金屬元素與金屬材料.ppt

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1、金屬元素與金屬材料,金 屬 元 素,在已知的112種元素中，有90種金屬元素。,工程技術(shù)上分：黑色金屬：Fe、Mn、Cr 有色金屬,又分: “重、輕、貴、稀、放”,金屬的分類,化學(xué)性質(zhì)上分：活潑金屬、中等活潑金,屬、不活潑金屬。,1 物理性質(zhì)：,光澤、密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延、,2 化學(xué)性質(zhì)：,“金屬性”是指： M-ze-MZ+,金 屬 的 性 質(zhì),,展性、磁性、熱脹冷縮(但Sb 、Bi相反),不同的金屬，在與氧、水、酸、堿的反,應(yīng)，金屬間反應(yīng)中表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。, 與氧（空氣）的作用 mM+O2MmOn,一般情況： s區(qū)極易反應(yīng)； p區(qū)反應(yīng)程度較差； d區(qū)4周期，高

2、溫下可反應(yīng)； 5、6周期，穩(wěn)定。,鈍化:易被鈍化的金屬有： Cr、Fe、Ni、Zn、Al、Si、Sn等。,金屬鈍化除與本身的活潑性有關(guān)，還與其,如Al、Cr、Ni等金屬是較易與氧作用,這是由于它們?cè)诳諝庵行纬傻难趸ぞ?氧化物膜的性質(zhì)有關(guān)。,的。但是，甚至在一定的較高溫度范圍內(nèi),都是相當(dāng)穩(wěn)定的。,有明顯的保護(hù)作用，能阻止金屬進(jìn)一步被,氧化，這種作用叫鈍化。,水中b(H+)=10-7molkg-1， 按能斯特方程式:E(H+/H2)=-0.413V,高溫下，F(xiàn)e前金屬皆可反應(yīng)。, 金屬與H2O的反應(yīng),M + nH2O M(OH)n + H2,若E(Mn+/M)<-0.413V,金屬即可

3、與水反應(yīng); 若反應(yīng)產(chǎn)物M(OH)n難溶，可起保護(hù)作用。,對(duì)于金屬M(fèi)：,3Cu+8HNO33Cu(NO3)2+2NO+4H2O, 金屬與酸的反應(yīng),非氧化性酸： M+nH+Mn++H2,氧化性酸：,含配位劑的酸 如王水, 金屬與堿的反應(yīng)（實(shí)質(zhì)是與水的反應(yīng)） 堿中b(OH-)10-7mol.kg-1。 所以,若金屬的E(Mn+/M)<-0.83V 便能反應(yīng)。,如R(OH)n可溶，金屬便可溶于堿(如Al、Zn);,如R(OH)n不溶，金屬便不溶于堿(如Ag)。, 金屬間置換反應(yīng),水溶液中的置換反應(yīng)，可用活動(dòng)序：,實(shí)質(zhì)就是金屬元素的氧化還原性質(zhì)。,這是他們的重要特性。,高溫下的置換反應(yīng)，可用埃靈罕姆圖

4、,Si+2FeOSiO2+2Fe,判斷,如:,Zn+Cu2+Cu2++Zn,也可用電極電勢(shì)E 判斷,如:,它們僅適用于在水溶液中的情形。,它是適用于高溫下的氧化還原順序，,隨溫度的不同而不同。,作法：,討論：,即金屬的氧化反應(yīng)與溫度的關(guān)系。,繪圖。,按吉-亥方程計(jì)算出,物越穩(wěn)定。,應(yīng)自發(fā)性越強(qiáng)，氧化,所以，處于下方的金屬(更易與氧化 合,與氧結(jié)合力更強(qiáng)) 可把處于上方的金 屬?gòu)钠溲趸镏兄?換出來(lái)。如：,2Al+Fe2O3Al2O3+Fe 2Al+Cr2O3Al2O3+2Cr Si+2FeOSiO2+2Fe,據(jù)此，冶金生產(chǎn)中 應(yīng)用Ca、Al、Mg、Si、 Mn等做脫氧劑。,按埃靈罕姆圖，在,反

5、應(yīng)活潑性順序是：,773K，金屬與氧的,按右圖，碳的還原性強(qiáng)弱隨溫度的升 高而；在1000K時(shí)，C、Mg、Al的還原 能力由強(qiáng)到弱的順序是；在2000K時(shí)， Mg還原Al2O3。,解：增強(qiáng)； Mg、Al、C；,例題：,不能。,主族金屬元素,過(guò)渡金屬元素,包括 d和ds區(qū)元素（不含La以外的鑭系,Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg,1 結(jié)構(gòu)特征： (n-1)d1-10ns1-2 (Pd例外),和錒系）分成三個(gè)過(guò)渡系：,如：Mn3d5 4s2,Mo4d5

