第八章化學(xué)與材料

第八章化學(xué)與材料第1頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三金屬元素87種非金屬元素22種

109種元素第2頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.1金屬單質(zhì)的物理性質(zhì)8.1.1熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度金屬晶體，金屬鍵金屬鍵的強(qiáng)度與金屬的原子半徑、價(jià)電子數(shù)及核對(duì)外層電子的作用力有關(guān)。元素原子半徑價(jià)電子數(shù)金屬鍵物理性質(zhì)s區(qū)金屬r大少較弱熔、沸點(diǎn)低，硬度、密度小d區(qū)(IIIB-VIB)r減小增多增強(qiáng)熔、沸點(diǎn)逐漸升高d區(qū)(VIIB-VIII)及ds區(qū)r減小未成對(duì)電子數(shù)減少減弱熔、沸點(diǎn)逐漸降低第3頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表8.1單質(zhì)的熔點(diǎn)（℃）第4頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表8.2單質(zhì)的沸點(diǎn)（℃）變化趨勢(shì)與熔點(diǎn)相似第5頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表8.3單質(zhì)的硬度(莫氏)第6頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三輕金屬重金屬密度<5g·cm-3密度>5g·cm-3s區(qū)金屬(鐳除外)

及鈧、釔、鈦、鋁等輕金屬以外的金屬低熔點(diǎn)重金屬在IIB和p區(qū)高熔點(diǎn)重金屬在d區(qū)金屬單質(zhì)的密度第7頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.1.2導(dǎo)電性金屬晶體中存在自由電子，是電的良導(dǎo)體；p區(qū)對(duì)角線附近的金屬導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間，是半導(dǎo)體，如Ge等。Ag、Cu、Au、Al是良好的導(dǎo)電材料。金屬導(dǎo)電性的影響因素：純度，溫度等第8頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表8.4單質(zhì)的電導(dǎo)率(MS·m-1)第9頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.1.2.1導(dǎo)電性和固體能帶理論導(dǎo)體：電導(dǎo)率大于10S·m-1，周期表左邊的金屬及合金。絕緣體：電導(dǎo)率小于10-11S·m-1，p區(qū)右上部元素及稀有氣體元素的單質(zhì)。例如Cl2,O2,Ne,Ar等半導(dǎo)體：10-11S·m-1<電導(dǎo)率<10S·m-1，p區(qū)對(duì)角線附近的元素單質(zhì)。例如Si，Se,Ge等?；衔镏?，大多數(shù)都是絕緣體，少數(shù)化合物是半導(dǎo)體。如：GaAs,InSb,GaP,ZnO,CdS,ZnSe等。(1)導(dǎo)電性第10頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）固體能帶理論以分子軌道理論為基礎(chǔ)3s3s2Naσσ*3Nan個(gè)Na空軌道，空能級(jí)電子占用能級(jí)3s能帶滿帶導(dǎo)電空帶半滿帶第11頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三空能級(jí)電子占用能級(jí)a.導(dǎo)體

空帶禁帶滿帶b.半導(dǎo)體空帶禁帶滿帶c.絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶模型示意圖滿帶空帶能隙能隙第12頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三金屬晶體中存在未滿的能帶是金屬能導(dǎo)電的根本原因。溫度升高時(shí)，金屬中原子和離子熱振動(dòng)加劇，電子與它們碰撞的頻率增加，電子穿越晶格的運(yùn)動(dòng)受阻，使導(dǎo)電能力下降。絕緣體不能導(dǎo)電是因?yàn)榻麕У膶挾容^大(>5eV)，一般溫度下電子難以躍過(guò)禁帶。半導(dǎo)體的禁帶較窄(<2～3eV)，升高溫度有少數(shù)電子可以激發(fā)，躍過(guò)禁帶而導(dǎo)電。思考：為什么金屬導(dǎo)電率隨溫度升高而降低，半導(dǎo)體和絕緣體的導(dǎo)電率隨溫度升高而迅速增加。第13頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.2金屬單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)氧化性增強(qiáng)還原性增強(qiáng)還原性增強(qiáng)增強(qiáng)還原性還原性增強(qiáng)不明顯還原性增強(qiáng)ⅠAⅡAⅢAⅦAIIIBⅣBⅡB表8.5金屬單質(zhì)活潑性規(guī)律1.金屬單質(zhì)活潑性規(guī)律8.2.1還原性第14頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)金屬與氧的作用

