第05章金屬元素與金屬材料

1、 第一節(jié) 金屬元素概述一一 金屬的存在和提煉金屬的存在和提煉存在形式存在形式 單質(zhì)單質(zhì) 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、 鹵化物鹵化物含氧酸鹽含氧酸鹽 碳酸鹽、硅酸鹽、碳酸鹽、硅酸鹽、 硫酸鹽硫酸鹽1 12 2 提煉方法：提煉方法：實(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)：實(shí)現(xiàn)還原反應(yīng)：Mn+Mn* *干法干法還原劑為還原劑為: :C、CO；* *金屬熱還原法金屬熱還原法還原劑為還原劑為: :Al；* *精煉精煉如電解精煉如電解精煉、區(qū)域精煉區(qū)域精煉、 羰化法等。羰化法等。2 2* *電解法電解法在陰極還原，在陰極還原， 如Al、Mg、K、Na等；等；* *濕法濕法如如Au

2、、Ag；二二 金屬的分類金屬的分類按按化學(xué)活潑性化學(xué)活潑性分分： 活潑活潑 中等活潑中等活潑 不活潑不活潑 s s 區(qū)區(qū) d d區(qū)、區(qū)、p p區(qū)區(qū) d d區(qū)區(qū)3 3按按工程技術(shù)工程技術(shù)分分：黑色金屬黑色金屬：Fe、Mn、Cr有色金屬有色金屬：又分重、輕、貴、稀、放射：又分重、輕、貴、稀、放射三三 金金 屬屬 的的 性性 質(zhì)質(zhì)1 1 物理性質(zhì)：物理性質(zhì)：光澤：光澤：金屬晶體大多呈銀白色，金屬晶體大多呈銀白色， Au黃色，黃色，Bi淡紅，淡紅，Cu紫紅色；紫紅色；4 4密度：密度：按按5 5g.cm-3-3為標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn), ,分為分為輕輕金屬金屬 重重金屬；金屬；熔點(diǎn)：熔點(diǎn)：金屬熔點(diǎn)差別很大。金屬熔

3、點(diǎn)差別很大。 如：如：Hg、W；磁性：磁性：分鐵磁材料分鐵磁材料( (Fe、Co、Ni) )； 順磁材料順磁材料( (Mn、Cr、Mo、W）；）；逆磁材料逆磁材料( (Cu、Sn、Pb、Zn）；）； 延、展性：延、展性：即機(jī)械加工性能良好；即機(jī)械加工性能良好；熱脹冷縮熱脹冷縮( (但但Sb 、Bi相反相反) )。5 5導(dǎo)電、導(dǎo)熱導(dǎo)電、導(dǎo)熱 ：金屬越純，導(dǎo)電、熱性金屬越純，導(dǎo)電、熱性 越好越好; ;2 2 化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)：金屬性是指：金屬性是指： M-ze-MZ+ + 與氧（空氣）的作用與氧（空氣）的作用mM+O2MmOn一般情況一般情況： s s區(qū)區(qū)極易反應(yīng)；極易反應(yīng)； p p區(qū)區(qū)反應(yīng)程度

4、較差；反應(yīng)程度較差； d d區(qū)區(qū)4 4周期，高溫下可反應(yīng)；周期，高溫下可反應(yīng)； 5 5、6 6周期，穩(wěn)定。周期，穩(wěn)定。6 6鈍化鈍化: :易被鈍化的金屬：易被鈍化的金屬：Cr、Fe、Ni Zn、Al、Si、Sn等。等。7 7(rGm T）圖圖。即氧化反應(yīng)與溫度即氧化反應(yīng)與溫度的關(guān)系。的關(guān)系。yyr rGm 值，繪圖。值，繪圖。yy埃靈罕姆埃靈罕姆作法作法：按吉：按吉- -亥方程亥方程計(jì)算出各計(jì)算出各T對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的 值越負(fù)，值越負(fù)，反應(yīng)自發(fā)性越強(qiáng)，反應(yīng)自發(fā)性越強(qiáng)，氧化物越穩(wěn)定。所氧化物越穩(wěn)定。所以，處于下方的金以，處于下方的金屬屬( (更易與氧化合更易與氧化合, ,與氧結(jié)合力更強(qiáng)與氧結(jié)合力更強(qiáng))

