5第五章-金屬元素與金屬材料課件

第五章金屬材料背景音樂：編鐘曲1精選2021版課件金屬元素在已知的112種元素中，有90種金屬元素。2精選2021版課件工程技術(shù)上分：黑色金屬：Fe、Mn、Cr

有色金屬,又分:

“重、輕、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。3精選2021版課件1物理性質(zhì)：

光澤、密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、延、2化學(xué)性質(zhì)：“金屬性”是指：

M-ze-→MZ+

金屬的性質(zhì)……展性、磁性、熱脹冷縮(但Sb、Bi相反)不同的金屬，在與氧、水、酸、堿的反應(yīng)，金屬間反應(yīng)中表現(xiàn)出不同的性質(zhì)。4精選2021版課件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。5精選2021版課件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(hù)作用，能阻止金屬進(jìn)一步被氧化，這種作用叫鈍化。6精選2021版課件水中b(H+)=10-7mol·kg-1，按能斯特方程式:E(H+/H2)=-0.413V高溫下，F(xiàn)e前金屬皆可反應(yīng)。⑵金屬與H2O的反應(yīng)M+nH2O→M(OH)n+H2

若E(Mn+/M)<-0.413V,金屬即可與水反應(yīng);若反應(yīng)產(chǎn)物M(OH)n難溶，可起保護(hù)作用。對(duì)于金屬M(fèi)：7精選2021版課件3Cu+8HNO3→3Cu(NO3)2+2NO+4H2O⑶金屬與酸的反應(yīng)①非氧化性酸：

M+nH+→Mn++H2

②氧化性酸：③含配位劑的酸

如王水⑷金屬與堿的反應(yīng)（實(shí)質(zhì)是與水的反應(yīng)）

堿中b(OH-)>10-7mol.kg-1。所以,若金屬的E(Mn+/M)<-0.83V便能反應(yīng)。8精選2021版課件

如R(OH)n可溶，金屬便可溶于堿(如Al、Zn);

如R(OH)n不溶，金屬便不溶于堿(如Ag)。

⑸金屬間置換反應(yīng)

①水溶液中的置換反應(yīng)，可用活動(dòng)序：實(shí)質(zhì)就是金屬元素的氧化還原性質(zhì)。KCaNaMgAlZnFeNiSnPb（H）CuHgAgAu金屬活潑性順序這是他們的重要特性。9精選2021版課件

②高溫下的置換反應(yīng)，可用埃靈罕姆圖Si+2FeO→SiO2+2Fe判斷,如:Zn+Cu2+→Cu2++Zn也可用電極電勢E

判斷,如:它們僅適用于在水溶液中的情形。它是適用于高溫下的氧化還原順序，隨溫度的不同而不同。10精選2021版課件作法：討論：ΔrGm?值越負(fù)，反即金屬的氧化反應(yīng)與溫度的關(guān)系。埃靈罕姆(ΔrGm—T）圖?各T對(duì)應(yīng)的值，ΔrGm?繪圖。按吉-亥方程計(jì)算出物越穩(wěn)定。應(yīng)自發(fā)性越強(qiáng)，氧化11精選2021版課件

所以，處于下方的金屬(更易與氧化合,與氧結(jié)合力更強(qiáng))可把處于上方的金屬從其氧化物中置換出來。如：2Al+Fe2O3→Al2O3+Fe2Al+Cr2O3→Al2O3+2CrSi+2FeO→SiO2+2Fe12精選2021版課件

據(jù)此，冶金生產(chǎn)中應(yīng)用Ca、Al、Mg、Si、Mn等做脫氧劑。

按埃靈罕姆圖，在CaMgAlTiSiMnNaCrZnFeHCoNiCu金屬氧化物的穩(wěn)定性反應(yīng)活潑性順序是：773K，金屬與氧的13精選2021版課件

