非金屬材料化學(xué)

1、 非金屬元素大都集中在周期表的右上方，沿非金屬元素大都集中在周期表的右上方，沿 BSi As Te At 對角線將其與金屬分開。對角線將其與金屬分開。 非金屬元素非金屬元素(22(22個(gè)個(gè)) ) 除氫在除氫在s s區(qū)外區(qū)外, ,其余都分布在其余都分布在p p區(qū)。區(qū)。金屬元素金屬元素 (87(87個(gè)個(gè)) )1. 周期表中的非金屬元素周期表中的非金屬元素 非金屬既可以存在于地殼中，也可以存在于非金屬既可以存在于地殼中，也可以存在于空氣中；既可以單質(zhì)形式存在，也可以化合物形式空氣中；既可以單質(zhì)形式存在，也可以化合物形式存在存在。 原子原子如如 稀有氣體稀有氣體分子分子雙原子分子雙原子分子多原子分子多

2、原子分子如如 N2, H2, O2 如如 S8 環(huán)狀結(jié)構(gòu)環(huán)狀結(jié)構(gòu) P4 三角錐型三角錐型 B14 正二十面體正二十面體 分子晶體：分子晶體：原子晶體：原子晶體：過渡型晶體：過渡型晶體：稀有氣體、鹵素、稀有氣體、鹵素、N2、H2、O2等等金剛石、單晶硅、硼金剛石、單晶硅、硼層狀層狀: 石墨、灰砷、黑磷石墨、灰砷、黑磷鏈狀鏈狀: 灰碲、灰硒灰碲、灰硒a. 同素異形體很多，結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)不同。同素異形體很多，結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)不同。這這規(guī)律規(guī)律與與單質(zhì)單質(zhì)晶體晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有關(guān)。有關(guān)。 具體具體見表見表6-16-1b. 非金屬單質(zhì)的非金屬單質(zhì)的熔沸點(diǎn)熔沸點(diǎn)和硬度在周期表中呈和硬度在周期表中呈 低低高高低變

3、化規(guī)律。低變化規(guī)律。c. 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 P區(qū)右上部元素區(qū)右上部元素: 絕緣體絕緣體 P區(qū)對角線左右的單質(zhì)區(qū)對角線左右的單質(zhì): 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 如如 Si、Ge、Se等等 溫度升高，導(dǎo)電性增大；加入雜質(zhì)，導(dǎo)電性增大。溫度升高，導(dǎo)電性增大；加入雜質(zhì)，導(dǎo)電性增大。d. 有可變氧化數(shù)有可變氧化數(shù)最高正氧化數(shù)在數(shù)值上等于所處族數(shù)。最高正氧化數(shù)在數(shù)值上等于所處族數(shù)。 S S-2 S0 S+2 S+4 S+6 氧化還原性氧化還原性 其性質(zhì)其性質(zhì)基本符合周期基本符合周期表表中非金屬中非金屬性的遞變性的遞變規(guī)律規(guī)律及及標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)電極電勢的電極電勢的順序順序。 氧化物是指氧與電負(fù)性比氧小的元素所組成的氧化物是指氧與電

4、負(fù)性比氧小的元素所組成的二元化合物。氧化物熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度的高低與組二元化合物。氧化物熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度的高低與組成氧化物的晶體類型有關(guān)。成氧化物的晶體類型有關(guān)?？幢砜幢?-5、表、表6-6 變化規(guī)律變化規(guī)律 a . 活潑金屬元素的氧化物，如活潑金屬元素的氧化物，如 Na2O、BaO、CaO、 MgO 等是離子晶體，熔沸點(diǎn)都很高。等是離子晶體，熔沸點(diǎn)都很高。 b . 非金屬元素的氧化物大都是分子晶體，如非金屬元素的氧化物大都是分子晶體，如 SO2 、 CO、N2O5 等是共價(jià)型化合物，熔沸點(diǎn)較低；但等是共價(jià)型化合物，熔沸點(diǎn)較低；但 SiO2 是原子晶體，熔沸點(diǎn)高。是原子晶體，熔沸點(diǎn)高。 c .

