福州大学：《大学基础化学》课程教学课件（PPT讲稿）第二十章 过渡金属（I）§20.1 概述 §20.2 Ti副族 §20.3 钒副族 §20.4 铬副族 §20.5 锰副族

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