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第五章金屬材料化學(xué) 由金屬或由以金屬元素為主形成的具有一般金屬特性的材料稱為金屬材料 金屬單質(zhì) 合金 由一種金屬與其它金屬或非金屬融合在一起形成的具有金屬特性的物質(zhì) 如 鋼 鋁合金 金屬材料 5 1金屬概論 金屬的存在金屬的分類金屬的性質(zhì) 1金屬的存在 1 預(yù)處理 在自然界中 除金 銀 鉑等少數(shù)金屬以單質(zhì)形式存在外 大多數(shù)金屬以各種礦物形式存在 金屬的提煉 預(yù)處理 精煉 從礦物中除去脈石的過程 物理法 磁選 浮選化學(xué)法 焙燒 冶煉 腐蝕 冶煉 Mn ne M 熱分解法 HgO Hg 1 2O2 g 還原劑法 ZnO C Zn CO g AlCl3 3Na Al 3NaCl電解法 金屬 金屬化合物 從礦物中提煉金屬的過程 熱力學(xué)觀點(diǎn) 2 冶煉 主要用于活潑金屬如鉀 鈉 鎂和鋁的提煉 3 精煉 粗銅Ag Au Se Zn Fe Ni 純銅 從金屬粗產(chǎn)品中除去雜質(zhì)的過程 電解法 如粗銅精煉 高壓 羰化法 Ni CO Ni CO 4 Ni CO 2 金屬的分類 1 按化學(xué)活潑性分類 活潑金屬 s區(qū) IIIB族 中等活潑金屬 d區(qū) ds區(qū) p區(qū) 不活潑金屬 d區(qū) 2 工程技術(shù)分類 輕金屬 鐵 錳 鉻及其合金 黑色金屬 有色金屬 密度小于5g cm 3的金屬 重金屬 密度大于5g cm 3的金屬 貴金屬 地殼中含量少 開采提取困難 價(jià)格貴的金屬包括金 銀和鉑族元素 稀有金屬 在自然界分布較少 發(fā)現(xiàn)較遲 提取難 工業(yè)應(yīng)用較晚 放射性金屬 原子核能自發(fā)放射出射線的金屬 3 金屬的性質(zhì) 1 物理性質(zhì) 光澤 大多數(shù)金屬呈銀白色光澤 密度 除鋰 鈉 鉀比水輕外 其余金屬的密度都大于1g cm 3 最輕的金屬是鋰 最重的金屬是鋨 熔點(diǎn) S區(qū)金屬原子半徑較大 多數(shù)熔點(diǎn)較低 d區(qū)金屬熔點(diǎn)大都較高 VB VIIB族金屬 除錳外 是高熔點(diǎn)金屬 VB VIIB族金屬熔點(diǎn)較高與它們的價(jià)電子較多且原子半徑較小有關(guān) IIB金屬熔點(diǎn)較低與其無未成對(duì)電子有關(guān) P區(qū)金屬則是它們的晶體結(jié)構(gòu)由原子晶體向分子晶體逐漸轉(zhuǎn)變的趨勢(shì) 熔點(diǎn)最高的金屬是鎢 熔點(diǎn)最低的金屬是汞 IIB族和P區(qū)金屬是低熔點(diǎn)金屬 導(dǎo)電性 金屬一般是良導(dǎo)體 尤其ds區(qū)的銀 銅和p區(qū)的鋁 金屬的導(dǎo)電性一般隨溫度的升高而下降 雜質(zhì)對(duì)金屬的導(dǎo)電性能力影響很大 一般說來 金屬純度越高 導(dǎo)電性越好 導(dǎo)熱性 導(dǎo)電性好的金屬一般導(dǎo)熱性能也較好 延展性 延展金屬時(shí) 雖然發(fā)生了變形 但并不破壞金屬鍵 故不發(fā)生斷裂 熱膨脹性 如鎵 銻 熱縮冷脹 磁性 鐵磁材料 順磁材料 逆磁材料 鐵 鈷 鎳等 錳 鉻 鉬 鎢等 銅 錫 鉛 鋅等 居里點(diǎn) 鐵磁材料加熱到某一溫度時(shí)失去磁性 此點(diǎn)稱為居里點(diǎn) 絕大多數(shù)都是熱脹冷縮 但少數(shù)金屬例外 金屬單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為還原性 M Mn ne 2 