葉建興

在我們豐富多彩的生活中存在許多材料，其中金屬材料的使用最為廣泛。作為一名初中的化學(xué)老師，在講到第八單元金屬和金屬材料的時(shí)候，我會(huì)和學(xué)生詳細(xì)分析金屬的物理和化學(xué)性質(zhì)，還有金屬資源的利用與保護(hù)，涉及到金屬的各個(gè)方面。

一、金屬的歷史

人類從石器時(shí)代進(jìn)入青銅時(shí)代，接著進(jìn)入鐵器時(shí)代，就是以金屬材料的使用作為標(biāo)志的。金屬材料包括純金屬與合金，鎂，銅，汞等金屬單質(zhì)屬于純金屬;不銹鋼，青銅，鋁合金等屬于合金。人類最早使用的金屬是銅，再到鐵，鋁。但是鋁在世界上的年產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)銅，僅位于鐵之后。中國(guó)東漢晚期的青銅奔馬（馬踏飛燕）與河北的滄州獅子已成為我國(guó)的重要標(biāo)志，現(xiàn)已列為世界歷史文物。

二、金屬的物理性質(zhì)

根據(jù)我們的生活經(jīng)驗(yàn)，知道鐵鍋，鋁鍋和銅鍋可以用來(lái)炒菜，做飯和涮肉，電熱水壺可以煮水，這是因?yàn)榻饘倬哂袑?dǎo)熱性。銅絲，鋁絲可以用來(lái)做電線，是因?yàn)榻饘倬哂袑?dǎo)電性。金銀等金屬看起來(lái)光彩奪目，是因?yàn)榫哂薪饘俟鉂伞ｈF常常被加工成鐵片或者鐵絲，是因?yàn)榻饘倬哂醒诱剐浴饘傺诱剐缘膬?nèi)部原因是當(dāng)金屬受到外力作用時(shí)，晶體中的各原子層就會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，由于金屬離子與自由電子之間的相互作用沒(méi)有方向性，滑動(dòng)以后，各層之間仍保持著這種相互作用，在外力作用下，金屬雖然發(fā)生了變形，但不會(huì)導(dǎo)致斷裂。

三、金屬的化學(xué)性質(zhì)

金屬的用途不僅與它的物理性質(zhì)有密切的聯(lián)系，而且與它的化學(xué)性質(zhì)息息相關(guān)。例如，鋁能在短短一百年內(nèi)產(chǎn)量大幅度的提高，并被廣泛使用，除了因?yàn)楦倪M(jìn)了鋁的冶煉方法之外，還由于鋁的抗腐蝕性能好?？垢g性是一種化學(xué)性質(zhì)，某些活潑金屬在常溫下就能與氧氣反應(yīng)，例如鋁在空氣中被氧化的化學(xué)方程式為：? 4Al + 3O2== 2Al2O3

Al2O3中文名稱叫氧化鋁，是一種致密的氧化膜，覆蓋在金屬鋁的表面阻止鋁進(jìn)一步被氧化，所以鋁制品抗腐蝕性性能很好。性質(zhì)決定用途，正是因?yàn)殇X的抗腐蝕性好，所以生活上我們都會(huì)用鋁制品作炊具。

四、金屬資源的獲取

人類大量使用金屬材料，金屬材料主要來(lái)源于礦物資源。我國(guó)是世界上礦物種類比較齊全的少數(shù)國(guó)家之一，礦物儲(chǔ)量非常豐富，其中鎢，鉬，鈦，錫，銻等儲(chǔ)量居世界前列，銅，鋁，錳等儲(chǔ)量在世界上也占有重要地位。大自然向人類提供了豐富的金屬礦物資源，人類每年要提取數(shù)以億噸的金屬，用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域。

