第五章 金属元素和金属材料

金属钝化除与本身的活泼性有关， 还与其氧化物膜的性质有关。
如Al、Cr、Ni等金属是较易与氧作用 的。但是，甚至在一定的较高温度范围内 都是相当稳定的。
这是由于它们在空气中形成的氧化膜具 有明显的保护作用，能阻止金属进一步被 氧化，这种作用叫钝化。
三、过渡金属元素
包括 d和ds区元素（不含La以外的镧系 和锕系）分成三个过渡系：
三、金属元素的化学性质
金属只具有还原性 主要考虑金属的抗 蚀性、抗氧化性
与氧反应 与水反应 与酸反应 与碱反应
⑴ 与氧（空气）的作用 mM+O2→MmOn
①一般情况： 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。
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。
② 密度大，属重金属； ③ 导电、导热良好。 3 化学性质 ①活泼性：一过渡系>二、三过渡系↑
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
钛与铝比, 硬度是其2倍，制成合金则
比铝高出2～4倍。而与钢相比钛的密度仅
相当于钢(7.8g/cm3)的57%，但强度与硬度
与之接近。
•
所以，钛同时兼有钢(高强度)和铝(质
地轻)的优点。在原来使用钢材和铝材的地
方，它可以而代之；而在钢和铝不能胜任
的地方，钛则能“轻松应对”。
钛氧化物的特性
• 钛的氧化物为TiO2，雪 白色粉末，它是最好的 白色颜料，俗称“钛白 粉”。1克钛白粉可以将 450多平方厘米的面积 涂的雪白。因此, TiO2 是世界上最白的颜料。
特点 混合物合金的熔点、导电、导热等性质是其组
分金属的平均性质。如，焊接用的Sn-Pb合金。
b.金属固溶体
一种金属元素（或非金属元素）融解到另一种 金属晶体中形成一种均匀的固态溶液，这类合金 称为金属固溶体。
金属固溶体
置换固溶体 间隙固溶体
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置换固溶体：溶质原子占据了溶剂原子的位置， 当溶质元素与溶剂元素在原子半径、电负性以及晶格 类型等方面都相近时易形成置换固溶体。如：V,Cr,Ni 和Co等元素与Fe都能形成置换固溶体。
T1 T2
T2
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：LaNi5
3H2+LaNi5
LaNi5H6
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。
第三节 金属材料的化学与电化学加工
包括： （1）化学镀 （2）化学刻蚀 （3）电镀与电铸 （4）化学抛光与电解抛光 （5）电解加工
方法：间隙小， 两极自动 推进， 电解液高速流动。
特点：用于特硬、脆、 特韧材料。
本章重点
1、过渡金属的特点 2、三种重要的金属（钛、铬、锰） 3、三种合金材料的特点（混合物合金、固溶
体合金、金属化合物）
Thank you!
包括： （1）轻质合金 （2）形状记忆合金 （3）储氢合金
1. 轻质合金
镁和镁合金：Mg的密度 = 1.738 g/cm3 ，硬度 = 2.0 合金中加入的元素主要有: Al、Zn、Mn。
铝和铝合金：Al的密度 = 2.072g/cm3 ，硬度 = 2 ~ 2.9 。 铝是自然界含量最多的金属元素。主要以铝 土矿[Al2O3 nH2O]、粘土[H2Al2(SiO4)2H2O]
金属的电化学加工
阳极溶解：M-ne-→Mn+ 即发生于腐蚀，也用于电解和电镀，还可用 来对金属进行定域加工。
如：化学铣切 基本步骤
1. 涂胶（光刻胶） 2. 刻胶 （按要求） 3. 腐蚀（通常用三酸） 4. 去胶成型
印刷电路版就是用腐蚀的方法制备的。
又如，电解加工
原理：距离不同， 电流密度不同， 溶解速率 不同；
（与未对d电子有关）。
部分过渡元素水合离子的颜色： Cu2+、Co3+、Ni2+及其氨合物的颜色：
其中Co2+有下列平衡：
Co(H2O)6Cl2 CoCl2 +6H2O
粉红色
兰色
根据Co2+的这种特性，把它用于硅胶 干燥剂：
小制作：“晴雨花”
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?