按右圖，碳的還原性強(qiáng)弱隨溫度的升高而——；在1000K時(shí)，C、Mg、Al的還原能力由強(qiáng)到弱的順

序是——；在2000K時(shí)，Mg——還原Al2O3。解：增強(qiáng)；Mg、Al、C；

例題：不能。14精選2021版課件

主族金屬元素15精選2021版課件

過渡金屬元素16精選2021版課件包括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(gè)過渡系：如：Mn—3d54s2Mo—4d55s1Ag—4d105s117精選2021版課件2物理性質(zhì)：①熔、沸點(diǎn)高（“兩頭小，中間大”。與未成對(duì)d電子有關(guān)）屬耐高溫金屬。18精選2021版課件①活潑性：一過渡系>二、三過渡系↑

（ⅢB特殊：↓）；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(duì)d電子有關(guān)）。19精選2021版課件Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物的顏色：部分過渡元素水合離子的顏色：20精選2021版課件它們是：KMnO4、K2Cr2O7、CoCl2、FeCl3、NiNO3、CuCl2、Cr2(SO4)3它們是：ZnS、MnS、CdS、As2S3、Sb2S3、

SnS2、Bi2S3再舉一些金屬的鹽溶液，如：又如：21精選2021版課件Co(H2O)6Cl2

CoCl2

+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：22精選2021版課件

金屬（特別是過渡金屬）元素的水合離未成對(duì)d電子數(shù)水合離子顏色012345Ag+、Zn2+、Cd2+、Sc3+、Ti4+（無色）Cu2+（藍(lán)色）、Ti3+（紫色）Ni2+（綠色）Cr3+（藍(lán)紫）、Co2+（粉紅）Fe2+（淡綠）*Mn2+（淡紅）*、Fe3+（淡紫）**Fe2+、Mn2+常無色，F(xiàn)e3+常呈黃或褐色。它們?yōu)槭裁从猩?？電子?gòu)型中都有未成對(duì)d電子。例如：子有色的原因是由于這些元素的離子外層23精選2021版課件例題：簡單說明：①M(fèi)g和Ti原子的最外層都是2個(gè)電子為只有+2；什么Ti的氧化數(shù)有+2、+3、+4而Mg卻解：①

Mg的外層電子構(gòu)型為3s2而Ti為3d24s2?；?；d電子可以參與反應(yīng)，所以Ti有多于+2的氧24精選2021版課件③為何K+、Ca2+等都無色，而Fe、Mn、Ti②為何Cr的密度、硬度、熔點(diǎn)都比Mg高；的離子卻都有色。②

Cr的外層電子構(gòu)型為3d54s1，價(jià)電子多，金屬鍵強(qiáng)，所以密度、硬度、熔點(diǎn)高；③

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(duì)d電子，因而無色。有未成對(duì)d電子，而K+、Ca2+的原子的外層25精選2021版課件⑴鈦

①輕、強(qiáng)、高、穩(wěn)，無磁性，去②

TiO2金紅石、鈦白粉可做白色⑵鉻①硬度最大(9),熔點(diǎn)高；耐蝕；幾種重要金屬及化合物②Cr2O3鉻綠，顏料、磨料；

CrO3

鉻酐，強(qiáng)氧化性；氣劑；填料。26精選2021版課件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：27精選2021版課件KMnO4不穩(wěn)定,其分解反應(yīng):

2KMnO4→K2MnO4+MnO2+O2(g)4KMnO4+4H+→4MnO2(s)+2H2O+3O2(g)①硬而脆；吸氣；②

KMnO4常用氧化劑。⑶錳MnO4–Mn2+28精選2021版課件KMnO4的還原產(chǎn)物與介質(zhì)有關(guān)：KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4

→2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O

(淺粉色或無色)KMnO4+3Na2SO3+H2O

→MnO2+3Na2SO4+2KOH

(棕色)2KMnO4+Na2SO3+2KOH

→2K2MnO4+K2SO4+H2O

(綠色)29精選2021版課件

錳的比色分析法（分光光度法）就是根2Mn2++14H++5BiO3–→

2MnO4–+5Bi3++7H2O據(jù)MnO4–的紫紅色來進(jìn)行鑒定的。30精選2021版課件

稀土元素31精選2021版課件

⑴電子層結(jié)構(gòu)

