金属元素与金属材料

1、背景音乐：编钟曲金金 属属 元元 素素在已知的在已知的112种元素中，有种元素中，有90种金属元素。种金属元素。工程技术上分：工程技术上分：黑色金属：黑色金属：Fe、Mn、Cr 有色金属有色金属, ,又分又分: : “重、轻、贵、稀、放重、轻、贵、稀、放”金属的分类金属的分类化学性质上分：活泼金属、中等活泼金化学性质上分：活泼金属、中等活泼金属、不活泼金属。属、不活泼金属。1 物理性质物理性质： 光泽、密度、熔点、导电、导热、延、光泽、密度、熔点、导电、导热、延、2 化学性质化学性质：“金属性金属性”是指：是指： M-ze-ze- -MZ+Z+ 金金 属属 的的 性性 质质展性、磁性、热胀冷缩

2、展性、磁性、热胀冷缩( (但但Sb 、Bi相反相反) )不同的金属，在与氧、水、酸、碱的不同的金属，在与氧、水、酸、碱的反反应，金属间反应中表现出不同的性质。应，金属间反应中表现出不同的性质。 与氧（空气）的作用与氧（空气）的作用 mM+O2MmOn一般情况：一般情况： s区区极易反应；极易反应； p区区反应程度较差；反应程度较差； d区区4周期，高温下可反应；周期，高温下可反应； 5、6周期，稳定。周期，稳定。钝化钝化: :易被钝化的金属有：易被钝化的金属有： Cr、Fe、Ni、Zn、Al、Si、Sn等。等。金属金属钝化钝化除与除与本身本身的活泼性有关，的活泼性有关，还与其还与其如如Al、C

3、r、Ni等金属是较易与氧作用等金属是较易与氧作用这是由于它们在空气中形成的这是由于它们在空气中形成的氧化膜氧化膜具具氧化物膜氧化物膜的性质有关。的性质有关。的。的。但是，甚至在一定的较高温度范围内但是，甚至在一定的较高温度范围内都是相当稳定的。都是相当稳定的。有明显的保护作用，能阻止金属进一步被有明显的保护作用，能阻止金属进一步被氧化，这种作用叫氧化，这种作用叫钝化钝化。水中水中b(H+)=10-7molkg- -1，按能斯特方程式按能斯特方程式:E(H+/H2)=- -0.413V 高温下，高温下，Fe前前金属皆可反应。金属皆可反应。 金属与金属与H2O的反应的反应M + nH2O M(OH

4、)n + H2 若若E(Mn+/M)10- -7mol.kg- -1。 所以所以,若金属的若金属的E(Mn+/M) 二、三过渡系二、三过渡系 （BB特殊：特殊：）；）； 密度大，属密度大，属重金属；重金属； 导电、导热导电、导热良好。良好。3 化学性质化学性质都有都有可变氧化值可变氧化值(间隔间隔1，3d5后降低后降低)； 易成配合物，作易成配合物，作中心离子中心离子 有电子未满的有电子未满的(n-1)d轨道；轨道； 水合离子大多水合离子大多有色有色 （与未对（与未对d电子有关）。电子有关）。Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物的颜色：及其氨合物的颜色：部分过渡元素水合离子的颜色：部分过渡元

5、素水合离子的颜色：它们是：它们是：KMnO4、K2Cr2O7、CoCl2、FeCl3、 NiNO3、CuCl2、Cr2(SO4)3它们是：它们是：ZnS、MnS、CdS、As2S3、Sb2S3、 SnS2、Bi2S3再举一些金属的盐溶液，如：再举一些金属的盐溶液，如：又如：又如：Co(H2O)6Cl2 +6H2O粉红色粉红色 其中其中Co2+有下列平衡：有下列平衡： 根据根据Co2+的这种特性，把它用于硅胶的这种特性，把它用于硅胶小制作：“晴雨花”干燥剂：干燥剂： 金属（特别是过渡金属）元素的水合离金属（特别是过渡金属）元素的水合离未成对未成对d电子数电子数水水 合合 离离 子子 颜颜 色色0

6、12345Ag+、Zn2+、Cd2+、Sc3+、Ti4+（无色）（无色）Cu2+（蓝色）、（蓝色）、Ti3+（紫色）（紫色）Ni2+（绿色）（绿色）Cr3+（蓝紫）、（蓝紫）、Co2+（粉红）（粉红）Fe2+（淡绿）（淡绿）*Mn2+（淡红）（淡红）*、Fe3+（淡紫）（淡紫）* Fe2+、Mn2+常无色，常无色，Fe3+常呈黄或褐色。常呈黄或褐色。它们为什么有色？它们为什么有色？电子构型中都有未成对电子构型中都有未成对d电子。例如：电子。例如：子有色的原因是由于这些元素的离子外层子有色的原因是由于这些元素的离子外层例题例题：简单说明：简单说明：Mg和和Ti原子的最外层都是原子的最外层都是2个

