金屬

,此處顯示為片段和1厘米3立方體是一個例子化學元素那是金屬。
用不銹鋼製成的肉汁形式的金屬,一個合金主要由鐵,碳和鉻組成

一個金屬(從希臘語μέταλλον梅塔隆,“我的,採石,金屬”)是材料當新鮮準備,拋光或破裂時,它會顯示出光澤的外觀,並進行相對很好。金屬通常是可延展(可以將它們錘成薄紙)或延性(可以將其拉入電線)。金屬可能是化學元素;一個合金不銹鋼;或分子化合物,例如聚合物氮化硫.

在物理學中,金屬通常被認為是能夠在溫度下進行電力的任何物質絕對零度.[1]在高壓下,許多通常不歸類為金屬的元素和化合物會變成金屬。例如,非金屬逐漸在40到1.7萬倍的壓力下變成金屬氣壓。同樣,某些被視為金屬的材料可以變成非金屬。例如,在大氣壓不到200萬倍的壓力下,變成非金屬。

在化學方面,兩個元素否則(物理學)將作為脆性金屬有資格 - - 通常被認為是金屬由於它們的化學(主要是非金屬砷的非金屬化,並且在金屬性和非金屬性之間平衡)。在118個元素中,大約有95個週期表是金屬(或可能是這樣)。該數字是不精確的,因為金屬之間的邊界,非金屬, 和金屬由於缺乏對所涉及類別的普遍接受的定義,因此略有波動。

天體物理學“金屬”一詞更廣泛地指代恆星中的所有化學元素,這些元素比,不僅是傳統金屬。從這個意義上說,通過核合成在恆星核心中收集的前四個“金屬”, 和,所有這些都是化學中嚴格的非金屬。一個明星保險絲較輕的原子(主要是氫和氦氣)在其一生中變成較重的原子。從這個意義上講,金屬性天文對象的比例是由較重的化學元素組成的物質的比例。[2][3]

金屬作為化學元素,佔地殼的25%,並且存在於現代生活的許多方面。某些金屬的強度和彈性導致它們經常使用,例如高層建築和橋樑建造,以及大多數車輛,許多車輛家用電器,工具,管道和鐵軌。貴金屬歷史上用作造幣,但在現代時代造幣金屬已經擴展到至少23個化學元素。[4]

人們認為,精製金屬的歷史始於大約11,000年前的銅。在公元前5千年中,黃金,銀,鐵(作為隕鐵),鉛和黃銅也被使用。隨後的發展包括鋼的早期形式的生產;發現-首先輕質金屬 - 1809年;現代的崛起合金鋼;而且,自第二次世界大戰結束以來,更複雜的合金的開發。

特性

形式和結構

晶體

金屬有光澤和有光澤,至少在新鮮準備,拋光或破裂時。金屬厚度比幾微米厚的金屬看起來不透明,但是金葉子傳輸綠燈。

金屬的固態或液態很大程度上起源於涉及的金屬原子容易失去其外殼電子的能力。從廣義上講,持有單個原子的外殼電子的力比同一電子上的吸引力弱,而在固體或液體金屬中的原子之間的相互作用引起的相同力。所涉及的電子被脫位,並且可以有效地將金屬的原子結構視為嵌入在相對移動電子云中的原子集合。這種類型的互動稱為金屬鍵.[5]不同元素金屬的金屬鍵的強度在該中心的中心周圍達到最大值過渡金屬串聯,因為這些元素具有大量的離域電子。[n 1]

雖然大多數元素金屬具有更高的密度比大多數非金屬[5]它們的密度有很大變化,是最小密度(0.534 g/cm3) 和(22.59 g/cm3)最密集的。鎂,鋁和鈦為輕質金屬商業意義很大。它們的密度為1.7、2.7和4.5 g/cm3可以將其與較舊的結構金屬(例如7.9的鐵和8.9 g/cm的銅)進行比較。3。因此,鐵球的重量大約要高達三個鋁製球。

帶有熱量孔眼的金屬棒。熱工作利用金屬的塑料變形能力。

金屬通常是可延展和延展的,在不應力下變形切割.[5]金屬鍵合的非方向性質被認為對大多數金屬固體的延展性有顯著貢獻。相反,在離子化合物(如奶鹽)中,當離子鍵彼此滑動,所得的位置變化將同一電荷的離子移動到近距離接近,從而導致乳溝晶體。在某人中沒有觀察到這樣的轉變共價結合晶體,例如鑽石,發生斷裂和晶體碎片。[6]可逆彈性變形在金屬中可以通過胡克定律用於恢復力量壓力拉緊.

熱或強力比金屬大彈性極限可能導致永久(不可逆的)變形,稱為塑性變形或者可塑性。施加力可能是拉伸(拉)力,抗壓(推動)力量或彎曲, 或者扭轉(扭曲)力。溫度變化可能會影響結構缺陷在金屬中晶界點職位空缺線和螺絲位錯堆疊故障雙胞胎同時結晶非晶體金屬。內部的蠕變, 和金屬疲勞可能隨之而來。

金屬物質的原子是通常安排在三個常見之一中晶體結構,即以身體為中心的立方體(BCC),面部中心立方體(FCC),以及六角形封閉(HCP)。在BCC中,每個原子都位於另外八個立方體的中心。在FCC和HCP中,每個原子都被其他十二個原子包圍,但是層的堆疊卻有所不同。一些金屬根據溫度採用不同的結構。[7]

單元對於每個晶體結構是最小的原子,具有晶體的整體對稱性,並且可以通過三個維度的重複來從中從中構建整個晶格。在上面顯示的以身體為中心的立方晶體結構的情況下,晶胞由中央原子和八個角原子中的每個八個組成。

電和熱

電子在不同種類的固體中可用的能量狀態熱力學平衡.
在這裡,高度是能量,而寬度是可用狀態的密度對於列出的材料中的一定能量。陰影遵循費米 - 迪拉克分佈(黑色的=所有填補的狀態,白色的=無狀態)。
費米級eF是電子可以與上方能量水平相互作用的能量水平。在金屬和半法費米級eF位於至少一個能量狀態。
絕緣子半導體費米級別在樂隊差距;但是,在半導體中,頻段足夠接近費米水平熱填充帶電子或.

