第05章金属元素与金属材料

1、 第一节 金属元素概述一一 金属的存在和提炼金属的存在和提炼存在形式存在形式 单质单质 Au、Ag、Pt、Cu； 二元化合物二元化合物 氧化物、硫化物、氧化物、硫化物、 卤化物卤化物含氧酸盐含氧酸盐 碳酸盐、硅酸盐、碳酸盐、硅酸盐、 硫酸盐硫酸盐1 12 2 提炼方法：提炼方法：实现还原反应：实现还原反应：Mn+Mn* *干法干法还原剂为还原剂为: :C、CO；* *金属热还原法金属热还原法还原剂为还原剂为: :Al；* *精炼精炼如电解精炼如电解精炼、区域精炼区域精炼、 羰化法等。羰化法等。2 2* *电解法电解法在阴极还原，在阴极还原， 如Al、Mg、K、Na等；等；* *湿法湿法如如Au

2、、Ag；二二 金属的分类金属的分类按按化学活泼性化学活泼性分分： 活泼活泼 中等活泼中等活泼 不活泼不活泼 s s 区区 d d区、区、p p区区 d d区区3 3按按工程技术工程技术分分：黑色金属黑色金属：Fe、Mn、Cr有色金属有色金属：又分重、轻、贵、稀、放射：又分重、轻、贵、稀、放射三三 金金 属属 的的 性性 质质1 1 物理性质：物理性质：光泽：光泽：金属晶体大多呈银白色，金属晶体大多呈银白色， Au黄色，黄色，Bi淡红，淡红，Cu紫红色；紫红色；4 4密度：密度：按按5 5g.cm-3-3为标准为标准, ,分为分为轻轻金属金属 重重金属；金属；熔点：熔点：金属熔点差别很大。金属熔

3、点差别很大。 如：如：Hg、W；磁性：磁性：分铁磁材料分铁磁材料( (Fe、Co、Ni) )； 顺磁材料顺磁材料( (Mn、Cr、Mo、W）；）；逆磁材料逆磁材料( (Cu、Sn、Pb、Zn）；）； 延、展性：延、展性：即机械加工性能良好；即机械加工性能良好；热胀冷缩热胀冷缩( (但但Sb 、Bi相反相反) )。5 5导电、导热导电、导热 ：金属越纯，导电、热性金属越纯，导电、热性 越好越好; ;2 2 化学性质：化学性质：金属性是指：金属性是指： M-ze-MZ+ + 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 s区区极易反应；极易反应； p p区区反应程度

4、较差；反应程度较差； d d区区4 4周期，高温下可反应；周期，高温下可反应； 5 5、6 6周期，稳定。周期，稳定。6 6钝化钝化: :易被钝化的金属：易被钝化的金属：Cr、Fe、Ni Zn、Al、Si、Sn等。等。7 7(rGm T）图图。即氧化反应与温度即氧化反应与温度的关系。的关系。yyr rGm 值，绘图。值，绘图。yy埃灵罕姆埃灵罕姆作法作法：按吉：按吉- -亥方程亥方程计算出各计算出各T对应的对应的 值越负，值越负，反应自发性越强，反应自发性越强，氧化物越稳定。所氧化物越稳定。所以，处于下方的金以，处于下方的金属属( (更易与氧化合更易与氧化合, ,与氧结合力更强与氧结合力更强)

5、 )可把处于上方的金可把处于上方的金属从其氧化物中置换出来。属从其氧化物中置换出来。8 8讨论：讨论：r rGmyy氧化铝和氧化铁放入小花盆内，上面放一层高锰氧化铝和氧化铁放入小花盆内，上面放一层高锰酸钾，甘油（丙三醇）在高锰酸钾层上。反应引酸钾，甘油（丙三醇）在高锰酸钾层上。反应引燃后，剧烈放热，可以看到一块金属掉到下面的燃后，剧烈放热，可以看到一块金属掉到下面的桶内，经查看是金属铁。此反应证明铝是强还原桶内，经查看是金属铁。此反应证明铝是强还原剂。剂。9 92Al+Fe2O3Al2O3+Fe2Al+Cr2O3Al2O3+2CrSi+2FeOSiO2+2Fe1010据此，冶金生产中应据此，冶

