金屬

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鍛鐵廠內燒紅的金屬

金屬是一種具有光澤(對可見光強烈反射)、富有延展性、容易導電、傳熱等性質的物質[1]。金屬的上述特質都跟金屬晶體內含有自由電子有關。由於金屬的電子傾向脫離,因此具有良好的導電性,且金屬元素化合物中通常帶正價電,但當溫度越高時,因為受到了原子核的熱震盪阻礙,電阻將會變大。金屬分子之間的連結是金屬鍵,因此隨意更換位置都可再重新建立連結,這也是金屬伸展性良好的原因。

在自然界中,絕大多數金屬以化合態存在,少數金屬例如可以游離態存在。金屬礦物多數是氧化物硫化物。其他存在形式有氯化物硫酸鹽碳酸鹽矽酸鹽

屬於金屬的物質有金、等。在一大氣壓及25攝氏度常溫下,只有不是固體(液態),其他金屬都是固體。大部分的純金屬是銀色,只有個別不是,如為黃色,為暗紅色[2]

在一些個別的領域中,金屬的定義會有些不同。例如因為恆星的主要成份是,天文學中,就把所有其他密度較高的元素都統稱為「金屬」。因此天文學物理宇宙學中的金屬量是指其他元素的總含量[3]。此外,有許多一般不會分類為金屬的元素或化合物,在高壓下會有類似金屬的特質,稱為「金屬性的同素異形體」。

結構及鍵結[編輯]

六方最密堆積及面心立方堆積

金屬晶體中的原子緊密排列,排列方式可分為以下的兩種:第一種是體心立方堆積,每個原子排在八個原子之間,另一種是面心立方堆積,每個原子排在六個原子之間。這些原子的排列會形成晶體,有些金屬會依溫度不同,其晶體也隨之不同[4]

金屬原子容易失去外層電子,因此在其晶體外面有一層電子雲,這也是金屬是電和熱的良導體的原因。當電子移動時,金屬的固體特性是來自電子雲和原子之間的靜電力,這種鍵結稱為金屬鍵[5]

自由電子與金屬性質的關係[編輯]

自由電子使金屬具光澤、富有延展性、容易導電、利於傳熱。在金屬晶體中具有中性原子,金屬陽離子自由電子,而自由電子可在整個晶體中自由移動。

具光澤

光線照射到金屬表面時,自由電子吸收所有頻率可見光,然後很快的發射出大部分所吸收的可見光。這也是因為絕大多數金屬呈銀白色或鋼灰色光澤的原因。金屬在粉末狀態時,由於晶體排列不規則,可見光被自由電子吸收後難以發射出去,所以金屬粉末一般呈暗灰色或灰色,但少數金屬的粉末會保持原來的顏色及光澤,例如

導電性強

自由電子在金屬晶體中作不規則的運動,在外電場的作用下,自由電子會做定向移動,形成電流,為導電性強之原因。

導熱性好

當金屬的一部分受熱時,受熱部分的自由電子能量增加、運動加劇,不斷與金屬陽離子碰撞而交換能量,把熱從一部分傳向各整體。

延展性良

金屬受外時,金屬晶體內某一層金屬原子離子與另一層的金屬原子及離子發生相對滑動,由於自由電子的運動,各層間仍保持著金屬鍵作用力


金屬分類[編輯]

金屬的分類各界不同,大致上可分為科學界工業界二種分類法。

科學界會依元素周期表,將金屬分為以下各類:

工業界對金屬的分類有很多種,可以依顏色分類為黑色金屬)和其他的有色金屬或非鐵金屬(工業最常用分類),按密度分類為重金屬輕金屬,按抗腐蝕程度分為抗腐蝕金屬卑金屬等。

黑色金屬及有色金屬[編輯]

黑色金屬包括純鐵(例如熟鐵)或是像等鐵合金,也包括等元素[6]