金屬的電子結構意味著它們相對較好電力導體。物質上的電子只能具有固定的能量水平而不是可變的能級,並且在金屬中,其電子云中電子的能級至少在某種程度上對應於可能發生電氣傳導的能級。在矽或非金屬硫之類的半導體中,物質中的電子與可能發生電導的能量水平存在能量差距。因此,半導體和非金屬是相對較差的導體。

元素金屬具有從6.9×10的電導率值3s/cm到6.3×105s/cm。相反,半導體金屬類似具有1.5×10的電導率-6s/cm。除了一個例外,金屬元素在加熱時會降低其電導率。p當在-175至+125°C的溫度範圍內加熱時,會增加其電導率。

金屬相對較好熱導體。金屬電子云中的電子高度可移動,能夠輕鬆傳遞熱誘導的振動能。

金屬電子對其熱容量和熱導率的貢獻以及金屬本身的電導率可以從自由電子模型。但是,這沒有考慮到金屬離子晶格的詳細結構。考慮到由離子核的排列引起的積極潛力,可以考慮電子帶結構結合能金屬。各種數學模型適用,最簡單的是幾乎免費電子模型.

化學

金屬通常傾向於形成陽離子通過電子損失。[5]大多數會與空氣中的氧氣反應氧化物在各個時間尺度上(鐵燃燒時刻鐵鐵鏽多年)。其他一些,例如, 和金子,不要與大氣反應。這氧化物金屬通常是基本的,而不是非金屬, 哪個是酸性或中立。例外是很大的氧化物氧化狀態例如cro3,Mn2o7和Oso4,具有嚴格的酸性反應。

繪畫陽極氧化, 或者電鍍金屬是防止它們的好方法腐蝕。但是,在電化學系列必須選擇塗層,尤其是在預計塗層的碎屑時。水和兩種金屬形成電化學細胞而且,如果塗層的反應性不如基礎金屬,則實際上是塗層促進腐蝕。

週期表分佈

在化學中,通常在普通條件下通常被認為是金屬的元素在下表的元素週期表中以黃色顯示。其餘元素要么是金屬元素(B,Si,Ge,AS,SB和TE通常被認為是這樣的)或非金屬。 astatine(AT)通常被歸類為非金屬或金屬遺體,但有些預測期望它是金屬。因此,由於實驗知識的不確定狀態,它已被空白。顯示為未知特性的其他元素可能是金屬,但是哥白尼(CN)和Oganesson(OG)有一些疑問。

合金

樣本巴比特金屬,一種合金, 和,用於減少摩擦的軸承

合金是具有金屬特性的物質,由兩個或多個組成元素至少其中一種是金屬。合金可能具有變量或固定成分。例如,黃金和白銀形成一種合金,可以自由調整金或銀的比例;鈦和矽形成合金Ti2Si,其中兩個組件的比率是固定的(也稱為一個金屬間化合物)。

雕塑演員鎳銀 - 銅,鎳和鋅的合金,看起來像銀

大多數純金金屬要么太柔軟,脆性或化學反應性用於實際使用。將不同的金屬比率組合為合金,可修飾純屬的特性,以產生理想的特性。製造合金的目的通常是使它們減少脆性,更堅硬,耐腐蝕,或具有更理想的顏色和光澤。在當今使用的所有金屬合金中,(不銹鋼鑄鐵工具鋼合金鋼)構成數量和商業價值的最大比例。與各種比例碳合金合金的鐵可提供低,中和高碳鋼,碳含量升高可降低延展性和韌性。添加將產生鑄鐵,而添加, 和碳鋼(超過10%)會導致不銹鋼。

其他重要的金屬合金是, 和。自史前以來就已經知道銅合金 - 青銅給了青銅時代它的名稱 - 今天有許多應用程序,最重要的是在電線上。其他三種金屬的合金最近開發了。由於其化學反應性,他們需要電解提取過程。鋁,鈦和鎂的合金因其高強度重量比而受到重視。鎂也可以提供電磁屏蔽。這些材料是高強度與重量比比物質成本更重要的情況的理想選擇,例如航空航天和某些汽車應用。

專為高度要求應用而設計的合金,例如噴氣發動機,可能包含十多個要素。

類別

金屬可以根據其物理或化學特性進行分類。以下小節中描述的類別包括亞鐵無寶貴金屬;脆金屬和難治金屬;白金;重的金屬;和根據高貴, 和寶貴的金屬。這金屬元素本節中的表根據其化學特性將元素金屬分類為鹼土金屬;過渡過渡後金屬;和燈籠Actinides.其他類別可能是可能的,具體取決於包容性的標準。例如,鐵磁金屬(在室溫下具有磁性的金屬)是鐵,鈷和鎳。

亞鐵和非有產金屬

“亞鐵”一詞來自拉丁一詞意思是“含鐵”。這可以包括純鐵,例如鍛鐵,或合金。亞鐵通常是磁的,但不僅僅是。非有產金屬和合金缺乏大量的鐵。

脆性金屬

雖然幾乎所有金屬都是可延展的或延性的,但少數金屬(晶體,鉻,錳,凝膠和二木)卻很脆弱。[8]砷和銻(如果被接納為金屬)是脆弱的。低比率的批量之比彈性模量剪切模量(PUGH的標準)表示內在的脆性。

難治性金屬

在材料科學,冶金和工程學中,難治性金屬是一種非常耐熱和磨損的金屬。哪種金屬屬於此類別有所不同;最常見的定義包括niobium,molybdenum,tantalum,Tungsten和Rhenium。它們的熔點都超過2000°C,並且很高硬度在室溫下。