5、大多數(shù)不太活潑金屬元素的氧化物是過渡型化合大多數(shù)不太活潑金屬元素的氧化物是過渡型化合 物，其低價(jià)態(tài)的金屬氧化物如物，其低價(jià)態(tài)的金屬氧化物如 Cr2O3 ( 離子晶體離子晶體 向原子晶體過渡向原子晶體過渡 ) 的熔點(diǎn)大于高價(jià)態(tài)金屬的氧化的熔點(diǎn)大于高價(jià)態(tài)金屬的氧化 物如物如 CrO3 ( 離子晶體向分子晶體過渡離子晶體向分子晶體過渡 ) 的熔點(diǎn)。的熔點(diǎn)。 酸堿性酸堿性 氧化物及其水合物的酸堿性是氧化物最重要氧化物及其水合物的酸堿性是氧化物最重要的化學(xué)性質(zhì)。的化學(xué)性質(zhì)。 通式通式R(OH)x 氧化物：氧化物：酸性、堿性、兩性、惰性酸性、堿性、兩性、惰性水合物：水合物：酸性、堿性、兩性酸性、堿性、兩性

6、 氧化物及其水合物的酸堿性強(qiáng)弱規(guī)律氧化物及其水合物的酸堿性強(qiáng)弱規(guī)律左左右右 酸酸 性性 增增 強(qiáng)強(qiáng) 堿堿 性性 減減 弱弱上上下酸性減弱酸性減弱堿性增強(qiáng)堿性增強(qiáng)a. a. 周期表各主族最高價(jià)態(tài)的氧化物及其水合物周期表各主族最高價(jià)態(tài)的氧化物及其水合物 副族情況與主族大致相同，但要緩和些。副族情況與主族大致相同，但要緩和些。原因：原因：(I)(II)(I) 堿式解離堿式解離 如如 鈉、鎂等，鈉、鎂等， 原子半徑大，離子電荷數(shù)少，原子半徑大，離子電荷數(shù)少， 易堿式解離形成堿。易堿式解離形成堿。(II) 酸式解離酸式解離 如氯如氯等，原子半徑小，離子電荷數(shù)多，易酸等，原子半徑小，離子電荷數(shù)多，易酸 式

7、解離形成酸。式解離形成酸。OHRb. 同一元素形成不同價(jià)態(tài)的氧化物及其水合物同一元素形成不同價(jià)態(tài)的氧化物及其水合物 時(shí)，高價(jià)態(tài)的酸性比低價(jià)態(tài)的要強(qiáng)。時(shí)，高價(jià)態(tài)的酸性比低價(jià)態(tài)的要強(qiáng)。HClO HClO2 HClO3 HClO4 弱酸弱酸 中強(qiáng)酸中強(qiáng)酸 強(qiáng)酸強(qiáng)酸 極強(qiáng)酸極強(qiáng)酸 酸酸 性性 增增 強(qiáng)強(qiáng) 例如：例如：CrO Cr2O3 CrO3 堿性堿性 兩性兩性 酸性酸性酸酸 性性 增增 強(qiáng)強(qiáng) 鹵化物是指鹵素與電負(fù)性比鹵素小的元素所組鹵化物是指鹵素與電負(fù)性比鹵素小的元素所組成的二元化合物。本節(jié)著重討論氯化物。成的二元化合物。本節(jié)著重討論氯化物。如如 HCl、KCl、ZnCl2、CCl4、PCl3等等

8、 氯化物有離子晶體、分子晶體、還有過渡型氯化物有離子晶體、分子晶體、還有過渡型晶體，晶體，大致大致可可分成分成三三類：類：a. 活潑活潑金屬氯化物金屬氯化物 屬于離子晶體，由于屬于離子晶體，由于正、正、負(fù)離子負(fù)離子間間靜電引力較靜電引力較大或者大或者說說離子離子鍵鍵較強(qiáng)較強(qiáng)，因而因而熔點(diǎn)、沸點(diǎn)熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較高較高，硬度硬度較大較大。 如如 NaCl 、KCl 等等 同同類型類型的的離子晶體離子晶體熔沸點(diǎn)熔沸點(diǎn)、硬度隨離子電荷、硬度隨離子電荷數(shù)的增加以及離子半徑的減小而升高。數(shù)的增加以及離子半徑的減小而升高。 氯化物氯化物晶體晶體b. 非金屬氯化物非金屬氯化物 屬于分子晶體，晶體微粒屬于分子晶體，

9、晶體微粒間間存在存在著著弱小弱小的范德的范德華力，華力，所以所以熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度硬度都都較低較低. 同同類型類型的的分子晶體分子晶體，一般隨著分子量增大一般隨著分子量增大，范，范德華力德華力增強(qiáng)增強(qiáng)，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)會(huì)，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)會(huì)升高升高。 如如 PCl3 、CCl4、 SiCl4等等c. 絕大絕大多數(shù)過渡金屬氯化物多數(shù)過渡金屬氯化物 是介于離子晶體是介于離子晶體和和分子晶體之間分子晶體之間的的過渡過渡型型晶體晶體。 其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)介于兩者之間，大多較低。介于兩者之間，大多較低。 如如 MgCl2 、 AlCl3 、 FeCl3等等 氯化物與水的反應(yīng)氯化物與水的反應(yīng)a. 活潑

