金屬化學(xué)與材料

ChemistryonMetals&MetallicMaterialsChapter8金屬化學(xué)與材料第8章1精選ppt

(3)了解金屬材料及合金的類型。

(1)了解金屬的分類與資源。

(2)掌握金屬的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

本章教學(xué)要求2精選ppt8.1金屬的分類與資源8.2金屬的性質(zhì)8.3金屬及合金材料

本章內(nèi)容3精選ppt

金屬及合金具有許多可貴的加工性能和使用性能，在國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本章在化學(xué)反響的根本原理和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的根底上，具體討論金屬及合金的一些重要性質(zhì)，簡略介紹有關(guān)工程上常用的金屬及合金材料、新型功能材料以及納米材料。

引言:4精選ppt

在迄今發(fā)現(xiàn)的109種元素中，金屬有87種，非金屬22種。其實，金屬和非金屬之間并沒有嚴(yán)格的界線。位于元素周期表p區(qū)中的B-Si-As-Te-At這一對角線附近的一些元素，其性質(zhì)介于金屬和非金屬之間，稱為準(zhǔn)金屬。

8.1金屬的分類與資源5精選ppt黑色金屬和有色金屬〔非鐵金屬〕。

黑色金屬包括鐵、錳、鉻及其合金；

有色金屬系指鐵、錳、鉻元素以外的所有金屬。8.1.1金屬分類輕金屬和重金屬。

密度小于5g?cm-3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鉀、鈣、鍶、鋇、鈦等。

密度大于5g?cm-3的金屬稱為重金屬，如銅、鉛、鋅、鎳、銻、錫、鈷、鉍、鎘、汞等。

6精選ppt低熔點金屬和高熔點金屬。

低熔點金屬多集中在s區(qū)、p區(qū)和第ⅡB族；高熔點金屬多集中在d區(qū)。稀有金屬

在自然界含量很少，分布分散，發(fā)現(xiàn)較晚，或提取困難，在工業(yè)上應(yīng)用較晚的金屬，如鋰、銣、銫、鈹、鎵、銦、鉈、鍺、鋯、鉿、鈮、鉭、錸及稀土元素。

貴金屬

像銀、金以及鉑族元素〔釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑〕，其化學(xué)性質(zhì)特別穩(wěn)定，在地殼中含量很少，開采和提取都比較困難，所以一般價格較貴。

7精選ppt

豐度:

自然界中，金屬元素一般以礦物形式存在。鐵在地殼中的含量僅占5.6%，次于氧〔46%〕、硅〔28%〕和鋁〔8.2%〕，居第四位。

8.1.2金屬資源產(chǎn)量:

Cu、Zn、Pb占有重要地位，Ni、Sn、Sb、Co、Cd、Bi和Hg的產(chǎn)量也占有相當(dāng)重要的地位。8精選ppt礦物類型及分布:

鉑族金屬，除了局部砂鉑礦外，大多伴生于硫化銅鎳礦中；稀土元素那么主要以磷酸鹽礦存在，如獨居石。

我國的內(nèi)蒙古包頭地區(qū)儲藏有豐富的稀土資源，是生產(chǎn)稀土金屬的重要基地。澳大利亞等國也有豐富的稀土礦物資源。金屬儲量:

鎢、銻和稀土元素儲量我國均屬世界首位。錳、錫、汞、鉛、鋅、鐵、鈦等金屬的儲量也居世界前列，為我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供了豐富的物質(zhì)根底。

9精選ppt延展性

導(dǎo)電性

導(dǎo)熱性

過渡金屬水合離子的顏色。8.2金屬的性質(zhì)由于金屬晶體具有緊密堆積結(jié)構(gòu)和自由電子的存

在，因此金屬具有許多共同的物理性質(zhì)。8.2.1金屬的物理性質(zhì)10精選ppt

1.延展性

金屬具有延性，可抽成絲；同時金屬又具展性，可壓成薄片。也就是說金屬具有良好的機(jī)械加工性能。

當(dāng)金屬受外力作用時，金屬晶體中各層粒子間易發(fā)生相對滑動，但是，由于自由電子的不停運(yùn)動，各層之間仍然保持金屬鍵的聯(lián)系，雖然金屬發(fā)生變形，但不致斷裂，故而表現(xiàn)出良好的延展性。