化學(xué)性質(zhì) 金屬與氧 空氣 的作用 絕大多數(shù)金屬都能與氧作用 金屬性越強(qiáng) 與氧的反應(yīng)越激烈 有的氧化物結(jié)構(gòu)疏松不能阻止氧化反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行 而有的結(jié)構(gòu)非常致密 有效防止金屬的進(jìn)一步氧化而使金屬鈍化 通式 金屬氧化膜能否使金屬鈍化決定于兩個(gè)因素 a所生成的氧化物薄膜必須是連續(xù)的 能覆蓋住金屬全部表面 起到保護(hù)作用 b所生成的氧化物本身很穩(wěn)定 其膨脹系數(shù)與原單質(zhì)相差不大 873K時(shí) 一些金屬與氧結(jié)合能力由小到大順序 高溫時(shí) 金屬的還原性還須考慮 G T的變化關(guān)系 參見表5 3 CaMgAlTiSiMnNaCrZnFeH2CCoNiCu 其活動(dòng)性順序與常溫時(shí)有所不同 金屬與水的作用 金屬與水作用的難易程度與兩個(gè)因素有關(guān) a 金屬電極電勢(shì)b 反應(yīng)產(chǎn)物的性質(zhì) 周期系主族中活潑金屬都能與水作用 反應(yīng)的激烈程度符合周期中金屬活潑性自上而下 自右而左增強(qiáng)的規(guī)律 金屬與酸 堿的作用 金屬與酸的反應(yīng)用金屬活動(dòng)序或電極電勢(shì)來判斷 a 金屬活動(dòng)序與周期系中元素周期性遞變的規(guī)律不完全一致 b 由于鈍化膜 有些活潑金屬難溶于濃硫鹽酸和濃硝酸 金屬能否與強(qiáng)堿反應(yīng) 主要取決于兩個(gè)因素 a 在強(qiáng)堿介質(zhì)中金屬能否與水作用 b 生成的氫氧化物是否可溶于堿 既生成的氫氧化物是否具有兩性 5 2周期系中的金屬元素 主族金屬元素過渡金屬元素稀土金屬元素 1主族金屬元素 1 s區(qū)金屬元素 外層電子構(gòu)型 ns1 2 A堿金屬LiNaKRbCsFr氧化數(shù) 1 A堿土金屬BeMgCaSrBaRa氧化數(shù) 2 物理性質(zhì) 族 元素 原子序數(shù) 原子半徑pm 密度g cm3 熔點(diǎn) 沸點(diǎn) 硬度 導(dǎo)電性Hg 1 Li31550 534180 5413470 611 2Na111900 97197 81882 90 420 8K192340 86263 657740 513 6Rb372481 53238 896880 37 7Cs552671 9028 40678 40 24 8 Be41121 80127829704 05 2Na121601 74648 810902 021 4K201971 5083914841 520 8Rb382152 6076913841 84 2Cs562223 507251640 a 極易與氧氣作用可以生成三種類型的氧化物 正常氧化物 如Na2O 過氧化物 如Na2O2 超氧化物 如KO2 b 能與水反應(yīng)反應(yīng)的劇烈程度符合周期系中元素金屬性的遞變規(guī)律 化學(xué)性質(zhì) s區(qū)金屬具有強(qiáng)還原性 強(qiáng)氧化劑 易吸潮 熱 500 仍很穩(wěn)定 遇到還原性物質(zhì)易爆炸 b 氫氧化物Be OH 2兩性LiOH Mg OH 2中強(qiáng)堿其余都是強(qiáng)堿 主要化合物 a Na2O2 固體儲(chǔ)氧物質(zhì) 可用于防毒面具等 Na2O2 s 2CO2 g 2Na2CO3 s O2 g GeSnSbBi出現(xiàn)過渡型晶體結(jié)構(gòu) 2 p區(qū)金屬元素 外層電子構(gòu)型 AAlGaInTl