ⅢB：(n-1)d1ns2Ln：(n-2)f1-14(n-1)d0-1ns21通性⑵原子和離子半徑—鑭系收縮：

是指Ln的原子和離子半徑比過渡元素如：57La—71Lu

15個(gè)元素半徑縮小14pm;55Cs—

56Ba

2個(gè)元素半徑縮小45pm;21Sc—

22Ti″″縮小15pm。

更緩慢縮小。32精選2021版課件

鑭系收縮的后果是：6周期的原子半徑質(zhì)相似而有別于一過渡系。與5周期的十分相近；二、三過渡系元素性33精選2021版課件

⑶水合Ln3+離子的顏色4fx與4f14-x構(gòu)型的離子未成對(duì)電子數(shù)相同，與未成對(duì)4f電子有關(guān):如:La(4f0)Ga(4f7)

顏色變化出現(xiàn)重復(fù)。因而水合離子顏色也相同。Lu(4f14)Ga(4f7)34精選2021版課件(2)吸氣性好。

LaNi5是優(yōu)良貯氫材料。(1)活潑金屬。強(qiáng)還原劑，活潑性相當(dāng)于Mg；易氧化，氧化物無保護(hù)作用（存于煤油）；燃點(diǎn)低（200℃），燃燒時(shí)放熱量大。2化學(xué)性質(zhì)(3)RE(OH)3堿性如M(OH)2。溶解度更小。(4)RE的硝、硫、溴酸鹽、氯化物可溶；草、碳酸鹽、氟化物難溶。35精選2021版課件

應(yīng)用混合稀土（RE）可大大改善合金3應(yīng)用

⑴冶金工業(yè)的“維生素”⑵石油化工中主要用做催化劑可鍛性等。球化；改善延展性，提高抗氧化能力、性能：脫O、S、H；氮化物細(xì)化，石墨36精選2021版課件CeO2

用來脫色、拋光；Pr2O3、Nd2O3

用于著色（紅、綠）；La2O3

高折射率、低散射的玻璃纖維；用于光學(xué)窺鏡；Y2O3、Dy2O3用于激光窗、紅外窗、高溫爐窗；⑶玻璃、陶瓷工業(yè)中37精選2021版課件LaNi5是貯氫材料;Y-Ba-Cu-O是超導(dǎo)材料；⑷其他儀）進(jìn)入太空，進(jìn)行反物質(zhì)的探測。

Nd-Fe-B合金稱“永磁王”，是我國

此外，稀土在核工業(yè)、環(huán)保方面皆有研制成功的。98年裝于AMS(

-磁譜應(yīng)用。38精選2021版課件

在金屬材料中，有許多具有特殊性能的合金，如：輕質(zhì)合金、硬質(zhì)合金、貯氫合金、形狀記憶合金等等。

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?yàn)樗幸环N神奇的特性：它能39精選2021版課件

這種合金是由Ti和Ni各50%組成的。這變化時(shí)便會(huì)有對(duì)應(yīng)的晶形出現(xiàn):這兩種晶體有一轉(zhuǎn)變溫度。所以，溫度種合金具有立方體和菱形兩種晶體結(jié)構(gòu)，T1T2T240精選2021版課件輕質(zhì)合金輕質(zhì)合金—以輕金屬為主要成分的合金。(1)鋁合金：密度小，強(qiáng)度高?！坝蹭X”耐蝕，可用于車，不用于船。(2)鈦合金：密度不大，強(qiáng)度很高，抗蝕性好,耐高、低溫（-200-500℃）無磁性，可用于船；飛機(jī)的很多部件都用了輕質(zhì)合金：41精選2021版課件42精選2021版課件硬質(zhì)合金—以硬質(zhì)化合物（TiN、AlN、

硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金用于制作刀具、鉆具、模具等。具有硬度高、耐磨性好；高