大學(xué)化學(xué)課件第五章 金屬元素和金屬材料

第五章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、Cr、Mn

有色金屬,又分:

“輕、重、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。二、物理性質(zhì)：

光澤、密度、熔點、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延、

金屬的性質(zhì)展性、磁性、熱脹冷縮(但Sb、Bi相反)三、金屬元素的化學(xué)性質(zhì)金屬只具有還原性與氧反應(yīng)與水反應(yīng)與酸反應(yīng)與堿反應(yīng)主要考慮金屬的抗蝕性、抗氧化性⑴與氧（空氣）的作用

mM+O2→MmOn①一般情況：

s區(qū)—極易反應(yīng)；

p區(qū)—反應(yīng)程度較差；

d區(qū)—4周期，高溫下可反應(yīng)；

5、6周期，穩(wěn)定。②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)，如Al、Cr、Ni等金屬是較易與氧作用這是由于它們在空氣中形成的氧化膜具還與其氧化物膜的性質(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。有明顯的保護作用，能阻止金屬進一步被氧化，這種作用叫鈍化。

三、過渡金屬元素

包括d和ds區(qū)元素（不含La以外的鑭系ScTiVCrMnFeCoNiCuZnYZrNbMoTcRuRhPdAgCdLaHfTaWReOsIrPtAuHg1結(jié)構(gòu)特征：(n-1)d1-10ns1-2

(Pd例外)和錒系）分成三個過渡系：如：Mn—3d54s2Mo—4d55s1Ag—4d105s12物理性質(zhì)：①熔、沸點高（“兩頭小，中間大”。

與未成對d電子有關(guān)）屬耐高溫金屬。①活潑性：一過渡系>二、三過渡系↑

②密度大，屬重金屬；③導(dǎo)電、導(dǎo)熱良好。3化學(xué)性質(zhì)②都有可變氧化值(間隔1，3d5后降低)；③易成配合物，作中心離子有電子未滿的(n-1)d軌道；④水合離子大多有色

（與未對d電子有關(guān)）。Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物的顏色：部分過渡元素水合離子的顏色：Co(H2O)6Cl2CoCl2

+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：例題：簡單說明：①Mg和Ti原子的最外層都是2個電子為只有+2?什么Ti的氧化數(shù)有+2、+3、+4而Mg卻答：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③為何K+、Ca2+等都無色，而Fe、Mn、Ti②為何Cr的密度、硬度、熔點都比Mg高？的離子卻都有色？答：Cr的外層電子構(gòu)型為3d54s1，價電子多，金屬鍵強，所以密度、硬度、熔點高；答：Fe、Mn、Ti原子的外層電子構(gòu)型中都電子構(gòu)型中則沒有未成對d電子，因而無色。有未成對d電子，而K+、Ca2+的原子的外層⑴鈦①輕、強、高、穩(wěn)，無磁性，去②TiO2

金紅石、鈦白粉可做白色幾種重要金屬及化合物氣劑；填料。附：鈦及其性質(zhì)鈦在周期表中是第22號元素，相對原子量是47.867.其固體密度為4.5gcm-3.熔點1668℃，而單質(zhì)外觀如左圖。221s22s22p63s23p63d24s2其原子核外的電子排布如右圖所示。所以，鈦的核外電子構(gòu)型表示為：鈦的貯量與賦存形態(tài)鈦有如此生命力的另一外原因是因為它在地球上分布很廣，地殼中的豐度為0.6%，僅次于鋁、鈣、鈉、鉀和鎂，比銅、錫、錳、鋅等金屬多。所以，鈦不是稀有金屬。鈦的主要賦存形式是鈦鐵礦、釩鈦礦及金紅石(TiO2)。我國四川省攀枝花地區(qū)已發(fā)現(xiàn)了儲量約為15億噸的釩鈦鐵礦。鈦的發(fā)現(xiàn)與工業(yè)化

