1重要元素及化合物重要元素及化合物第六章2目录目录6.1 单质的物理性质单质的物理性质6.2 单质的化学性质单质的化学性质 6.3 无机化合物的物理性质无机化合物的物理性质 6.4 无机化合物的化学性质无机化合物的化学性质 6.5 无机材料无机材料36.1单质的物理性质单质的物理性质 在目前发现的 112 种元素中，单质的存在状态各异，有气态、液态和固态三种。 单质的物理性质与它们的原子结构或晶体结构有关。由于原子结构或晶体结构具有一定的规律性，因此单质的物理性质也有一定的规律性。46.1.1熔点、沸点和硬度熔点、沸点和硬度单质的熔点、沸点和硬度概述单质的熔点、沸点和硬度概述单质的熔点、沸点和硬度一般具有相同的变化趋势，即熔点高的单质其沸点一般也高，硬度也较大。5单质的熔点单质的熔点单质的熔点()6单质的沸点单质的沸点单质的沸点()7单质的硬度单质的硬度单质的硬度(莫氏)8 第第 2、3 周期元素的单质周期元素的单质从左到右，逐渐升高，IVA最高，随后降低； 第第 4、5、6 周期元素的单质周期元素的单质从左到右，逐渐升高，VIB最高，随后总趋势是逐渐降低。即：高熔点、高硬度单质集中在中部，其两侧较低。 物质熔沸点的高低和硬度大小主要取决于晶体类型。9 主族元素的晶体类型主族元素的晶体类型IAIIAIIIAIVAVAVIAVIIA0H2分子分子H2分子分子He分子分子Li金属金属Be金属金属B近原子近原子C金刚石金刚石,原子原子石墨石墨,层状层状N2分子分子O2分子分子F2分子分子Ne分子分子Na金属金属Mg金属金属Al金属金属Si原子原子P分子分子,层状层状S分子分子,链状链状Cl2分子分子Ar分子分子K金属金属Ca金属金属Ga金属金属Ge原子原子As分子分子,层状层状Se分子分子,链状链状Br2分子分子Kr分子分子Rb金属金属Sr金属金属In金属金属Sn原子原子,金属金属Sb分子分子,层状层状Te链状链状I2分子分子Xe分子分子Cs金属金属Ba金属金属Tl金属金属Pb金属金属Bi层状层状,近金属近金属Po金属金属AtRn分子分子10 同周期，从左到右 ： 典型的金属晶体 原子晶体 分子晶体 金属单质的物理性质与金属键的强弱有关,影响金属键强弱的因素有：原子半径越小有效核电荷数越多 未成对电子数越多金属键越强，金属键越强，其单质的熔、沸点越高其单质的熔、沸点越高, ,硬度越大。硬度越大。11 He 的熔、沸点是所有物质中最低者, 非金属中，熔点最高、硬度最大的均是金刚石。 金属中，熔点最高的是 W，硬度最大的是 Cr。 金属中，熔点最低的是 Hg。延性最好的金属铂。最细的铂丝直径只有 1/5000 mm。展性最强的金属金。最薄的金厚度只有 1/10000 mm。12碳的同素异形体碳的同素异形体金刚石：sp3 网格状 硬度大 原子晶体石墨： sp2 层状 润滑性、导电性 过渡型晶体 C60 ： 类sp2 球烯 多种优异性能 分子晶体碳的同素异形体石墨C60金刚石13C60的发现的发现C60 结构图 1996年年 Kroto, Smalley及及 Curl 三位教授因首先发三位教授因首先发现现 C60 而荣获瑞典皇家科学而荣获瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔化学奖。院颁发的诺贝尔化学奖。H. W. 克鲁托Harold W. KrotoR. E. 史沫莱Richard E. SmalleyR. F. 柯尔Robert F. Curl发现C60的三位科学家146.1.26.1.2 导电性和能带理论导电性和能带理论 1 单质的导电性单质的导电性 物质按导电能力大小可以分为导体、半导体和绝缘体。物质按导电能力大小可以分为导体、半导体和绝缘体。