7、电子为个电子为只有只有+2；什么什么Ti的氧化数有的氧化数有+2、+3、+4而而Mg却却解解： Mg的外层电子构型为的外层电子构型为3s2而而Ti为为 3d24s2。化值；化值；d电子可以参与反应，所以电子可以参与反应，所以Ti有多于有多于+2的氧的氧为何为何K+、Ca2+ +等都无色，而等都无色，而Fe、Mn、Ti为何为何Cr的密度、硬度、熔点都比的密度、硬度、熔点都比Mg高；高；的离子却都有色。的离子却都有色。 Cr的外层电子构型为的外层电子构型为3d54s1，价电子多，价电子多，金属键强，所以密度、硬度、熔点高；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原

8、子的外层电子构型中都电子构型中则没有未成对电子构型中则没有未成对d d电子，因而无色。电子，因而无色。有未成对有未成对d d电子，而电子，而K+、Ca2+ +的原子的外层的原子的外层 钛钛 轻、强、高、稳，无磁性，去轻、强、高、稳，无磁性，去 TiO2 金红石、钛白粉可做白色金红石、钛白粉可做白色 铬铬 硬度最大硬度最大( (9),),熔点高；耐蚀；熔点高；耐蚀；几种重要金属及化合物几种重要金属及化合物 Cr2O3 铬绿，颜料、磨料；铬绿，颜料、磨料； CrO3 铬酐，强氧化性；铬酐，强氧化性；气剂；气剂；填料。填料。2CrO42- +2H+HCrO4-Cr2O72-+H2OCr2O72- C

9、r3+K2Cr2O7 红矾钾，是常用氧化剂。红矾钾，是常用氧化剂。 Cr6+的化合物皆有毒，的化合物皆有毒，2Cr2O72+3C2H5OH+16H+ 3CH3COOH+4Cr3+11H2O检查是否酒后开车：检查是否酒后开车：而而Cr3+的化合物毒性较小。的化合物毒性较小。在溶液中与在溶液中与K2CrO4存在如下平衡：存在如下平衡：KMnO4不稳定不稳定, ,其分解反应其分解反应: : 2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2(g) 4KMnO4+4H+4MnO2(s)+2H2O+3O2(g) 硬而脆；吸气；硬而脆；吸气； KMnO4 常用氧化剂常用氧化剂。 锰锰MnO4 Mn2+KMnO4的还

10、原产物与的还原产物与介质介质有关：有关：KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4 2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O ( (浅粉色或无色浅粉色或无色) )KMnO4+3Na2SO3+H2O MnO2+3Na2SO4+2KOH ( (棕色棕色) )2KMnO4+Na2SO3+2KOH 2K2MnO4+K2SO4+H2O ( (绿色绿色) ) 锰的比色分析法（分光光度法）就是根锰的比色分析法（分光光度法）就是根2Mn2+14H+5BiO3 2MnO4+5Bi3+7H2O据据的紫红色来进行鉴定的。的紫红色来进行鉴定的。 稀稀 土土 元元 素素 电子层结构电子层结构 B：(n-1)d1

11、 ns2 Ln：(n-2)f1-14(n-1)d0-1 ns21 1 通性通性 原子和离子半径原子和离子半径镧系收缩镧系收缩： 是指是指LnLn的原子和离子半径比过渡元素的原子和离子半径比过渡元素如：如：57La71Lu 15个元素半径缩小个元素半径缩小14pm;55Cs 56Ba 2个元素半径缩小个元素半径缩小45pm;21Sc 22Ti 缩小缩小15pm。 更缓慢缩小更缓慢缩小。 镧系收缩的后果是镧系收缩的后果是：6周期的原子半径周期的原子半径质相似而有别于一过渡系。质相似而有别于一过渡系。与与5周期的十分相近；二、三过渡系元素性周期的十分相近；二、三过渡系元素性 水合水合LnLn3+3+

12、离子的颜色离子的颜色4f4fx x与与4f4f14-x14-x构型的离子未成对电子数相同，构型的离子未成对电子数相同，与未成对与未成对4f4f电子有关电子有关: :如如: : La( (4f 0) ) Ga( (4f 7) ) 颜色变化出现重复。颜色变化出现重复。因而水合离子颜色也相同。因而水合离子颜色也相同。 Lu( (4f 14) ) Ga( (4f 7) )(2)吸气性好吸气性好。 LaNi5是优良贮氢材料是优良贮氢材料。(1)活泼金属活泼金属。强还原剂，活泼性相当强还原剂，活泼性相当于于Mg；易氧化，氧化物无保护作用（存；易氧化，氧化物无保护作用（存于煤油）；燃点低（于煤油）；燃点低（