11精選ppt

2.熔點、沸點、硬度

圖8-1、圖8-2及圖8-3分別列出了一些單質(zhì)的熔點、沸點和硬度的數(shù)據(jù)。

圖8-1單質(zhì)的熔點/℃

注：摘自D.R.Lide,CRCHandbookofChemistryandPhysics,71sted,CRCPress.Inc.,1990～1991

*：系在加壓下。12精選ppt

ⅥΒ族附近金屬單質(zhì)的熔點較高，熔點最高的金屬是鎢〔3410℃〕。自第ⅥΒ族向左右兩邊延伸，單質(zhì)的熔點趨于降低。汞的熔點最低:-38.842℃，銫的熔點:28.40℃。從圖8-1可以看出，金屬單質(zhì)的熔點差異很大。通常說的耐高溫金屬是指熔點等于或高于鉻的熔點〔1857℃〕的金屬。13精選ppt

圖8-2單質(zhì)的沸點/℃

注：摘自D.R.Lide,CRCHandbookofChemistryandPhysics,71sted,CRCPress.Inc.,1990～1991

*系在減壓下。**升華***系在加壓下。14精選ppt圖8-3單質(zhì)的硬度*

注：摘自浙江大學(xué)編<<普通化學(xué)>>〔第四版〕第287頁，高等教育出版社，1995

*以金剛石等于10的莫氏硬度表示。這是按照不同礦物的硬度來區(qū)分的，硬度大的可以在硬度小的物體外表刻出線紋。這十個等級是:1.滑石，2.巖鹽，3.方解石，4.螢石，5.磷灰石，6.冰晶石，7.石英，8.黃玉，9.剛玉，10.金剛石。15精選ppt硬度較大的金屬也位于ⅥΒ族附近。鉻是硬度最大的金屬〔其莫氏硬度為9.0〕，而位于ⅥΒ族兩邊的金屬，單質(zhì)的硬度趨于減小?！惨妶D8-3〕金屬單質(zhì)的沸點變化大致與熔點的變化類似。鎢也是沸點最高的金屬。〔見圖8-2〕金屬鍵的強(qiáng)弱與金屬的原子半徑、核對外層電子的作用力以及原子中參與成鍵的價電子數(shù)的多少有關(guān)。以上諸變化規(guī)律實際上是由金屬鍵的強(qiáng)弱決定的。16精選ppt從ⅡА族的堿土金屬向右進(jìn)入d區(qū)副族金屬，原子半徑逐漸減小，參與成鍵的價電子數(shù)增多〔d區(qū)元素的次外層d電子也可作為價電子〕，核電荷增大,對外層電子的作用力逐漸增強(qiáng)，金屬鍵也增強(qiáng)，熔點、沸點逐漸升高。ⅥΒ族元素原子的價電子數(shù)目〔ns電子和(n-1)的d電子〕最多，都可參與成鍵，加之原子半徑較小，所以這些金屬單質(zhì)的熔點、沸點最高。ⅥΒ族以后，參與成鍵的價電子數(shù)又逐漸減少，因而金屬的熔點、沸點又逐漸降低。每一周期開始的堿金屬，是同周期中原子半徑最大，價電子數(shù)最少，核電荷最少的，對外層電子的作用力較小，金屬鍵較弱，故熔點較低。17精選ppt圖8-4列出了一些單質(zhì)的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。金屬都能導(dǎo)電，處于p區(qū)金屬分區(qū)對角線附近的金屬如鍺是半導(dǎo)體。銀、金、銅、鋁、鈉等有良好的導(dǎo)電性，其中銀導(dǎo)電性最好，但銀、金是貴金屬，價格昂貴，僅用于某些電子器件的接插點。因此，常用鋁代替銅制造電工材料。金屬的導(dǎo)電性受溫度和純度的影響。金屬的導(dǎo)電性隨溫度的升高而降低；金屬的純度越高，導(dǎo)電性越好。3.導(dǎo)電性18精選ppt過渡金屬的離子通常在d軌道上有未成對電子，可見光區(qū)域中某些波長的光即可使電子激發(fā)，發(fā)生d-d電子躍遷，吸收可見光的一局部而讓其余的光透過或散射出來，故呈現(xiàn)不同的顏色。4.過渡金屬水合離子的顏色過渡金屬的水合離子常顯示出一定的顏色，例如，水合銅〔Ⅱ〕離子呈藍(lán)色，水合鎳〔Ⅱ〕離子呈綠色，水合鈷〔Ⅱ〕離子呈桃紅色等等。與此相反，主族元素金屬的相應(yīng)離子是無色的。如果離子中無d電子或d電子都已配對，如d0、d10等就比較穩(wěn)定，不易被激發(fā)。這些離子一般無色，如Sc3+、Ag+、Zn2+等。19精選ppt由于金屬的電負(fù)性較小，在化學(xué)反響中總是傾向于失電子，因此金屬單質(zhì)最突出的化學(xué)性質(zhì)是復(fù)原性。金屬單質(zhì)的復(fù)原性與金屬的活潑性雖然并不完全一致，但總的變化趨勢還是服從元素周期律的。8.2.2金屬的化學(xué)性質(zhì)20精選ppt