5、 )可把處于上方的金可把處于上方的金屬從其氧化物中置換出來。屬從其氧化物中置換出來。8 8討論：討論：r rGmyy氧化鋁和氧化鐵放入小花盆內(nèi)，上面放一層高錳氧化鋁和氧化鐵放入小花盆內(nèi)，上面放一層高錳酸鉀，甘油（丙三醇）在高錳酸鉀層上。反應(yīng)引酸鉀，甘油（丙三醇）在高錳酸鉀層上。反應(yīng)引燃后，劇烈放熱，可以看到一塊金屬掉到下面的燃后，劇烈放熱，可以看到一塊金屬掉到下面的桶內(nèi)，經(jīng)查看是金屬鐵。此反應(yīng)證明鋁是強(qiáng)還原桶內(nèi)，經(jīng)查看是金屬鐵。此反應(yīng)證明鋁是強(qiáng)還原劑。劑。9 92Al+Fe2O3Al2O3+Fe2Al+Cr2O3Al2O3+2CrSi+2FeOSiO2+2Fe1010據(jù)此，冶金生產(chǎn)中應(yīng)據(jù)此，冶

6、金生產(chǎn)中應(yīng)用用Ca、Al、Mg、Si、Mn等做脫氧劑。等做脫氧劑。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 對(duì)于金屬對(duì)于金屬M(fèi),若若E( (Mn+/M)-0.413)10)10-7-7mol.kg-1-1。所以，若金。所以，若金屬的屬的E( (Mn+/M)-0.83) 二、三過渡系二、三過渡系 （BB特殊：特殊：）。）。 都有可變氧化值都有可變氧化值( (間隔間隔1 1，3d3d5 5后降低后降低) )24242 2 物理性質(zhì)：物理性

7、質(zhì)： 密度大，屬密度大，屬重金屬重金屬； 導(dǎo)電、導(dǎo)熱良好。導(dǎo)電、導(dǎo)熱良好。 易成配合物，作中心離子易成配合物，作中心離子 有電子未滿的有電子未滿的(n-1)d軌道；軌道；2525 水合離子大多有色水合離子大多有色 （與未對(duì)（與未對(duì)d電子有關(guān)）。電子有關(guān)）。第一過第一過 渡渡 系金系金 屬離子顏色屬離子顏色Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物顏色及其氨合物顏色26264 4 幾種重要金屬及化合物幾種重要金屬及化合物 鈦鈦 輕、強(qiáng)、高、穩(wěn)，無磁性，輕、強(qiáng)、高、穩(wěn)，無磁性，去氣劑；去氣劑； TiO2 金紅石金紅石、鈦白粉鈦白粉可做可做 白色填料。白色填料。 鉻鉻 硬度最大硬度最大(9),(9),熔

8、點(diǎn)高；熔點(diǎn)高； 耐蝕；耐蝕；2727 Cr2O3 鉻綠，顏料、磨料；鉻綠，顏料、磨料； CrO3 鉻酐，強(qiáng)氧化性，毒；鉻酐，強(qiáng)氧化性，毒； K2Cr2O7 紅礬鉀，常用氧化劑。紅礬鉀，常用氧化劑。2CrO42- +2H+HCrO4-Cr2O72-+H2O( (橙紅色橙紅色) )2828 不穩(wěn)定不穩(wěn)定, ,其分解反應(yīng)其分解反應(yīng): : 2KMnO4K2MnO4+MnO2+O2(g) 4KMnO4+4H+4MnO2(s)+2H2O+3O2(g) 硬而脆；吸氣；硬而脆；吸氣； KMnO4 常用氧化劑。常用氧化劑。2929 錳錳KMnO4的還原產(chǎn)物與介質(zhì)有關(guān)：的還原產(chǎn)物與介質(zhì)有關(guān)：KMnO4+5Na2S

