金属材料

工程技术上分：黑色金属：Fe、Mn、Cr有色金属,又分:“重、轻、贵、稀、放”金属的分类1物理性质：光泽、密度、熔点、导电、导热、延、2化学性质：“金属性”是指：M-ze-→MZ+金属的性质化学性质上分：活泼金属、中等活泼金属、不活泼金属。……展性、磁性、热胀冷缩(但Sb、Bi相反)⑴与氧（空气）的作用mM+O2→MmOn①一般情况：s区—极易反应；p区—反应程度较差；d区—4周期，高温下可反应；5、6周期，稳定。②钝化:易被钝化的金属有：Cr、Fe、Ni、Zn、Al、Si、Sn等。水中b(H+)=10-7mol·kg-1，按能斯特方程式:E(H+/H2)=-0.413V高温下，Fe前金属皆可反应。⑵金属与H2O的反应M+nH2O→M(OH)n+H2若E(Mn+/M)-0.413V,金属即可与水反应;若反应产物M(OH)n难溶，可起保护作用。对于金属M：3Cu+8HNO3→3Cu(NO3)2+2NO+4H2O⑶金属与酸的反应①非氧化性酸：M+nH+→Mn++H2②氧化性酸：③含配位剂的酸如王水⑷金属与碱的反应（实质是与水的反应）碱中b(OH-)10-7mol.kg-1。所以,若金属的E(Mn+/M)-0.83V便能反应。如R(OH)n可溶，金属便可溶于碱(如Al、Zn);如R(OH)n不溶，金属便不溶于碱(如Ag)。②高温下的置换反应，可用埃灵罕姆图⑸金属间置换反应①水溶液中的置换反应，可用活动序或Si+2FeO→SiO2+2FeZn+Cu2+→Cu2++Zn电极电势E判断,如:判断,如:金属元素的氧化还原性质是他们的重要KCaNaMgAlZnFeNiKCaNaMgAlZnFeNiSnPbSnPb（（HH））CuHgAgAuCuHgAgAu金属活泼性顺序它的依据是金属电极电势。因此，它金属的氧化物还有一个氧化还原顺序，特性。例如熟知的金属活动顺序：仅适用于在水溶液中的情形。罕姆图给出，而且随温度的不同而不同。适用于高温下的反应。这个顺序由埃灵作法：讨论：ΔrGmy值越负，反即金属的氧化反应与温度的关系。埃灵罕姆(ΔrGm—T）图y各T对应的值，ΔrGmy绘图。按吉-亥方程计算出物越稳定。应自发性越强，氧化所以，处于下方的金属(更易与氧化合,与氧结合力更强)可把处于上方的金属从其氧化物中置换出来。如：2Al+Fe2O3→Al2O3+Fe2Al+Cr2O3→Al2O3+2CrSi+2FeO→SiO2+2Fe据此，冶金生产中应用Ca、Al、Mg、Si、Mn等做脱氧剂。按埃灵罕姆图，在CaMgAlTiCaMgAlTiSiMnSiMnNaCrZnFeHCoNiCuNaCrZnFeHCoNiCu金属氧化物的稳定性反应活泼性顺序是：773K，金属与氧的CO2助燃和铝热实验都可以从埃灵罕姆图CO2+2Mg→2MgO+CFe2O3+2Al→Al2O3+2Fe中找到答案：按右图，碳的还原性强弱随温度的升高而——；在1000K时，C、Mg、Al的还原能力由强到弱的顺序是——；在2000K时，Mg——还原Al2O3。解：增强；Mg、Al、C；例题：不能。主族金属元素LiSrCuCaNaLiKNa它们的金属活泼性：Li→Na→K同族，由上而下增强。但是，由于LiOH溶解性差而表现较弱。过渡金属元素包括d和ds区元素（不含La以外的镧系ScTiVCrMnFeCoNiCuZnYZrNbMoTcRuRhPdAgCdLaHfTaWReOsIrPtAuHg1结构特征：(n-1)d1-10ns1-2(Pd例外)2物理性质：①熔、沸点高（“两头小，中间大”。