轻金属重金属

ChemistryonMetals&MetallicMaterialsChapter8金属化学与材料第8章制作:张思敬等理学院化学系2(3)了解金属材料及合金的类型。(1)了解金属的分类与资源。(2)掌握金属的物理性质和化学性质。本章教学要求制作:张思敬等理学院化学系38.1金属的分类与资源8.2金属的性质8.3金属及合金材料制作:张思敬等理学院化学系4金属及合金具有许多可贵的加工性能和使用性能，在国民经济和科学技术各领域得到了广泛的应用。本章在化学反应的基本原理和物质结构的基础上，具体讨论金属及合金的一些重要性质，简略介绍有关工程上常用的金属及合金材料、新型功能材料以及纳米材料。引言:制作:张思敬等理学院化学系5在迄今发现的109种元素中，金属有87种，非金属22种。其实，金属和非金属之间并没有严格的界线。位于元素周期表p区中的B-Si-As-Te-At这一对角线附近的一些元素，其性质介于金属和非金属之间，称为准金属。8.1金属的分类与资源制作:张思敬等理学院化学系6黑色金属和有色金属（非铁金属）。黑色金属包括铁、锰、铬及其合金；有色金属系指铁、锰、铬元素以外的所有金属。8.1.1金属分类轻金属和重金属。密度小于5g•cm-3的金属称为轻金属，如铝、镁、钾、钙、锶、钡、钛等。密度大于5g•cm-3的金属称为重金属，如铜、铅、锌、镍、锑、锡、钴、铋、镉、汞等。制作:张思敬等理学院化学系7低熔点金属和高熔点金属。低熔点金属多集中在s区、p区和第ⅡB族；高熔点金属多集中在d区。稀有金属在自然界含量很少，分布分散，发现较晚，或提取困难，在工业上应用较晚的金属，如锂、铷、铯、铍、镓、铟、铊、锗、锆、铪、铌、钽、铼及稀土元素。贵金属像银、金以及铂族元素（钌、铑、钯、锇、铱、铂），其化学性质特别稳定，在地壳中含量很少，开采和提取都比较困难，所以一般价格较贵。制作:张思敬等理学院化学系8丰度:自然界中，金属元素一般以矿物形式存在。铁在地壳中的含量仅占5.6%，次于氧（46%）、硅（28%）和铝（8.2%），居第四位。8.1.2金属资源产量:Cu、Zn、Pb占有重要地位，Ni、Sn、Sb、Co、Cd、Bi和Hg的产量也占有相当重要的地位。制作:张思敬等理学院化学系9矿物类型及分布:铂族金属，除了部分砂铂矿外，大多伴生于硫化铜镍矿中；稀土元素则主要以磷酸盐矿存在，如独居石。我国的内蒙古包头地区储藏有丰富的稀土资源，是生产稀土金属的重要基地。澳大利亚等国也有丰富的稀土矿物资源。金属储量:钨、锑和稀土元素储量我国均属世界首位。锰、锡、汞、铅、锌、铁、钛等金属的储量也居世界前列，为我国国民经济建设提供了丰富的物质基础。制作:张思敬等理学院化学系10延展性导电性导热性过渡金属水合离子的颜色。8.2金属的性质由于金属晶体具有紧密堆积结构和自由电子的存在，因此金属具有许多共同的物理性质。8.2.1金属的物理性质制作:张思敬等理学院化学系111.延展性金属具有延性，可抽成丝；同时金属又具展性，可压成薄片。也就是说金属具有良好的机械加工性能。当金属受外力作用时，金属晶体中各层粒子间易发生相对滑动，但是，由于自由电子的不停运动，各层之间仍然保持金属键的联系，虽然金属发生变形，但不致断裂，故而表现出良好的延展性。制作:张思敬等理学院化学系122.熔点、沸点、硬度图8-1、图8-2及图8-3分别列出了一些单质的熔点、沸点和硬度的数据。图8-1单质的熔点/℃注：摘自D.R.Lide,CRCHandbookofChemistryandPhysics,71sted,CRCPress.Inc.,1990～1991*：系在加压下。制作:张思敬等理学院化学系13ⅥΒ族附近金属单质的熔点较高，熔点最高的金属是钨（3410℃）。自第ⅥΒ族向左右两边延伸，单质的熔点趋于降低。汞的熔点最低:-38.842℃，铯的熔点:28.40℃。从图8-1可以看出，金属单质的熔点差别很大。通常说的耐高温金属是指熔点等于或高于铬的熔点（1857℃）的金属。