這是因為同一周期從左到右，有效核電荷依次增多，電子層數(shù)不變，核對外層電子的引力增強(qiáng)，使原子半徑逐漸減小，金屬失電子更趨困難，故復(fù)原性減弱。在長周期中，副族金屬元素的有效核電荷和原子半徑變化沒有主族元素顯著，因而金屬單質(zhì)復(fù)原性的變化不如主族元素那樣明顯，甚至彼此復(fù)原性較為接近。1.金屬單質(zhì)復(fù)原性的周期性變化同一周期從左到右金屬單質(zhì)的復(fù)原性逐漸減弱，短周期減弱較快，而長周期減弱較慢。21精選ppt同一主族從上到下，金屬單質(zhì)的復(fù)原性依次增強(qiáng)。因為從上到下金屬的核電荷數(shù)雖然依次增多，但外層電子受到的有效核電荷增加不多而且原子半徑在增大，兩者相比較原子半徑的影響更為顯著，故下層的金屬更易失電子，金屬單質(zhì)的復(fù)原性更強(qiáng)。22精選ppt

金屬的活潑性與金屬的復(fù)原性大小不完全一致，一些復(fù)原性較強(qiáng)的金屬在特定的條件下外表易形成致密的氧化物保護(hù)膜而表現(xiàn)出“不活潑性〞，鈦、鉻、鎳、鋁等金屬就是其中典型的例子，這往往是動力學(xué)因素造成的。

副族〔ⅢΒ族除外〕金屬單質(zhì)的復(fù)原性從上到下有減弱的趨勢。23精選ppt〔1〕s區(qū)金屬

與氧作用：s區(qū)金屬較活潑，具有很強(qiáng)的復(fù)原性，易被空氣中的氧氧化，除了可生成正常氧化物〔如Li2O，MgO〕外，還能生成過氧化物〔如Na2O2，BaO2〕和超氧化物〔如KO2，BaO4〕。離子型過氧化物與水或酸反響生成過氧化氫。例如：

Na2O2〔s〕+2H2O〔l〕=2NaOH〔aq〕+H2O2〔aq〕

BaO2〔s〕+2HCl〔aq〕=H2O2〔aq〕+BaCl2〔aq〕過氧化物和超氧化物都是強(qiáng)氧化劑，遇到棉花，木炭或鋁粉等復(fù)原性物質(zhì)會發(fā)生爆炸，使用時要倍加小心。2.金屬單質(zhì)與氧、水、酸、堿的作用