白色金屬

一個白色金屬是具有相對較低熔點的白色金屬(或它們的合金)範圍。這樣的金屬包括鋅,鎘,錫,銻(此處被算作金屬),鉛和鞭毛,其中一些是毒性的。在英國,美術貿易在拍賣目錄中使用“白金”一詞來描述不帶英國測定辦公室標記的外國銀色物品,但仍被認為是銀色的,並且是相應的。

厚金屬

重金屬是任何相對密集的金屬或金屬.[9]已經提出了更具體的定義,但沒有人獲得廣泛接受。一些重金屬具有利基用途,或者顯著有毒;有些在痕量中至關重要。所有其他金屬都是輕質金屬。

基礎,貴族和貴金屬

化學, 期限基本金屬被非正式地用於參考很容易的金屬氧化或者腐蝕,例如輕鬆地用稀釋反應鹽酸(HCl)形成金屬氯化物和。例子包括鐵,帶領和鋅。銅被認為是鹼金屬,因為它與HCl不反應相對容易氧化。

, 一個高貴的金屬,此處顯示為1 g粉末,一個1 g壓缸和1 g顆粒

期限高貴的金屬通常用於反對基本金屬。高貴的金屬具有抵抗力腐蝕或者氧化[10]與大多數不同鹼金屬。它們往往是貴金屬,通常是由於稀有性而引起的。例如黃金,白金,銀,,虹膜和鈀。

煉金術錢幣學,術語式金屬與貴金屬,即具有高經濟價值的人。[11]煉金術士的一個長期目標是將鹼金屬轉變為貴金屬,包括造幣金屬如銀和金。今天的大多數硬幣都是由鹼金屬製成的固有值低;過去,硬幣經常從他們的貴金屬內容。

化學上,貴金屬(如貴金屬)較少反應性比大多數元素高光澤和高電導率。從歷史上看,貴金屬很重要貨幣,但現在主要被視為投資和工業商品.金子, 和每個都有一個ISO 4217貨幣代碼。最著名的貴金屬是黃金和銀色。儘管兩者都有工業用途,但它們以其用途而聞名藝術珠寶, 和造幣。其他貴金屬包括白金組金屬:,鈀,和鉑金,其中鉑金是最廣泛的交易。

對貴金屬的需求不僅是由於它們的實際使用,而且是由於其作為投資的角色和價值存儲.[12]截至2018年秋季,鈀和白金的價值約為黃金價格的四分之三。銀比這些金屬便宜得多,但鑑於其在造幣和珠寶中的作用,通常被認為是貴金屬。

閥金屬

在電化學中,閥金屬是一種金屬,僅在一個方向上通過電流。

生命週期

形成

豐度和主要發生或來源,重量[n 2]
123456789101112131415161718
1H
2BCnoFNE
3NA毫克alsipsClar
4kCAsctivcrMncoZnGAGE作為sebrkr
5RBSryZRNBruRhPDAg光盤snSBTEXE
6CSba1 asteriskHFtaw回覆操作系統irptauHGTLpb
71 asterisk
1 asterisk洛杉磯CEPRndSM歐盟GDTBdyTm值YB
1 asteriskTh
最豐富的(最多82000ppm)
豐富(100999ppm)
罕見(1-99 ppm)
稀有的 (0.010.99ppm)
非常稀有 (0.00010.0099ppm)
分界線剩下的金屬主要發生(或採購)岩石;那些在右邊辣椒除了黃金(a鐵粒)和錫(岩石)。
該小節涉及週期表元素金屬的形成,因為這些金屬形成了金屬材料的基礎,如本文所定義。

金屬直到鐵附近(在元素週期表中)主要通過恆星核合成。在此過程中,從氫到經歷了連續的融合恆星內的反應,釋放光和熱量,並形成具有較高原子數的較重元素。[13]

通常不會以這種方式形成較重的金屬,因為涉及這種核的融合反應會消耗而不是釋放能量。[14]相反,它們在很大程度上是合成的(來自原子數較低的元素)中子捕獲,此重複捕獲的兩個主要模式是S過程R-Process。在S過程中(“ S”代表“慢”),單數捕獲被數年或幾十年分開,從而使較不穩定的核得以實現beta衰減[15]在R-Process(“快速”)中,捕獲的發生速度比原子核腐爛的速度快。因此,S過程採取了更多或更無清晰的路徑:例如,穩定的鎘-110核被恆星內的自由中子持續轟炸,直到它們形成鎘115核,這是不穩定的,並腐爛以形成iNINIM-11151515 (幾乎穩定,有半衰期30000宇宙的年齡)。這些核捕獲中子並形成不穩定的依賴性116,並腐爛形成錫116,等等。[13][16][n 3]相反,R過程中沒有這樣的路徑。由於接下來的兩個元素Polonium和Astatine的半衰期,S-Process停止了Bismuth,它們會腐爛到Bismuth或Lead。 R-Process如此之快,可以跳過這個不穩定區域,然後繼續創建較重的元素,例如和鈾。[18]

由於出色的進化和破壞過程,金屬在行星中凝結。星星在質量上失去大部分質量彈出一生的後期,有時由於中子之星合併,[19][n 4]從而增加比氦氣重的元素的豐度星際介質。當重力吸引力導致此事結合併崩潰形成了新的恆星和行星.[21]

豐度和發生

樣本脫糖,氧化鋁氫氧化礦物質,α-ALO(OH)

地殼由重量大約25%的金屬製成,其中80%是鈉,鎂和鋁等輕質金屬。非金屬(〜75%)構成了外殼的其餘部分。儘管某些較重的金屬(例如銅)的總體稀缺,但由於山地建築,侵蝕或其他地質過程,它們仍可以集中在經濟上提取的數量上。