制作:张思敬等理学院化学系14图8-2单质的沸点/℃注：摘自D.R.Lide,CRCHandbookofChemistryandPhysics,71sted,CRCPress.Inc.,1990～1991*系在减压下。**升华***系在加压下。制作:张思敬等理学院化学系15图8-3单质的硬度*注：摘自浙江大学编普通化学（第四版）第287页，高等教育出版社，1995*以金刚石等于10的莫氏硬度表示。这是按照不同矿物的硬度来区分的，硬度大的可以在硬度小的物体表面刻出线纹。这十个等级是:1.滑石，2.岩盐，3.方解石，4.萤石，5.磷灰石，6.冰晶石，7.石英，8.黄玉，9.刚玉，10.金刚石。制作:张思敬等理学院化学系16硬度较大的金属也位于ⅥΒ族附近。铬是硬度最大的金属（其莫氏硬度为9.0），而位于ⅥΒ族两边的金属，单质的硬度趋于减小。（见图8-3）金属单质的沸点变化大致与熔点的变化类似。钨也是沸点最高的金属。（见图8-2）金属键的强弱与金属的原子半径、核对外层电子的作用力以及原子中参与成键的价电子数的多少有关。以上诸变化规律实际上是由金属键的强弱决定的。制作:张思敬等理学院化学系17从ⅡА族的碱土金属向右进入d区副族金属，原子半径逐渐减小，参与成键的价电子数增多（d区元素的次外层d电子也可作为价电子），核电荷增大,对外层电子的作用力逐渐增强，金属键也增强，熔点、沸点逐渐升高。ⅥΒ族元素原子的价电子数目（ns电子和(n-1)的d电子）最多，都可参与成键，加之原子半径较小，所以这些金属单质的熔点、沸点最高。ⅥΒ族以后，参与成键的价电子数又逐渐减少，因而金属的熔点、沸点又逐渐降低。每一周期开始的碱金属，是同周期中原子半径最大，价电子数最少，核电荷最少的，对外层电子的作用力较小，金属键较弱，故熔点较低。制作:张思敬等理学院化学系18图8-4列出了一些单质的电导率数据。金属都能导电，处于p区金属分区对角线附近的金属如锗是半导体。银、金、铜、铝、钠等有良好的导电性，其中银导电性最好，但银、金是贵金属，价格昂贵，仅用于某些电子器件的接插点。因此，常用铝代替铜制造电工材料。金属的导电性受温度和纯度的影响。金属的导电性随温度的升高而降低；金属的纯度越高，导电性越好。3.导电性制作:张思敬等理学院化学系19过渡金属的离子通常在d轨道上有未成对电子，可见光区域中某些波长的光即可使电子激发，发生d-d电子跃迁，吸收可见光的一部分而让其余的光透过或散射出来，故呈现不同的颜色。4.过渡金属水合离子的颜色过渡金属的水合离子常显示出一定的颜色，例如，水合铜（Ⅱ）离子呈蓝色，水合镍（Ⅱ）离子呈绿色，水合钴（Ⅱ）离子呈桃红色等等。与此相反，主族元素金属的相应离子是无色的。如果离子中无d电子或d电子都已配对，如d0、d10等就比较稳定，不易被激发。这些离子一般无色，如Sc3+、Ag+、Zn2+等。制作:张思敬等理学院化学系20由于金属的电负性较小，在化学反应中总是倾向于失电子，因此金属单质最突出的化学性质是还原性。金属单质的还原性与金属的活泼性虽然并不完全一致，但总的变化趋势还是服从元素周期律的。8.2.2金属的化学性质制作:张思敬等理学院化学系21这是因为同一周期从左到右，有效核电荷依次增多，电子层数不变，核对外层电子的引力增强，使原子半径逐渐减小，金属失电子更趋困难，故还原性减弱。在长周期中，副族金属元素的有效核电荷和原子半径变化没有主族元素显著，因而金属单质还原性的变化不如主族元素那样明显，甚至彼此还原性较为接近。1.金属单质还原性的周期性变化同一周期从左到右金属单质的还原性逐渐减弱，短周期减弱较快，而长周期减弱较慢。制作:张思敬等理学院化学系22同一主族从上到下，金属单质的还原性依次增强。因为从上到下金属的核电荷数虽然依次增多，但外层电子受到的有效核电荷增加不多而且原子半径在增大，两者相比较原子半径的影响更为显著，故下层的金属更易失电子，金属单质的还原性更强。