24精選ppt過氧化物和超氧化物都是固體儲氧物質(zhì)，遇水可放出氧氣，利用這種性質(zhì)，將超氧化物裝在面具中，可供高空和潛水人員使用。例如：

4KO2〔s〕+2H2O〔g〕=4KOH〔s〕+3O2〔g〕

人呼出的CO2又可以被氫氧化鉀吸收。

KOH〔s〕+CO2〔g〕=KHCO3〔s〕

過氧化物、超氧化物也可以直接與CO2作用并放出氧氣。例如：

2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O2

4KO2+2CO2=2K2CO3+3O2

25精選ppt與水作用：s區(qū)金屬能與水作用，置換出氫氣并生成相應(yīng)的氫氧化物。例如：

2Na〔s〕+2H2O〔l〕=2NaOH〔aq〕+H2〔g〕

鋰、鈹和鎂與水的作用較慢，主要是生成的氫氧化物難溶于水，覆蓋在金屬外表上，阻礙了反響的進(jìn)一步進(jìn)行。

s區(qū)金屬當(dāng)然更易與酸反響，并產(chǎn)生氫氣，但反響過于劇烈，無法控制，故禁止使用。26精選pptp區(qū)金屬的復(fù)原性較s區(qū)弱。常見的p區(qū)金屬如鋁、錫、鉛、銻、鉍等。除鋁較活潑外，其余金屬在空氣中無明顯作用。鋁雖活潑，但鋁外表的氧化膜致密，因此鋁在空氣中很穩(wěn)定。p區(qū)金屬大都能與非氧化性酸作用，置換出氫氣。例如：

Sn〔s〕+2HCl〔aq〕=SnCl2〔aq〕+H2〔g〕鉛與酸作用，例如

Pb〔s〕+H2SO4〔aq〕=PbSO4〔s〕+H2〔g〕

由于產(chǎn)物難溶于水，阻礙反響進(jìn)一步進(jìn)行，故鉛可做耐硫酸設(shè)備。〔2〕p區(qū)金屬鋁也能與稀酸反響，但在濃硝酸中很穩(wěn)定〔形成保護(hù)膜而發(fā)生鈍化〕，因此可用純鋁容器儲存濃硝酸，用純鋁管管道輸送濃硝酸。27精選pptFe〔s〕+2HCl〔aq〕=FeCl2〔aq〕+H2〔g〕〔3〕d區(qū)和ds區(qū)金屬d區(qū)和ds區(qū)金屬單質(zhì)的復(fù)原性差異較大。第四周期金屬〔銅除外〕的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的代數(shù)值均為負(fù)值，但比s區(qū)金屬的值要大，它們不能與水作用，但能從非氧化性稀酸中置換出氫氣。例如：銅能與氧化性酸作用。例如：

3Cu〔s〕+8HNO3〔aq〕=3Cu〔NO3〕2〔aq〕+2NO〔g〕+4H2O〔l〕28精選ppt第四周期金屬一般都能與空氣中的氧作用，生成相應(yīng)的氧化物，其中鉻、鋅、鎳等外表的氧化物膜具有保護(hù)作用，能阻止氧進(jìn)一步與內(nèi)部的金屬反響。

第五、第六周期的d區(qū)和ds區(qū)金屬不與非氧化性酸作用。一些不活潑金屬如金，鉑只能與王水作用。例如：Au〔s〕+HNO3〔aq〕+4HCl〔aq〕=H[AuCl4]〔aq〕+NO〔g〕+2H2O〔l〕

這實際上是酸溶解、氧化復(fù)原溶解與配位溶解的共同作用。此法也可溶解其他一些難溶金屬，反響與上面的類似。

29精選ppt

Sn(s)+2NaOH(aq)+2H2O(l)=Na2[Sn(OH)4](aq)+H2(g)

以上我們只是簡要介紹了金屬單質(zhì)復(fù)原性的一些表現(xiàn)。事實上金屬單質(zhì)復(fù)原性的表現(xiàn)形式還有許多，例如鋁、錫、鋅還能與堿作用產(chǎn)生氫氣。

此外，堿金屬和一些堿土金屬還能與氫氣作用形成離子型氫化物，而Ti、LaNi5等金屬或合金也能與氫形成氫化物，可用于制備貯氫材料。30精選ppt8.2.3溫度對金屬單質(zhì)活潑性的影響*

化學(xué)熱力學(xué)計算結(jié)果說明：在873K的高溫時，單質(zhì)與氧氣結(jié)合的能力由強(qiáng)到弱的順序大致為：Ca、Mg、Al、Ti、Si、Mn、Na、Cr、Zn、Fe、H2、C、Co、Ni、Cu這一順序與常溫時單質(zhì)的活潑性遞變情況并不完全一致。溫度會影響金屬與氧氣反響的產(chǎn)物。對于氧化值可變的金屬來說，高溫下生成低氧化值的金屬氧化物的傾向較大，而常溫下生成高氧化值的金屬氧化物的傾向較大。例如，鐵在高溫下以生成FeO為主,常溫時那么以Fe2O3為主。

rGm

(T)