金屬主要被發現為岩石(愛好岩石)或玉米粉餅(喜歡礦石)。岩金屬主要是S塊元素,D-Block元素的反應性較高,而F-block元素。它們對氧氣具有很強的親和力,並且主要作為相對較低的矽礦物存在。豆科植物金屬主要是反應性的D塊元素,而周期為4-6個P塊金屬。它們通常在(不溶性)硫化物礦物質中發現。比岩石岩更密集,因此在凝固時下沉到地殼中,果雀皮往往比岩石磷少量不那麼豐富。

另一方面,黃金是鐵粒或愛鐵的元素。它不容易與氧或硫形成化合物。在地球形成時,作為金屬最高尚的金屬(惰性)時,金因其形成高密度金屬合金的趨勢而沉入核心。因此,它是一種相對稀有的金屬。其他一些(較少)的高貴金屬 - 丙二粉,rhen,鉑集金屬(ruthenium,Rhodium,Palladium,Osmium,Osmium,iridium和Platinum),也不應將其視為siderophiles,但僅在其主要發生的方面被視為大地(核心,地幔和地殼),而不是外殼。否則,這些金屬以少量的形式出現在地殼中,主要是玉米粉雞(以其天然形式較少)。[n 5]

地球內部的旋轉流體外部芯主要由鐵組成,被認為是地球保護磁場的來源。[n 6]核心位於地球的固體內芯上方,在其地幔下方。如果可以將其重新排列到具有5 m的列2(54平方英尺)足蹟的高度將近700光年。磁場使地球免受太陽風的帶電顆粒和宇宙射線的影響,否則將剝離上層大氣(包括限制紫外線輻射的傳播的臭氧層)。

萃取

金屬通常是通過採礦礦石從地球中提取的,這些礦石是必要元素的豐富來源,例如鋁土礦。礦石位於勘探技術,然後進行勘探和檢查存款。礦物來源通常分為地雷,通過使用重型設備開挖通過開挖,然後地下地雷。在某些情況下,涉及的金屬的銷售價格使其在經濟上可行,以挖掘較低的濃度來源。

一旦礦石開採,金屬必須是提取,通常是通過化學或電解性還原。高溫鋁使用高溫將礦石轉化為原金,而水平鋁僱用出於相同目的的化學。所使用的方法取決於金屬及其污染物。

當金屬礦石是該金屬和非金屬的離子化合物時,通常必須是礦石冶煉 - 用還原劑加熱以提取純金屬。許多常見的金屬,例如鐵,使用作為還原劑。一些金屬,例如鋁和,沒有商業上實用的還原劑,並使用電解反而。[22][23]

硫化物礦石不會直接降低到金屬,而是在空氣中烘烤以將其轉化為氧化物。

用途

一個組成的複合合金磁鐵ND214b在a鎳鐵電腦的支架硬盤

金屬幾乎存在於現代生活的各個方面。鐵,重金屬,可能是最常見的,因為它佔所有精製金屬的90%;鋁,a輕質金屬,是下一個最常見的金屬。純鐵可能是所有最便宜的金屬元素,每克約0.07美元。它的礦石很普遍;很容易精煉;並且涉及的技術已經開發了數百年。鑄鐵更便宜,每克0.01美元的一小部分,因為不需要隨後的純化。鉑金的成本約為每克27美元,鑑於其非常高的熔點,耐腐蝕性,電導率和耐用性,可能是最普遍的。據說可以在所有消費品中發現或用於生產20%。 Polonium可能是最昂貴的金屬,由於其稀缺和微觀生產,其名義成本約為每克10萬美元。

一些金屬和金屬合金具有高度的每單位質量結構強度,使其可用於承載大載荷或抵抗撞擊損傷。金屬合金可以設計為具有抗剪切,扭矩和變形的高電阻。但是,當超過負載能力時,相同的金屬也可能通過反複使用或突然應力故障而容易受到疲勞損害。金屬的強度和彈性導致它們在高層建築和橋樑結構以及大多數車輛,許多電器,工具,管道和鐵軌中經常使用。

金屬是良好的導體,使其在電器中很有價值,並且可以在距離內攜帶電流,而能量卻很少損失。電力電網依靠金屬電纜來分發電力。在大多數情況下,家用電氣系統是用銅線連接到其良好的導電性能的。

金屬的導熱率對於容器在火焰上加熱材料很有用。金屬也用於散熱片保護敏感的設備免於過熱。

某些金屬的高反射率使它們可以在鏡子中使用,包括精密天文儀器,並增加了金屬珠寶的美學。

一些金屬具有專業用途;汞是在室溫下的液體,當它在開關觸點上流動時,用於完成電路。放射性金屬,例如p是燃料核電廠,通過核裂變.Shape-Memory合金用於管道,緊固件和血管等應用支架.

金屬可以摻雜與外國分子 - 有機,無機,生物學和聚合物。這種興奮劑需要用來由客座分子誘導的新特性。已經開發了催化,醫學,電化學細胞,腐蝕等方面的應用。[24]

回收

一堆壓實的鋼碎屑,準備回收

鑑於它們在基礎設施,建築,製造和消費品中使用,對金屬的需求與經濟增長密切相關。在20世紀,社會中使用的各種金屬迅速增長。如今,中國和印度等主要國家的發展以及技術進步正在加劇需求。結果是採礦活動正在擴大,世界上越來越多的金屬庫存在使用的地上,而不是在地面以下作為未使用的儲量。一個例子是用途的庫存。在1932年至1999年之間,美國使用的銅從73 g上升到每人238克。[25]

金屬本質上是可回收的,因此原則上可以一遍又一遍地使用,從而最大程度地降低了這些負面的環境影響並節省了能源。例如,通過使用再生材料來保存用於從鋁土礦礦石製造鋁的95%的能量。[26]