10、活潑金屬氯化物金屬氯化物 在水中完全解離，不發(fā)生水解，因而水溶在水中完全解離，不發(fā)生水解，因而水溶液的液的pH值不變。值不變。 b. 非金屬氯化物非金屬氯化物和某些高價(jià)態(tài)金屬和某些高價(jià)態(tài)金屬氯化物氯化物 與水迅速完全發(fā)生反應(yīng)，生成非金屬含氧與水迅速完全發(fā)生反應(yīng)，生成非金屬含氧酸和鹽酸。酸和鹽酸。PCl5 + H2O = H3PO4 + 5HCl 這類氯化物在濕潮的空氣中成霧的現(xiàn)象就這類氯化物在濕潮的空氣中成霧的現(xiàn)象就是由于與水的強(qiáng)烈作用引起的。是由于與水的強(qiáng)烈作用引起的。 在水中會(huì)有不同程度的解離，水解常常分在水中會(huì)有不同程度的解離，水解常常分級進(jìn)行，溶液的級進(jìn)行，溶液的pH值發(fā)生變化。值發(fā)生

11、變化。MgCl2 + H2O Mg(OH)Cl + HCl c. 絕大絕大多數(shù)過渡金屬氯化物多數(shù)過渡金屬氯化物碳酸鹽碳酸鹽正鹽正鹽酸式鹽酸式鹽堿式鹽堿式鹽一般不穩(wěn)定一般不穩(wěn)定一般較穩(wěn)定一般較穩(wěn)定Na2CO3NaHCO3熱分解溫度熱分解溫度1800267表表6-10列出一些碳酸鹽的熱分解溫度列出一些碳酸鹽的熱分解溫度碳酸鹽的熱分解的基本規(guī)律碳酸鹽的熱分解的基本規(guī)律 吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于熱分解。吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于熱分解。 同一種含氧酸，其正鹽比相應(yīng)的酸式鹽穩(wěn)定同一種含氧酸，其正鹽比相應(yīng)的酸式鹽穩(wěn)定, 酸式鹽比相應(yīng)的含氧酸穩(wěn)定酸式鹽比相應(yīng)的含氧酸穩(wěn)定CaCO3 Ca(HCO3 )2 H2C

12、O3熱穩(wěn)定性降低熱穩(wěn)定性降低 同一種含氧酸的鹽，鈉、鉀等活潑金屬的鹽同一種含氧酸的鹽，鈉、鉀等活潑金屬的鹽 比一般金屬的鹽穩(wěn)定。比一般金屬的鹽穩(wěn)定。 CaCO3 FeCO3 Ag2CO3熱分解溫度熱分解溫度/ 910 282 170硅酸或多硅酸的鹽硅酸或多硅酸的鹽 如長石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸鹽，如長石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸鹽，組成復(fù)雜，用途廣泛。通常認(rèn)為是酸性的組成復(fù)雜，用途廣泛。通常認(rèn)為是酸性的 SiO2 和堿和堿金屬氧化物相結(jié)合的化合物。金屬氧化物相結(jié)合的化合物?；窘Y(jié)構(gòu)單元基本結(jié)構(gòu)單元: SiO4四面體四面體因四面體排列不同，產(chǎn)生下列幾種結(jié)構(gòu)因四面體排列不同，產(chǎn)生下

13、列幾種結(jié)構(gòu):鏈狀結(jié)構(gòu)鏈狀結(jié)構(gòu) 如石棉如石棉 ( CaO3MgO 4SiO2)如云母如云母(K2O3Al2O3 6SiO2 2H2O)滑石滑石(3MgO 4SiO2 H2O)如長石如長石(K2OAl2O3 6SiO2 ) 泡沸石泡沸石(Na2O Al2O3 2SiO2 nH2O)三維結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)（2）水）水 泥泥普通水泥普通水泥 (硅酸鹽水泥硅酸鹽水泥)砂渣水泥砂渣水泥高鋁水泥高鋁水泥耐酸水泥耐酸水泥a. 普通玻璃普通玻璃b. 特種玻璃特種玻璃Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 Na2OCaO 6SiO2 + 2CO2光導(dǎo)纖維、鋼化玻璃、有色玻璃、半導(dǎo)體玻光導(dǎo)纖維、鋼化

