金属材料化学

金属材料化学
金属材料
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。
金属单质 合 金
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。 如: 钢、铝合金
1 金属概论
金属的存在
金属的分类
金属的性质
1 金属的存在
在自然界中，除金、银、铂等少数金属以单质形式 存在外，大多数金属以各种矿物形式存在。
而且凝固时也能保持互溶状态的固态溶液。
纯金属的晶格
取代固溶体的晶格 间隙固溶体的晶格 溶剂原子 溶质原子
（3）金属化合物合金
两种金属元素原子的外层电子结构、电负性和 原子半径差别较大时所形成的金属化合物。 通常分为正常价化合物和电子化合物。 正常价化合物： 金属原子间通过化学键形成，成分固定，符 合氧化数规则。 电子化合物：
金属表面处理方法：
用人为的粒子流冲击金属表面。
从月球矿石提取铁的特殊装置，可日产1吨铁。
铁按含碳量多少可分为：
熟 铁
韧性好,可锻打成型 锻铁 铁勺,锅铲 低碳钢 (<0.25%) 韧性好,强度低,焊接性能优良 薄铁皮、铁丝铁管等 中碳钢 (0.25 ~ 0.6 %)强度较高,韧性较好 铁轨 车轮等 高碳钢 (0.6 ~ 1.7 %) 硬而脆，弹性较好 <0.1%
金属的提炼
预处理 冶炼 精炼
（1）预处理 从矿物中除去脉石的过程。
物理法：磁选、浮选 化学法：焙烧
（2）冶炼 从矿物中提炼金属的过程。
热力学观点： 金属
腐蚀
冶炼
金属化合物
M n+ + ne- → M
热分解法： HgO → Hg + 1/2O2 (g) 还原剂法： ZnO + C → Zn + CO (g)
③ 主要化合物 a.Na2O2
强氧化剂,易吸潮,热**500℃仍很稳定。 遇到还原性物质易爆炸。 Na2O2(s) + 2CO2 (g) →2Na2CO3(s) + O2 (g) 固体储氧物质，可用于防毒面具等。 b. 氢氧化物 Be(OH)2 LiOH、Mg(OH)2 其余都是强碱。
两性 中强碱
金属原子间通过金属键形成，成分在一定范 围内变化，不符合氧化数规则。
2
合金材料
（1）铁的合金 — 钢 铁: 地壳中藏量4.2%，仅次与铝。
Fe3O4
化合物 Fe2O3
磁铁矿
赤铁矿
磁
性
紫红色
2Fe2O3· 3H2O
FeS2
褐铁矿
黄铁矿
棕黄色
金黄色
1970年，前苏联空间站 “月亮 -16”首先从 月球上带回铁矿石样品，含极微小的纯铁颗粒。
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd
第三过渡系列
La Hf Ta W Re Os Ir
Pt Au Hg
外层电子构型: 例外:
(n -1)d1~10 ns 1~2
Pd 4d10
共同特点:
(1) (2) (3) (4) 价电子依次填充在次外层d电子层上，最外
层只有一个或两个电子。
单质都是金属，其金属性比同周期p区元素 强，但较s区元素弱。 过渡金属的水合离子大都具有特征的颜色。 过渡金属离子都有未充满的(n-1)d轨道、 ns和np轨道。另外，离子半径也较小，因 而易接受配位体形成配离子。
Sn(s) + 2OH- (aq) + 4H2O (l) →[Sn(OH)6]2- (aq) + 2H2(g)
2.过渡金属元素
过渡元素:
周期系中d和ds区元素(不包括镧系和锕系元素) 过渡元素,分别位于第4、5、6周期中部.由于同 周期元素性质相近，又将过渡元素分为三个系列:
第一过渡系列 第二过渡系列 Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn
Ca Mg Al Ti Si Mn Na Cr Zn Fe H2 C Co Ni Cu 其活动性顺序与常温时有所不同。
② 金属与水的作用
n M(s) + nH2O(l) → M(OH)n (s) + H2 (g) 2
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 强的规律。 金属与水作用的难易程度与两个因素有关：
⑤ 导热性
导电性好的金属一般导热性能也较好。