6、金生产中应用用Ca、Al、Mg、Si、Mn等做脱氧剂。等做脱氧剂。如：如： M+nH2OM(OH)n+H2 水中水中b b( (H+ +)=10)=10-7-7molkg-1-1， 按能斯特方程式按能斯特方程式: :E( (H+/H2)=-0.413)=-0.413V 对于金属对于金属M,若若E( (Mn+/M)-0.413)10)10-7-7mol.kg-1-1。所以，若金。所以，若金属的属的E( (Mn+/M)-0.83) 二、三过渡系二、三过渡系 （BB特殊：特殊：）。）。 都有可变氧化值都有可变氧化值( (间隔间隔1 1，3d3d5 5后降低后降低) )24242 2 物理性质：物理性

7、质： 密度大，属密度大，属重金属重金属； 导电、导热良好。导电、导热良好。 易成配合物，作中心离子易成配合物，作中心离子 有电子未满的有电子未满的(n-1)d轨道；轨道；2525 水合离子大多有色水合离子大多有色 （与未对（与未对d电子有关）。电子有关）。第一过第一过 渡渡 系金系金 属离子颜色属离子颜色Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物颜色及其氨合物颜色26264 4 几种重要金属及化合物几种重要金属及化合物 钛钛 轻、强、高、稳，无磁性，轻、强、高、稳，无磁性，去气剂；去气剂； TiO2 金红石金红石、钛白粉钛白粉可做可做 白色填料。白色填料。 铬铬 硬度最大硬度最大(9),(9),熔

8、点高；熔点高； 耐蚀；耐蚀；2727 Cr2O3 铬绿，颜料、磨料；铬绿，颜料、磨料； CrO3 铬酐，强氧化性，毒；铬酐，强氧化性，毒； K2Cr2O7 红矾钾，常用氧化剂。红矾钾，常用氧化剂。2CrO42- +2H+HCrO4-Cr2O72-+H2O( (橙红色橙红色) )2828 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。2929 锰锰KMnO4的还原产物与介质有关：的还原产物与介质有关：KMnO4+5Na2S

9、O3+3H2SO4 2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O ( (浅粉色或无色浅粉色或无色) )KMnO4+3Na2SO3+H2OMnO2+3Na2SO4+2KOH ( (棕色棕色) )2KMnO4+Na2SO3+2KOH2K2MnO4+K2SO4+H2O ( (绿色绿色) )3030三三 稀稀 土土 元元 素素Sc Y La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu1 1 通性通性 电子层结构电子层结构 BB：(n-1)d(n-1)d1 1 nsns2 2 LnLn：(n-2)f(n-2)f1-141-14(n-1)d(n-1)d0-1

10、0-1 nsns2 23131包括：包括：BB和镧系（和镧系（LnLn）。）。 57La-71Lu 15 15个元素半径缩小个元素半径缩小1414pm; ; 55Cs-56Ba 2 2个元素半径缩小个元素半径缩小4545pm; ; 21Sc-22Ti 缩小缩小1515pm。 镧系收缩的后果是：镧系收缩的后果是：6 6周期的原子半径周期的原子半径与与5 5周期的十分相近；二、三过渡系元周期的十分相近；二、三过渡系元素性质相似而有别于一过渡系。素性质相似而有别于一过渡系。3232 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更

11、缓慢缩小更缓慢缩小。如：。如： 水合水合LnLn3+3+离子的颜色离子的颜色，与未成对，与未成对4f4f电子有关。电子有关。4f4fx x与与4f4f14-x14-x构型的离子未成构型的离子未成对电子数相同，因而水合离子颜色也相对电子数相同，因而水合离子颜色也相同。如同。如: :La(4f(4f0 0)-)-Ga(4f(4f7 7) )- -Lu(4f(4f1414) )3333 吸气性吸气性好，好，LaNi5是优良贮氢材料；是优良贮氢材料； RE(OH)3碱性碱性 如如M(OH)2，溶解度更小，溶解度更小 RE的硝、硫、溴酸的硝、硫、溴酸盐盐、氯化物可溶；、氯化物可溶； 草、碳酸盐、氟化物难

