金属元素与金属材料.ppt

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1、金属元素与金属材料,金 属 元 素,在已知的112种元素中，有90种金属元素。,工程技术上分：黑色金属：Fe、Mn、Cr 有色金属,又分:“重、轻、贵、稀、放”,金属的分类,化学性质上分：活泼金属、中等活泼金,属、不活泼金属。,1 物理性质：,光泽、密度、熔点、导电、导热、延、,2 化学性质：,“金属性”是指：M-ze-MZ+,金 属 的 性 质,展性、磁性、热胀冷缩(但Sb、Bi相反),不同的金属，在与氧、水、酸、碱的反,应，金属间反应中表现出不同的性质。,与氧（空气）的作用 mM+O2MmOn,一般情况：s区极易反应；p区反应程度较差；d区4周期，高温下可反应；5、6周期，稳定。,钝化:易

2、被钝化的金属有：Cr、Fe、Ni、Zn、Al、Si、Sn等。,金属钝化除与本身的活泼性有关，还与其,如Al、Cr、Ni等金属是较易与氧作用,这是由于它们在空气中形成的氧化膜具,氧化物膜的性质有关。,的。但是，甚至在一定的较高温度范围内,都是相当稳定的。,有明显的保护作用，能阻止金属进一步被,氧化，这种作用叫钝化。,水中b(H+)=10-7molkg-1，按能斯特方程式:E(H+/H2)=-0.413V,高温下，Fe前金属皆可反应。,金属与H2O的反应,M+nH2O M(OH)n+H2,若E(Mn+/M)-0.413V,金属即可与水反应;若反应产物M(OH)n难溶，可起保护作用。,对于金属M：,

3、3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO+4H2O,金属与酸的反应,非氧化性酸：M+nH+Mn+H2,氧化性酸：,含配位剂的酸 如王水,金属与碱的反应（实质是与水的反应）碱中b(OH-)10-7mol.kg-1。所以,若金属的E(Mn+/M)-0.83V 便能反应。,如R(OH)n可溶，金属便可溶于碱(如Al、Zn);,如R(OH)n不溶，金属便不溶于碱(如Ag)。,金属间置换反应,水溶液中的置换反应，可用活动序：,实质就是金属元素的氧化还原性质。,这是他们的重要特性。,高温下的置换反应，可用埃灵罕姆图,Si+2FeOSiO2+2Fe,判断,如:,Zn+Cu2+Cu2+Zn,也可用电极电势

4、E 判断,如:,它们仅适用于在水溶液中的情形。,它是适用于高温下的氧化还原顺序，,随温度的不同而不同。,作法：,讨论：,即金属的氧化反应与温度的关系。,绘图。,按吉-亥方程计算出,物越稳定。,应自发性越强，氧化,所以，处于下方的金属(更易与氧化合,与氧结合力更强)可把处于上方的金属从其氧化物中置换出来。如：,2Al+Fe2O3Al2O3+Fe2Al+Cr2O3Al2O3+2CrSi+2FeOSiO2+2Fe,据此，冶金生产中应用Ca、Al、Mg、Si、Mn等做脱氧剂。,按埃灵罕姆图，在,反应活泼性顺序是：,773K，金属与氧的,按右图，碳的还原性强弱随温度的升高而；在1000K时，C、Mg、A

5、l的还原能力由强到弱的顺序是；在2000K时，Mg还原Al2O3。,解：增强；Mg、Al、C；,例题：,不能。,主族金属元素,过渡金属元素,包括 d和ds区元素（不含La以外的镧系,Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu ZnY Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag CdLa Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg,1 结构特征：(n-1)d1-10ns1-2(Pd例外),和锕系）分成三个过渡系：,如：Mn3d5 4s2,Mo4d5 5s1,Ag 4d105s1,2 物理性质：,熔、沸点高（“两头小，中间大”，与 未成对d电子有关）属耐高温金属。,活泼性：一过