≈

rHm

(298.15K)

T.

rSm

(298.15K)圖8.4

一些單質(zhì)與氧氣反應(yīng)的

rGm(T)與溫度的近似關(guān)系31精選ppt從圖8.4可以看出，不同反響直線的斜率不同，某些直線還有交錯。這樣，在不同的溫度范圍內(nèi)，某些金屬單質(zhì)與氧的結(jié)合能力的強(qiáng)弱順序可能發(fā)生改變。如圖8-4中的虛線所示的溫度〔873K〕下，單質(zhì)與氧的結(jié)合能力由強(qiáng)到弱的大致順序為Ca、Mg、Al、Ti、Si、Mn、Na、Cr、Zn、Fe、H、C、Co、Ni、Cu

這一順序與常溫時單質(zhì)與氧結(jié)合的順序并不完全一致。值得注意的是圖中大多數(shù)直線都向上傾斜，唯有2C+O2=2CO反響的直線是隨溫度升高而向下傾斜，即溫度越高，碳的復(fù)原能力越強(qiáng)，可將大多數(shù)金屬氧化物復(fù)原為金屬單質(zhì)，這在金屬冶煉中具有重要的現(xiàn)實意義。32精選ppt有些金屬單質(zhì)，例如鋁、硅、鉻等，就其與氧的結(jié)合能力來說是較強(qiáng)的，但在空氣中，甚至較高的溫度范圍內(nèi)都是相當(dāng)穩(wěn)定的。這是因為它們生成的氧化物膜具有鈍化作用。因此，鋁粉可作油漆顏料，用來防止鐵的腐蝕。在鋼中參加鉻、硅等也可提高鋼的耐蝕性和在高溫下的抗氧化性。另外，從圖8-4中，我們可以明顯看到，在單質(zhì)的熔點處，直線并沒有出現(xiàn)明顯的上翹，而在單質(zhì)的沸點處，直線明顯在此呈上翹折線?！舱埻瑢W(xué)們思考這是為什么？〕

33精選ppt金屬材料的優(yōu)點：良好的導(dǎo)電、傳熱性、高的機(jī)械強(qiáng)度，較為廣泛的溫度使用范圍，良好的機(jī)械加工性能等。金屬材料的缺點：易被腐蝕和難以滿足高新技術(shù)更高溫度的需要。思考：911事件中紐約世貿(mào)大廈坍塌的原因？

合金鋼強(qiáng)度經(jīng)得起12級臺風(fēng)、各種龍卷風(fēng)的襲擊，也耐得住地震、雷電或爆炸的侵?jǐn)_。但其優(yōu)良的導(dǎo)熱性，使其經(jīng)不起高溫，整體變軟，促成大廈迅速倒塌。8.3金屬及合金材料34精選ppt

如前所述，金屬材料具有許多可貴的加工性能和使用性能，然而純金屬的性能往往不能滿足工程上的多種要求，而且純金屬的制備復(fù)雜，本錢高。因此，除了某些特殊用途外，一般常用的都是合金。

合金是由兩種或兩種以上的金屬單質(zhì)〔或金屬與非金屬元素〕熔合在一起生成具有金屬特性的物質(zhì)。35精選ppt1合金的根本結(jié)構(gòu)類型金屬固溶體一種溶質(zhì)元素〔金屬或非金屬〕原子溶解到另一種溶劑金屬元素〔較大量的〕的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。金屬固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。例如釩、鉻、錳、鎳和鈷等元素與鐵都能形成置換固溶體；而氫、硼、碳和氮與許多副族金屬元素能形成間隙固溶體。(a)純金屬溶質(zhì)原子溶劑原子圖8-5金屬固溶體晶格示意圖(b)置換固溶體(c)間隙固溶體36精選ppt金屬化合物當(dāng)合金中參加的溶質(zhì)原子數(shù)量超過了溶劑金屬的溶解度時，除能形成固溶體外,同時還會出現(xiàn)新的相，這第二相可以是另一種組分的固溶體，而更常見的是形成金屬化合物。

