元素周期律、金属材料课件

元素周期律、金属材料一、核外电子的分布规律1）Pauli不相容原理：在一个原子中，没有四个量子数完全相同的电子存在。

He1S2(1，0，0，+1/2)

（1，0，0，-1/2）

S轨道1条最多可容纳2个电子p轨道3条最多可容纳6个电子d轨道5条最多可容纳10个电子f轨道7条最多可容纳14个电子2）能量最低原理

核外电子在各轨道上的分布应使原子处于能量最低的状态

3）Hund规则

：在同一亚层的等价轨道上，电子将尽可能地分占不同的轨道，且自旋平行等价轨道——n,l均相同的轨道

例3p：3px3py3pzn=3l=1

↑

↑

↑

px

pz

py洪特规则特例：全充满p6d10f14

半充满p3d5f7

全空p0d0f0

电子填入轨道的顺序1s2,2s22p6,3s23p6,4s23d104p6,5s24d105p6,6s24f145d106p6-------电子分布式例

7N1s22s22p3

22Ti1s22s22p63s23p64s23d21s22s22p63s23p63d24s224Cr1s22s22p63s23p63d54s1

10Ne1s22s22p6

18Ar1s22s22p63s23p6二、原子结构与元素周期表1.周期表中电子的分布规律2.原子的外层电子构型与周期表的分区外层电子构型

最外层电子nsnp

次外层电子（n-1）d（n-2）f

分区 最后一个电子填入的轨道位置 外层电子构型

S区 S轨道 ⅠAⅡAns1--2

p区 p轨道 ⅢA---零族

ns2np1--6 d区 d轨道 ⅢB---Ⅷ(n-1)d1—9ns1-2

ds区 d轨道d10

ⅠBⅡB (n-1)d10ns1--2

f区 f轨道镧系锕系(n-2)f1--14(n-1)d0—2ns2周期号数=最外层电子的主量子数族号数=

外层电子数之和

s区p区ds区(指副族ⅠB，ⅡB)——

最外层电子数之和

d区——

ns+(n-1)d电子数之和3.周期系与核外电子分布的关系

例

已知某元素的原子序数为25，写出该元素原子的电子分布式，并指出该元素在周期表中的位置。

解：电子分布式1s22s22p63s23p63d54s2最外层电子的主量子数n=4位于四周期

外层电子数之和：ns+(n-1)d=2+5=7位于ⅦB三、元素基本性质的周期性

Z’=Z–σσ——屏蔽常数

（1）有效核电荷数与屏蔽效应屏蔽效应：由于其余电子对某一个电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷，从而引起有效核电荷降低，削弱了核电荷对该电子的吸引的现象。1.有效核电荷数

内层电子对外层电子：σ外=0同层电子之间：σn=0.35（σn1=0.30）（n-1）层电子对n层电子：σn-1=0.85（n-2）层电子对n层电子：σn-2=1.0σ

总=Σσ简化的斯莱脱法：（2）屏蔽常数σ的确定例:

计算Al原子中其余电子对一个3p电子的σ及有效核电荷数解：13AlZ=131s22s22p63s23p1

同层：2个3s电子σn=2×0.35=0.70n-1层：8个电子σn-1=8×0.85=6.8n-2层：2个电子σn-2=2×1.0=2.0∴σ总=0.7+6.8+2.0=9.5