在全球範圍內,金屬回收通常很低。在2010年,國際資源小組,由聯合國環境計劃發布了有關社會中存在的金屬股票的報告[27]以及他們的回收率。[25]該報告的作者觀察到,社會中的金屬庫存可以作為地面上方的巨大礦山。他們警告說,在手機等應用中使用的一些稀有金屬的回收率,混合動力汽車和燃料電池的電池組如此之低,除非將來將來的壽命終止回收率大大加強這些關鍵金屬,否則將無法使用這些關鍵金屬。用於現代技術。

生物相互作用

已經回顧了金屬元素在細胞生物化學演化中的作用,包括有關該作用的詳細部分在氧化還原酶中。[28]

一個或多個元素, 和對於所有更高的生活形式都是必不可少的。是一個重要組成部分維生素B12。所有其他過渡元件和過渡後元素的化合物在或多或少都具有毒性,少數例外,例如某些化合物。金屬中毒的潛在來源包括礦業尾礦工業廢物農業徑流職業接觸油漆, 和處理過的木材.

歷史

史前

與其他石頭或卵石相比,銅的出現,重量和延展性,可能是本機形式出現的銅,可能是第一個發現的金屬。金,銀和鐵(作為隕鐵)和鉛也是在史前時期發現的。形式黃銅這是由這些金屬的礦石同時燃燒的銅和鋅合金,源自這一時期(儘管直到13世紀才孤立純鋅)。固體金屬的鍛造性導致了製造金屬裝飾品,工具和武器的首次嘗試。不時發現了含鎳的隕鐵,在某些方面,這比在1880年代生產的任何工業鋼都優越,直到合金鋼變得突出。[29]

古代

Artemision青銅[n 7]顯示波塞冬或者宙斯, C。公元前460年,國家考古博物館雅典。該圖的高度超過2 m。

發現青銅(具有砷或錫的銅合金)使人們能夠創造出比以前可能更難和耐用的金屬物體。青銅工具,武器,盔甲和建築材料例如,裝飾瓷磚比石頭和銅更堅硬,更耐用(”chalcolthic”)前任。最初,青銅是由銅製成的(成型砷青銅)通過自然或人為地混合銅和砷的礦石。[30]最早的文物到目前為止已知來自伊朗高原公元前5千年。[31]直到後來被使用,成為公元前三千年後期的主要非銅成分。[32]純錫本身首先在公元前1800年由中國和日本金屬工人隔離。

水星在公元前2000年之前就以古代中國和印第安人而聞名,並在公元前1500年的埃及墓中發現。

最早已知的鋼生成是鐵碳合金,是在從一塊鐵件中挖出的考古遺址安納托利亞(Kaman-Kalehöyük),已有近4000年的歷史,可追溯到公元前1800年。[33][34]

從公元前500年的劍術者西班牙托萊多,正在提早形式合金鋼通過添加一個名為的礦物Wolframite,其中含有鎢和錳,到鐵礦石(和碳)。所結果的托萊多鋼當漢尼拔在匿名戰爭。它很快成為羅馬軍團武器的基礎。據說他們的劍“如此熱衷,以至於沒有頭盔不能被他們剪掉。”[n 8]

在哥倫比亞前美國,由Tumbaga,一種銅和黃金的合金開始在巴拿馬和哥斯達黎加的300至500公元前生產。小型金屬雕塑很常見,廣泛的tumbaga(和黃金)裝飾品包括高地位的人的通常富豪。

大約在同一時間,土著厄瓜多爾人將黃金與天然含有的鉑金合金結合在一起,其中含有少量的鈀,銠和虹膜,以產生由白金 - 鉑金合金組成的微型和口罩。金屬工人涉及加熱黃金穀物鉑金合金的金屬融化,直到鉑金屬金屬被束縛在黃金內。冷卻後,將產生的企業錘打並重新加熱,直到它變得像所有有關的金屬一樣均勻地融化在一起(達到有關鉑金屬金屬的熔點都超出了當天的技術)。[35][n 9]

中世紀

黃金是給情婦的 - 女僕的底漆 -
工匠狡猾的銅。
“好的!”男爵說,坐在他的大廳裡
“但是鐵 - 頑固的鐵 - 都是他們的主人。”

冷鐵經過吉卜林[36]

阿拉伯語和中世紀煉金術士相信所有金屬和物質都是由硫的原理,所有金屬的父親和攜帶可燃特性的原則,以及所有金屬的母親汞的原理[N 10]以及流動性,盈利性和波動性特性的載體。這些原則不一定是普通物質在大多數實驗室中發現。這一理論強化了這樣一種信念,即通過適當的熱,消化,時間和消除污染物的適當組合,所有金屬注定要在地球的腸子中變成黃金,所有這些都可以通過煉金術的知識和方法來開發和加速所有這些污染物。 。[n 11]

砷,鋅,銻和鞭毛菌已成為眾所周知的,儘管它們最初是由於其不可承受的而被稱為半法或混蛋金屬。所有四個都可能在早期偶然使用而沒有意識到其性質。阿爾伯斯·馬格努斯(Albertus Magnus)據信是通過加熱肥皂和砷三硫化物。金屬鋅,如果不純淨,它是脆弱的,在公元1300年在印度被隔離。隔離銻程序的第一個描述是在1540年的書中de la pirotechnia經過Vannoccio Biringuccio。 Agricola在De Natura化石(c。1546);由於與這些元素相似,因此在早期與錫和鉛相混淆。

復興

de re metallica,1555年
鉑晶體
高度富集的鈾的光盤,該光盤是從處理的廢料中回收的Y-12國家安全綜合體, 在田納西州橡樹嶺
氬下的超純泥,1.5克

關於採礦和冶金藝術的第一個系統文本是de la pirotechnia(1540)Vannoccio Biringuccio,可以治療金屬的檢查,融合和工作。

十六年後,喬治·阿格里科拉(Georgius Agricola)出版de re metallica在1556年,清楚地說明了採礦,冶金和配飾藝術和科學專業,以及在16世紀至16世紀的化學工業最偉大的論文中的資格。