一般而言一般而言导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体电导率电导率（MSm-1）101010-115 eV 半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的禁带要狭窄得多。禁带宽度：1 eV19空能级电子占用能级a 导体导体 空带禁带满带b b 半导体半导体空带禁带满带c c 绝缘体绝缘体 导体、半导体和绝缘体的能带模型示意图满带空带未满带2021 影响金属导电性的因素：影响金属导电性的因素：l温度：温度升高，导电能力降低。温度接近温度：温度升高，导电能力降低。温度接近0K，某些物质导某些物质导电能力增至无穷大电能力增至无穷大-超导体。超导体。l杂质：杂质含量增加，导电能力降低。杂质：杂质含量增加，导电能力降低。 一般铝线的纯度在一般铝线的纯度在99.5%以上，铜线在以上，铜线在99.9%以上。以上。影响半导体导电性能的因素影响半导体导电性能的因素：l温度：温度：温度升高，电导率增加。温度升高，电导率增加。l杂质：杂质：适量的杂质，电导率增加。适量的杂质，电导率增加。例：例： Si、Ge 中掺加中掺加 P、As、Sb 等。等。 单质的纯度以及温度等因素对其导电性能影响很大。单质的纯度以及温度等因素对其导电性能影响很大。226.2单质的化学性质单质的化学性质单质的化学性质通常表现为氧化还原性。单质的化学性质通常表现为氧化还原性。非金属单质的特征是化学反应中能获得电子而非金属单质的特征是化学反应中能获得电子而表现出氧化性，但不少非金属单质有时也能表现表现出氧化性，但不少非金属单质有时也能表现出还原性。出还原性。金属单质最突出的性质是它们容易失去电子而金属单质最突出的性质是它们容易失去电子而表现出还原性。表现出还原性。236.2.1金属单质的还原性金属单质的还原性思考思考1：金属单质的还原性主要与哪些因素有关？从结构因素考虑，主要与元素的核电荷数、原从结构因素考虑，主要与元素的核电荷数、原子半径和最外层电子数有关。子半径和最外层电子数有关。思考思考2：金属单质的还原性主要体现在哪些反应上？ 金属与氧的作用。金属与氧的作用。 金属置换金属置换H的能力。的能力。241金属单质活泼性规律金属单质活泼性规律 同一周期同一周期在短周期中，从左到右金属单质的还原性逐渐减弱。在长周期中的递变情况和短周期一致，但较为缓慢，也有例外。 同一族同一族自上而下主副族变化规律相反（B与相邻的主族一致）。氧化性增强氧化性增强氧氧化化性性增增强强还还原原性性增增强强还原性增强还原性增强增增强强还还原原性性还原性增强不明显还原性增强不明显还原性增强还原性增强A AA AB B B 金属单质活泼性规律25s区金属很活泼，具有很强的还原性。常温下与空气作用生成正常的氧化物。还能生成过氧化物或超氧化物。例如： 正常氧化物:Li2O 、CaO 过氧化物:Na2O2、BaO2（Be、Mg除外）过氧化物 M2O2 中含有过氧离子O22- 或OO2- 超氧化物:KO2、BaO4 (Li、Be、Mg 除外) 超氧化物中含有超氧离子O2-, 其结构为： OO-2金属与氧的作用金属与氧的作用26较易制备的较易制备的 KO2 常用于急救器或装在防毒面具中。常用于急救器或装在防毒面具中。过氧化物 、超氧化物均为固体储氧物质，与水作用可放出 O2 ，又可吸收 CO2 并产生 O2 气。 例如： 2Na2O2 + 2H2 O = 4NaOH + O2 4NaO2 + 2H2 O = 4NaOH +3O2 2Na2O2(s) + 2CO2(g) = 2Na2CO3(s) + O2(g) 4KO2(s) + 2CO2(g) = 2K2CO3 + 3O2(g)27p 区金属元素中只有 Al 比较活泼，能在空气中与氧反应，但生成致密的氧化膜。d 区元素也比较不活泼，第四周期元素除 Cu 以外其它金属可以与氧反应，但 Cr、Zn 也形成致密的氧化膜。