6、渡系二、三过渡系（B特殊：）；,密度大，属重金属；导电、导热良好。,3 化学性质,都有可变氧化值(间隔1，3d5后降低)；,易成配合物，作中心离子 有电子未满的(n-1)d轨道；,水合离子大多有色（与未对d电子有关）。,Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物的颜色：,部分过渡元素水合离子的颜色：,它们是：KMnO4、K2Cr2O7、CoCl2、FeCl3、NiNO3、CuCl2、Cr2(SO4)3,它们是：ZnS、MnS、CdS、As2S3、Sb2S3、SnS2、Bi2S3,再举一些金属的盐溶液，如：,又如：,Co(H2O)6Cl2 CoCl2+6H2O,粉红色 兰色,其中Co2+有下列平衡：

7、,根据Co2+的这种特性，把它用于硅胶,阴？雨？晴？,小制作：“晴雨花”,干燥剂：,金属（特别是过渡金属）元素的水合离,*Fe2+、Mn2+常无色，Fe3+常呈黄或褐色。,它们为什么有色？,电子构型中都有未成对d电子。例如：,子有色的原因是由于这些元素的离子外层,例题：简单说明：,Mg和Ti原子的最外层都是2个电子为,只有+2；,什么Ti的氧化数有+2、+3、+4而Mg却,解：,Mg的外层电子构型为3s2而Ti为 3d24s2。,化值；,d电子可以参与反应，所以Ti有多于+2的氧,为何K+、Ca2+等都无色，而Fe、Mn、Ti,为何Cr的密度、硬度、熔点都比Mg高；,的离子却都有色。,Cr的外

8、层电子构型为3d54s1，价电子多，,金属键强，所以密度、硬度、熔点高；,Fe、Mn、Ti原子的外层电子构型中都,电子构型中则没有未成对d电子，因而无色。,有未成对d电子，而K+、Ca2+的原子的外层,钛 轻、强、高、稳，无磁性，去,TiO2 金红石、钛白粉可做白色,铬,硬度最大(9),熔点高；耐蚀；,几种重要金属及化合物,Cr2O3 铬绿，颜料、磨料；,CrO3 铬酐，强氧化性；,气剂；,填料。,Cr2O72-Cr3+,K2Cr2O7 红矾钾，是常用氧化剂。,Cr6+的化合物皆有毒，,2Cr2O72+3C2H5OH+16H+3CH3COOH+4Cr3+11H2O,检查是否酒后开车：,而Cr3

9、+的化合物毒性较小。,在溶液中与K2CrO4存在如下平衡：,KMnO4不稳定,其分解反应:2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2(g)4KMnO4+4H+4MnO2(s)+2H2O+3O2(g),硬而脆；吸气；KMnO4 常用氧化剂。,锰,MnO4 Mn2+,KMnO4的还原产物与介质有关：,KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4 2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O(浅粉色或无色),KMnO4+3Na2SO3+H2O MnO2+3Na2SO4+2KOH(棕色),2KMnO4+Na2SO3+2KOH 2K2MnO4+K2SO4+H2O(绿色),锰的比色分析法（分光光度法）就是

10、根,2Mn2+14H+5BiO3 2MnO4+5Bi3+7H2O,据MnO4的紫红色来进行鉴定的。,稀 土 元 素,电子层结构 B：(n-1)d1 ns2 Ln：(n-2)f1-14(n-1)d0-1 ns2,1 通性,原子和离子半径镧系收缩：,是指Ln的原子和离子半径比过渡元素,如：,57La71Lu 15个元素半径缩小14pm;55Cs 56Ba 2个元素半径缩小45pm;21Sc 22Ti 缩小15pm。,更缓慢缩小。,镧系收缩的后果是：6周期的原子半径,质相似而有别于一过渡系。,与5周期的十分相近；二、三过渡系元素性,水合Ln3+离子的颜色,4fx与4f14-x构型的离子未成对电子数相