金屬化合物種類很多，從組成元素來說可以由金屬元素與金屬元素，也可以由金屬元素和非金屬元素組成。前者如Mg2Pb、CuZn等；后者如硼、碳和氮等非金屬元素與d區(qū)金屬元素形成的化合物，分別稱為硼化物、碳化物、氮化物等。37精選ppt碳化物

碳能和大多數(shù)元素形成化合物。碳與電負(fù)性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳?xì)浠衔锿?，稱為碳化物。

離子型碳化物指活潑金屬的碳化物，如碳化鈣(CaC2)，熔點較高(2300℃)，工業(yè)產(chǎn)品叫電石。

共價型碳化物非金屬硅和硼的碳化物，如碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)。熔點高(分別為2827℃、2350℃)、硬度大，為原子晶體。

金屬型碳化物由碳與鈦、鋯、釩、鈮、鉭、鉬、鎢、錳、鐵等d區(qū)金屬形成，例如WC、Fe3C等。這類碳化物的共同特點是具有金屬光澤，能導(dǎo)電導(dǎo)熱，熔點高，硬度大，但脆性也大。38精選ppt

(1)碳素鋼

碳素鋼根本上是鐵和碳的合金。根據(jù)含碳量的不同，分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。低碳鋼含碳量低于0.25%,這種鋼韌性好，強(qiáng)度低，焊接性能好。主要用于制造薄鐵皮、鐵絲和鐵管等。中碳鋼含碳量在0.25%-0.6%之間，強(qiáng)度較高，韌性及加工性能較好，用于制造鐵軌、車輪以及用在建筑領(lǐng)域。高碳鋼含碳量在0.6-1.7%之間。這種鋼硬而脆，經(jīng)熱處理后有較好的彈性，用于制造彈簧、刀具和醫(yī)療器具等。8.3.2常用金屬與合金材料1.鋼

鋼是用得最多的合金材料。純鐵很軟，不能滿足工程上的要求。將生鐵中的S、P、Si等雜質(zhì)除去，并將C的含量調(diào)到規(guī)定范圍就得到鋼。鋼的種類很多，根據(jù)其化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼。39精選ppt鈦鋼：鈦是高熔點〔1948K〕、低密度〔4.5g·cm-3〕的金屬，呈銀白色，有很高的機(jī)械強(qiáng)度。由于鈦外表形成致密的氧化膜，使其呈鈍化態(tài)，在600℃以下具有良好的抗氧化性，而且具有對某些介質(zhì)尤其是對海水及許多酸有良好的耐蝕能力。因此，近幾十年來鈦及其合金已成為工業(yè)上最重要的耐腐蝕金屬材料之一，用于制造超音速飛機(jī)、船舶和化工廠的耐腐蝕設(shè)備等。由于鈦的耐蝕性好，比重小，且外表與生物體組織相容性好并和生物界面結(jié)合牢固，因此是理想的植入材料，醫(yī)療上用鈦制作人造骨骼。

〔2〕合金鋼

在碳鋼中添加不同的合金元素，可得到各種不同性能的合金鋼。合金鋼的種類很多，下面介紹幾種常見的合金鋼。40精選ppt煉鋼時，常用鈦作脫氧劑，鈦也能與硫形成穩(wěn)定的TiS2，使鋼中的硫分布均勻，大大改善了鋼的機(jī)械性能。鈦還能與溶解于鋼水中的氮反響生成穩(wěn)定的TiN。鈦也能吸收氫氣，是煉鋼中常用的除氣劑。經(jīng)鈦除氣后的鋼錠，組織致密，性能有很大的改善。在鋼中添加1%的鈦制成的鈦鋼，堅韌而有彈性，硬度大，耐撞擊，在國防工業(yè)中應(yīng)用很廣。