⑥ 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。
⑦ 热膨胀性
绝大多数都是热胀冷缩，但少数金属例外。
如 镓、锑 ：
“热缩冷胀”
⑧ 磁性
铁磁材料 顺磁材料 逆磁材料 铁、钴、镍等 锰、铬、钼、钨等 铜、锡、铅、锌等
居里点 铁磁材料加热到某一温度时失去磁性，
Li
Na A K Ⅰ Rb Cs
3
11 19
37 55
4
248 267
112
1.532 1.90
1.80
38.89 688 0.3 28.40 678.4 0.2
1278 2970 4.0
7.7 4.8
5.2
Be
Na K ⅡA Rb Cs
12 20 38 56
160 197 215 222
1.74 1.50 2.60 3.50
AlCl3 + 3Na → Al + 3NaCl
电解法： 主要用于活泼金属如钾、钠、
镁和铝的提炼。
（3）精炼 从金属粗产品中除去杂质的过程。
电解法： 如粗铜精练
阳极:
阴极:
Cu
+
Cu 2+ + 2eCu
阴极
Cu2+ + 2e—
粗铜 Zn, Fe, Ni
阳极
纯铜
Ag, Au, Se,
10~16％CuSO4
原子半径 密度 熔点 沸点 导电性 硬度 pm Hg=1 g/cm3 ℃ ℃ 143 2.7 660 2467 2~2.29 36.1 141 5.91 29.78 2403 1.5 1.7 166 7.3 156.6 2080 1.2 10.6 171 11.85 303.5 1457 1.0 137 5.36 937 2830 6.5 0.001 162 6.0 231.9 2270 2.0 8.3 175 11.34 327.5 1740 1.5 4.6
碳素钢
生
医疗器具，弹簧工具等 铁 (1.7~4.5%) 硬而脆,可浇铸成型 铸铁
机床车身,内燃机汽缸
合金钢： 镍 钢
含镍36%, 几乎不热胀冷缩,可制造精密 仪器零件。
钨 钢 含钨18%,即使赤热仍坚硬制造高速切削
车床的车刀。
648.8 1090 839 1484 769 1384 725 1640
2.0 1.5 1.8
21.4 20.8 4.2
② 化学性质
s区金属具有强还原性
a.极易与氧气作用 可以生成三种类型的氧化物： 正常氧化物(如 Na2O)
过氧化物
超氧化物
(如 Na2O2)
(如 KO2)
b.能与水反应
反应的剧烈程度符合周期系中元素金属性 的递变规律。
羰Leabharlann Baidu法
高压
▲
Ni + CO
Ni(CO)4
循环
Ni + CO
2. 金属的分类
（1）按化学活泼性分类
活泼金属 (s区、IIIB族)
中等活泼金属(d区、ds区、p区)
不活泼金属(d区)
（2）工程技术分类
黑色金属 铁、锰、铬及其合金 有色金属
轻 金 属 重 金 属
密度小于5 g · cm-3的金属 密度大于5 g · cm-3的金属 地壳中含量少，开采提取困难, 价格 贵的金属包括金、银和铂族元素。 在自然界分布较少，发现较迟，提 取难，工业应用较晚。
此点称为居里点。
(2) 化学性质
金属单质的化学性质主要表现为还原性。
M → Mn+ + ne① 金属与氧(空气)的作用
通式
n mM + O2 → MmOn 2
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 应的继续进行，而有的结构非常致密，有效防止金属 的进一步氧化而使金属钝化。
贵 金 属
稀有金属
放射性金属 原子核能自发放射出射线的金 属。
3. 金属的性质
(1) 物理性质 ① 光泽 大多数金属呈银白色光泽。
② 密度 除锂、钠、钾比水轻外，其余金属的密
度都大于1 g · cm-3。 最轻的金属是锂，最重的金属是锇。
③ 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 -VIIB族金属(除锰外)是高熔点金属。 IIB族和P区金属是低熔点金属。
a.金属电极电势
b. 反应产物的性质
③ 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。 a. 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。