他對他的金屬進行了以下描述De Natura化石(1546):

金屬是一種礦物質,無論液體本質上還是有些硬。後者可能會因火的熱量而融化,但是當它再次冷卻並失去所有熱量時,它再次變得很難並恢復其適當的形式。在這方面,它與在火中融化的石頭有所不同,因為儘管後者恢復了硬度,但它卻失去了原始形式和特性。

傳統上,有六種不同的金屬,即黃金,銀,銅,鐵,錫和鉛。確實還有其他水銀是金屬,儘管煉金術士在這個主題上與我們不同意,並且也是。古希臘作家似乎對鞭毛不知道,因此,阿蒙尼斯正確地指出,我們未知的金屬,動物和植物種類不知道。當在坩堝中冶煉和精緻時,具有將作家帶來的合適金屬的權利。如果冶煉時,將在錫罐中添加一定部分,則生產出書商的合金,從紙上打印書籍的人使用的類型。

每種金屬都有自己的形式,當與與之混合的金屬分離時,它可以保留。因此都不是電子stannum [不是含義我們的錫]本身就是真正的金屬,而是兩種金屬的合金。 Electrum是金和銀的合金,鉛和銀的stannum。然而,如果將銀從電氣中分開,那麼金子仍然存在而不是電子。如果從Stannum帶走銀,則鉛剩餘而不是Stannum。

但是,是否發現黃銅是否被發現為本地金屬,無法用任何保證人確定。我們只知道人造黃銅,它由銅色的銅色組成災難。但是,如果應該挖出任何東西,那將是合適的金屬。黑白銅似乎與紅色不同。

因此,正如我所說的那樣,金屬本質上是固體,或者是Quicksilver的獨特情況。

但是現在足夠關於簡單的種類。[37]

白金是1736年至1744年的厄瓜多爾發現的第三種貴金屬,西班牙天文學家安東尼奧·德·烏洛阿(Antonio de Ulloa)和他的同事是數學家豪爾赫·胡安·桑塔西莉亞(Jorge Juan Y Santacilia)。烏洛亞(Ulloa)是第一個在1748年對金屬進行科學描述的人。

1789年,德國化學家馬丁·海因里希·克拉普羅斯(Martin Heinrich Klaproth)隔離了鈾的氧化物,他認為這是金屬本身。克拉普羅斯隨後被認為是鈾的發現者。直到1841年,法國化學家Eugène-MelchiorPéligot才准備了第一個鈾金屬樣品。亨利·貝克雷爾(Henri Becquerel)隨後使用鈾在1896年發現了放射性。

在1790年代,約瑟夫·普里斯特利(Joseph Priestley)和荷蘭化學家馬丁納斯·範·馬魯姆(Martinus Van Marum)觀察了金屬表面對酒精脫氫作用的變化作用,這種發育隨後於1831年通過鉑催化劑促成了硫酸的工業尺度合成。

1803年,銅礦是在巴斯特納斯(Bastnäs)發現的第一檯燈籠金屬,由JönsJakobBerzelius和Wilhelm Hisinger瑞典,並由德國的Martin Heinrich Klaproth獨立。直到1960年代開發方法以更有效地將它們彼此分開時,直到1960年代,燈籠金屬被主要視為奇怪的。隨後,他們發現了手機,磁鐵,激光器,照明,電池,催化轉化器以及其他實現現代技術的應用中的用途。

在此期間發現和製備的其他金屬是鈷,鎳,錳,鉬,鎢和鉻。還有一些白金組金屬,鈀,oSmium,虹膜和菱形。

輕質金屬

直到1809年才發現的所有金屬的密度相對較高。他們的沉重被認為是一個奇異的標準。從1809年開始,分離了鈉,鉀和鍶等光金屬。他們的低密度挑戰了關於金屬本質的傳統智慧。但是,它們作為金屬的化學表現,隨後被公認為。

鋁是在1824年發現的,但直到1886年才開發了一種工業大規模生產方法。鋁的價格下降,鋁的價格廣泛用於珠寶,日常物品,眼鏡框架,光學儀器,餐具和箔紙,並在1890年代和20世紀初。鋁能夠與其他金屬形成硬合金的硬合金的能力為當時的金屬提供了許多用途。第一次世界大戰期間,主要政府要求大量的鋁運輸,以供輕型機身。當今電力傳輸中最常見的金屬是鋁製鋼筋增強。同樣,全鋁合金導體也有很多使用。之所以使用鋁,是因為它具有可比電阻電纜的重量的一半(儘管直徑較大,因此具體電導率),而且更便宜。銅在過去更受歡迎,並且仍在使用,尤其是在較低的電壓和接地時。

雖然純金屬鈦(99.9%)於1910年首次製備,直到1932年才在實驗室以外使用,但在1950年代和1960年代,蘇聯在軍事和潛艇應用中率先使用鈦作為與寒冷有關的計劃的一部分戰爭。從1950年代初開始,鈦在軍事航空中廣泛使用,尤其是在高性能噴氣機中,從飛機(例如飛機)開始F-100超級軍刀洛克希德A-12SR-71.

1937年首次生產了金屬掃描室。1960年生產了99%的純淨金屬的第一磅。鋁 - 掃描合金的生產始於1971年。蘇聯也開發了鋁合金。

鋼鐵時代

白熱鋼像35噸電爐的水一樣倒在Allegheny Ludlum Steel Corporation,位於Brackenridge賓夕法尼亞州.

現代時代鋼製從引入亨利·貝塞默(Henry Bessemer)'Bessemer流程1855年,其原材料是生鐵。他的方法讓他便宜地生產大量鋼,因此軟鋼來用於以前使用鍛鐵的大多數目的。 Gilchrist-Thomas過程(或基本的Bessemer流程)是對Bessemer過程的改進基本的去除磷的材料。

由於它的高抗拉強度低成本,鋼開始是用於建築物基礎設施工具汽車機器,設備,以及武器.