41精選ppt鉻與不銹鋼：鉻是ⅥВ族元素，它的熔點高、硬度大，屬于高熔點金屬。鉻的主要用途是制造各種合金。鋼中參加鉻能大大提高鋼的硬度、彈性、耐熱性和耐蝕性。鉻是不銹鋼獲得耐蝕性的根本元素。含鉻在12-18%的鋼稱為不銹鋼，它在氧化性介質(zhì)〔如大氣、硝酸〕中，很快形成Cr2O3的保護(hù)膜而使內(nèi)部免遭腐蝕。在不銹鋼中參加鉬和鎳，有利于提高不銹鋼的機(jī)械性能〔鉬能提高強(qiáng)度和耐磨性；鎳能增加彈性、塑性和韌性〕、耐熱性和在非氧化性介質(zhì)〔如稀H2SO4、HCl、H3PO4等〕中的耐腐蝕性。

42精選ppt錳與錳鋼：錳是質(zhì)硬性脆的銀白色金屬，其電極電勢介于鋁和鋅之間，是比較活潑的金屬。能與稀酸劇烈反響放出氫氣，加熱時能與氧、鹵素、碳、氮、磷、硫等非金屬元素直接化合。

錳在煉鋼中常用作脫氧、脫硫劑。硫是鐵和鋼中的有害元素，高溫下形成的低熔點FeS會引起鋼的熱脆性。金屬錳可從FeS中置換出鐵，自身成為MnS而轉(zhuǎn)入渣中將硫除去。反響為：

Mn+FeS=MnS+Fe

錳主要用于生產(chǎn)合金鋼。含錳在10-15%的錳鋼具有高硬度、高強(qiáng)度及耐蝕性，用來制造粉碎機(jī)、鋼軌和自行車軸承等。43精選ppt純鋁具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，鋁外表易鈍化形成的氧化膜十分穩(wěn)定，具有保護(hù)作用。因此，純鋁主要用于電氣工業(yè)及食品包裝等行業(yè)。

鋁合金中常用的合金元素有Mg、Si、Mn、Zn等。這些合金元素在固態(tài)鋁中的溶解度是有限的，所以鋁合金的組分除了一般的固溶體外，還可能形成金屬化合物。純鋁機(jī)械性能差，在鋁中參加其它合金元素，其機(jī)械性能可大大提高。鋁合金由于密度小，強(qiáng)度高，是重要的輕型結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于建筑、航空、機(jī)械及造船等工業(yè)。超音速飛機(jī)有70%為鋁及鋁合金。

2.鋁及鋁合金44精選ppt

銅具有良好的延展性和導(dǎo)電性，大量用于制造電機(jī)、電線和電訊設(shè)備。銅合金中參加的主要元素有Zn、Sn、Be、Ni等。銅合金有良好的高溫和低溫加工性能，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性。青銅是銅錫合金，其成分為Cu80-90%，Sn3-14%，Zn5%。青銅的硬度大、耐磨、耐腐蝕、鑄造性能好。主要用于制造金屬鑄件、高壓軸承和船舶螺旋槳。青銅中參加其它合金元素也可形成特殊青銅。近年來，把許多含鋁、錳、硅的銅基合金也稱青銅。

黃銅是由銅和鋅組成的合金，一般銅的含量為60-90%，鋅的含量為10-40%。黃銅在空氣中的耐腐蝕性特別好，但在海水中不耐腐蝕。主要用于制造精密儀器、鐘表零件、炮彈彈殼等。3.銅及銅合金45精選ppt

從圖8-1可見，IA族、IIB族及p區(qū)金屬單質(zhì)的熔點大都較低。由于IA族金屬太活潑，p區(qū)的鎵、銦、鉈等資源稀少，所以常用的低熔合金金屬主要有汞、錫、鉛、銻、鉍等。鉍的某些合金的熔點在100℃以下。例如，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50的Bi，0.25的Pb，0.13的Sn和0.12的Cd組成的合金〔稱為伍德合金〕，其熔點為71℃，用于自動滅火設(shè)備，鍋爐平安裝置及信號儀表等。汞的熔點〔-38.842℃〕低，室溫下呈液態(tài)，在0-200℃范圍內(nèi)體積膨脹系數(shù)均勻，又不潤濕玻璃，因而常作溫度計、氣壓計的液柱。汞有一定的揮發(fā)性，汞蒸氣有毒，使用時要小心。汞易于許多金屬〔鐵除外〕形成合金，稱為汞齊。例如鋁汞齊、鈉汞齊、鉀汞齊等等。

4.低熔金屬和低熔合金46精選ppt1.