Z’=13–9.5=3.5（3）有效核电荷数在周期表中的变化规律同一周期（从左——右）同一族（从上——下）主族：Z’=1-0.35=0.65显著增加

Z’增加极少副族：d区Z’=1-0.85=0.15增加较少ds区d10屏蔽效应大,Z’增加极少f区Z’=1.0-1.0=0几乎不增加

Z’增加极少同一周期（从左——右）同一族（从上——下）主族：Z’增加，r减小，△r=10pmn增大，Z’增加极少，r增加副族：d区r递减缓慢，△r=5pmds区r略有增加f区r递减极少，△r=1pmr变化不明显，略有增加特点：第五、六周期r极为相近（镧系收缩）元素基本性质在周期表中的变化规律四、原子半径定义：在单质分子（晶体）中，相邻的原子核间平均距离的一半。原子半径：共价半径、金属半径、范德华半径原子半径在周期和族中的变化关系原子的核间距可以通过晶体衍射或光谱等实验测定。金属半径：金属晶体中两个最相邻近的金属原子之间的核间距的一半为金属半径。原子半径的类型共价半径：非金属元素常采取单键共价半径，它是以共价单键结合的同种元素两原子核间距的测定为依据。范德华半径：稀有气体的晶体是由单原子分子构成的，原子间的作用力属于分子间力又称范德华力。所测得的原子半径称为范德华半径。例如Cl2分子中，Cl-Cl的核间距为198pm,氯原子的共价半径为99pm。五、电离能、电子亲和能、电负性元素的电负性（X）——元素的原子在分子中吸引成键电子的相对能力。1）元素的电负性是一个相对值，XF=4.02）元素的电负性越大，该元素的非金属性越强，金属性越弱；元素的电负性越小，该元素的非金属性越弱，金属性越强六、金属元素和金属材料非金属元素(22个)

除氢在s区外,其余都分布在p区。金属元素(90个)（1）按化学活泼性分类活泼金属

(s区、IIIB族)中等活泼金属(d区、ds区、p区)不活泼金属(d区)1.金属元素1)金属的分类（2）工程技术分类

轻金属铁、锰、铬及其合金

黑色金属有色金属密度小于5g·

cm-3的金属重金属密度大于5g·cm-3的金属贵金属地壳中含量少，开采提取困难,价格贵的金属包括金、银和铂族元素。稀有金属放射性金属原子核能自发放射出射线的金属。(1)物理性质①大多数金属呈银白色光泽。②除锂、钠、钾比水轻外，其余金属的密③度都大于1g·

cm-3。最轻的金属是锂，最重的金属是锇。2）金属的性质④导电性金属一般是良导体，尤其ds区的

银、铜和p区的铝。

金属的导电性一般随温度的升高而下降，杂质对金属的导电性能力影响很大，一般说来，金属纯度越高，导电性越好。⑤导热性

导电性好的金属一般导热性能也较好。

⑥延展性

延展金属时，虽然发生了变形，但并不破坏金属键，故不发生断裂。

⑦热膨胀性如镓、锑

：

“热缩冷胀”⑧磁性铁磁材料顺磁材料逆磁材料

铁、钴、镍等锰、铬、钼、钨等

铜、锡、铅、锌等居里点铁磁材料加热到某一温度时失去磁性，此点称为居里点。绝大多数都是热胀冷缩，但少数金属例外。

(2)化学性质

①绝大多数金属都能与氧作用。金属性越强，与氧的反应越激烈。有的氧化物结构疏松不能阻止氧化反应的继续进行，而有的结构非常致密，有效防止金属的进一步氧化而使金属钝化。通式mM+O2→MmOnn2

金属单质的化学性质主要表现为还原性。

M→

Mn++ne-②金属与水的作用

金属与水作用的难易程度与两个因素有关：

a.金属电极电势

b.反应产物的性质M(s)+nH2O(l)→M(OH)n(s)

+H2(g)

n2

周期系主族中活泼金属都能与水作用，反应的激烈程度符合周期中金属活泼性自上而下、自右而左增强的规律。

③金属与酸、碱的作用

金属与酸的反应用金属活动序或电极电势来判断。a.金属活动序与周期系中元素周期性递变的规律不完全一致。

金属能否与强碱反应，主要取决于两个因素：b.生成的氢氧化物是否可溶于碱（既生成的氢氧化物是否具有两性）。2.周期系中的金属元素

主族金属元素过渡金属元素稀土金属元素1）主族金属元素(1)s区金属元素外层电子构型ns1~2ⅠA碱金属LiNaKRbCs

Fr

氧化数+1ⅡA碱土金属BeMgCaSr

Ba

Ra

氧化数+2

a.极易与氧气作用

可以生成三种类型的氧化物：正常氧化物(如Na2O)

过氧化物(如Na2O2)

