、手机都在这里 — 中国地质调查科普网
- 【科普知识】有色金属 — 广西河池市人民政府
- 参考 16
- 参考 17
- 金属如何分类?黑色金属真的是黑色的吗? — 中国科普博览
- 参考 19
- 参考 20
- 参考 21
- 参考 22
- 参考 23
- 参考 24
- 参考 25
- 参考 26
- 参考 27
- 参考 28
- 参考 29
- 参考 30
- 参考 31
- 参考 32
- 参考 33
- 参考 34
- 参考 35
- 参考 36
- 参考 37
- 参考 38
- 参考 39
- 参考 40
- 参考 41
- 参考 42
- 30个有色金属之最! — 天津华北勘察地质总院
- 参考 44
- 世界上最硬的物质有多硬? — 科普中国网
- 参考 46
- 参考 47
- 参考 48
- 参考 49
- 参考 50
- 参考 51