一般來(lái)說(shuō)，金屬的提煉分為三個(gè)過(guò)程——礦石的富集，冶煉與精煉。金屬礦石在提煉之前，往往先選礦，如煉鐵需要選赤鐵礦，再把采出的礦石中大量地脈石（石英，石灰石和長(zhǎng)石等）除去，以提高礦石的品味（有效成分的含量）。根據(jù)礦石的性質(zhì)可有多種富集礦石的方法，如根據(jù)礦石的顏色，光澤和形狀等特征進(jìn)行手選;根據(jù)礦石中有用成分與礦石的密度，磁性，粘度和熔點(diǎn)等性質(zhì)的不同又可分別采用水選，磁選和浮選。由于大部分金屬在礦石中均以氧化型形式存在，因此必須采用適當(dāng)?shù)倪€原方法使呈正氧化態(tài)的金屬元素得到電子變?yōu)榻饘僭?。高溫?zé)徇€原法即火法冶煉是最常用的方法;對(duì)于某些非常活潑的金屬如鈉，鎂，鋁等往往采用熔鹽電解法;金，鉑等常以單質(zhì)形式存在于自然界，這時(shí)需在適宜條件下將它們氧化，再用還原劑還原，這屬于濕法冶煉的范疇?；鸱ɑ驖穹挸龅拇纸饘俑鶕?jù)純度要求，可再進(jìn)行精煉，這就是金屬的精煉。精煉分為電解精煉與氣相精煉，精煉銅的時(shí)候就用到電解精煉，其原理是：電解時(shí)，用純銅板作陰極，粗銅板作陽(yáng)極，用CuSO4溶液作電解液。當(dāng)通以直流電時(shí)，作為陽(yáng)極的銅逐漸溶解，純銅在陰極上析出，粗銅中的多數(shù)雜質(zhì)沉積在電解槽底部。這樣就可以得到純度達(dá)99.95%--99.98%的銅。

五、金屬資源的保護(hù)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)世界上每年因腐蝕而報(bào)廢的金屬設(shè)備和材料相當(dāng)于年產(chǎn)量的20%--40%。防止金屬腐蝕已成為科學(xué)研究和技術(shù)領(lǐng)域中的重大問(wèn)題。年產(chǎn)量最多的金屬是鐵，鐵的生銹原理是：

4Fe + 3O2+ XH2O=== 2Fe2O3·H20

鐵銹疏松多孔，不能阻止里層的鐵繼續(xù)與氧氣，水等反應(yīng)，因此鐵制品可以全部銹蝕。銅也會(huì)生銹變成銅綠，化學(xué)方程式為：

2Cu + H2O+ CO2+O2===Cu2（OH）2CO3

礦物資源有限且不能再生，專家估算一些礦物可供開(kāi)采的年限分別為：鋁257年，鐵195年，銅42年，鋅27年，鉛26年，金26年，錫17年，銀16年。除此之外，稀土金屬（鈧，釔，鑭及鑭系）有“工業(yè)維生素”之稱，廣泛應(yīng)用于新能源，新材料，航空航天，電子信息等尖端科技領(lǐng)域，是不可再生的重要戰(zhàn)略資源，儲(chǔ)存量很少。據(jù)估算，1970年，我國(guó)已探明的稀土儲(chǔ)量約占世界總儲(chǔ)量的75%，到2005年，這一比例下降到55%左右，近幾年來(lái)，這一比例繼續(xù)下降。有資料顯示，目前我國(guó)稀土生產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的80%以上，居世界第一位，按這個(gè)生產(chǎn)量計(jì)算，我國(guó)的稀土儲(chǔ)備僅能維持15-20年。我國(guó)的稀土年消費(fèi)量居世界第一位。其中，應(yīng)用在新材料領(lǐng)域的消費(fèi)量已占總消費(fèi)量的50%以上，有60%以上的稀土產(chǎn)品出口到國(guó)外。我國(guó)生產(chǎn)的主要是低端的稀土產(chǎn)品，在高端產(chǎn)品方面遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，而且在稀土開(kāi)采與生產(chǎn)過(guò)程中存在著資源浪費(fèi)、生態(tài)破壞和亂采濫挖等問(wèn)題。直到2011年，我國(guó)國(guó)務(wù)院發(fā)布《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)稀土行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的若干意見(jiàn)》，對(duì)稀土資源進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，其中包括：

1.建立國(guó)家稀土生產(chǎn)、銷售、出口和進(jìn)口的專門(mén)管理機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一制定相關(guān)政策法規(guī)，實(shí)行嚴(yán)格的管理;

2.整頓稀土行業(yè)，對(duì)私挖亂采，私自出口行為要堅(jiān)決打擊;

3.對(duì)一些外資企業(yè)利用參投等形式對(duì)稀土進(jìn)行開(kāi)采的行為要加大監(jiān)管力度，有效保護(hù)稀土資源的開(kāi)發(fā)和利用;

4.盡快建立稀土資源國(guó)家儲(chǔ)備機(jī)制，提高資源利用率和可持續(xù)發(fā)展的能力;組建稀土資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的技術(shù)研發(fā)中心，培養(yǎng)專業(yè)人才。