制作:张思敬等理学院化学系23金属的活泼性与金属的还原性大小不完全一致，一些还原性较强的金属在特定的条件下表面易形成致密的氧化物保护膜而表现出“不活泼性”，钛、铬、镍、铝等金属就是其中典型的例子，这往往是动力学因素造成的。副族（ⅢΒ族除外）金属单质的还原性从上到下有减弱的趋势。制作:张思敬等理学院化学系24（1）s区金属与氧作用：s区金属较活泼，具有很强的还原性，易被空气中的氧氧化，除了可生成正常氧化物（如Li2O，MgO）外，还能生成过氧化物（如Na2O2，BaO2）和超氧化物（如KO2，BaO4）。离子型过氧化物与水或酸反应生成过氧化氢。例如：Na2O2（s）+2H2O（l）=2NaOH（aq）+H2O2（aq）BaO2（s）+2HCl（aq）=H2O2（aq）+BaCl2（aq）过氧化物和超氧化物都是强氧化剂，遇到棉花，木炭或铝粉等还原性物质会发生爆炸，使用时要倍加小心。2.金属单质与氧、水、酸、碱的作用制作:张思敬等理学院化学系25过氧化物和超氧化物都是固体储氧物质，遇水可放出氧气，利用这种性质，将超氧化物装在面具中，可供高空和潜水人员使用。例如：4KO2（s）+2H2O（g）=4KOH（s）+3O2（g）人呼出的CO2又可以被氢氧化钾吸收。KOH（s）+CO2（g）=KHCO3（s）过氧化物、超氧化物也可以直接与CO2作用并放出氧气。例如：2Na2O2+2CO2=2Na2CO3+O24KO2+2CO2=2K2CO3+3O2制作:张思敬等理学院化学系26与水作用：s区金属能与水作用，置换出氢气并生成相应的氢氧化物。例如：2Na（s）+2H2O（l）=2NaOH（aq）+H2（g）锂、铍和镁与水的作用较慢，主要是生成的氢氧化物难溶于水，覆盖在金属表面上，阻碍了反应的进一步进行。s区金属当然更易与酸反应，并产生氢气，但反应过于激烈，无法控制，故禁止使用。制作:张思敬等理学院化学系27p区金属的还原性较s区弱。常见的p区金属如铝、锡、铅、锑、铋等。除铝较活泼外，其余金属在空气中无明显作用。铝虽活泼，但铝表面的氧化膜致密，因此铝在空气中很稳定。p区金属大都能与非氧化性酸作用，置换出氢气。例如：Sn（s）+2HCl（aq）=SnCl2（aq）+H2（g）铅与酸作用，例如Pb（s）+H2SO4（aq）=PbSO4（s）+H2（g）由于产物难溶于水，阻碍反应进一步进行，故铅可做耐硫酸设备。（2）p区金属铝也能与稀酸反应，但在浓硝酸中很稳定（形成保护膜而发生钝化），因此可用纯铝容器储存浓硝酸，用纯铝管管道输送浓硝酸。制作:张思敬等理学院化学系28Fe（s）+2HCl（aq）=FeCl2（aq）+H2（g）（3）d区和ds区金属d区和ds区金属单质的还原性差别较大。第四周期金属（铜除外）的标准电极电势的代数值均为负值，但比s区金属的值要大，它们不能与水作用，但能从非氧化性稀酸中置换出氢气。例如：铜能与氧化性酸作用。例如：3Cu（s）+8HNO3（aq）=3Cu（NO3）2（aq）+2NO（g）+4H2O（l）制作:张思敬等理学院化学系29第四周期金属一般都能与空气中的氧作用，生成相应的氧化物，其中铬、锌、镍等表面的氧化物膜具有保护作用，能阻止氧进一步与内部的金属反应。第五、第六周期的d区和ds区金属不与非氧化性酸作用。一些不活泼金属如金，铂只能与王水作用。例如：Au（s）+HNO3（aq）+4HCl（aq）=H[AuCl4]（aq）+NO（g）+2H2O（l）这实际上是酸溶解、氧化还原溶解与配位溶解的共同作用。此法也可溶解其他一些难溶金属，反应与上面的类似。制作:张思敬等理学院化学系30Sn(s)+2NaOH(aq)+2H2O(l)=Na2[Sn(OH)4](aq)+H2(g)以上我们只是简要介绍了金属单质还原性的一些表现。事实上金属单质还原性的表现形式还有许多，例如铝、锡、锌还能与碱作用产生氢气。此外，碱金属和一些碱土金属还能与氢气作用形成离子型氢化物，而Ti、LaNi5等金属或合金也能与氢形成氢化物，可用