AGeSnPb ASbBi APo ns2np1 4 物理性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì) p區(qū)金屬活潑性比s區(qū)金屬弱 同一周期從左到右 還原性逐漸減弱 兩性元素 Al Sn Pb能溶于強(qiáng)堿 2Al s 2OH aq 6H2O l 2 Al OH 4 aq 3H2 g Sn s 2OH aq 4H2O l Sn OH 6 2 aq 2H2 g 2 過渡金屬元素 過渡元素 過渡元素 分別位于第4 5 6周期中部 由于同周期元素性質(zhì)相近 又將過渡元素分為三個(gè)系列 周期系中d和ds區(qū)元素 不包括鑭系和錒系元素 第一過渡系列ScTiVCrMnFeCoNiCuZn第二過渡系列YZrNbMoTcRuRhPdAgCd第三過渡系列LaHfTaWReOsIrPtAuHg 外層電子構(gòu)型 n 1 d1 10ns1 2 1 價(jià)電子依次填充在次外層d電子層上 最外層只有一個(gè)或兩個(gè)電子 2 單質(zhì)都是金屬 其金屬性比同周期p區(qū)元素強(qiáng) 但較s區(qū)元素弱 例外 Pd4d10 共同特點(diǎn) 3 過渡金屬的水合離子大都具有特征的顏色 4 過渡金屬離子都有未充滿的 n 1 d軌道 ns和np軌道 另外 離子半徑也較小 因而易接受配位體形成配離子 3 稀土金屬元素 B族的鈧 釔和鑭系元素性質(zhì)非常相似 而且在礦物中也常常共生 因而把它們統(tǒng)稱為 稀土元素 鑭系元素 周期系57號(hào)元素的位置上 另有14種元素 即從58號(hào)鈰到71號(hào)镥 與鑭一起稱為鑭系元素 用Ln表示 稀土元素 4f1 146s2 外層電子構(gòu)型 1 價(jià)電子依次填充在次次外層4f亞層上 最后增加的電子也有填充到5d軌道上 2 一般 3氧化數(shù)比較穩(wěn)定 3 鑭系金屬 3價(jià)離子在水溶液中大多數(shù)有顏色 4 鑭系金屬是強(qiáng)還原劑 其電極電勢(shì)相當(dāng)于金屬鎂 5 與水作用產(chǎn)生氫 遇酸強(qiáng)烈反應(yīng) 但不與堿作用 共同特點(diǎn) 應(yīng)用領(lǐng)域用途及特性稀土金屬可以作為脫氧劑 脫硫劑 吸氫劑和球化劑冶金工業(yè)在難熔金屬或合金中加入稀土 可以大大改善金屬合金的延展性 提高溫度抗氧化能力提高 石油化工作為催化劑廣泛用于有機(jī)合成 也可用于汽車尾氣處理 使CO轉(zhuǎn)化率達(dá)88 玻璃陶瓷CeO2精密光學(xué)玻璃的拋光劑 含La2O3的光學(xué)玻璃有很高的折射率 其它磁性材料 發(fā)光材料 儲(chǔ)氫 超導(dǎo) 核燃料的稀釋等 稀土金屬的一些工業(yè)應(yīng)用 5 3合金 合金的結(jié)構(gòu)和類型合金材料 1 合金的結(jié)構(gòu)和類型 合金從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種基本類型 1 混合物合金 兩種或多種金屬的機(jī)械混合物 熔融 完全或部分互溶凝固 金屬各自結(jié)晶 混合物合金的導(dǎo)電 導(dǎo)熱等性質(zhì)與組分金屬有很大的不同 2 固溶體合金 兩種或多種金屬不僅熔融時(shí)能相互溶解 而且凝固時(shí)也能保持互溶狀態(tài)的固態(tài)溶液 純金屬的晶格 取代固溶體的晶格 間隙固溶體的晶格 3 金屬化合物合金 兩種金屬元素原子的外層電子結(jié)構(gòu) 電負(fù)性和原子半徑差別較大時(shí)所形成的金屬化合物 通常分為正常價(jià)化合物和電子化合物 