因而制造超音
速飞机的外壳材料
就非钛莫属了。
•
美国制造的著
名“黑鸟”战机，
其飞行速度已达
3200千米/小时,
是音速的2.5倍以
“黑鸟”军用飞机
上，其表面材料 即为钛合金。
钛的特性——耐腐蚀性
海狼号核动力攻击潜艇
• 普通钢铁制成的船体易 被海水侵蚀，且海水深 度每增加10米，压力就 增大1个大气压。潜艇或 军舰须用超强耐腐蚀材 料来制造。而钛及其合 金长期浸泡在海水中不 被
1s22s22p63s23p63d24s2
钛的贮量与赋存形态
• 钛有如此生命力的另一外原因是因为 它在地球上分布很广，地壳中的丰度为 0.6%，仅次于铝、钙、钠、钾和镁，比铜、 锡、锰、锌等金属多。所以，钛不是稀有 金属。
• 钛的主要赋存形式是钛铁矿、钒钛矿 及金红石(TiO2)。我国四川省攀枝花地区已 发现了储量约为15亿吨的钒钛铁矿。
在溶液中与K2CrO4存在如下平衡：
2CrO42- +2H+
HCrO4-
Cr2O72-+H2O
Cr6+的化合物皆有毒，
而Cr3+的化合物毒性较小。
检查是否酒后开车：
Cr2O72- Cr3+
2Cr2O72+3C2H5OH+16H+→
3CH3COOH+4Cr3++11H2O
不锈钢餐具
在不锈钢餐具上常有“13—0”、“18—0”、 “18—8”三种代号。代号前面的数字表示 铬含量，后面的数字则代表镍含量。铬是 使产品不生锈的材料，而镍是耐腐蚀材料。 为防止镍、铬等重金属危害人体，国家已 对其溶出量作出了相关规定。所以，只要 是正规产品，并且使用得当，一般不会发 生安全问题。
钛和钛合金：Ti 的密度 = 4.54g/cm3 ，硬度 = 4 。具有 良好的抗氧化性，对海水及许多酸具有 良好的耐腐蚀性。
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飞机各部件所使用的材料
记忆合金
形状记忆合金被称为金属中的“魔术 师”，因为它有一种神奇的特性：它能 像人有记忆力一样“记住”自己的形状。
这种合金是由Ti和Ni各50%组成的。这 种合金具有立方体和菱形两种晶体结构， 这两种晶体有一转变温度。所以，温度 变化时便会有对应的晶形出现:
几种重要金属及化合物
⑴ 钛 ① 轻、强、高、稳，无磁性，去 气剂；
② TiO2 金红石、钛白粉可做白色 填料。
附：钛及其性质
•
钛在周期表中是
第22号元素，相对原
子量是47.867.其固
22
体密度为4.5g cm-3. 熔点1668℃，而单质
外观如左图。
其原子核外的电子排布 如右图所示。
所以，钛的核外电子 构型表示为：
上九天揽月
美国航天飞机
• 钛是制造宇宙飞船 的关键材料。由于太空 的温度低达零下 100～200℃，这个环境 中的飞船所需要的液氢 和液氧燃料，必须贮藏 在用耐超低温的容器中。 但大多数金属罐均会破 裂，而钛制成的容器非 但不破,且强度还会增加.
所以，液氢和液氧是贮藏在用钛制成罐中。
上九天揽月
•
腐蚀，且由于其没有磁性， 故用钛合金制造的舰船，可 免受磁性水雷的攻击。所以 美国的深海潜艇就是用钛合 金制成的，它能够在4500米 深海中航行。
英国大刀级导弹护卫舰
（2）铬
① 硬度最大(9),熔点高；耐腐蚀； ② Cr2O3 铬绿，颜料、磨料；
CrO3 铬酐，强氧化性；
K2Cr2O7 红矾钾，是常用氧化剂。
使用不锈钢餐具时应注意些什么呢？
（1）不长时间盛放强酸或强碱性食品，以 防铬、镍等金属元素溶出。
（2）不用不锈钢器皿煎熬中药。由于中药 含有很多生物碱、有机酸等成分，特别是 在加热条件下，很难避免与之发生化学反 应而使药物失效，甚至生成毒性更大的化 学物质。
（3）勿用强碱或强氧化性化学药剂洗涤。
铬的毒性
金属元素
在已知的112种元素中，有90种金属元素。
金属的分类
工程技术上分：黑色金属：Fe、Cr 、Mn 有色金属,又分: “轻、重、贵、稀、放”
化学性质上分：活泼金属、中等活泼金
属、不活泼金属。
金属的性质
二、物理性质： 光泽、密度、熔点、导电、导热、延、 展性、磁性、热胀冷缩(但Sb 、Bi相反)
KMnO4的还原产物与介质有关：
KMnO4+5Na2SO3+3H2SO4 （酸性）
→2MnSO4+5Na2SO4+K2SO4+3HSO3+H2O
（中性）
→MnO2+3Na2SO4+2KOH
(棕色)
2KMnO4+Na2SO3+2KOH （碱性）
→2K2MnO4+K2SO4+H2O
(绿色)
四、稀土元素（略）
五 合金材料
合金的基本结构类型
合金是由两种或更多种化学元素(其中至少一种 是金属)所组成的具有金属特性的物质。 其成分可 以人工控制，并根据工程上的各种性能要求来合成， 也叫功能材料。