思考思考：副族元素与氧反应的活泼性递变规律同主族元素相比，有何不同？同一周期：活泼性递变规律基本一致，但副族元素的变化很同一周期：活泼性递变规律基本一致，但副族元素的变化很小，性质比较类似。小，性质比较类似。同一族：主族元素的活泼性随周期数增加而增加；同一族：主族元素的活泼性随周期数增加而增加；副族元素（除副族元素（除Sc 副族）随周期数增加而降低。副族）随周期数增加而降低。283金属的溶解金属的溶解 s区金属与水剧烈反应，置换出水中的氢。 2M(s) + 2H2O (l) 2M+(aq) + 2OH-(aq) + H2(g) 钠和钠下方的同族元素与水反应十分激烈，过程中生成的钠和钠下方的同族元素与水反应十分激烈，过程中生成的氢气能自燃。氢气能自燃。29 p 区金属(除 Sb、Bi 外)和第四周期副族金属( Cu 除外 )的电极电势比 H 低，可以与盐酸和稀硫酸反应。如： Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2 30 d 区第五和第六周期金属(包括 Cu )的电极电势比H高，只能与氧化性的酸(浓硫酸、浓硝酸、王水等)反应。31 铌、钽、钌、铑、锇、铱等不能溶于王水，可以溶于浓硫酸和氢氟酸的混合酸。 p 区金属中的铝、镓、锡、铅等可以溶解于氢氧化钠。 Sn + 2NaOH = Na2SnO2 + H2 (g) 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2 (g)324金属的钝化金属的钝化 金属在空气中会自动氧化生成具有较强保护作用金属在空气中会自动氧化生成具有较强保护作用的氧化膜，称为金属的钝化。最易产生钝化作用的有的氧化膜，称为金属的钝化。最易产生钝化作用的有Al、Cr、Ni 和和 Ti 以及含有这些金属的合金以及含有这些金属的合金。金属的钝化必须满足两个条件：金属所形成的氧化膜在金属表面必须是连续的，即所生成的氧化物的体积必须大于金属原有的体积。氧化膜的结构致密，而且具有较高的稳定性，氧化膜与金属的热膨胀系数相差不能太大。336.2.2非金属单质的氧化还原性非金属单质的氧化还原性 较活泼的非金属单质如较活泼的非金属单质如 F2、O2、Cl2、Br2 具有强具有强氧化性，常用作氧化剂。氧化性，常用作氧化剂。 F2 + 2H2O = 4HF + O2 Cl2（适量）（适量）2I I2 2Cl 5Cl2 （过量）（过量）+ I2 + 6H2O = 10Cl+ 2IO3+ 12H+34 较不活泼的非金属单质如较不活泼的非金属单质如 C、H2、Si 常用做还原常用做还原剂，如：剂，如：3C + Fe2O3 = 2Fe + 3CO(g) C + 2H2SO4(浓浓) = CO2(g) + 2SO2(g) + 2H2O S + 2HNO3(浓浓) = H2SO4 + 2NO(g)3Si + 18HF + 4HNO3 = 3H2SiF6 + 4NO(g) + 8H2OSi + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + 2H2(g) 一些不活泼的非金属单质如稀有气体、一些不活泼的非金属单质如稀有气体、N2 等通等通常不与其他物质反应，常用做惰性介质保护气体常不与其他物质反应，常用做惰性介质保护气体。35 歧化反应歧化反应 有些非金属单质既具有氧化性又具有还原性，其中 Cl2、Br2、I2、P4、S8 等能发生歧化反应。 Cl2 + H2O = HCl + HClO Cl2 + 2NaOH = NaCl + NaClO + H2O溴和碘在氢氧化钠中倾向于生成溴酸钠和碘酸钠： Br2 + 6NaOH = 5NaBr + NaBrO3 +3H2O次氯酸钠次氯酸钠 次氯酸钠可以释放出原子氯，后者有极强的杀菌和漂白作用。