20 过渡金属（Ⅰ）.ppt

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+ d9 Au 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。
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)d2 ns2 ,最稳定价态是+4
钛的含量(%)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,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=,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。
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
TiF62- - Ti
TiO2+ - Ti3+ - Ti2+ - Ti
 
Zr4+_____-
Hf4+_____-
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+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→TiF62-+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Al2O3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.  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+2H2SO4(>80%)→TiOSO4+ FeSO4+2H2O
(约在70~80℃下反应)
TiOSO4+2H2O=TiO2·H2O↓+H2SO4(加热)
水解>900℃↓煅烧
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