b. 由于钝化膜，有些活泼金属难溶于浓硫盐酸和 浓硝酸。
•
金属能否与强碱反应，主要取决于两个因素： a. 在强碱介质中金属能否与水作用。 b. 生成的氢氧化物是否可溶于碱（既生成的氢氧 化物是否具有两性）。
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。
高温时，金属的还原性还须考虑Δ G__T的变化关系 (参见表5-3)。 873K时，一些金属(包括C、CO 、 H2)与氧结 合能力由小到大顺序:
VB -VIIB族金属熔点较高与它们的价电子较多且原子 半径较小有关；IIB金属熔点较低与其无未成对电子有关； 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 转变的趋势。
熔点最高的金属是钨，熔点最低的金属是汞。
④ 导电性
金属一般是良导体，尤其ds区的 银、铜 和p区的铝。 金属的导电性一般随温度的升高而下降，杂质对 金属的导电性能力影响很大，一般说来，金属纯度越 高，导电性越好。
2 周期系中的金属元素
主族金属元素 过渡金属元素 稀土金属元素
1 主族金属元素 (1) s区金属元素
外层电子构型 ⅠA 碱金属
ns 1~2
Li Na K Rb Cs Fr 氧化数 +1
ⅡA
碱土金属
Be Mg Ca Sr Ba Ra
氧化数 +2
① 物理性质
族 元素 原子序数 原子半径 密度 熔点 沸点 导电性 硬度 pm Hg=1 g/cm3 ℃ ℃ 155 0.534 180.54 1347 0.6 11.2 190 234 0.971 0.862 97.81 882.9 63.65 774 0.4 0.5 20.8 13.6
(2) 一般+3氧化数比较稳定。
(3) 镧系金属+3价离子在水溶液中大多数有颜色。
(4) 镧系金属是强还原剂，其电极电势相当于金
属镁。 (5) 与水作用产生氢，遇酸强烈反应，但不与碱
作用。
稀土金属的一些工业应用
应用领域 用途及特性
稀土金属可以作为脱氧剂、脱硫剂、吸氢剂和球化剂 冶金工业 在难熔金属或合金中加入稀土，可以大大改善金属合 金的延展性，提高温度抗氧化能力提高。 石油化工 作为催化剂广泛用于有机合成，也可用于汽车尾气处 理，使CO转化率达88%。 玻璃陶瓷 CeO2精密光学玻璃的抛光剂，含La2O3的光学玻璃有 很高的折射率。 其 它 磁性材料、发光材料、储氢 、超导、核燃料的稀释等
（2）p区金属元素
外层电子构型
ns2 np1~4
Al Ga In Tl
Ge Sn Pb Sb Bi Po
ⅢA
ⅣA ⅤA ⅥA
Ge Sn Sb Bi 出现过渡型晶体结构
① 物理性质
族 元素 原子序数
Al Ga ⅢA In Tl Ge ⅣA Sn Pb ⅤA Sb Bi ⅥA Po 13 31 49 81 32 50 82 51 83 84
159 170 176 6.0 9.8 630.7 271.3 254 1750 1560 962 3.0 2.5 2.5 0.5
② 化学性质
p区金属活泼性比s区金属弱，同一周期从 左到右，还原性逐渐减弱。
两性元素： Al、 Sn、Pb 能溶于强碱
2Al(s) + 2OH- (aq) + 6H2O (l) →2[Al(OH)4]- (aq) + 3H2(g)
3
合金
合金的结构和类型
合金材料
1.合金的结构和类型
合金从结构上可分为以下三种基本类型：
（1） 混合物合金
两种或多种金属的机械混合物。 熔融: 完全或部分互溶 凝固: 金属各自结晶 混合物合金的导电、导热等性质与组分金属有 很大的不同。
（2）固溶体合金
两种或多种金属不仅熔融时能相互溶解，
3. 稀土金属元素
镧系元素: 周期系57号元素的位置上，另有14
种元素，即从58号铈到71号镥，与 镧一起称为镧系元素(用Ln表示)。
稀土元素: ⅢB族的钪、钇和镧系元素性质非
常相似，而且在矿物中也常常共生， 因而把它们统称为“稀土元素”。
外层电子构型:
4f 1~14 6s 2
共同特点:
(1) 价电子依次填充在次次外层4f亚层上，最后 增加的电子也有填充到5d轨道上 。