因此广泛地用作消毒液和漂白剂。 次氯酸钠在工业上用作氧化剂。36离子型氢化物离子型氢化物 活泼性极强的碱金属和碱土金属可以与氢气发生反应生成离子型氢化物： 2Na + H2 = 2NaH Ca + H2 = CaH2 CaH2 + 2H2O = Ca(OH) 2 + 2H2 氢化物可分为共价型（如HCl)、金属型、离子型等。离子型氢化物可以释放原子态氢，在工业上作为强还原剂用于还原醛、酮、酯等碳基化合物。376.3无机化合物的物理性质无机化合物的物理性质 无机化合物种类繁多，情况比较复杂。这里依照元素的周期性规律和物质结构，尤其是晶体结构理论为基础，讨论具有代表性的氯化物和氧化物的熔点、沸点等物理性质以及规律。386.3.1氯化物的物理性质氯化物的物理性质 氯化物是指氯与电负性比氯小的元素所组成的氯化物是指氯与电负性比氯小的元素所组成的二元化合物。二元化合物。氯化物概述氯化物概述 NaCl、KCl、BaCl2 等离子型氯化物熔点较高、稳定性好，在熔融状态可用作高温介质(盐浴剂)，CaF2、NaCl、KCl 等可以用作红外光谱仪的棱镜。过渡型的无水氯化物如 AlCl3、ZnCl2、FeCl3 等可以在极性有机溶剂中溶解，常用作烷基化反应或酰基化反应的催化剂。性质较稳定的无水氯化物如 CaCl2 等常用作干燥剂。391氯化物的熔点和沸点氯化物的熔点和沸点氯化物的熔点和沸点大致分为三种情况： 活泼金属的氯化物如 NaCl、KCl、BaCl2 等是离子晶体，熔点、沸点较高。 非金属的氯化物如 PCl3、CCl4、SiCl4 等是分子晶体，熔点、沸点都很低。 位于周期表中部的金属元素的氯化物如AlCl3、FeCl3、CrCl3、ZnCl2 等是过渡型氯化物，熔点、沸点介于两者之间。40氯化物熔点氯化物熔点氯化物的熔点注1：IBVB，IAIVA族价态与族数相同；VIB、VA族为三氯化物。VIIB和VIII族为二氯化物。注2：Tl、Pb、Bi 分别为+1、+2、+3价。41IAHCl-84.9IIAIIIAIVAVAVIALiCl1342BeCl2520BCl312.5CCl476.8NCl31600ScCl3825sTiCl4136.4VCl4148.5CrCl31300sMnCl21190FeCl3315dCoCl21049NiCl2973sCuCl2933dCuCl1490ZnCl2732GaCl3201.3GeCl484AsCl3130.2SeCl4288dRbCl1390SrCl21250YCl31507ZrCl4331sNbCl5254MoCl5268RhCl2800sAgCl1550CdCl2960InCl3600SnCl4114.1SbCl3283TeCl4380CsCl1290BaCl21560LaCl31000HfCl4319sTaCl5242WCl6346.7WCl5275.6ReCl4500AuCl3265sAuCl289dHgCl2302TlCl720PbCl4105dPbCl2950BiCl3447氯化物的沸点氯化物的沸点s 表示升华; d 表示分解；LiCl，ScCl3的数据有一个温度范围，本表取平均值。42从熔点数据发现两个有趣的问题从熔点数据发现两个有趣的问题：（1）IA（LiCl除外）从上到下，熔点逐渐降低，A（BeCl2除外）从上到下，熔点逐渐升高，虽都具有较高熔点，但变化趋势相反。（2）多数过渡金属及 p 区金属氯化物，不但熔点较低，且同一金属的低价态氯化物熔点比高价态的要高。 例如熔点： FeCl2FeCl3；SnCl2SnCl4 43NaCl、KCl、RbCl、CsClr+EL离子键离子键熔点熔点增大减少减弱降低 A 变化规律不符合离子晶体的规律，说明还有其它因变化规律不符合离子晶体的规律，说明还有其它因素起作用。