9、O3+3H2SO4 2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O ( (淺粉色或無色淺粉色或無色) )KMnO4+3Na2SO3+H2OMnO2+3Na2SO4+2KOH ( (棕色棕色) )2KMnO4+Na2SO3+2KOH2K2MnO4+K2SO4+H2O ( (綠色綠色) )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 電子層結(jié)構(gòu)電子層結(jié)構(gòu) 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和鑭系（和鑭系（LnLn）。）。 57La-71Lu 15 15個(gè)元素半徑縮小個(gè)元素半徑縮小1414pm; ; 55Cs-56Ba 2 2個(gè)元素半徑縮小個(gè)元素半徑縮小4545pm; ; 21Sc-22Ti 縮小縮小1515pm。 鑭系收縮的后果是：鑭系收縮的后果是：6 6周期的原子半徑周期的原子半徑與與5 5周期的十分相近；二、三過渡系元周期的十分相近；二、三過渡系元素性質(zhì)相似而有別于一過渡系。素性質(zhì)相似而有別于一過渡系。3232 原子和離子半徑原子和離子半徑鑭系收縮鑭系收縮： 是指是指LnLn的原子和離子半徑比過渡元素的原子和離子半徑比過渡元素更

11、緩慢縮小更緩慢縮小。如：。如： 水合水合LnLn3+3+離子的顏色離子的顏色，與未成對(duì)，與未成對(duì)4f4f電子有關(guān)。電子有關(guān)。4f4fx x與與4f4f14-x14-x構(gòu)型的離子未成構(gòu)型的離子未成對(duì)電子數(shù)相同，因而水合離子顏色也相對(duì)電子數(shù)相同，因而水合離子顏色也相同。如同。如: :La(4f(4f0 0)-)-Ga(4f(4f7 7) )- -Lu(4f(4f1414) )3333 吸氣性吸氣性好，好，LaNi5是優(yōu)良貯氫材料；是優(yōu)良貯氫材料； RE(OH)3堿性堿性 如如M(OH)2，溶解度更小，溶解度更小 RE的硝、硫、溴酸的硝、硫、溴酸鹽鹽、氯化物可溶；、氯化物可溶； 草、碳酸鹽、氟化物難

12、溶。草、碳酸鹽、氟化物難溶。 活潑金屬活潑金屬，強(qiáng)，強(qiáng)還原還原劑，活潑性相當(dāng)于劑，活潑性相當(dāng)于Mg；易氧化，氧化物無保護(hù)作用（存于；易氧化，氧化物無保護(hù)作用（存于煤油）；煤油）；燃點(diǎn)低燃點(diǎn)低（200200），燃燒時(shí)放），燃燒時(shí)放熱量大；熱量大；34342 2 化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì) 應(yīng)用混合稀土（應(yīng)用混合稀土（RE）可大大改善合）可大大改善合 金性能：脫金性能：脫O、S、H；氮化物細(xì)化，；氮化物細(xì)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、可鍛性等。能力、可鍛性等。35353 3 應(yīng)用應(yīng)用 冶金工業(yè)的冶金工業(yè)的“維生素維生素” 石油化工中主要用做催化劑石油化工中主要

13、用做催化劑 CeO2 用來脫色、拋光；用來脫色、拋光； Pr2O3、Nd2O3 用于著色（紅、綠）；用于著色（紅、綠）；3636 La2O3 高折射率、低散射的玻璃纖維；高折射率、低散射的玻璃纖維； 用于光學(xué)窺鏡；用于光學(xué)窺鏡；Y2O3、Dy2O3 用于激光窗、紅外窗、用于激光窗、紅外窗、 高溫爐窗；高溫爐窗； 玻璃陶瓷工業(yè)中玻璃陶瓷工業(yè)中LaNi5 是貯氫材料是貯氫材料; ;Y-Ba-Cu-O 是超導(dǎo)材料；是超導(dǎo)材料；3737 - -磁磁譜儀）進(jìn)入太空譜儀）進(jìn)入太空，進(jìn)行反物質(zhì)的探測(cè)。，進(jìn)行反物質(zhì)的探測(cè)。 其他其他 Nd-Fe-B 合金稱合金稱“永磁王永磁王”，是我國，是我國研制成功的。研制