記憶合金

記憶合金是具有“形狀記憶力〞的新型合金材料。在某溫度下用這種合金制成絲，即使將它揉成一團(tuán)，當(dāng)?shù)竭_(dá)該溫度時，它也能迅速恢復(fù)成原來的形狀。當(dāng)然，假設(shè)在一定溫度范圍內(nèi)加外力使這種合金變形，取消外力后它也能迅速恢復(fù)原有的形狀。

8.3.3新型功能合金Ni-Ti合金是人們最早研究成功的記憶合金之一，它的“記憶〞性能好，且耐腐蝕性強(qiáng)，缺乏之處是價格較高。后來，人們又研究開發(fā)價格較低的銅基記憶合金、鐵基記憶合金等。近年來發(fā)現(xiàn)：高分子材料、鐵磁性材料和超導(dǎo)材料中也有形狀記憶功能?，F(xiàn)在，已經(jīng)有一些記憶合金材料應(yīng)用于機(jī)械、電子等領(lǐng)域。隨著研究的深入，形狀記憶材料將得到更廣泛的應(yīng)用。47精選ppt

研究發(fā)現(xiàn)，一些金屬或合金〔如Mg、Ti、LaMgNi、LaNi5等能與氫氣反響形成氫化物而貯存氫氣，稍經(jīng)加熱又能將氫氣釋放出來。利用這種性質(zhì)，開發(fā)出了一些具用應(yīng)用價值的貯氫材料。這種材料具有貯氫量大〔有的貯氫密度超過了高壓氣瓶的貯氫密度〕、在常溫附近能順利地吸氫、放氫等優(yōu)點。貯氫合金用于氫動力汽車的試驗已獲成功更激發(fā)了人們的研究熱情，目前的研究開發(fā)主要集中在鎂系貯氫合金。2.

貯氫材料

氫氣是一種潔凈的燃料，在空氣中燃燒生成水，它具有燃燒熱高、燃燒充分、不污染環(huán)境等優(yōu)點。48精選ppt

自20世紀(jì)70年代納米材料問世以來，至今已近30年的歷史，其真正成為材料科學(xué)研究的前沿?zé)狳c是在20世紀(jì)80年代中期以后。納米是長度計量單位，它是英文“Nanometer〞的中譯名“納諾米特〞的簡稱，英文中的前綴“Nano〞是十億分之一的意思，因此，一納米就是十億分之一米〔10-9m〕，記作nm。大約是三、四個原子的寬度。

納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為根底的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)〔混沌物理、量子力學(xué)、分子生物學(xué)等〕和現(xiàn)代技術(shù)〔計算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)等〕結(jié)合的產(chǎn)物，被認(rèn)為是世紀(jì)之交出現(xiàn)的一項高科技。

8.3.4納米材料49精選ppt納米材料的外表效應(yīng)是指納米粒子的外表原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。如圖8-6所示：1.

納米材料的外表效應(yīng)從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，將迅速增加外表原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時，

外表原子數(shù)高達(dá)90%以上，原子

幾乎全部集中到納米粒子的外表。根據(jù)熱力學(xué)最小自由能原理，由于納米粒子外表原子數(shù)增多，比外表積很大，具有很高的外表能，故具有很高的化學(xué)活性。在空氣中金屬超微顆粒會迅速氧化而燃燒。利用外表活性，金屬超微顆?？赏蔀樾碌母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點材料。8-6外表原子數(shù)與粒徑的關(guān)系50精選ppt2.小尺寸效應(yīng)當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑〔白金〕變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾十微米〔即幾百納米〕的大小就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料。隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比外表積亦顯著增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)。

(1)特殊的光學(xué)性質(zhì)51精選ppt

普通晶體都有一個固定熔點。超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低。這是因為微細(xì)晶體蒸氣壓大于普通晶體蒸氣壓之故。例如，金的常規(guī)熔點為1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到2納米時的熔點僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點為970℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。

(2)特殊的熱學(xué)性質(zhì)52精選ppt

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能區(qū)分方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。

小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料有顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當(dāng)