12、溶。草、碳酸盐、氟化物难溶。 活泼金属活泼金属，强，强还原还原剂，活泼性相当于剂，活泼性相当于Mg；易氧化，氧化物无保护作用（存于；易氧化，氧化物无保护作用（存于煤油）；煤油）；燃点低燃点低（200200），燃烧时放），燃烧时放热量大；热量大；34342 2 化学性质化学性质 应用混合稀土（应用混合稀土（RE）可大大改善合）可大大改善合 金性能：脱金性能：脱O、S、H；氮化物细化，；氮化物细化， 石墨球化；改善延展性，提高抗氧化石墨球化；改善延展性，提高抗氧化 能力、可锻性等。能力、可锻性等。35353 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

13、用做催化剂 CeO2 用来脱色、抛光；用来脱色、抛光； Pr2O3、Nd2O3 用于着色（红、绿）；用于着色（红、绿）；3636 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；3737 - -磁磁谱仪）进入太空谱仪）进入太空，进行反物质的探测。，进行反物质的探测。 其他其他 Nd-Fe-B 合金称合金称“永磁王永磁王”，是我国，是我国研制成功的。研制

14、成功的。9898年装于年装于AMS( ( 此外，稀土在核工业、环保方面皆此外，稀土在核工业、环保方面皆有应用。有应用。第三节 几 种 合 金 材 料1 1 轻质合金轻质合金以轻金属为主要成分的合以轻金属为主要成分的合 金。金。铝合金铝合金：密度小，强度高。：密度小，强度高。 “ “硬铝硬铝”耐蚀，可用于车，耐蚀，可用于车， 不用于船。不用于船。钛合金钛合金：密度不大，强度很高，抗蚀：密度不大，强度很高，抗蚀 性好，耐高、低温（性好，耐高、低温（-200-200- 500 500），用于飞机。），用于飞机。38382 2 硬质合金硬质合金以硬质化合物为硬质相，以硬质化合物为硬质相， 以合金为黏结

15、相的复合材料（以合金为黏结相的复合材料（TiN、 AlN、TiC、WC、SiC）具有高硬度、）具有高硬度、 耐磨、强度、韧性。耐磨、强度、韧性。 具有具有 “ “记忆记忆”自己形状自己形状 特性的合金。特性的合金。39393 3 记忆合金记忆合金4040 如如Ti-Ni（各（各50%50%）合金，在）合金，在T T 发生晶发生晶 形转变：形转变： 菱形晶格菱形晶格立方晶格立方晶格 晶格的变化，改变了材料形状。因晶格的变化，改变了材料形状。因此，只要控制温度此，只要控制温度就可以控制合金材就可以控制合金材料的形状。料的形状。 通过这个实验你通过这个实验你会受到什么启发？会受到什么启发？4 4 贮

16、氢合金贮氢合金两种特定金属的合金两种特定金属的合金: : 一种可大量吸收一种可大量吸收H2的金属（如的金属（如RE），）， 一种不吸收氢的金属制成的合金。一种不吸收氢的金属制成的合金。使氢可在其中使氢可在其中“移动移动”。是理想的。是理想的氢氢能源材料。能源材料。4141 按右图，碳的还原性强弱随温度按右图，碳的还原性强弱随温度的升高而的升高而在在10001000K时，时，C、Mg、Al的还原能力由强的还原能力由强到弱的顺序是到弱的顺序是；在；在20002000K时，时，Mg还原还原Al2O3。解：解：增强；增强； Mg、Al、C；不能。；不能。4242例题：例题：K+、Ca2+ +等都无色，而等都无色，而Fe、Mn、 Ti的离子却都有色。的离子却都有色。4343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 2个电个电 子为什么子为什么Ti的氧化数有的氧化数有+2+2、+3+3、 +4+4而而Mg却只有却只有+2+2；Cr的密度、硬度、熔点都比的密度、硬度、熔点都比Mg高；高；Fe、Mn、Ti原子的外层电子构型中原子的外层电子构型中 都有未成对都