14、玻璃、有色玻璃、半導(dǎo)體玻璃、透紅外玻璃等。璃、透紅外玻璃等。結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷功能陶瓷智能陶瓷智能陶瓷生物陶瓷生物陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷的復(fù)合產(chǎn)物。結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷的復(fù)合產(chǎn)物。用于人體器官替換修補(bǔ)及外科矯用于人體器官替換修補(bǔ)及外科矯形的陶瓷材料。如羥基磷灰石形的陶瓷材料。如羥基磷灰石 ：Ca10(PO4)6(OH)6 。如氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧如氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷等?；X陶瓷、碳化硅陶瓷等。改變陶瓷組成、使其具有某些獨(dú)改變陶瓷組成、使其具有某些獨(dú)特功能的材料。如用尖晶石鐵氧特功能的材料。如用尖晶石鐵氧體制成的磁性陶瓷。體制成的磁性陶瓷。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 導(dǎo)

15、電機(jī)理導(dǎo)電機(jī)理 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。符合金屬能帶理論。符合金屬能帶理論。溫度升高，溫度升高，半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)電性增強(qiáng)。導(dǎo)電性增強(qiáng)。金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體導(dǎo)電性的區(qū)別：金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體導(dǎo)電性的區(qū)別： 溫度升高，溫度升高，金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體中的原子振動(dòng)加劇，中的原子振動(dòng)加劇，導(dǎo)電性下降；導(dǎo)電性下降； 金屬導(dǎo)體中金屬導(dǎo)體中增加雜質(zhì)，阻礙電子的定增加雜質(zhì)，阻礙電子的定向移動(dòng)，導(dǎo)電性下降。向移動(dòng)，導(dǎo)電性下降。 半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中增加微量雜質(zhì)，導(dǎo)電性大大增加微量雜質(zhì)，導(dǎo)電性大大增加下降。增加下降。 半導(dǎo)體種類半導(dǎo)體種類化學(xué)組成化學(xué)組成單質(zhì)半導(dǎo)體單質(zhì)半導(dǎo)體 化合物半導(dǎo)

16、體化合物半導(dǎo)體如如 Si Ge如如 GaP ZnSb 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體有無雜質(zhì)有無雜質(zhì)P-型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體非本征半導(dǎo)體非本征半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體)n-型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體GeBGeSb 應(yīng)用應(yīng)用 利用半導(dǎo)體的特性可以制造晶體管集利用半導(dǎo)體的特性可以制造晶體管集成電路、檢波器、整流器、熱敏電阻、光成電路、檢波器、整流器、熱敏電阻、光敏電阻、光電探測器等。敏電阻、光電探測器等。 磁性材料包括鐵磁性材料和亞鐵磁性材料。磁性材料包括鐵磁性材料和亞鐵磁性材料。微觀特征：微觀特征：相鄰原子或離子磁矩呈有序排列。相鄰原子或離子磁矩呈有序排列。宏觀特征：宏觀特征：在外磁場作用下，具有明顯的磁化特性在外

17、磁場作用下，具有明顯的磁化特性a. 金屬磁性材料金屬磁性材料b. 鐵氧體鐵氧體鐵、鎳、鈷及其合金鐵、鎳、鈷及其合金通常適用于低頻大功率的電力電子工業(yè)等。通常適用于低頻大功率的電力電子工業(yè)等。以氧化鐵為主要成份以氧化鐵為主要成份廣泛用于電視廣播通訊等領(lǐng)域。廣泛用于電視廣播通訊等領(lǐng)域。磁性材料按成分分為：磁性材料按成分分為： 由激光器發(fā)出的光稱為由激光器發(fā)出的光稱為激光激光。能產(chǎn)。能產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體材料有：生激光的半導(dǎo)體材料有：GaAs、ZnSb、GaAlAs、ZnS、CdTe等。等。特特 征：征： 光源亮度強(qiáng)光源亮度強(qiáng)有極高的方向性有極高的方向性有極高的單色性有極高的單色性 激光應(yīng)用面很廣。激光