14、成功的。9898年裝于年裝于AMS( ( 此外，稀土在核工業(yè)、環(huán)保方面皆此外，稀土在核工業(yè)、環(huán)保方面皆有應(yīng)用。有應(yīng)用。第三節(jié) 幾 種 合 金 材 料1 1 輕質(zhì)合金輕質(zhì)合金以輕金屬為主要成分的合以輕金屬為主要成分的合 金。金。鋁合金鋁合金：密度小，強(qiáng)度高。：密度小，強(qiáng)度高。 “ “硬鋁硬鋁”耐蝕，可用于車，耐蝕，可用于車， 不用于船。不用于船。鈦合金鈦合金：密度不大，強(qiáng)度很高，抗蝕：密度不大，強(qiáng)度很高，抗蝕 性好，耐高、低溫（性好，耐高、低溫（-200-200- 500 500），用于飛機(jī)。），用于飛機(jī)。38382 2 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相，以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相， 以合金為黏結(jié)

15、相的復(fù)合材料（以合金為黏結(jié)相的復(fù)合材料（TiN、 AlN、TiC、WC、SiC）具有高硬度、）具有高硬度、 耐磨、強(qiáng)度、韌性。耐磨、強(qiáng)度、韌性。 具有具有 “ “記憶記憶”自己形狀自己形狀 特性的合金。特性的合金。39393 3 記憶合金記憶合金4040 如如Ti-Ni（各（各50%50%）合金，在）合金，在T T 發(fā)生晶發(fā)生晶 形轉(zhuǎn)變：形轉(zhuǎn)變： 菱形晶格菱形晶格立方晶格立方晶格 晶格的變化，改變了材料形狀。因晶格的變化，改變了材料形狀。因此，只要控制溫度此，只要控制溫度就可以控制合金材就可以控制合金材料的形狀。料的形狀。 通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)阃ㄟ^這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)銜?huì)受到什么啟發(fā)？會(huì)受到什么啟發(fā)？4 4 貯

16、氫合金貯氫合金兩種特定金屬的合金兩種特定金屬的合金: : 一種可大量吸收一種可大量吸收H2的金屬（如的金屬（如RE），）， 一種不吸收氫的金屬制成的合金。一種不吸收氫的金屬制成的合金。使氫可在其中使氫可在其中“移動(dòng)移動(dòng)”。是理想的。是理想的氫氫能源材料。能源材料。4141 按右圖，碳的還原性強(qiáng)弱隨溫度按右圖，碳的還原性強(qiáng)弱隨溫度的升高而的升高而在在10001000K時(shí)，時(shí)，C、Mg、Al的還原能力由強(qiáng)的還原能力由強(qiáng)到弱的順序是到弱的順序是；在；在20002000K時(shí)，時(shí)，Mg還原還原Al2O3。解：解：增強(qiáng)；增強(qiáng)； Mg、Al、C；不能。；不能。4242例題：例題：K+、Ca2+ +等都無色，而等都無色，而Fe、Mn、 Ti的離子卻都有色。的離子卻都有色。4343例題：例題：簡(jiǎn)單說明：簡(jiǎn)單說明：Mg和和Ti原子的最外層都是原子的最外層都是2 2個(gè)電個(gè)電 子為什么子為什么Ti的氧化數(shù)有的氧化數(shù)有+2+2、+3+3、 +4+4而而Mg卻只有卻只有+2+2；Cr的密度、硬度、熔點(diǎn)都比的密度、硬度、熔點(diǎn)都比Mg高；高；Fe、Mn、Ti原子的外層電子構(gòu)型中原子的外層電子構(gòu)型中 都有未成對(duì)都