純淨的鐵及鉻是銀白色的,而錳是銀灰色,都不是黑色,但鐵的表面常有黑色或棕色的氧化物,而鉻和錳也常用在合金鋼中,故稱為黑色金屬[7]。黑色金屬多半會有磁性,但也有例外。

鐵、鉻及錳以外的金屬稱為有色金屬[6]

重金屬及輕金屬[編輯]

重金屬是一群有金屬特性的元素,依定義的不同.主要包括過渡金屬、有時也會包括類金屬鑭系元素錒系元素的定義。重金屬有很多不同的定義[8],有依密度原子序原子量,也有依照化學特性或毒性來定義。

在日常生活中提到的重金屬多半是以環境污染領域的定義為準,對生物有明顯毒性的金屬或類金屬元素就視為重金屬,若以密度來定義,常見的一種定義是密度大於4.5或是5的金屬。

輕金屬一般會定義是密度小於5的金屬[9],像等都是輕金屬。

卑金屬和抗腐蝕金屬[編輯]

卑金屬鋅和酸的反應

在化學上,卑金屬是指容易氧化腐蝕的金屬,而且可以和稀鹽酸反應產生氫氣。卑金屬一詞和抗腐蝕金屬相對。像鐵、鎳、鉛及鋅都是卑金屬。銅雖然不和稀鹽酸反應,但因為容易氧化,也稱為卑金屬。

鍊金術中,卑金屬是指常見而廉價的金屬,和貴金屬(例如金、銀等)相對。長久以來鍊金術士的目標都是將卑金屬變成貴金屬。

貨幣學中,以前貨幣的價值是在於貨幣中的貴金屬成份。現在大部份的貨幣都是法定貨幣,貨幣的價值由政府法令決定,因此貨幣可以由廉價的卑金屬製成。

抗腐蝕金屬是指可以抗氧化或是抗腐蝕的金屬,和卑金屬不同。抗腐蝕金屬因為罕見而高價,常常也是貴金屬。像金、鉑、銀和[10]

貴金屬[編輯]

金礦

貴金屬是指罕見、有高經濟價格的金屬元素。

一般而言,貴金屬的活性也比其他金屬要低、有顯著光澤英語Lustre (mineralogy)及高導電性。以前的貴金屬是貨幣,而現在主要是用在投資及工業的產品上。像等貴金屬在ISO 4217中都有編號。其中最廣為人知的就是金、銀,不但用在工業上,也用在藝術品、珠寶及貨幣上。

其他的貴金屬是鉑族元素,包括和鉑,其中交易量最大的是鉑[11]

對於貴金屬的需求不只是因為其實際的應用,也是因為貴金屬可以用來投資及保值英語Store_of_value。在2006年的夏季,鈀的價格曾經是金價的一半。而鉑的價格多半是金價的兩倍。銀的價格明顯的比其他貴金屬要便宜不少,因為在製幣及珠寶上的應用,傳統上仍視為是貴金屬。

金屬的提取[編輯]

金屬一般會利用採礦的方式,提取到所需的金屬成份較高的礦石。礦石需透過勘探英語Prospecting技術確定其位置,再挖掘並檢驗礦床。礦物資源一般可以分為可以用重型設備開探的露天礦英語Surface mining,以及地下礦英語Underground mining (hard rock)

在礦石開採出來後,需經過萃取英語Extractive metallurgy才能得到金屬,一般會用化學或電化學的還原法。高溫冶金英語Pyrometallurgy利用高溫將礦石變成金屬,濕式冶金英語hydrometallurgy是利用水溶液達到類似目的。需利用哪一種冶金法則依金屬及其雜質而定。

若礦石是金屬和非金屬的離子化合物,需要和還原劑加熱以產生金屬。大部份的金屬(例如鐵)礦石,可以和碳加熱產生產生金屬。有些金屬(像是或是)沒有成本夠低廉的還原劑,則會用電解的方式提煉[12][13]

含硫的礦石一般不會直接還原為金屬,而是在空氣中加熱,變成氧化物後再冶煉。

金屬之最[編輯]