与未成对d电子有关）属耐高温金属。和锕系）分成三个过渡系：①活泼性：一过渡系二、三过渡系↑（ⅢB特殊：↓）；②密度大，属重金属；③导电、导热良好。3化学性质②都有可变氧化值(间隔1，3d5后降低)；③易成配合物，作中心离子有电子未满的(n-1)d轨道；④水合离子大多有色（与未对d电子有关）。Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物的颜色：部分过渡元素水合离子的颜色：它们是：KMnO4、K2Cr2O7、CoCl2、FeCl3、NiNO3、CuCl2、Cr2(SO4)3它们是：ZnS、MnS、CdS、As2S3、Sb2S3、SnS2、Bi2S3再举一些金属的盐溶液，如：又如：Co(H2O)6Cl2CoCl2+6H2O粉红色兰色其中Co2+有下列平衡：根据Co2+的这种特性，把它用于硅胶小制作：“晴雨花”干燥剂：金属（特别是过渡金属）元素的水合离Ag+、Zn2+、Cd2+、Sc3+、Ti4+（无色）Cu2+（蓝色）、Ti3+（紫色）Ni2+（绿色）Cr3+（蓝紫）、Co2+（粉红）Fe2+（淡绿）*Mn2+（淡红）*、Fe3+（淡紫）*012345水合离子颜色未成对d电子数*Fe2+、Mn2+常无色，Fe3+常呈黄或褐色。它们为什么有色？电子构型中都有未成对d电子。例如：子有色的原因是由于这些元素的离子外层③K+、Ca2+等都无色，而Fe、Mn、Ti的离子却都有色。例题：简单说明：①Mg和Ti原子的最外层都是2个电子为什么Ti的氧化数有+2、+3、+4而Mg却只有+2；②Cr的密度、硬度、熔点都比Mg高；③Fe、Mn、Ti原子的外层电子构型中都解：①Mg的外层电子构型为3s2而Ti为3d24s2。②Cr的外层电子构型为3d54s1，价电子多，电子构型中则没有未成对d电子，因而无色。有未成对d电子，而K+、Ca2+的原子的外层金属键强，所以密度、硬度、熔点高；化值；d电子可以参与反应，所以Ti有多于+2的氧⑴钛①轻、强、高、稳，无磁性，去气剂；②TiO2金红石、钛白粉可做白色填料。⑵铬①硬度最大(9),熔点高；耐蚀；几种重要金属及化合物②Cr2O3铬绿，颜料、磨料；CrO3铬酐，强氧化性；2CrO42-+2H+HCrO4-Cr2O72-+H2OCr2O72-Cr3+K2Cr2O7红矾钾，是常用氧化剂。在Cr6+的化合物皆有毒，2Cr2O72+3C2H5OH+16H+→3CH3COOH+4Cr3++11H2O检查是否酒后开车：而Cr3+的化合物毒性较小。溶液中与K2CrO4存在如下平衡：KMnO4不稳定,其分解反应:2KMnO4→K2MnO4+MnO2+O2(g)4KMnO4+4H+→4MnOMnO22(s)+2H2O+3O2(g)①硬而脆；吸气；②KMnO4常用氧化剂。⑶锰MnO4–Mn2+KMnO4的还原产物与介质有关：KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4→2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3H2O(浅粉色或无色)KMnO4+3Na2SO3+H2O→MnO2+3Na2SO4+2KOH(棕色)2KMnO4+Na2SO3+2KOH→2K2MnO4+K2SO4+H2O(绿色)锰的比色分析法（分光光度法）就是根2Mn2++14H++5BiO3–→2MnO2MnO44––+5Bi3++7H2O据MnOMnO44––的紫红色来进行鉴定的。