英國化學(xué)家格里戈爾于1791年首次發(fā)現(xiàn)了鈦的存在。但直到1910年，美國化學(xué)家亨特才用化學(xué)方法制得純度99.9%、總量不足1克的鈦。前后歷經(jīng)約120年。

1947年鈦的提煉工業(yè)化，當(dāng)時產(chǎn)量只有2噸。但不到10年，其產(chǎn)量增至2萬噸,到1972年,年產(chǎn)量達20萬噸。鈦的應(yīng)用性能

鈦與鋁比,硬度是其2倍，制成合金則比鋁高出2～4倍。而與鋼相比鈦的密度僅相當(dāng)于鋼(7.8g/cm3)的57%，但強度與硬度與之接近。所以，鈦同時兼有鋼(高強度)和鋁(質(zhì)地輕)的優(yōu)點。在原來使用鋼材和鋁材的地方，它可以而代之；而在鋼和鋁不能勝任的地方，鈦則能“輕松應(yīng)對”。鈦氧化物的特性鈦的氧化物為TiO2，雪白色粉末，它是最好的白色顏料，俗稱“鈦白粉”。1克鈦白粉可以將450多平方厘米的面積涂的雪白。因此,TiO2

是世界上最白的顏料。上九天攬月

鈦是制造宇宙飛船的關(guān)鍵材料。由于太空的溫度低達零下100～200℃，這個環(huán)境中的飛船所需要的液氫和液氧燃料，必須貯藏在用耐超低溫的容器中。但大多數(shù)金屬罐均會破裂，而鈦制成的容器非但不破,且強度還會增加.所以，液氫和液氧是貯藏在用鈦制成罐中。美國航天飛機上九天攬月

因而制造超音速飛機的外殼材料就非鈦莫屬了。美國制造的著名“黑鳥”戰(zhàn)機，其飛行速度已達3200千米/小時,是音速的2.5倍以上，其表面材料即為鈦合金?！昂邙B”軍用飛機普通鋼鐵制成的船體易被海水侵蝕，且海水深度每增加10米，壓力就增大1個大氣壓。潛艇或軍艦須用超強耐腐蝕材料來制造。而鈦及其合金長期浸泡在海水中不被鈦的特性——耐腐蝕性海狼號核動力攻擊潛艇英國大刀級導(dǎo)彈護衛(wèi)艦腐蝕，且由于其沒有磁性，故用鈦合金制造的艦船，可免受磁性水雷的攻擊。所以美國的深海潛艇就是用鈦合金制成的，它能夠在4500米深海中航行。（2）鉻①硬度最大(9),熔點高；耐腐蝕；②Cr2O3

鉻綠，顏料、磨料；

CrO3

鉻酐，強氧化性；2CrO42-+2H+HCrO4-Cr2O72-+H2OCr2O72-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：不銹鋼餐具

在不銹鋼餐具上常有“13—0”、“18—0”、“18—8”三種代號。代號前面的數(shù)字表示鉻含量，后面的數(shù)字則代表鎳含量。鉻是使產(chǎn)品不生銹的材料，而鎳是耐腐蝕材料。為防止鎳、鉻等重金屬危害人體，國家已對其溶出量作出了相關(guān)規(guī)定。所以，只要是正規(guī)產(chǎn)品，并且使用得當(dāng)，一般不會發(fā)生安全問題。

使用不銹鋼餐具時應(yīng)注意些什么呢？

（1）不長時間盛放強酸或強堿性食品，以防鉻、鎳等金屬元素溶出。

（2）不用不銹鋼器皿煎熬中藥。由于中藥含有很多生物堿、有機酸等成分，特別是在加熱條件下，很難避免與之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而使藥物失效，甚至生成毒性更大的化學(xué)物質(zhì)。

（3）勿用強堿或強氧化性化學(xué)藥劑洗滌。鉻的毒性

鉻及其化合物有毒，特別是六價鉻，因其氧化性而毒性更大，有致癌作用，國家規(guī)定排放的廢水中六價鉻的最大允許濃度為0.5mg.dm-3，因此含鉻廢水必須經(jīng)過處理才能排放。（3）錳