s區(qū)金屬活潑，還原性強(qiáng)。A+O2氧化物：Na2O,MgO等過(guò)氧化物：Na2O2,BaO2等超氧化物：KO2,BaO4等—O—O—強(qiáng)氧化過(guò)氧化物和超氧化物都是固體儲(chǔ)氧物質(zhì)，能釋放出氧氣2Na2O2(s)+2CO2(g)=2Na2CO3(s)+O2(g)4KO2(s)+2H2O(g)=4KOH(s)+3O2(g)4KO2(s)+2CO2(g)=2K2CO3+3O2(g)KO2常用于急救器或裝在防毒面具中。第15頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三p區(qū)金屬元素，只有Al比較活潑，能在空氣中與氧反應(yīng)，但生成致密的氧化膜阻止反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行。d區(qū)元素活潑性較弱。第四周期元素除Cu外可以與氧反應(yīng)，但Cr、Zn也形成致密的氧化膜。第16頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)金屬的溶解s區(qū)金屬與水劇烈反應(yīng)，置換出水中的氫。Be和Mg形成致密的氧化物保護(hù)膜，對(duì)水較為穩(wěn)定。

p區(qū)金屬(除Sb、Bi外)和第四周期副族金屬(Cu除外)可與鹽酸、稀硫酸等非氧化性的酸反應(yīng)。2Na+2H2O=2NaOH+H2從電極電勢(shì)來(lái)理解Zn+2HCl=ZnCl2+H2Fe+2HCl=FeCl2+H2第17頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

p區(qū)金屬中的鋁、鎵、錫、鉛，d區(qū)的鉻，s區(qū)的鋅等可溶解于堿溶液。d區(qū)和ds區(qū)第五、六周期金屬的電極電勢(shì)比H高，只能用氧化性的酸(濃硫酸、濃硝酸、王水等)溶解。3Pt+4HNO3+18HCl=3H2[PtCl6]+4NO(g)+H2O3Cu+8HNO3=3Cu(NO3)2+2NO(g)+4H2OAu+HNO3+4HCl=H[AuCl4]+NO(g)+2H2O2Al+2NaOH+2H2O=2NaAlO2+3H2Sn+2NaOH=Na2SnO2+H2第18頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.金屬的鈍化金屬在空氣中會(huì)自動(dòng)氧化生成具有較強(qiáng)保護(hù)作用的氧化膜，稱為金屬的鈍化。最易產(chǎn)生鈍化作用的有Al、Cr、Ni和Ti以及含有這些金屬的合金。鋁制品可以做炊具，鐵制容器和管道能貯運(yùn)濃HNO3和濃H2SO4.在鋼中加入鉻、鋁和硅等，能生成具有鈍化作用的氧化膜，有效地減慢了高溫下鋼的氧化。依此可設(shè)計(jì)耐熱鋼。第19頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.3金屬和合金材料金屬材料的優(yōu)點(diǎn)：良好的導(dǎo)電、傳熱性、高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的機(jī)械加工性能等。金屬材料的缺點(diǎn)：易被腐蝕和難以滿足高新技術(shù)對(duì)更高溫度的需要。純金屬遠(yuǎn)不能滿足工程上提出的眾多性能要求。合金：由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬和非金屬元素）組成，具有金屬所應(yīng)有的特征。例如：鋼由鐵和碳組成；青銅由銅和錫組成第20頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.3.1合金的基本結(jié)構(gòu)類(lèi)型相互溶解，金屬固溶體相互起化學(xué)反應(yīng)，金屬化合物不溶解也不起化學(xué)反應(yīng)，機(jī)械混合物均勻不完全均勻第21頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

金屬固溶體一種溶質(zhì)元素（金屬或非金屬）原子溶解到另一種溶劑金屬元素（較大量的）的晶體中形成一種均勻的固態(tài)溶液。置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)了溶劑原子格點(diǎn)的位置。形成條件：原子半徑、電負(fù)性及晶格類(lèi)型等方面相近。例如：釩、鉻、錳、鎳、鈷等元素與鐵能形成置換固溶體；間隙固溶體：