18、是最亮光源，在焦激光應(yīng)用面很廣。激光是最亮光源，在焦點(diǎn)處可產(chǎn)生上百萬度的高溫，使難熔物質(zhì)瞬間點(diǎn)處可產(chǎn)生上百萬度的高溫，使難熔物質(zhì)瞬間熔化或氣化，激光切割、激光打孔、激光焊接熔化或氣化，激光切割、激光打孔、激光焊接正是最好的應(yīng)用；在激光方向性和單色性方面，正是最好的應(yīng)用；在激光方向性和單色性方面，可用激光測距，距離遠(yuǎn)，精度高。激光雷達(dá)已可用激光測距，距離遠(yuǎn)，精度高。激光雷達(dá)已用于氣象預(yù)測。用于氣象預(yù)測。900度高溫下工作的光纖傳感器 以傳光和傳像為目的的一種光波傳導(dǎo)介質(zhì)。以傳光和傳像為目的的一種光波傳導(dǎo)介質(zhì)。一般是直徑僅幾微米的帶包層的圓柱形石英玻一般是直徑僅幾微米的帶包層的圓柱形石英玻璃纖維。

19、璃纖維。 不同折光率介質(zhì)界面的全反射現(xiàn)象，即光不同折光率介質(zhì)界面的全反射現(xiàn)象，即光從折射率大的光密介質(zhì)（纖芯）以一定角度射從折射率大的光密介質(zhì)（纖芯）以一定角度射向折射率的小光疏介質(zhì)（包層）時(shí)，光在界面向折射率的小光疏介質(zhì)（包層）時(shí)，光在界面會(huì)發(fā)生全反射而全部折回光密介質(zhì)。會(huì)發(fā)生全反射而全部折回光密介質(zhì)。 光纖通訊的基本原理光纖通訊的基本原理 光通訊就是把聲音或圖象由發(fā)光元件轉(zhuǎn)化光通訊就是把聲音或圖象由發(fā)光元件轉(zhuǎn)化成光訊號(hào)，由光導(dǎo)纖維傳到另一端，再由接受成光訊號(hào)，由光導(dǎo)纖維傳到另一端，再由接受元件恢復(fù)為電訊號(hào)。元件恢復(fù)為電訊號(hào)。傳光原理傳光原理 光導(dǎo)纖維作為現(xiàn)代光通信的傳光關(guān)鍵器光導(dǎo)纖維作為現(xiàn)

20、代光通信的傳光關(guān)鍵器件，主要有以下件，主要有以下特點(diǎn)特點(diǎn)：（）（）傳輸損耗小。一傳輸損耗小。一般損耗小于般損耗小于2020分貝分貝/ /公里，公里，2020世紀(jì)末已有僅為世紀(jì)末已有僅為0.20.2分貝分貝/ /公里的超低損耗光纖問世。公里的超低損耗光纖問世。（2 2）容容量大。量大。2020世紀(jì)末已有一對光纖同時(shí)傳送世紀(jì)末已有一對光纖同時(shí)傳送150150萬萬路電話和路電話和20002000套彩色電視的記錄，比現(xiàn)有的套彩色電視的記錄，比現(xiàn)有的18001800路中同軸電纜載波通信的容量大路中同軸電纜載波通信的容量大800800倍以倍以上。上。（）（）傳輸質(zhì)量高，抗干擾、保密性好。傳輸質(zhì)量高，抗干擾

21、、保密性好。誤差小，不產(chǎn)生也不受磁干擾。誤差小，不產(chǎn)生也不受磁干擾。（）（）足夠的足夠的強(qiáng)度和可撓性。不僅加工、使用方便，耐久性強(qiáng)度和可撓性。不僅加工、使用方便，耐久性好，而且可以任意彎曲傳光。好，而且可以任意彎曲傳光。（）（）材料來源材料來源廣，成本低。廣，成本低。2020世紀(jì)末成本僅為世紀(jì)末成本僅為0.250.251.51.5美美元公里，并在繼續(xù)下降，同時(shí)節(jié)約了大量有元公里，并在繼續(xù)下降，同時(shí)節(jié)約了大量有色金屬材料。色金屬材料。 光導(dǎo)纖維主要用于激光光導(dǎo)纖維通信，并已光導(dǎo)纖維主要用于激光光導(dǎo)纖維通信，并已從電話、電報(bào)、電視發(fā)展到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和連接其他從電話、電報(bào)、電視發(fā)展到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和連接其他電子設(shè)備的信息傳輸，可用于資料檢索、文字圖像電子設(shè)備的信息傳輸，可用于資料檢索、文字圖像處理、銀行財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)往來、醫(yī)療診詢等。光纖還可處理、銀行財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)往來、醫(yī)療診詢等。光纖還可用于傳感器，做成能用于傳感器，做成能 感覺感覺 聲、味、熱、磁、力等聲、味、熱、磁、力等信息的人工感官。信息的人工感官。2020世