金属的分类
金属的种类很多,通常把金属分为黑色金属和有色金属两大类。
1. 黑色金属
黑色金属包括铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)及其合金。
2.有色金属
人类迄今为止在自然界中已发现86种金属元素,除上述铁、锰、铬三种黑色金属外,其余83种金属称为有色金属。
各国对有色金属的分类并不完全统一,根据其密度、价格、储量、在地壳中的分布情况以及被人类发现和利用的时间,大致分为五类:轻有色金属、重有色金属、贵金属、稀有金属、半金属。
1.轻有色金属
轻有色金属一般指密度在4.5以下的有色金属,包括铝(Al)、镁(Mg)、钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)、锶(Sr)和钡(Ba)。这些金属的共同特点是:密度在0.53至4.5之间,化学活性大,与氧、硫、碳、卤素等形成相对稳定的化合物。因此,这些金属的提取多采用熔盐电解法和金属热还原法。
轻金属铝在自然界中约占地壳重量的8%(铁为5%),随着现代铝冶炼技术的发展和在国民经济各部门的广泛应用,铝已成为有色金属中产量最多的金属。
(二)重有色金属
重有色金属一般指密度在4.5以上的有色金属,包括铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)、锌(Zn)、钴(Co)、锡(Sn)、锑(Sb)、汞(Hg)、镉(Cd)、铋(Bi)等。
每种重有色金属根据其特性,在国民经济各部门中都有其特殊的应用范围和用途。例如,铜是军工、电器设备的基本材料;铅在化学工业中被广泛用于制造耐酸管道和蓄电池;镀锌钢在工业和生活中应用十分广泛;镍和钴是制造高温合金和不锈钢的合金元素。
重有色金属的生产一般分为火法冶金和湿法冶金。
(三)贵金属
这类金属包括金(Au)、银(Ag)及铂(Pt)族元素[铂(Pt)、铱(Ir)、锇(Os)、钌(Ru)、钯(Pd)、铑(Rh)]。因其对氧等试剂稳定,且在地壳中含量较少,开采提炼较困难,所以其价格较一般金属昂贵,故得名贵金属。
除金、银、铂等具有单独的矿物且部分由矿石产出外,这些金属大部分都是从铜、铅、锌、镍等冶炼厂的副产品(阳极泥)中回收的。
它们的特点是密度大(0.4-22.4),其中铂、铱、锇是最重的金属;熔点高(916-3000℃);化学性质稳定,耐酸碱,不易腐蚀(银、钯除外)。另外,金、银有较高的可锻性和可塑性,钯、铂也有较好的可塑性,其余均为脆性金属。金属一般都有较好的电导性和导热性,但铂族元素的电导性和导热性却很低。
在西方发达国家乃至一些发展中国家,金、银一直被用作货币储备或装饰品。贵金属在电气、电子、航空航天、高温仪器、接触器等工业中得到广泛应用。贵金属在工业上,特别是在原子能工业中的应用越来越广泛。
4. 稀有金属
稀有金属通常是指自然界中含量极少、分布稀少或难以从原料中提取的金属。一般认为下列金属为稀有金属:锂、铷、铯、铍、钨、钼、钽、铌、钛、锆、铬、钒、铼、镓、铟、铊、锗、钪、钇、镧、铈、镨、钕、钷、钐、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钋、镭、锕、钍、钚、铀以及人造的铀元素。
稀有金属的生产比较复杂,一般不能从矿石中直接冶炼成金属,而必须经过生产化合物的中间阶段。也就是说,有些金属制成后,还要加工成超纯金属,才能达到工业要求。稀有金属常用于黑色金属和有色金属工业,生产特种钢、超硬合金、耐高温合金等,在原子能工业、化学工业、电气工业、电子管、半导体、超音速飞机、火箭技术等方面占有重要地位。因此,稀有金属的应用被视为科学技术迅速发展的因素之一。稀有金属的名称也是相对的,稀有金属并不都是稀有的,很多稀有金属在地壳中的含量远大于普通金属,如锆、钒、锂、铍等的含量就大于铅、锌、汞、锡等。
为了研究的方便,各种稀有金属按照各种稀有金属的某些共同点(如金属的物理化学性质、原料共生关系、生产工艺等)分为稀有轻金属、稀有高熔点金属、稀有弥散金属、稀土金属、稀有放射性金属等。
1. 稀有轻金属
稀有轻金属包括以下五种金属:锂(Li)、铍(Be)、铷(Rb)、铯(Cs)、钛(Ti)。它们的共同特点是密度小(锂-0.53;铍-1.85;铷-1.55;铯-1.87;钛-4.5),化学活性强。这些金属的氧化物和氯化物化学稳定性高,不易还原,常采用熔盐电解法生产。
2.稀有高熔点金属
稀有高熔点金属包括以下八种金属:钨(W)、钼(Mo)、钽(Ta)、铌(Nb)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)和铼(Rt)。它们的共同点是熔点高,从1830℃(锆)到3400℃(钨),硬度高,耐腐蚀性强,能与一些非金属形成非常坚硬、非常耐火的稳定化合物,如碳化物、氮化物、硅化物和硼化物。这些化合物是生产硬质合金的重要原料。这些金属熔点高,化合物经还原后可得到金属粉末或海绵,再用粉末冶金或电弧熔炼制成致密的合金。
3.稀土弥散金属
稀有分散金属又叫散金属,包括以下四种金属:镓(Ga)、铟(In)、铊(Te)、锗(Ge)。除铊外,均为半导体材料。大多数散金属在自然界中不以个体矿物的形式存在,即使有的以个体矿物的形式存在,产量也很少,没有工业价值。它们在地壳中十分分散,所以都是从各冶金厂或化工厂的废料中提取出来的。例如电解铜厂的阳极泥,冶炼铅、锌、铝的炉渣和烟尘,火电厂的烟尘,硫酸厂的废渣等都是提取这些金属的原料。
4. 稀土金属
18世纪时,只有形似碱土的稀土氧化物(如氧化钙),所以才有了“稀土”这个名字,至今仍在使用。这些金属具有相同的原子结构,因此物理和化学性质非常相似。它们在矿石中总是伴生在一起,在提取过程中,需要复杂的操作才能将它们一一分离。通常,它们先以氧化物或其他化合物的混合物形式沉淀出来,然后再通过物理和化学方法分离。
稀土金属包括镧系元素以及性质与镧系元素十分相似的钪和钇,共计17种。进一步来说,稀土金属又可分为轻稀土元素和重稀土元素两大类。
(1)轻稀土元素
总共有7种,具体元素分别为:镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(En);
(2)重稀土元素
总共有10种,具体元素分别为:钆(Gd)、锝(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)、钇(Y)。
5. 稀有放射性金属
属于这一类的元素有两大类,即天然存在的放射性元素和人工生成的超铀元素。
(1)天然放射性元素
共有7种,分别是:钋(Po)、镭(Ra)、锕(Ac)、钍(Th)、镤(Pa)和铀(U);
(2)人造超铀元素
共有13种:钫(Fr)、锝(Tc)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、镄(Fm)、钔(Md)、锘(No)、铹(Ln)。
天然放射性元素常共存于矿石中,常与稀土金属矿伴生,稀土金属在原子能工业中起着极其重要的作用。
(五)半金属
半金属一般指硅(Si)、硒(Se)、碲(Te)、砷(As)和硼(B),它们的物理化学性质介于金属和非金属之间,例如砷是非金属,但可以导热、导电。这些金属根据各自的性质有不同的用途,硅是半导体的主要材料之一,高纯度的碲、硒、砷是制造化合物半导体的原料,硼是合金的添加元素等。