稀土元素⑴电子层结构ⅢB：(n-1)d1ns2Ln：(n-2)f1-14(n-1)d0-1ns21通性⑵原子和离子半径—镧系收缩：是指Ln的原子和离子半径比过渡元素如：57La—71Lu15个元素半径缩小14pm;55Cs—56Ba2个元素半径缩小45pm;21Sc—22Ti″″缩小15pm。更缓慢缩小。镧系收缩的后果是：6周期的原子半径质相似而有别于一过渡系。与5周期的十分相近；二、三过渡系元素性⑶水合Ln3+离子的颜色4fx与4f14-x构型的离子未成对电子数相同，与未成对4f电子有关:如:La(4f0)Ga(4f7)颜色变化出现重复。因而水合离子颜色也相同。Lu(4f14)Ga(4f7)吸气性好，LaNi5是优良贮氢材料；RE(OH)3碱性如M(OH)2，溶解度更小RE的硝、硫、溴酸盐、氯化物可溶；草、碳酸盐、氟化物难溶。活泼金属，强还原剂，活泼性相当于Mg；易氧化，氧化物无保护作用（存于煤油）；燃点低（200℃），燃烧时放热量大；2化学性质应用混合稀土（RE）可大大改善合金3应用⑴冶金工业的“维生素”⑵石油化工中主要用做催化剂可锻性等。球化；改善延展性，提高抗氧化能力、性能：脱O、S、H；氮化物细化，石墨CeO2用来脱色、抛光；Pr2O3、Nd2O3用于着色（红、绿）；La2O3高折射率、低散射的玻璃纤维；用于光学窥镜；Y2O3、Dy2O3用于激光窗、红外窗、高温炉窗；⑶玻璃陶瓷工业中LaNi5是贮氢材料;Y-Ba-Cu-O是超导材料；⑷其他仪）进入太空，进行反物质的探测。Nd-Fe-B合金称“永磁王”，是我国此外，稀土在核工业、环保方面皆有α研制成功的。98年装于AMS(-磁应用。在金属材料中，有许多具有特殊性能的合金，如：轻质合金、硬质合金、贮氢合金、形状记忆合金等等。形状记忆合金被称为金属中的“魔术记忆合金记忆合金像人有记忆力一样“记住”自己的形状。师”，因为它有一种神奇的特性：它能我们这里看到的就是形状记忆合金这种性质可以为人类作什么事吗？的一种奇特表现。你能想象到，它的我们再看另一个同样有趣的实验：这种合金是由Ti和Ni各50%组成的。这变化时便会有对应的晶形出现。这两种晶体有一转变温度。所以，温度种合金具有立方体和菱形两种晶体结构，我们用动画来模拟这种晶形的转变：它的宏观效果就是：这就是“魔术师”的本领之所在！轻质合金轻质合金轻质合金—以轻金属为主要成分的合金。铝合金：密度小，强度高。“硬铝”耐蚀，可用于车，不用于船。钛合金：密度不大，强度很高，抗蚀性好耐高、低温（-200-500℃），无磁性，可用于船；可用于飞机：硬质合金—以硬质化合物（TiN、AlN、硬质合金硬质合金硬质合金用于制作刀具、钻具、模具等。具有硬度高、耐磨性好；高强度、高韧性。结相的复合材料。TiC、WC、SiC）为硬质相，以合金为黏贮氢合金贮氢合金贮氢合金—以其可逆的吸氢作用，使生成固体氢化物，把大量倾气贮存其内的金属或合金。如：LaNi53H2+LaNi5LaNi5H6在2～3×105Pa压力下就能可逆进行。金属Ti贮氢，密度可达液氢的4倍。微热TiH2即分解，释放出氢。金属材料现在仍然是最重要金属材料现在仍然是最重要的材料。一个世纪以来，它正的材料。一个世纪以来，它正在被新型材料所替代。然而，在被新型材料所替代。然而，金属材料不会金属材料不会““退出历史舞台退出历史舞台””，，它正在以新的面貌展现在人类它正在以新的面貌展现在人类面前，供人们取用。为此，人面前，供人们取用。为此，人类需要付出很多的努力。类需要付出很多的努力。这就是自然资源的辩证法。这就是自然资源的辩证法。