溶質(zhì)原子填充在溶劑原子格點(diǎn)的間隙之中。原子半徑特別小的氫、硼、碳、氮與許多副族金屬元素形成間隙固溶體。第22頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三純金屬溶質(zhì)金屬溶劑金屬金屬固溶體晶格示意圖置換固溶體間隙固溶體第23頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

組成：金屬元素與金屬元素，如Mg2Pb、CuZn等；

金屬元素和非金屬元素，如硼、碳、氮等非金屬元素與d區(qū)金屬元素形成的化合物。金屬化合物碳化物離子型共價(jià)型金屬型活潑金屬的碳化物，如CaC2硅或硼的碳化物，如SiC、B4Cd區(qū)金屬的碳化物，如WC、Fe3C有金屬光澤，導(dǎo)電導(dǎo)熱，熔點(diǎn)高，硬度大，脆性也大第24頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.3.2常見(jiàn)的金屬和合金材料1.輕金屬和輕合金(1)鎂和鎂合金密度1.738g·cm-3，輕，機(jī)械強(qiáng)度低。

化學(xué)性質(zhì)活潑，極易被氧化，氧化膜疏松，不起保護(hù)。用途：造照明彈、煙火，制合金（常加入鋁、鋅、錳等）。在鋁中加入鎂、銅、鋅、錳形成鋁合金。鋁銅鎂合金稱為硬鋁，鋁鋅鎂銅合金稱為超強(qiáng)硬鋁(其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼)。鋁合金相對(duì)密度小、強(qiáng)度高、易成型，廣泛用于飛機(jī)制造業(yè)。(2)鋁合金第25頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦中加入鋁、釩、鉻、鉬、錳等形成鈦合金。鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、抗磁性、耐高溫、耐海水腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。是制造飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，人造衛(wèi)星外殼，宇宙飛船船艙、潛艇等的重要結(jié)構(gòu)材料。(3)鈦合金2.合金鋼和硬質(zhì)合金d區(qū)副族金屬熔點(diǎn)高，硬度大，加入碳鋼中制成合金鋼。第IV、V、VI副族金屬與C、N、B等形成的合金熔點(diǎn)和硬度特別高，稱為硬質(zhì)合金，制造高速切削和鉆探工具主要部位的優(yōu)良材料。第26頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.低熔合金低熔金屬（IA，IIB，p區(qū)金屬）：汞、錫、鉛和鉍等。汞常用做溫度計(jì)、氣壓計(jì)中的液柱。鉍的某些合金可應(yīng)用于自動(dòng)滅火設(shè)備、鍋爐安全裝置以及信號(hào)儀表等，還可用作原子能反應(yīng)堆的冷卻劑。第27頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.4非金屬單質(zhì)的物理性質(zhì)根據(jù)單質(zhì)或化合物的組成、結(jié)構(gòu)及在周期表中的位置，區(qū)分晶體所屬類(lèi)型。晶體類(lèi)型，晶體微粒間作用力的性質(zhì)和大小。第28頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表8.6主族元素的晶體類(lèi)型IAIIAIIIAIVAVAVIAVIIA0H2分子

He分子Li金屬Be金屬B近原子C金剛石,原子石墨,層狀N2分子O2分子F2分子Ne分子Na金屬M(fèi)g金屬Al金屬Si原子P分子,層狀S分子,鏈狀Cl2分子Ar分子K金屬Ca金屬Ga金屬Ge原子As分子,層狀Se分子,鏈狀Br2分子Kr分子Rb金屬Sr金屬I(mǎi)n金屬Sn原子,金屬Sb分子,層狀Te鏈狀I(lǐng)2分子X(jué)e分子Cs金屬Ba金屬Tl金屬Pb金屬Bi層狀,近金屬Po金屬AtRn分子熔點(diǎn)高第29頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表8.7非金屬單質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)熔點(diǎn)沸點(diǎn)黃磷以P4單元通過(guò)分子間力結(jié)合形成分子晶體。黑磷層狀晶體。原子晶體熔、沸點(diǎn)高，硬度大。硫以S8為單元形成分子晶體。彈性硫?yàn)殒湢罱Y(jié)構(gòu)晶體。第30頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.5非金屬單質(zhì)和化合物的化學(xué)性質(zhì)氧化還原性、酸堿性、熱穩(wěn)定性等8.5.1氧化還原性較活潑的非金屬單質(zhì)如F2、O2、Cl2、Br2具有強(qiáng)氧化性。

