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1、第五章 金属材料化学 由金属或由以金属元素为主形成的具由金属或由以金属元素为主形成的具 有一般金属特性的材料称为金属材料。有一般金属特性的材料称为金属材料。 金金 属属 单单 质质 合合 金金 由一种金属与其它金属或非金属融由一种金属与其它金属或非金属融 合在一起形成的具有金属特性的物质合在一起形成的具有金属特性的物质 。 如如: : 钢、铝合金钢、铝合金 金属材料金属材料 5.1 5.1 金属概论金属概论 金属的金属的 存在存在 金属的金属的 分类分类 金属的金属的 性质性质 1 1 金属的存在金属的存在 （1 1）预处理）预处理 在自然界中，除金、银、铂等少数金属以单质形式 存在外，大多数
2、金属以各种矿物形式存在。 金属的提炼金属的提炼 预处理预处理精炼精炼 从矿物中除去脉石的过程。 物理法物理法：磁选、浮选 化学法化学法：焙烧 冶炼冶炼 腐蚀 冶炼 M M n+ n+ + + nene - - M M 热分解法： HgO Hg + 1/2O2 (g) 还原剂法： ZnO + C Zn + CO (g) AlCl3 + 3Na Al + 3NaCl 电解法： 金属金属化合物 从矿物中提炼金属的过程。 热力学观点：热力学观点： （2 2）冶炼）冶炼 主要用于活泼金属如钾、钠、 镁和铝的提炼。 （3 3 ） 精精 炼炼 粗铜粗铜 Ag, Au, Se,Ag, Au, Se, Zn,
3、Fe, NiZn, Fe, Ni 纯铜 阳极: Cu Cu 2+ + 2e- 从金属粗产品中除去杂质的 过程。 电解法：电解法： 阴极: Cu2+ + 2e- Cu 如粗铜精炼如粗铜精炼 1016CuSO4 阳极 阴极 + 循环 高压 羰化法羰化法 Ni + CONi + CONi(CO) Ni(CO) 4 4 Ni + CONi + CO 2. 2. 金属的分类金属的分类 （1 1）按化学活泼性分类按化学活泼性分类 活泼金属活泼金属 ( (s s区、区、IIIBIIIB族族) ) 中等活泼金属中等活泼金属( (d d区、区、dsds区、区、p p区区) ) 不活泼金属不活泼金属( (d d区
4、区) ) （2 2）工程技术分类）工程技术分类 轻金属轻金属 铁、锰、铬及其合金 黑色金属 有色金属 密度小于密度小于5 5 g g cmcm-3 -3的金属 的金属 重金属重金属 密度大于密度大于5 5 g g cmcm-3 -3的金属 的金属 贵金属贵金属 地壳中含量少，开采提取困难地壳中含量少，开采提取困难, , 价格价格 贵的金属包括金、银和铂族元素。贵的金属包括金、银和铂族元素。 稀稀 有有 金金 属属 在自然界分布较少，发现较迟，提在自然界分布较少，发现较迟，提 取难，工业应用较晚。取难，工业应用较晚。 放射性金属放射性金属 原子核能自发放射出射线的金原子核能自发放射出射线的金 属
5、。属。 3. 3. 金属的性质金属的性质 (1) (1) 物理性质物理性质 光泽光泽大多数金属呈银白色光泽。 大多数金属呈银白色光泽。 密度密度除锂、钠、钾比水轻外，其余金属的密 除锂、钠、钾比水轻外，其余金属的密 度都大于度都大于1 1 g g cmcm-3 -3。 。 最轻的金属是锂，最重的金属是锇。最轻的金属是锂，最重的金属是锇。 熔点熔点 S区金属原子半径较大，多数熔点较低。 d 区金属熔点大都较高。 VB -VIIBVB -VIIB族金属族金属( (除锰外除锰外) )是 是高熔点金属。高熔点金属。 VB -VIIBVB -VIIB族金属熔点较高与它们的价电子较多且原子族金属熔点较高与
6、它们的价电子较多且原子 半径较小有关；半径较小有关；IIBIIB金属熔点较低与其无未成对电子有关；金属熔点较低与其无未成对电子有关； P P区金属则是它们的晶体结构由原子晶体向分子晶体逐渐转区金属则是它们的晶体结构由原子晶体向分子晶体逐渐转 变的趋势。变的趋势。 熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞 。 IIBIIB族和族和P P区金属是区金属是低熔点金属。低熔点金属。 导电性导电性 金属一般是良导体，尤其金属一般是良导体，尤其dsds区的区的 银、铜银、铜 和和p p区的区的铝铝。 金属的导电性一般随温度的升高而下降，杂质对金属的导电性一般随温度的升高
7、而下降，杂质对 金属的导电性能力影响很大，一般说来，金属纯度越金属的导电性能力影响很大，一般说来，金属纯度越 高，导电性越好。高，导电性越好。 导热性导热性 导电性好的金属一般导热性能也较好。导电性好的金属一般导热性能也较好。 延展性延展性 延展金属时，虽然发生了变形，但并不破坏金 属键，故不发生断裂。 热膨胀性热膨胀性 如如 镓、锑镓、锑 ： “ “热缩冷胀热缩冷胀” ” 磁性磁性 铁磁材料铁磁材料 顺磁材料顺磁材料 逆磁材料逆磁材料 铁、钴、镍等铁、钴、镍等 锰、铬、钼、钨等锰、铬、钼、钨等 铜、锡、铅、锌等铜、锡、铅、锌等 居里点居里点 铁磁材料加热到某一温度时失去磁性铁磁材料加热到某一