正常價(jià)化合物 金屬原子間通過化學(xué)鍵形成 成分固定 符合氧化數(shù)規(guī)則 電子化合物 金屬原子間通過金屬鍵形成 成分在一定范圍內(nèi)變化 不符合氧化數(shù)規(guī)則 2合金材料 1 鐵的合金 鋼 1970年 前蘇聯(lián)空間站 月亮 16 首先從月球上帶回鐵礦石樣品 含極微小的純鐵顆粒 金屬表面處理方法 用人為的粒子流沖擊金屬表面 從月球礦石提取鐵的特殊裝置 可日產(chǎn)1噸鐵 熟鐵 鐵按含碳量多少可分為 碳素鋼 生鐵 0 25 韌性好 強(qiáng)度低 焊接性能優(yōu)良薄鐵皮 鐵絲鐵管等 低碳鋼 中碳鋼 高碳鋼 0 1 韌性好 可鍛打成型鍛鐵鐵勺 鍋鏟 0 25 0 6 強(qiáng)度較高 韌性較好鐵軌車輪等 0 6 1 7 硬而脆 彈性較好醫(yī)療器具 彈簧工具等 1 7 4 5 硬而脆 可澆鑄成型鑄鐵機(jī)床車身 內(nèi)燃機(jī)汽缸 鎳鋼含鎳36 幾乎不熱脹冷縮 可制造精密儀器零件 鎢鋼含鎢18 即使赤熱仍堅(jiān)硬制造高速切削車床的車刀 釩鋼 少量 鋼的彈性增加1倍 制造各種彈簧 硅鋼含硅2 5 用作變壓器的鐵心 不僅減少其發(fā)熱 還節(jié)省能源 不銹鋼含鉻 錳等 抗蝕性能優(yōu)良 含鉻 12 合金鋼 鋁合金 2 輕質(zhì)合金 鋁 地殼中藏量為7 45 是含量最多的金屬 目前年產(chǎn)量?jī)H次于鐵 密度小 導(dǎo)電性好 常用鋁代替銅制造電線 硬鋁合金 加入少量銅 錳 鎂等金屬 再經(jīng)過熱處理使其強(qiáng)度大為提高 輕盈美觀不易生銹鋁合金強(qiáng)度可與鋼媲美 但卻比其輕近1 4 可廣泛用于航空航天業(yè) 特點(diǎn) a 密度較小 b 鈦合金強(qiáng)度高 c 抗蝕性好 d 工作溫度范圍寬 200 500 鈦合金 由于鈦合金抗蝕性好 工作溫度范圍寬 可用作液氮或液氦等的低溫容器 鈦合金強(qiáng)度高 幾乎是鋁合金的5倍 熱處理后 它的強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋼相當(dāng) 但密度僅為鋼的57 航空金屬 美國(guó)新式戰(zhàn)斗機(jī)含鈦量大于90 深海金屬 1977年 前蘇聯(lián)用3500多噸鈦制造當(dāng)時(shí)航行速度最快的核潛艇 1910年 世界鈦生產(chǎn)量0 2克1947年 世界鈦生產(chǎn)量2噸1955年 世界鈦生產(chǎn)量2萬噸1962年 世界鈦生產(chǎn)量10萬噸1972年 世界鈦生產(chǎn)量20萬噸目前 每年用于航天業(yè)的鈦大于1千噸 未來的鋼鐵 21世紀(jì)的金屬 3 硬質(zhì)合金 以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相 以金屬或合金作粘接相的復(fù)合材料 形狀記憶合金的簡(jiǎn)稱 指在一定外力作用下 使其幾何形態(tài)發(fā)生改變 但當(dāng)加熱到某一溫度時(shí) 它又能夠完全恢復(fù)到變形前的幾何形態(tài) 在醫(yī)療器械 減震消噪 生活用品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景 4 形狀記憶合金 兩種特定金屬的合金 一種可以大量吸進(jìn)H2形成穩(wěn)定氫化物 而另一種金屬與氫的親和力小 使氫很容易在其中移動(dòng) 是開發(fā)利用氫能源 分離精制高純氫的理想材料 5 儲(chǔ)氫合金 6 超導(dǎo) 對(duì)高溫超導(dǎo)材料的要求 除零電阻外還要求有抗磁性 穩(wěn)定性和重復(fù)性 本章結(jié)束