超氧化物(如KO2)

b.能与水反应

反应的剧烈程度符合周期系中元素金属性的递变规律。※化学性质

s区金属具有强还原性强氧化剂,易吸潮,热500℃仍很稳定。遇到还原性物质易爆炸。b.氢氧化物

Be(OH)2两性

LiOH、Mg(OH)2中强碱其余都是强碱。※主要化合物a.Na2O2固体储氧物质，可用于防毒面具等。Na2O2(s)+2CO2(g)→2Na2CO3(s)+O2(g)Ge

Sn

SbBi出现过渡型晶体结构

（2）p区金属元素外层电子构型ⅢAAlGaInTlⅣA

Ge

Sn

PbⅤASbBiⅥAPo

ns2np1~4※化学性质

p区金属活泼性比s区金属弱，同一周期从左到右，还原性逐渐减弱。

两性元素：Al、Sn、Pb

能溶于强碱2Al(s)+2OH-(aq)+6H2O

(l)→2[Al(OH)4]-(aq)+3H2(g)Sn(s)+2OH-(aq)+4H2O

(l)→[Sn(OH)6]2-(aq)+2H2(g)2）过渡金属元素

过渡元素,分别位于第4、5、6周期中部.由于同周期元素性质相近，又将过渡元素分为三个系列:周期系中d和ds区元素(不包括镧系和锕系元素)

第一过渡系列ScTiVCrMnFeCoNiCuZn

第二过渡系列YZr

NbMoTc

Ru

RhPdAgCd

第三过渡系列LaHfTaWReOsIrPtAuHg3.）稀土金属元素ⅢB族的钪、钇和镧系元素性质非常相似，而且在矿物中也常常共生，因而把它们统称为“稀土元素”。镧系元素:周期系57号元素的位置上，另有14种元素，即从58号铈到71号镥，与镧一起称为镧系元素(用Ln表示)。稀土元素:3.金属材料金属材料分为纯金属材料和合金材料，这里只介绍合金材料。合金概念：1.合金的结构和类型合金从结构上可分为以下三种基本类型：（1）混合物合金两种或多种金属的机械混合物。

熔融:完全或部分互溶凝固:金属各自结晶

混合物合金的导电、导热等性质与组分金属有很大的不同。

（2）固溶体合金

两种或多种金属不仅熔融时能相互溶解，而且凝固时也能保持互溶状态的固态溶液。纯金属的晶格取代固溶体的晶格溶剂原子溶质原子（3）金属化合物合金两种金属元素原子的外层电子结构、电负性和原子半径差别较大时所形成的金属化合物。

通常分为正常价化合物和电子化合物。正常价化合物：金属原子间通过化学键形成，成分固定，符合氧化数规则。电子化合物：金属原子间通过金属键形成，成分在一定范围内变化，不符合氧化数规则。2.合金材料（1）铁的合金—钢铁:地壳中藏量4.2%，仅次与铝。

Fe3O4磁铁矿磁性

化合物Fe2O3赤铁矿紫红色2Fe2O3·3H2O褐铁矿棕黄色

FeS2黄铁矿金黄色

1970年，前苏联空间站“月亮-16”首先从月球上带回铁矿石样品，含极微小的纯铁颗粒。

金属表面处理方法：

用人为的粒子流冲击金属表面。

从月球矿石提取铁的特殊装置，可日产1吨铁。

熟铁

铁按含碳量多少可分为：

碳素钢

生铁低碳钢

中碳钢

高碳钢

<0.1%韧性好,可锻打成型

锻铁铁勺,锅铲

(0.25~0.6%)强度较高,韧性较好铁轨车轮等

(0.6~1.7%)硬而脆，弹性较好医疗器具，弹簧工具等

(1.7~4.5%)硬而脆,可浇铸成型铸铁机床车身,内燃机汽缸镍钢

含镍36%,几乎不热胀冷缩,可制造精密仪器零件。钨钢

含钨18%,即使赤热仍坚硬制造高速切削车床的车刀。钒钢

(少量)钢的弹性增加1倍，制造各种弹簧。硅钢

含硅2.5%，用作变压器的铁心。不仅减少其发热，还节省能源。不锈钢

含铬,锰等,抗蚀性能优良。含铬>12%

合金钢：①铝合金

（2）轻质合金铝:

地壳中藏量为7.45%,是含量最多的金属。目前年产量仅次于铁。