1872年,英國人克拉克(Clark)和伍茲(Woods)為今天被視為不銹鋼的合金專利。 1821年,法國冶金學家皮埃爾·貝蒂埃(Pierre Berthier)認可了鐵鉻合金的耐腐蝕性。他注意到他們對某些酸的攻擊有抵抗力,並建議他們在餐具中使用。 19世紀的冶金學家無法在大多數現代不銹鋼中發現低碳和高鉻的組合,而他們可以生產的高鉻合金太脆而無法實用。直到1912年,不銹鋼合金的工業化才發生在英格蘭,德國和美國。

最後一個穩定的金屬元素

到1900年,三分金屬原子數小於鉛(#82),最重的穩定金屬仍有待發現:元素71、72、75。

馮·韋爾斯巴赫(von Welsbach)在1906年證明了舊的ytterbium也包含一個新元素(#71),他命名為木薯。厄本(Urbain)同時證明了這一點,但他的樣本非常不純,只包含了新元素的微量數量。儘管如此,他選擇的名字被採用。

1908年,奧古瓦(Ogawanipponium。 1925年,沃爾特·諾達克(Walter Noddack),艾達·伊娃·塔克克(Ida Eva Tacke)和奧托·伯格(Otto Berg.

喬治·烏爾拜因(Georges Urbain)聲稱在稀土殘留物中發現了72個元素,而弗拉基米爾·韋爾納德斯基(Vladimir Vernadsky)則獨立發現了它。兩次世界大戰都沒有確認任何主張,稍後都無法確認,因為他們報告的化學反應與現在所聞名的化學反應不符。戰後,1922年,科斯特和赫維西通過挪威鋯石的X射線光譜分析找到了它。因此,Hafnium是要發現的最後一個穩定元素。

到第二次世界大戰結束時到96.最終在自然界中也發現了其中兩個。 Curium and Americum是曼哈頓項目的副產品,該項目於1945年生產了世界上第一個原子彈。該炸彈是基於鈾的核裂變的,這是一種金屬,最初被認為是150年前發現的。

第二次世界大戰後的發展

超級合金

超級合金由FE,NI,CO和CR組成的組合以及W,MO,TA,NB,TI和AL的數量較低,在第二次世界大戰後不久開髮用於高性能發動機,在高溫下運行(高於650以上) °C(1,200°F))。它們在這些條件下保留了大部分強度,長期延長了,並將良好的低溫延展性與耐腐蝕或氧化相結合。現在可以在包括土地,海上和航空航天渦輪機以及化學和石油植物在內的廣泛應用中找到超級合金。

胸甲金屬

第二次世界大戰結束時,原子彈的成功發展引發了進一步的努力,以綜合新元素,幾乎所有元素都是金屬,所有這些元素都是金屬,所有這些都是放射性的。直到1949年,元素97(Berkelium)在元素96(curium)之後的接下來,通過向美國靶標發射α顆粒來合成。 1952年,在第一次氫彈爆炸的碎片中發現了元素100(費米)。氫(一種非金屬)已被確定為近200年前的元素。自1952年以來,已經合成了101(Mendelevium)至118(Oganesson)的元素。

散裝金屬眼鏡

金屬玻璃(也稱為無定形或玻璃金屬)是一種固體金屬材料,通常是合金,具有無序的原子尺度結構。最純淨的金屬,處於其固態,其原子以高度有序的結構排列。無定形金屬具有非晶體類似玻璃的結構。但是,與通常是電絕緣體的常見玻璃(例如窗玻璃)不同,無定形金屬具有良好的電導率。無定形金屬以多種方式生產,包括極快冷卻,物理蒸氣沉積,固態反應,離子輻照和機械合金。第一個報告的金屬玻璃是合金(AU)75si25)生產加州理工學院在1960年。最近,已經產生了傳統鋼合金強度的三倍的無定形鋼。當前,最重要的應用依賴於某些鐵磁金屬玻璃的特殊磁性特性。低磁化損耗用於高效變壓器。由於這些磁性特性,盜竊控制ID標籤和其他文章監視方案經常使用金屬眼鏡。

Shape-Memory合金

形狀內存合金(SMA)是一種“記住”其原始形狀的合金,當變形時變形時,加熱時會返回其預染色的形狀。雖然1932年首次觀察到形狀的記憶效應,但直到1962年才出現在Au-CD合金中,意外發現了Ni-Ti合金的效果,因此研究開始了。申請出現。 SMA在機器人技術和汽車,航空航天和生物醫學行業中都有應用。還有另一種類型的SMA,稱為鐵磁形狀 - 內存合金(FSMA),它在強磁場下改變了形狀。這些材料特別有趣,因為磁反應趨於比溫度引起的響應更快,更高效。

Quasicyrstalline合金

HO-MG-ZN二十面體晶體形成,形成為五角形十二面體, 這雙重的二十面體

1984年,以色列化學家丹·謝赫特曼(Dan Shechtman)在當時違反晶體學慣例中發現了一種具有五倍對稱性的鋁合金合金,說晶體結構只能具有兩,三,四,四個或六倍的對稱性。由於擔心科學界的反應,他花了兩年的時間才發布了他在2011年獲得諾貝爾化學獎的結果。自此以來,已經報導並確認了數百個準晶體。它們存在於許多金屬合金(以及一些聚合物)中。準晶體最常在鋁合金(al-li-cu,al-mn-si,al-ni-co,al-pd-mn,al-pd-mn,al-cu-fe,al-cu-v等)中發現,但是也已知許多其他成分(CD-YB,Ti-ZR-NI,Zn-MG-HO,Zn-MG-SC,In-Ag-YB,PD-U-SI等)。準晶體有效地具有無限大的單位細胞。Icosahedriteal632413,在自然界中發現的第一個準晶體是在2009年發現的。大多數準晶體具有類似陶瓷的特性,包括低電導率(在絕緣子中看到的接近值)和低導熱率,高硬度,硬度,耐腐蝕性和對腐蝕和非粘性的耐藥性特性。準晶體已用於開發熱絕緣,LED,柴油發動機以及將熱量轉換為電能的新材料。新的應用可能會利用低摩擦係數和某些準晶材料的硬度,例如將顆粒嵌入塑料中以製成堅固,堅硬,低摩擦的塑料齒輪。其他潛在的應用包括用於功率轉化的選擇性太陽能吸收器,寬波長反射器以及骨修復和假體應用,在這些應用中,需要生物相容性,低摩擦和耐腐蝕性。