6、5s1,Ag 4d105s1,2 物理性質(zhì)：, 熔、沸點(diǎn)高（“兩頭小，中間大”，與 未成對(duì)d電子有關(guān)）屬耐高溫金屬。,活潑性：一過(guò)渡系二、三過(guò)渡系 （B特殊：）；, 密度大，屬重金屬； 導(dǎo)電、導(dǎo)熱良好。,3 化學(xué)性質(zhì),都有可變氧化值(間隔1，3d5后降低)；, 易成配合物，作中心離子 有電子未滿的(n-1)d軌道；, 水合離子大多有色 （與未對(duì)d電子有關(guān)）。,Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物的顏色：,部分過(guò)渡元素水合離子的顏色：,它們是：KMnO4、K2Cr2O7、CoCl2、FeCl3、 NiNO3、CuCl2、Cr2(SO4)3,它們是：

7、ZnS、MnS、CdS、As2S3、Sb2S3、 SnS2、Bi2S3,再舉一些金屬的鹽溶液，如：,又如：,Co(H2O)6Cl2 CoCl2 +6H2O,粉紅色 蘭色,其中Co2+有下列平衡：,根據(jù)Co2+的這種特性，把它用于硅膠,陰？雨？晴？,小制作：“晴雨花”,干燥劑：,金屬（特別是過(guò)渡金屬）元素的水合離,* Fe2+、Mn2+常無(wú)色，F(xiàn)e3+常呈黃或褐色。,它們?yōu)槭裁从猩?電子構(gòu)型中都有未成對(duì)d電子。例如：,子有色的原因是由于這些元素的離子外層,例題：簡(jiǎn)單說(shuō)明：,Mg和Ti原子的最外層都是2個(gè)電子為,只有+2；,什么Ti的氧化數(shù)有+2、+3、+4而

8、Mg卻,解：, Mg的外層電子構(gòu)型為3s2而Ti為 3d24s2。,化值；,d電子可以參與反應(yīng)，所以Ti有多于+2的氧,為何K+、Ca2+等都無(wú)色，而Fe、Mn、Ti,為何Cr的密度、硬度、熔點(diǎn)都比Mg高；,的離子卻都有色。, Cr的外層電子構(gòu)型為3d54s1，價(jià)電子多，,金屬鍵強(qiáng)，所以密度、硬度、熔點(diǎn)高；, Fe、Mn、Ti原子的外層電子構(gòu)型中都,電子構(gòu)型中則沒(méi)有未成對(duì)d電子，因而無(wú)色。,有未成對(duì)d電子，而K+、Ca2+的原子的外層, 鈦 輕、強(qiáng)、高、穩(wěn)，無(wú)磁性，去, TiO2 金紅石、鈦白粉可做白色, 鉻, 硬度最大(9),熔點(diǎn)高；耐蝕；,幾種重要金屬及化合物, Cr2O3 鉻綠，顏料、磨

9、料；,CrO3 鉻酐，強(qiáng)氧化性；,氣劑；,填料。,Cr2O72- Cr3+,K2Cr2O7 紅礬鉀，是常用氧化劑。,Cr6+的化合物皆有毒，,2Cr2O72+3C2H5OH+16H+ 3CH3COOH+4Cr3++11H2O,檢查是否酒后開車：,而Cr3+的化合物毒性較小。,在溶液中與K2CrO4存在如下平衡：,KMnO4不穩(wěn)定,其分解反應(yīng): 2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2(g) 4KMnO4+4H+4MnO2(s)+2H2O+3O2(g), 硬而脆；吸氣； KMnO4 常用氧化劑。, 錳,MnO4 Mn2+,KMnO4的還原產(chǎn)物與介質(zhì)有關(guān)：,

10、KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4 2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O (淺粉色或無(wú)色),KMnO4+3Na2SO3+H2O MnO2+3Na2SO4+2KOH (棕色),2KMnO4+Na2SO3+2KOH 2K2MnO4+K2SO4+H2O (綠色),錳的比色分析法（分光光度法）就是根,2Mn2++14H++5BiO3 2MnO4+5Bi3++7H2O,據(jù)MnO4的紫紅色來(lái)進(jìn)行鑒定的。,稀 土 元 素, 電子層結(jié)構(gòu) B：(n-1)d1 ns2 Ln：(n-2)f1-14(n-1

11、)d0-1 ns2,1 通性, 原子和離子半徑鑭系收縮：,是指Ln的原子和離子半徑比過(guò)渡元素,如：,57La71Lu 15個(gè)元素半徑縮小14pm; 55Cs 56Ba 2個(gè)元素半徑縮小45pm; 21Sc 22Ti 縮小15pm。,更緩慢縮小。,鑭系收縮的后果是：6周期的原子半徑,質(zhì)相似而有別于一過(guò)渡系。,與5周期的十分相近；二、三過(guò)渡系元素性, 水合Ln3+離子的顏色,4fx與4f14-x構(gòu)型的離子未成對(duì)電子數(shù)相同，,與未成對(duì)4f電子有關(guān):,顏色變化出現(xiàn)重復(fù)。,因而水合離子顏色也相同。,(2)吸氣性好。 LaNi5是優(yōu)良貯氫材料。,(1)活潑金屬。強(qiáng)還原劑，活潑性相當(dāng) 于Mg；易氧化，氧

