第六章元素化学与无机材料

第六章元素化学与无机材料

6.1 金属单质的物理性质

1、1、熔点规律

（1）（1）d区金属单质大都熔点较高，尤其IVB—VIIB(除Mn外)是高熔点金属，熔点最高的是w。

（2）（2）IIB和S区、P区金属单质为低熔点金属，最高熔点是汞（-38.842℃），Cs(28.40℃),Ga(29.78℃)

2、2、强度规律

d区金属单质大都硬度较大，尤其VIB,其两侧硬度趋于减弱，铬是硬度最大的。

3、3、熔点、硬度变化规律的解释---与金属键强弱有关

影响金属键强弱的因素：

（1）金属原子半径减小，核对外层电子作用增强，金属键增强。

（2）参加成键价电子越多，金属键越强。

4、4、导电性及解释

金属都能导电，是电的良导体，处于p区对角线附近的金属，如锗，导电能力介于导体与绝缘体之间，是半导体

规律：1）导电性最佳的金属为：Ag，最常用的导电金属为：Cu,Al

2)杂质增加，温度升高，金属导电率减小。金属晶体中自由电子运动。

6.2 金属单质的化学性质

1、1、还原性

元素周期变化规律表:

原因：对副族元素，同族元素从上到下原子半径增加不大，而核电荷增加较多，对外层电子吸引力增加。

1）1）金属与氧作用

规律：I s区金属十分活泼

II p区，d区（IIIB 除外），ds区金属活泼性较弱。

碱金属4Na+O2（不充足）2Na2O

碱土金属2Mg + O2MgO ( Na2O, MgO 为正常氧化物)

2Na2O + O2 2Na2O2（条件：573—673k）

2BaO + O2 2Ba2O2 （条件：773—793K）( Na2O2 Ba2O2为过氧化物)

K + O2(过量) KO2-1

Ba + O2(过量) BaO4 (KO2-1 BaO4为过超化物)

2）2）金属的溶解----氧化剂将金属氧化成离子

①H2O作为氧化剂

规律：常温纯水中C(H+)=10-7mol/dm3,则Ф(H+/ H2)=-0.41V

所以Фθ（-0.41V的金属可与水反应，如S区金属。注：形成氧化物保护膜的除外，如Be,Mg）

2Na + 2H2O = 2NaOH +H2↑

②以氧化性酸（如盐酸，稀硫酸）作为氧化剂

规律：一般Фθ为负值的金属都可以与非氧化性酸反应放出氢气，如p区，4周期d区金属。

（注：形成氧化保护膜的除外）

Zn +H2SO4 =ZnSO4 +H2↑

③用氧化性酸（浓HNO3）溶解

规律：Фθ为正值的金属一般不易被酸中的H+氧化，只能被氧化性酸氧化，如5、6周期d 区金属（注：形成氧化保护膜的除外，Al,Fe）

Cu +4HNO3(浓) =Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O

Фθ(Cu2+/Cu)=0.3419伏Фθ(NO32+/NO)=0.957 伏

④用王水溶解

王水组成：硝酸和盐酸混合物（摩尔比1：3）

Au+HNO3+4HCL=H[AuCL4]+NO+2H2O

Фθ(Au3+/Au)=1.50伏

Фθ(Au3+/Au)= Фθ+(0.05917/3)lgc(Au3+)

⑤用碱溶液---适用于两性金属

2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2

3) 温度对金属还原活泼性的影响（以金属和氧化反应为例）

从动力学看：T↑,V↓

从化学热力学看：依据△Gθ(T)= △Hθ(298.15K)-T△Sθ

表6.1一些单质与氧气反应的△Gθ(T)值与温度的近似关系(298.15K)由表6.1金属单质和氧气反应△Sθ为负值，通常高温条件下，反应△Gθ为负

值，由于不同的金属得到的△Gθ值不同，因此高温对金属的活泼顺序与常温不同。

4）金属钝化

金属钝化：金属在空气中氧化生成的氧化膜具有显著的保护作用，称为金属的钝化。

金属钝化的条件：（1）氧化膜在金属表面必须是连续的

（2）氧化膜结构致密，且稳定性高

6.3 金属和金属材料

1. 合金的基本结构类型

合金的结构比纯金属的要复杂得多。根据合金中组成元素之间相互作用的情况不同，一般可将合金分为三种结构类型：相互溶解的形成金属固溶体；相互起化学作用的形成金属化合物；并不起化学作用的形成机械混合物。前两类都是均匀合金；而后一类合金不完全均匀，其机械性能如硬度等性质一般是各组分的平均性质，但其熔点降低。焊锡是机械混合物的一个例子，它是由锡和铅形成的合金。

下面简单介绍前三类合金。

(1)金属固溶体

金属固溶体:一种溶质元素(金属或非金属)原子溶解到另一种溶剂金属元素(较大量的)的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。金属固溶体在液态时为均匀的液相，转变为固态后，仍保持组织结构的均匀性，且能保持溶剂元素的原来晶格类型。

在置换固溶体中，溶质原子部分占据了溶剂原子格点的位置，如图6.6(b)所示。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因素都相近时，形成置换固溶体。例如钒、铬、锰、镍和钴等元素与铁都能形成置换固溶体。在间隙固溶体中，溶质原子占据了溶剂原子格点的间隙之中，如图6.6(c)所示。氢、硼、碳和氮等一些原子半径特别小的元素与许多副族金属元素能形成间隙固溶体。

应当指出，当溶剂原子格点溶入溶质原子后，多少能使原来的格点发生畸变，它们能阻碍外力对材料引起的形变，因而使固溶体的强度提高，同时其延展性和导电性将会下降。固溶体的这种普遍存在的现象称为固溶强化

2.金属化合物

金属化合物:当合金中加入的溶质原子数量超过了溶剂金属的溶解度时，除能形成固溶体外，同时还会出现新的相，这第二相可以是另一种组成的固溶体，而更常见的是形成金属化合物。

金属化合物种类很多，从组成元素来说，可以由金属元素与金属元素，也可以由金属元素与非金属元素组成。前者如Mg2Pb、CuZn等；后者如硼、碳和氮等非金属元素与d区金属元素形成的化合物，分别称为硼化物、碳化物和氮化物，它们具有某些独特的性能，对金属和合金材料的应用起着重大的作用。碳能与大多数元素形成化合物。碳与电负性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳氢化合物外，称为碳化物。碳化物可分为三种类型。与一般的化合物相似，碳化物有离子型和共价型的。离子型碳化物通常是指活泼金属的碳化物，如碳化钙(CaC2)，熔点较高(2300℃)，它的工业产品叫做电石。共价型碳化物是指非金属硅或硼的碳化物，如碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)。但与绝大多数固态时属于分子晶体的共价化合物(如二氧化碳、甲烷等)不同，SiC、B4C熔点高(分别为2827℃、2350℃)、硬度大(与金刚石相近)，为原子晶体。然而，与一般的化合物不同，碳化物还有一类金属型的。

3.机械混合物

两种金属在熔融态时互溶，但凝固时分别结晶，整个合金组织不均匀而且成分不同的微晶体的机械混合物。在钢中，渗碳体和铁素体相间存在，形成的就是一种机械混合物。

此外，还有一些常用合金（钢铁、铝合金、铜合金）、特种合金（耐蚀合金、耐热合金、钛合金、磁性合金）贮氢材料和非晶态金属。

6.4 非金属单质和化合物的物理性质

1、非金属单质（熔点）