複雜的金屬合金

複雜的金屬合金(CMAS)是金屬間化合物,其特徵是大型單位細胞,其中包括數十萬個原子。定義明確的原子簇(經常帶有二十面體對稱性);和結晶晶格中的部分疾病。它們由兩個或多個金屬元素組成,有時具有金屬或葡萄乾劑添加。它們包括,例如NaCD2,具有348個鈉原子和768鎘原子。Linus Pauling試圖描述NACD的結構2在1923年,但直到1955年才成功。起初稱為“巨型單元晶體”,對CMA的興趣,正如它們被稱為CMA,直到2002年才開始使用,發表了一篇名為“結構上複雜的合金相”的論文”,在第八屆準晶體會議。CMA的潛在應用包括熱絕緣;太陽加熱;磁性冰箱;使用廢熱發電;和軍用發動機中渦輪刀片的塗料。

高滲透合金

高滲透合金(HEAS)例如Allimgscti​​,由相等或幾乎相等的五種金屬組成。與只有一種或兩種鹼金屬的常規合金相比,HEAS具有更好的強度重量比,更高的拉伸強度以及對壓裂,腐蝕和氧化的耐藥性。儘管最早被描述為1981年,但直到2010年代才出現重大興趣。由於它們具有理想的特性的潛力,因此它們繼續成為材料科學和工程研究的重點。

最大相金合金

最大階段
合金示例
最大限度m一個X
HF2SNCHFsnC
ti4Aln3tialn
ti3sic2tisiC
ti2alctialC
cr2alc2cralC
ti3alc2tialC

在一個最大相金合金m是早期過渡金屬,一個是組元素(主要是IIIA和IVA組,或第13和14組),以及X是碳或氮。示例是HF2SNC和TI4Aln3。這樣的合金具有金屬和陶瓷的一些最佳特性。這些特性包括高電導率和導熱率,熱休克電阻,損傷耐受性,可加工性,高彈性剛度以及低熱膨脹係數。[38] They can be polished to a metallic luster because of their excellent electrical conductivities. During mechanical testing, it has been found that polycrystalline Ti3sic2可以在室溫下重複壓縮氣缸,達到1 GPA的應力,並在去除負載後完全恢復。一些最大階段也對化學攻擊具有高度抗性(例如Ti3sic2)和空氣中的高溫氧化(Ti2Alc,Cr2alc2和ti3alc2)。最大相金的潛在應用包括:堅固,可加工的,可加熱的,耐熱的折射率;高溫加熱元件;電觸點的塗料;和中性輻照耐核應用的部分。儘管在1960年代發現了Max階段合金,但有關該主題的第一篇論文直到1996年才發表。

也可以看看

筆記

  1. ^這是一個簡化的解釋;其他因素可能包括原子半徑核電,債券數量軌道,軌道能量的重疊,晶體形式.[5]
  2. ^痕量元素的豐度等於或少於每萬億美元(即TC下午poRA交流PANP, 和pu)未顯示。
  3. ^在某些情況下,例如在存在的情況下高能伽馬射線非常高的溫度富氫環境,受試者核可能會經歷中子損失或質子增益,從而產生(相對較少)中子缺乏同位素.[17]
  4. ^當兩個中子星碰撞歸因於它們的相互作用時,物質的射出潮汐力,可能的地殼破壞和衝擊加熱(如果發動機冷時,將在汽車中鋪上加速器,這就是發生的)。[20]
  5. ^從整個地球的角度來看,鐵,鈷,鎳和錫也是鐵載體。
  6. ^鐵的另一個生命的角色是作為關鍵組成部分血紅蛋白,這使氧氣從肺部到身體的其餘部分。
  7. ^青銅是一種主要由銅組成的合金,通常與約12%的錫罐組成,並且通常添加其他金屬(例如鋁,錳,鎳或鋅),有時是非金屬或金屬素,例如砷,磷或矽。
  8. ^小亞細亞的龐特斯人的chalybean人民也因在鐵和鋼鐵工作而受到慶祝。他們的鐵含有大量的錳,從而能夠生產出優質的鋼。
  9. ^在大馬士革,敘利亞,刀片匠鍛造的刀和劍具有獨特的表面圖案,由近乎黑色背景的輕蝕刻區域的旋轉圖案組成。這些刀片具有傳奇的切割能力。史密斯人正在使用的鐵來自印度,其中包含一個或多個形成碳化物的元素,例如V,MO,CR,MN和NB。對這些武器的現代分析表明,這些元素支持碳納米管的催化形成,這反過來促進了形成水泥岩(fe3c)納米線。碳納米管的鍛造性抵消了水泥岩的脆性,並賦予所得鋼具有獨特的強度和柔韌性結合。了解如何製作所謂的東西大馬士革鋼在十八世紀,可能是由於耗盡雜質組合的礦石來源而喪生。直到2009年才重新發現所涉及的技術。
  10. ^在古代,鉛被視為所有金屬的父親。
  11. ^Paracelsus,以後德國文藝復興作家,添加了鹽的第三個原理,在他的三亞基教義。這些理論保留了四個經典元素,即硫,汞和鹽的組成。

參考

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進一步閱讀

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外部鏈接