12、化物無(wú)保護(hù)作用（存 于煤油）；燃點(diǎn)低（200），燃燒時(shí)放 熱量大。,2 化學(xué)性質(zhì),(3) RE(OH)3堿性如M(OH)2 。溶解度更小。,(4) RE的硝、硫、溴酸鹽、氯化物可溶；,草、碳酸鹽、氟化物難溶。,應(yīng)用混合稀土（RE）可大大改善合金,3 應(yīng)用, 冶金工業(yè)的“維生素”, 石油化工中主要用做催化劑,可鍛性等。,球化；改善延展性，提高抗氧化能力、,性能：脫O、S、H；氮化物細(xì)化，石墨,CeO2 用來(lái)脫色、拋光； Pr2O3、Nd2O3 用于著色（紅、綠）；,La2O3 高折射率、低散射的玻璃纖維； 用于光學(xué)窺鏡；,Y2O3、Dy2O3 用于激光窗、紅外窗、 高溫爐窗；, 玻璃、陶

13、瓷工業(yè)中,LaNi5 是貯氫材料; Y-Ba-Cu-O 是超導(dǎo)材料；, 其他,儀）進(jìn)入太空，進(jìn)行反物質(zhì)的探測(cè)。,Nd-Fe-B 合金稱“永磁王”，是我國(guó),此外，稀土在核工業(yè)、環(huán)保方面皆有,應(yīng)用。,在金屬材料中，有許多具有特殊性能的合金，如：輕質(zhì)合金、硬質(zhì)合金、貯氫合金、形狀記憶合金等等。,形狀記憶合金被稱為金屬中的“魔術(shù),記 憶 合 金,像人有記憶力一樣“記住”自己的形狀。,師”，因?yàn)樗幸环N神奇的特性：它能,這種合金是由Ti和Ni各50%組成的。這,變化時(shí)便會(huì)有對(duì)應(yīng)的晶形出現(xiàn):,這兩種晶體有一轉(zhuǎn)變溫度。所以，溫度,種合金具有立方體和菱形兩種晶體結(jié)構(gòu)，,T2,輕 質(zhì) 合 金,輕質(zhì)合金以輕金屬為

14、主要成分的合金。,(1)鋁合金：密度小，強(qiáng)度高。 “硬鋁”耐蝕，可用于車，不用于船。,(2)鈦合金：密度不大，強(qiáng)度很高， 抗蝕性好,耐高、低溫（-200-500） 無(wú)磁性，可用于船；,飛機(jī)的很多部件都用了輕質(zhì)合金：,硬質(zhì)合金以硬質(zhì)化合物（TiN、AlN、,硬 質(zhì) 合 金,硬質(zhì)合金用于制作刀具、鉆具、模具等。,具有硬度高、耐磨性好；高強(qiáng)度、,高韌性。,結(jié)相的復(fù)合材料。,TiC、WC、SiC）為硬質(zhì)相，以合金為黏,貯 氫 合 金,貯氫合金以其可逆的吸氫作用，使生,3H2+LaNi5 LaNi5H6,在23105Pa壓力下就能可逆進(jìn)行。,金屬Ti貯氫，密度可達(dá)液氫的4倍。微,熱TiH2即分解，釋放

15、出氫。,金屬或合金。如：LaNi5,成固體氫化物，把大量?jī)A氣貯存其內(nèi)的,金屬的電化學(xué)加工,陽(yáng)極溶解：M-ne-Mn+,即發(fā)生于腐蝕，也用于電解和電鍍，還可用,來(lái)對(duì)金屬進(jìn)行定域加工。,如，電解加工,原理：距離不同， 電流密度不同， 溶解速率 不同；,方法：間隙小， 兩極自動(dòng) 推進(jìn)， 電解液高速流動(dòng)。,特點(diǎn)：用于特硬、脆、 特韌材料。,,,,印刷電路版就是用腐蝕的方法制備的。,又如：化學(xué)銑切 基本步驟,1. 涂膠（光刻膠）,2. 刻膠 （按要求）,3. 腐蝕（通常用三酸）,4. 去膠成型,任何事物都要“一分為二”，利與弊都是共存的?？磫?wèn)題絕對(duì)化是科學(xué)的大忌。 我們這里提到的“腐蝕”就是“利”與“弊”兼具的化學(xué)現(xiàn)象。由于人們學(xué)會(huì)了“全面的看問(wèn)題”，所以腐蝕不僅被防止而且被利用了。 化學(xué)學(xué)科充滿了辨證法。所以學(xué)習(xí)化學(xué)，也要學(xué)會(huì)化學(xué)的思辨，這樣我們才會(huì)更聰明。,