金屬種類 特優性質[1]
導熱導電
延性最突出
展性最優
密度最大(25℃的密度是是22.57g/cm3
密度最小(27℃的密度是0.534g/cm3
硬度最高(8.5摩氏硬度
硬度最軟(最軟,可用小刀切割)
熔點最高(3410℃)
熔點最低(-38.87℃,常溫下呈液態)

五金[編輯]

五金即指這五種常見的金屬元素,後該詞引申至指一般常見的金屬製品,所以五金店所賣的不僅限於這五種金屬。

合金[編輯]

合金是由二種或多種化學元素組成,其中主要元素是金屬的混合物[14]。很多純金屬太軟、太脆或是高化學活性,不適合使用。將數種金屬以特定比例組合,形成合金,可以將純金屬的性質調整為一些較理想的特性。製造合金的目的一般是要使金屬脆性降低、提昇硬度、抗蝕性,或是有理想的顏色及光澤。在目前仍在使用的合金中,合金(不鏽鋼碳鋼工具鋼英語Tool steel合金鋼等)不論是在產量或是產值都是最高的。鐵加入不同比例的碳,可以得到低碳鋼中碳鋼高碳鋼,碳含量越高,其韌性及展性會下降。若碳含量超過2%,則稱為鑄鐵。而在碳鋼中加入超過10%的即為不鏽鋼。

其他主要的合金有的合金[15]。銅合金早在史前時代就開始應用,青銅時代用的青銅即為銅合金,而且在現在也有很多的應用。其他三種合金是近代才開始的研究,由於其金屬的活性,需要利用電解方式才能提煉純金屬。鋁合金、鈦合金和鎂合金的特點是其高比強度,一般會用在一些比強度比價格重要的應用中,例如太空船或是一些汽車的應用。

有時會針對高需求的應用來設計合金,例如噴氣發動機中的合金可能是由十種以上金屬所合成。

相關條目[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 袁運開. 自然科學概論. 五南圖書出版股份有限公司. 2005: 95–. ISBN 978-957-11-3709-4. 
  2. ^ 元素的分類與通性. Nani.com.tw. [2014-05-17]. 
  3. ^ John C. Martin. What we learn from a star's metal content. New Analysis RR Lyrae Kinematics in the Solar Neighborhood. [September 7, 2005]. 
  4. ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. "Inorganic Chemistry" Academic Press: San Diego, 2001. ISBN 0-12-352651-5.
  5. ^ Mortimer, Charles E. Chemistry: A Conceptual Approach 3rd. New York:: D. Van Nostrad Company. 1975. 
  6. ^ 6.0 6.1 工業系統概論. 清華大學出版社有限公司. 2005: 104–. ISBN 978-7-302-10931-0. 
  7. ^ 十萬個為什麼/新世紀版精讀本/數學化學. 少年兒童出版社. 2001: 160–. ISBN 978-7-5324-4776-3. 
  8. ^ John H. Duffus: "Heavy Metals"- A Meaningless Term, Chemistry International, November 2001, http://www.iupac.org/publications/ci/2001/november/heavymetals.html
  9. ^ A.F. Holleman und N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, S. 1141, Berlin 2007, Walter de Gruyter, ISBN 978-3-11-017770-1.
  10. ^ A. Holleman, N. Wiberg, "Lehrbuch der Anorganischen Chemie", de Gruyter, 1985, 33. edition, p. 1486
  11. ^ Platinum Guild: Applications Beyond Expectation[失效連結]
  12. ^ Los Alamos National Laboratory – Sodium. [2007-06-08]. 
  13. ^ Los Alamos National Laboratory – Aluminum. [2007-06-08]. 
  14. ^ 製造工程與技術原理. 清華大學出版社有限公司. 2004: 19–. ISBN 978-7-302-08120-3. 
  15. ^ 啟傑·楊. 製造程序. 五南圖書出版股份有限公司. 1999: 28–. ISBN 978-957-11-1764-5.