錳是銀白色的金屬，很像鐵，但比鐵軟一些。錳最重要的用途是制造合金——錳鋼。如果在鋼中加入2.5%~3.5%的錳，那么制得的低錳鋼脆得像玻璃，一敲就碎。然而，如果加入13%以上的錳，制成高錳鋼，那么就變成既堅硬又富有韌性，能抗擊并耐磨損，用于制造鋼軌、粉碎機和拖拉機履帶、球磨機的鋼球等。KMnO4的還原產(chǎn)物與介質(zhì)有關(guān)：KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4（酸性）

→2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O

(淺粉色或無色)KMnO4+3Na2SO3+H2O（中性）

→MnO2+3Na2SO4+2KOH

(棕色)2KMnO4+Na2SO3+2KOH（堿性）

→2K2MnO4+K2SO4+H2O

(綠色)四、稀土元素（略）33

合金的基本結(jié)構(gòu)類型

合金是由兩種或更多種化學(xué)元素(其中至少一種是金屬)所組成的具有金屬特性的物質(zhì)。

其成分可以人工控制，并根據(jù)工程上的各種性能要求來合成，也叫功能材料。合金根據(jù)元素間相互作用混合物合金固溶體合金金屬化合物五合金材料a、混合物合金

混合物合金是兩種或多種金屬在熔融狀態(tài)時可以完全或部分互溶，但在凝固時各組分又分別結(jié)晶出來，成為機械混合物。在普通顯微鏡下，可觀察到這種合金的各組分或它們的混合晶體。特點

混合物合金的熔點、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)是其組分金屬的平均性質(zhì)。如，焊接用的Sn-Pb合金。35

b.金屬固溶體

一種金屬元素（或非金屬元素）融解到另一種金屬晶體中形成一種均勻的固態(tài)溶液，這類合金稱為金屬固溶體。金屬固溶體置換固溶體間隙固溶體

置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)了溶劑原子的位置，當(dāng)溶質(zhì)元素與溶劑元素在原子半徑、電負性以及晶格類型等方面都相近時易形成置換固溶體。如：V,Cr,Ni和Co等元素與Fe都能形成置換固溶體。

間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子半徑較小時，如H，B，C，N等元素，容易與d區(qū)金屬元素形成間隙固熔體。例如：C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的鐵素體、奧氏體。置換固溶體和間隙固溶體的區(qū)別金屬固溶體

熔點硬度金屬的熔點金屬的硬度

TiCW2CNbCTiNZrN

3410K3130K3770K3220K3255K

8~9~1098~98

1660K3410K2468K1660K1852K

47544.5金屬固溶體和純金屬熔點、硬度的比較39

c.金屬化合物合金

當(dāng)兩種金屬元素原子的外層電子結(jié)構(gòu)、電負性和原子半徑差別較大時，所形成的金屬化合物稱為金屬化合物合金。特點

一般導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性比純金屬低，而熔點和硬度比純金屬高。2.新型合金材料包括：（1）輕質(zhì)合金（2）形狀記憶合金（3）儲氫合金41

鋁和鋁合金：Al的密度

=2.072g/cm3

，硬度

=2~2.9。

鋁是自然界含量最多的金屬元素。主要以鋁

土礦[Al2O3nH2O]、粘土[H2Al2(SiO4)2H2O]鈦和鈦合金：Ti的密度

=4.54g/cm3

，硬度

=4。具有

良好的抗氧化性，對海水及許多酸具有

良好的耐腐蝕性。1.輕質(zhì)合金鎂和鎂合金：Mg的密度

=1.738g/cm3

，硬度

=2.0

合金中加入的元素主要有:Al、Zn、Mn。飛機各部件所使用的材料

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”，因為它有一種神奇的特性：它能

這種合金是由Ti和Ni各50%組成的。這變化時便會有對應(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