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文档简介
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 O2 MmOn 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 7mol kg 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 3Cu 8HNO3 3Cu 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 2FeO SiO2 2Fe 判断 如 Zn Cu2 Cu2 Zn 也可用电极电势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 Fe2O3 Al2O3 Fe2Al Cr2O3 Al2O3 2CrSi 2FeO SiO2 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 Al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 ScTiVCrMnFeCoNiCuZnYZrNbMoTcRuRhPdAgCdLaHfTaWReOsIrPtAuHg 1结构特征 n 1 d1 10ns1 2 Pd例外 和锕系 分成三个过渡系 如 Mn 3d54s2 Mo 4d55s1 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 6Cl2CoCl2 6H2O 粉红色兰色 其中Co2 有下列平衡 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 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 2KMnO4 K2MnO4 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 d1ns2Ln n 2 f1 14 n 1 d0 1ns2 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 57La 71Lu15个元素半径缩小14pm 55Cs 56Ba2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 Nd2O3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 3H2 LaNi5LaNi5H6 在2 3 105Pa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
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