Cl2+2I-=2Cl-+I25Cl2+I2+6H2O=10Cl-+2IO3-

+12H+可根據(jù)

的大小判斷氧化性的強(qiáng)弱較不活潑的非金屬單質(zhì)如C、H2、Si常用做還原劑。如：

C+2H2SO4(濃)=CO2(g)+2SO2(g)+2H2O3Si+18HF+4HNO3=3H2[SiF6]+4NO(g)+8H2OSi+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2(g)第31頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

一些不活潑的非金屬單質(zhì)如稀有氣體、N2等通常不與其他物質(zhì)反應(yīng)，常用做惰性介質(zhì)保護(hù)氣體。大多數(shù)非金屬單質(zhì)既有氧化性又有還原性，可發(fā)生岐化反應(yīng)。如Cl2、Br2、I2、P4、S8等。

Cl2+H2O=HCl+HClO

Br2+6NaOH=5NaBr+NaBrO3+3H2O第32頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.5.2酸堿性1.氧化物及其水合物的酸堿性

氧化物可分為酸性、堿性、兩性和不成鹽四類(lèi)。不成鹽氧化物與水、酸或堿不起反應(yīng)，如CO，NO等。氧化物的水合物通式：R(OH)xR(OH)x離子鍵理論*R(OH)X型化合物可以按兩種方式解離：ROHIII酸式堿式簡(jiǎn)單地把R、O、H都看成離子，考慮正離子Rx+和H+分別與O2-之間的作用力。第33頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氧化物及其水合物的酸堿性強(qiáng)弱的一般規(guī)律：

周期系各族元素最高價(jià)態(tài)的氧化物及其水合物從左到右(同周期)：酸性增強(qiáng)，堿性減弱自上而下(同族)：酸性減弱，堿性增強(qiáng)H3PO4 H2SO4 HClO4

弱酸強(qiáng)酸 極強(qiáng)酸酸性增強(qiáng)HI HBr

HCl弱酸中強(qiáng)酸強(qiáng)酸酸性增強(qiáng)第34頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三HClO HClO2 HClO3 HClO4

弱酸 中強(qiáng)酸 強(qiáng)酸 極強(qiáng)酸酸性增強(qiáng)

同一元素形成不同價(jià)態(tài)的氧化物及其水合物高價(jià)態(tài)的酸性比低價(jià)態(tài)強(qiáng)；低價(jià)態(tài)的堿性比高價(jià)態(tài)強(qiáng)。第35頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三8.5.3熱穩(wěn)定性1.熱穩(wěn)定性的一般規(guī)律(1)含氧酸鹽熱分解，吸熱反應(yīng)，升溫利于熱分解；(2)同一種含氧酸，其正鹽比相應(yīng)的酸式鹽要穩(wěn)定，酸式鹽

又比相應(yīng)的含氧酸穩(wěn)定。CaCO3Ca(HCO3)2H2CO3

Na2SO4NaHSO4H2SO4熱穩(wěn)定性(3)同一種含氧酸的鹽，活潑金屬的鹽比一般金屬的鹽穩(wěn)定。CaCO3>FeCO3NaNO3>AgNO3

CaSO4>ZnSO4第36頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(4)同一金屬離子與不同酸根所形成的鹽，其穩(wěn)定性取決于對(duì)應(yīng)酸的穩(wěn)定性。酸較穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的鹽也較穩(wěn)定。

Na2SO4>Na2CO3;Ca3(PO4)2>Ca(NO3)2Na2CO3==Na2O+CO2(g)非氧化還原反應(yīng)的熱分解2NaNO3==2NaNO2+O2(g)4NaNO2==2Na2O

+4NO(g)+O2(g)2KMnO4==K2MnO4+MnO2+O2(g)氧化還原反應(yīng)的熱分解第37頁(yè)，共41頁(yè)，2023年，2月20日，星期三顆粒尺寸為1～100nm8.6納米材料1.特性