13、200），燃烧时放），燃烧时放热量大热量大。2 化学性质化学性质(3) RE(OH)3碱性如碱性如M(OH)2 。溶解度更小溶解度更小。(4) RE的硝、硫、溴酸盐、氯化物可溶；的硝、硫、溴酸盐、氯化物可溶；草、碳酸盐、氟化物难溶。草、碳酸盐、氟化物难溶。 应用混合稀土（应用混合稀土（RE）可大大改善合金）可大大改善合金3 应用应用 冶金工业的冶金工业的“维生素维生素” 石油化工中主要用做催化剂石油化工中主要用做催化剂可锻性等。可锻性等。球化；改善延展性，提高抗氧化能力、球化；改善延展性，提高抗氧化能力、性能：脱性能：脱O、S、H；氮化物细化，石墨；氮化物细化，石墨CeO2 用来脱色、抛光；用

14、来脱色、抛光；Pr2O3、Nd2O3 用于着色（红、绿）；用于着色（红、绿）；La2O3 高折射率、低散射的玻璃纤维；高折射率、低散射的玻璃纤维； 用于光学窥镜；用于光学窥镜；Y2O3、Dy2O3 用于激光窗、红外窗、用于激光窗、红外窗、 高温炉窗；高温炉窗； 玻璃、陶瓷工业中玻璃、陶瓷工业中LaNi5 是贮氢材料是贮氢材料; ;Y-Ba-Cu-O 是超导材料；是超导材料； 其他其他仪）进入太空仪）进入太空，进行反物质的探测。，进行反物质的探测。 Nd-Fe-B 合金称合金称“永磁王永磁王”，是我国，是我国 此外，稀土在核工业、环保方面皆有此外，稀土在核工业、环保方面皆有研制成功的。研制成功的

15、。98年装于年装于AMS( - -磁谱磁谱应用。应用。 在金属材料中，有许多具有特殊性能在金属材料中，有许多具有特殊性能的合金，如：轻质合金、硬质合金、贮的合金，如：轻质合金、硬质合金、贮氢合金、形状记忆合金等等。氢合金、形状记忆合金等等。 形状记忆合金形状记忆合金被称为金属中的被称为金属中的“魔魔术术记记 忆忆 合合 金金像人有记忆力一样像人有记忆力一样“记住记住”自己的自己的形状形状。师师”，因为它有一种神奇的特性：它能，因为它有一种神奇的特性：它能 这种合金是由这种合金是由Ti和和Ni各各50%组成的。这组成的。这变化时便会有对应的晶形出现变化时便会有对应的晶形出现:这两种晶体有一转变温

16、度。所以，温度这两种晶体有一转变温度。所以，温度种合金具有种合金具有立方体立方体和和菱形菱形两种晶体结构，两种晶体结构，T1T2T2轻轻 质质 合合 金金轻质合金轻质合金以以轻金属轻金属为主要成分的合金。为主要成分的合金。(1)铝合金：密度小，强度高。铝合金：密度小，强度高。 “ “硬铝硬铝”耐蚀，可用于车，不用于船耐蚀，可用于车，不用于船。(2)钛合金：密度不大，强度很高，钛合金：密度不大，强度很高， 抗蚀性好抗蚀性好, ,耐高、低温（耐高、低温（-200-500-200-500） 无磁性，可用于船；无磁性，可用于船；飞机的很多部件都用了轻质合金：飞机的很多部件都用了轻质合金：硬质合金硬质合

17、金以以硬质化合物硬质化合物（TiN、AlN、硬硬 质质 合合 金金硬质合金用于制作刀具、钻具、模具等。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、具有硬度高、耐磨性好；高强度、高韧性。高韧性。结相结相的复合材料。的复合材料。TiC、WC、SiC）为）为硬质相硬质相，以合金为，以合金为黏黏贮贮 氢氢 合合 金金贮氢合金贮氢合金以其以其可逆的吸氢作用可逆的吸氢作用，使生，使生3H2+LaNi5 LaNi5H6 在在23105Pa压力下就能可逆进行。压力下就能可逆进行。 金属金属Ti贮氢，密度可达液氢的贮氢，密度可达液氢的4倍。微倍。微热热TiH2即分解，释放出氢。即分解，释

18、放出氢。金属或合金。如：金属或合金。如：LaNi5成固体氢化物，把大量倾气贮存其内的成固体氢化物，把大量倾气贮存其内的金属的电化学加工金属的电化学加工阳极溶解：阳极溶解：M-ne- -Mn+即发生于腐蚀，也用于电解和电镀，还可用即发生于腐蚀，也用于电解和电镀，还可用来对金属进行定域加工。来对金属进行定域加工。电解加工电解加工 原理：原理：距离不同，距离不同， 电流密度不同，电流密度不同， 溶解速率溶解速率 不同；不同；方法：方法：间隙小，间隙小， 两极自动两极自动 推进，推进， 电解液高速流动。电解液高速流动。特点：特点：用于特硬、脆、用于特硬、脆、 特韧材料。特韧材料。印刷电路版就是用腐蚀的方法制备的。印刷电路版就是用腐蚀的方法制备的。又如：又如：化学铣切化学铣切 基本步骤基本步骤1. 涂胶涂胶（光刻胶）（光刻胶）2. 刻胶刻胶 （按要求）（按要求）3.