11、同，,与未成对4f电子有关:,颜色变化出现重复。,因而水合离子颜色也相同。,(2)吸气性好。LaNi5是优良贮氢材料。,(1)活泼金属。强还原剂，活泼性相当于Mg；易氧化，氧化物无保护作用（存于煤油）；燃点低（200），燃烧时放热量大。,2 化学性质,(3)RE(OH)3碱性如M(OH)2。溶解度更小。,(4)RE的硝、硫、溴酸盐、氯化物可溶；,草、碳酸盐、氟化物难溶。,应用混合稀土（RE）可大大改善合金,3 应用,冶金工业的“维生素”,石油化工中主要用做催化剂,可锻性等。,球化；改善延展性，提高抗氧化能力、,性能：脱O、S、H；氮化物细化，石墨,CeO2 用来脱色、抛光；Pr2O3、Nd2O

12、3 用于着色（红、绿）；,La2O3 高折射率、低散射的玻璃纤维；用于光学窥镜；,Y2O3、Dy2O3 用于激光窗、红外窗、高温炉窗；,玻璃、陶瓷工业中,LaNi5 是贮氢材料;Y-Ba-Cu-O 是超导材料；,其他,仪）进入太空，进行反物质的探测。,Nd-Fe-B 合金称“永磁王”，是我国,此外，稀土在核工业、环保方面皆有,应用。,在金属材料中，有许多具有特殊性能的合金，如：轻质合金、硬质合金、贮氢合金、形状记忆合金等等。,形状记忆合金被称为金属中的“魔术,记 忆 合 金,像人有记忆力一样“记住”自己的形状。,师”，因为它有一种神奇的特性：它能,这种合金是由Ti和Ni各50%组成的。这,变化

13、时便会有对应的晶形出现:,这两种晶体有一转变温度。所以，温度,种合金具有立方体和菱形两种晶体结构，,T2,轻 质 合 金,轻质合金以轻金属为主要成分的合金。,(1)铝合金：密度小，强度高。“硬铝”耐蚀，可用于车，不用于船。,(2)钛合金：密度不大，强度很高，抗蚀性好,耐高、低温（-200-500）无磁性，可用于船；,飞机的很多部件都用了轻质合金：,硬质合金以硬质化合物（TiN、AlN、,硬 质 合 金,硬质合金用于制作刀具、钻具、模具等。,具有硬度高、耐磨性好；高强度、,高韧性。,结相的复合材料。,TiC、WC、SiC）为硬质相，以合金为黏,贮 氢 合 金,贮氢合金以其可逆的吸氢作用，使生,3

14、H2+LaNi5 LaNi5H6,在23105Pa压力下就能可逆进行。,金属Ti贮氢，密度可达液氢的4倍。微,热TiH2即分解，释放出氢。,金属或合金。如：LaNi5,成固体氢化物，把大量倾气贮存其内的,金属的电化学加工,阳极溶解：M-ne-Mn+,即发生于腐蚀，也用于电解和电镀，还可用,来对金属进行定域加工。,如，电解加工,原理：距离不同，电流密度不同，溶解速率 不同；,方法：间隙小，两极自动 推进，电解液高速流动。,特点：用于特硬、脆、特韧材料。,印刷电路版就是用腐蚀的方法制备的。,又如：化学铣切 基本步骤,1.涂胶（光刻胶）,2.刻胶（按要求）,3.腐蚀（通常用三酸）,4.去胶成型,任何事物都要“一分为二”，利与弊都是共存的。看问题绝对化是科学的大忌。我们这里提到的“腐蚀”就是“利”与“弊”兼具的化学现象。由于人们学会了“全面的看问题”，所以腐蚀不仅被防止而且被利用了。化学学科充满了辨证法。所以学习化学，也要学会化学的思辨，这样我们才会更聪明。,