8、温度时失去磁性 ，此点称为居里点。，此点称为居里点。 绝大多数都是热胀冷缩，但少数金属例外。绝大多数都是热胀冷缩，但少数金属例外。 金属单质的化学性质主要表现为金属单质的化学性质主要表现为还原性还原性。 M M MMn n+ + + + nene - - (2) (2) 化学性质化学性质 金属与氧金属与氧( (空气空气) )的作用的作用 绝大多数金属都能与氧作用。金属性越强，与氧绝大多数金属都能与氧作用。金属性越强，与氧 的反应越激烈。有的氧化物结构疏松不能阻止氧化反的反应越激烈。有的氧化物结构疏松不能阻止氧化反 应的继续进行，而有的结构非常致密，有效防止金属应的继续进行，而有的结构非常致密，
9、有效防止金属 的进一步氧化而使金属钝化。的进一步氧化而使金属钝化。 通式通式mM mM + + O O 2 2 M Mm mO O n n n n 2 2 金属氧化膜能否使金属钝化决定于两个因素： a 所生成的氧化物薄膜必须是连续的，能覆盖住 金属全部表面，起到保护作用； b 所生成的氧化物本身很稳定，其膨胀系数与原单 质相差不大。 873 873KK时，一些金属与氧结合能力由小到大顺序时，一些金属与氧结合能力由小到大顺序: : 高温时，金属的还原性还须考虑G_T的变化关系 (参见表5-3)。 Ca Mg Al Ti Si Mn Na Cr Zn Fe H2 C Co Ni Cu 其活动性顺序
10、与常温时有所不同。其活动性顺序与常温时有所不同。 金属与水的作用金属与水的作用 金属与水作用的难易程度与两个因素有关：金属与水作用的难易程度与两个因素有关： a.a.金属金属电极电势电极电势 b. b. 反应产物的性质反应产物的性质 MM(s)(s) + nH + nH 2 2 OO(l)(l) M(OH) M(OH)n n (s) (s) + H+ H 2 2 (g)(g) n n 2 2 周期系主族中活泼金属都能与水作用，反应的激周期系主族中活泼金属都能与水作用，反应的激 烈程度符合周期中金属活泼性自上而下、自右而左增烈程度符合周期中金属活泼性自上而下、自右而左增 强的规律。强的规律。 金
11、属与酸、碱的作用金属与酸、碱的作用 金属与酸的反应用金属活动序或电极电势来判断。金属与酸的反应用金属活动序或电极电势来判断。 a. a. 金属活动序与周期系中元素周期性递变的规律金属活动序与周期系中元素周期性递变的规律 不完全一致。不完全一致。 b. b. 由于钝化膜，有些活泼金属难溶于浓硫盐酸和由于钝化膜，有些活泼金属难溶于浓硫盐酸和 浓硝酸。浓硝酸。 金属能否与强碱反应，主要取决于两个因素：金属能否与强碱反应，主要取决于两个因素： a. a. 在强碱介质中金属能否与水作用。在强碱介质中金属能否与水作用。 b. b. 生成的氢氧化物是否可溶于碱（既生成的氢氧生成的氢氧化物是否可溶于碱（既生成
12、的氢氧 化物是否具有两性）。化物是否具有两性）。 5.2 5.2 周期系中的金属元素周期系中的金属元素 主族主族金属元素金属元素 过渡金属元素过渡金属元素 稀土金属元素稀土金属元素 1 1 主族主族金属元素金属元素 ( (1) 1) s s区金属元素区金属元素 外层电子构型外层电子构型 ns ns 12 12 A A 碱金属碱金属 Li Na KLi Na K Rb Rb CsCs FrFr 氧化数氧化数 +1 +1 A A 碱土金属碱土金属 Be Mg Ca Be Mg Ca Sr Sr BaBa RaRa 氧化数氧化数 +2 +2 物理性质物理性质 族族 元素元素 原子序数原子序数 原子半
13、径原子半径 pmpm 密度密度 g/cmg/cm 3 3 熔点熔点 沸点沸点 硬度硬度 导电性导电性 Hg=1 Hg=1 Li 3 155 0.534 180.54 1347 0.6 11.2Li 3 155 0.534 180.54 1347 0.6 11.2 Na 11 190 0.971 97.81 882.9 0.4 20.8 Na 11 190 0.971 97.81 882.9 0.4 20.8 K 19 234 0.862 63.65 774 0.5 13.6 K 19 234 0.862 63.65 774 0.5 13.6 Rb Rb 37 248 1.532 38.89 6
14、88 0.3 7.737 248 1.532 38.89 688 0.3 7.7 Cs 55 267 1.90 28.40 678.4 0.2 4.8 Cs 55 267 1.90 28.40 678.4 0.2 4.8 BeBe 4 112 1.80 1278 2970 4.0 5.2 4 112 1.80 1278 2970 4.0 5.2 Na 12 160 1.74 648.8 1090 2.0 21.4 Na 12 160 1.74 648.8 1090 2.0 21.4 K 20 197 1.50 839 1484 1.5 20.8 K 20 197 1.50 839 1484 1.5 20.8 Rb Rb 38 215 2.60 769 1384 1.8 4.238 215 2.60 769 1384 1.8 4.2 Cs 56 222 3.50 725 1640 Cs 56 22
