第二十章过渡金属(1) §20—1概述 一、什么是过渡金属:不同书本有不同的分法 具有部分充填d或f亚层电子的元素 川B.m8列元素 据此人们常将Cu族也纳入过渡金属元素,因为: Cu2+d9Au d8 也有书上把Zn族也归入,因此,过渡元素性质非 常丰富,有最高熔点的W,最大硬度的Cr,也 有常温液态的Hg,还要延展性最好的Au,导电 性最好的Ag等
第二十章 过渡金属(Ⅰ) §20—1 概述 一、什么是过渡金属:不同书本有不同的分法 具有部分充填 d 或 f 亚 层 电 子 的 元 素 : ⅢB.Ⅷ8列元素 据此人们常将Cu族也纳入过渡金属元素,因为: Cu2+ d 9 Au d 8 也有书上把Zn族也归入,因此,过渡元素性质非 常丰富,有最高熔点的W,最大硬度的Cr,也 有常温液态的Hg,还要延展性最好的Au,导电 性最好的Ag等
按定义,还包括La系元素和Ac系元素。 11IB族的六、七周期一般叫做内过渡元 素,常单独讲解。且因为Sc、Y(川B族) 的性质与La系元素相似,十七个元素一 并称作稀土元素。 Ac系元素有锕、钍、镤、铀等15个元素, 均为放射性元素;内容自学。 本章过渡(I)主要介绍:Ti,V,Cr,Mo W,Mn;以及各同族的Zr、Hf、Nb、Ta 等
按定义,还包括La系元素和Ac系元素。 IIIB族的六、七周期一般叫做内过渡元 素,常单独讲解。且因为Sc、Y(ⅢB族) 的性质与La系元素相似,十七个元素一 并称作稀土元素。 Ac系元素有锕、钍、镤、铀等15个元素, 均为放射性元素;内容自学。 本章过渡(Ⅰ)主要介绍:Ti,V,Cr,Mo, W,Mn ;以及各同族的Zr、Hf、Nb、Ta 等
§20-2 Ti副族 Ti Zr Hf 价电子结构(n-1)d2ns2,最稳定价态是+4 钛的含量(0.63%)在地球中十分丰富。过 渡金属中含量仅次于Fe;总数第十位。 主要有Ti02,钛铁矿FeTi0,CaTi0,矿等。 但钛的应用较晚。首先它纯度不高时, 表现为脆性。最主要是Tⅱ的冶炼十分困 难。在高温下,T的反应性强,尤其对 氧的结合力强,能从其他的氧化物中抢 过氧。比Si、B等更加亲氧
§20—2 Ti副族 Ti Zr Hf 价电子结构 (n-1)d2 ns2 ,最稳定价态是+4 钛的含量(0.63%)在地球中十分丰富。过 渡金属中含量仅次于Fe;总数第十位。 主要有TiO2,钛铁矿FeTiO3,CaTiO3矿等。 但钛的应用较晚。首先它纯度不高时, 表现为脆性。最主要是Ti 的冶炼十分困 难。在高温下,Ti的反应性强,尤其对 氧的结合力强,能从其他的氧化物中抢 过氧。比Si、B等更加亲氧
然而,T的性能非常优秀,强度大,{ 比重 耐腐蚀。硬度与钢铁差不多,但比 童半d三4.43g/cm.稍A大.但通 度(硬度)是A1的2倍。这对航空业的材 料是最好的选择。在宇宙火箭和导弹中, 就大量用Ti代替钢。另外,Ti粉可用做 燃料,能放出大量热,是火箭的好燃料。 码被普为宇宙金属、空间金属即 品中70%用于飞机、火箭、导弹.。所 以人们是这样描述的:人类对金属的应 用,如果把Cu当作第一代,Fe第二代, AI第三代,则,Ti就是超越了前辈的第 四代金属
然而,Ti的性能非常优秀,强度大,比重 轻,耐腐蚀。硬度与钢铁差不多,但比 重小一半d=4.43g/cm3 ,稍比Al大,但强 度(硬度)是Al的2倍。这对航空业的材 料是最好的选择。在宇宙火箭和导弹中, 就大量用Ti代替钢。另外,Ti粉可用做 燃料,能放出大量热,是火箭的好燃料。 所以,Ti被誉为宇宙金属、空间金属。 产品中70%用于飞机、火箭、导弹.。所 以人们是这样描述的:人类对金属的应 用,如果把Cu当作第一代,Fe第二代, Al第三代,则,Ti就是超越了前辈的第 四代金属
单质性质 常温下,T不与无机酸反应,即使是王 水也不能溶解。有人做过实验,把一块 T沉到海底,经5年后取上来观察,一点 没有生锈,依旧亮闪闪的。这个用于轮 船,潜艇就非常有利。化工机械中某些 部件耐酸碱。除此之外,T没有磁性。 这点对于避免鱼雷攻击非常有效。同时, 它的强度大,Ti潜艇可在深达4500m的深 海中航行。Ti还可以作为一种形状记忆 合金
一、单质性质 ⚫ 常温下,Ti不与无机酸反应,即使是王 水也不能溶解。有人做过实验,把一块 Ti沉到海底,经5年后取上来观察,一点 没有生锈,依旧亮闪闪的。这个用于轮 船,潜艇就非常有利。化工机械中某些 部件耐酸碱。除此之外,Ti没有磁性。 这点对于避免鱼雷攻击非常有效。同时, 它的强度大,Ti潜艇可在深达4500m的深 海中航行。Ti还可以作为一种形状记忆 合金
A 1.19 Ti TiO2+-0.1Ti3+-0.37 Ti2±-1.63_T1 Zr4+ -1.53 Zr H4+ -1.70 Hf 从p°。来看,Ti的还原性非常强,与AI相 近,但为何惰性? 因为,T表面有一层致密的、钝性的氧化 物保护膜。但在热条件下:
A TiF6 2- -1.19 Ti TiO2+ -0.1 Ti3+ -0.37 Ti2+ -1.63 Ti Zr4+_-1.53_Zr Hf4+_-1.70_Hf 从A 来看,Ti的还原性非常强,与Al相 近,但为何惰性? 因为,Ti表面有一层致密的、钝性的氧化 物保护膜。但在热条件下:
Ti+HC→TiC,+H,(加热条件下) Ti+HNO3→H2TiO3↓+NO(加热条件下) 与碱不反应,与F易反应: Ti+6HF→TF62+2H2+2H 高温下,能直接与许多非金属形成很稳定、很硬、 很难熔的TiN,TiC,TiB,TiB2,或与许多金属 形成金属间化合物。其中在1800~2000℃下发 生反应:Ti+C→TiC(黑色)。TiC熔点3100℃, 硬度高,是目前效率最高的切削加工钢材的刀 具材料。 r-TiAl, 金属间合物,高硬度比,耐高温,抗氧 化性,抗形变性,极具潜力的航空材料
Ti+HCl→TiCl3+H2(加热条件下) Ti+HNO3→H2TiO3 ↓+NO(加热条件下) 与碱不反应,与HF易反应: Ti+6HF→TiF6 2-+2H2+2H+ 高温下,能直接与许多非金属形成很稳定、很硬、 很难熔的TiN,TiC,TiB,TiB2,或与许多金属 形成金属间化合物。其中 在1800~2000℃下发 生反应:Ti+C→TiC(黑色)。TiC熔点3100℃, 硬度高,是目前效率最高的切削加工钢材的刀 具材料。 r-TiAl,金属间合物,高硬度比,耐高温,抗氧 化性,抗形变性,极具潜力的航空材料
T的冶炼 非常困难,因为高温下,非常活泼, 能与N2,02, C等形成非常稳定的化合物。因此,在冶炼时,空 气和水是严格禁止接近的,甚至冶金常用的AI,0? 坩埚也禁用,因为它可从中夺取氧。今利用Mg与 TIC1,在惰气中来提取Ti(显然不能用C还原): TiCI4(g)+2Mg→Ti(海绵状)+2MgCl2(用Ar做 保护剂,在约1070k下反应) 海绵状的Tⅰ,熔铸成钛锭,还得用高技巧的“水冷钢 坩埚”电炉制备。 T还因其与许多元素结合力强,用于冶炼其他金属, 纯化过程可加少量Ti,使它夺0等杂质,浮在面上, 形成炉渣。 钢城“攀枝花”,钛铁矿的综合利用
Ti的冶炼 非常困难,因为高温下,Ti非常活泼,能与N2,O2, C等形成非常稳定的化合物。因此,在冶炼时,空 气和水是严格禁止接近的,甚至冶金常用的Al2 O3 坩埚也禁用,因为它可从中夺取氧。今利用Mg与 TlCl4在惰气中来提取Ti(显然不能用C还原): TiCl4(g)+2Mg→Ti(海绵状)+2MgCl2(用Ar做 保护剂,在约1070k下反应) 海绵状的Ti,熔铸成钛锭,还得用高技巧的“水冷钢 坩埚”电炉制备。 Ti还因其与许多元素结合力强,用于冶炼其他金属, 纯化过程可加少量Ti,使它夺O等杂质,浮在面上, 形成炉渣。 钢城“攀枝花”,钛铁矿的综合利用
二、钛的重要化合物 1.Ti02 自然界存在,晶体有三种晶型,其中金红石型最重 要(四方晶系)。“红宝石”含微量Fe等元素显 色。人工制造的Ti0粉,“钛白粉”,化工原料, 最白的颜料。白度是ZnS+Bas04白的5倍,1g可使 450cm涂得雪白。生产钛白: 法一:TiC1+02(干燥)→Ti02+2C12(在约1000K下 反应) 法二:FeTi02+2H2S04◇80%)→Ti0S04+FeS04+2H20 (约在7080℃下反应) Ti0S04+2H,0=Ti02H,0↓+HS04(加热) 水解 >900℃↓煅烧
二、钛的重要化合物 1. TiO2 自然界存在,晶体有三种晶型,其中金红石型最重 要(四方晶系)。 “红宝石”含微量Fe等元素显 色。人工制造的TiO2粉, “钛白粉” ,化工原料, 最白的颜料。白度是ZnS+BaSO4白的5倍,1g可使 450cm2涂得雪白。生产钛白: 法一:TiCl4 +O2(干燥)→TiO2 +2Cl2(在约1000K下 反应) 法二:FeTiO2 +2H2 SO4 (>80%)→TiOSO4 + FeSO4 +2H2 O (约在70~80℃下反应) TiOSO4 +2H2 O=TiO2·H2 O↓+H2 SO4(加热) 水解 >900℃↓煅烧
2. BaTiO3:压电效应材料 TiO2+BaCO3→BaTiO,+CO2↑(熔融状态下) 压电晶体,在超声波中,受压产生电流。 电流的强弱可指示超声波的强度。或是 通变频电流,则产生超声波。 应用:超声发生器、置于铁轨下,可测量 火车通过时压力、脉搏记录器、煤气炉 打火等
2. BaTiO3:压电效应材料 TiO2+BaCO3→BaTiO3+CO2 ↑(熔融状态下) 压电晶体,在超声波中,受压产生电流。 电流的强弱可指示超声波的强度。或是 通变频 电流,则产生超声波。 应用:超声发生器、置于铁轨下,可测量 火车通过时压力、脉搏记录器、煤气炉 打火等