离子极化理论可说明。素起作用。离子极化理论可说明。分析：NaCl、KCl、RbCl、CsCl 是典型的离子晶体，熔点与晶体的晶格能大小有关。离子的电荷数越多，离子半径越小，离子晶体的晶格能越大，其晶格越稳定。44 离子作为带电微粒，自身又可以起电场作用，使其它离子变形。离子的这离子作为带电微粒，自身又可以起电场作用，使其它离子变形。离子的这种能力称为极化能力。种能力称为极化能力。 故离子有二重性：变形性和极化能力。故离子有二重性：变形性和极化能力。2离子极化理论及应用离子极化理论及应用 把组成化合物的原子看作球形的正、负离子，正、负电荷的中心重合于球心。在外电场的作用下，离子中的原子核和电子会发生相对位移，离子就会变形，正负电荷中心发生位移，产生诱导偶极，这种过程叫做离子极化。45正离子一般其半径较小，它对相邻的负离子会产生诱导作用，使其变形极化；而负离子由于带有负电荷，一般半径较大，易被诱导极化，变形性较大。因此，通常考虑离子极化作用时，一般考虑正离子对负离子的极化能力大小和负离子在正离子极化作用下的变形性大小。若正离子的极化能力愈大、负离子的变形性愈大，则离子极化作用愈强。46影响离子极化作用的重要因素影响离子极化作用的重要因素v 极化力极化力（离子使其他离子极化而发生变形的能力）离子的极化力决定于它的电场强度，主要取决于： 离子的电荷离子的电荷 电荷数越多，极化力越强。 离子的半径离子的半径 半径越小，极化力越强。如：Mg2+ Ba2+ 离子的外层电子构型离子的外层电子构型 8电子构型(稀有气体原子结构)的离子(如 Na+、Mg2+)极化力弱，917 电子构型的离子(如 Cr3、Mn2、Fe2、Fe3+ )以及 18电子构型的离子(如 Ag、Zn2+ 等)极化力较强。18、(18+2)及2电子构型 (917)电子构型 8电子构型。47v 离子变形性离子变形性(离子可以被极化的程度)离子变形性大小与离子的结构有关，主要取决于： 离子的电荷离子的电荷: 随正电荷的减少或负电荷的增加，变形性增大。 Si4+ Al3+ Mg2+ Na+ F- O2- 离子的半径离子的半径: 随半径的增大，变形性增大。F- Cl- Br- I- ； O2- S2- 离子的外层电子构型离子的外层电子构型: 18、917 等电子构型的离子变形性较大，具有稀有气体外层电子构型的离子变形性小。K+ Ag+ ； Ca2+ MgCl2 ; Fe2O3FeCl3 ; CuOCuCl2 576.4无机化合物的化学性质无机化合物的化学性质 选择科学研究和实际工程中应用较多的选择科学研究和实际工程中应用较多的高锰酸钾、重铬酸钾、亚硝酸盐、过氧化氢高锰酸钾、重铬酸钾、亚硝酸盐、过氧化氢为代表，介绍其氧化还原性、介质的影响及为代表，介绍其氧化还原性、介质的影响及产物的一般规律。产物的一般规律。6.4.1氧化还原性氧化还原性58v 高锰酸钾高锰酸钾 在中性或弱碱性的溶液中，还原为 MnO2(棕褐色沉淀棕褐色沉淀)。 在强碱性溶液中，被还原为 MnO42-（绿色）。绿色）。Mn：3d54s2 常见氧化值：+2、+3、+4、+6、+7，如 MnO、Mn2O3、MnO2、MnO42-、MnO4- 。 高锰酸钾是暗紫色晶体,常用强氧化剂。氧化能力随介质的酸度的减弱而减弱，还原产物也不同。酸性介质中是很强的氧化剂。还原产物为 Mn2+（肉色）。（肉色）。59 (MnO(MnO4 4- - - - / /Mn2+ ) ) = = = = 1.506V1.506VMnO4(aq) + 8H+(aq) + 5e = Mn2+(aq) + 4H2O(l)MnO4(aq) + 2H2O(l)+3e = MnO2 (s) + 4OH(aq) (MnO(MnO4 4- - - - /MnO/MnO2 2 ) ) = = = = 0.595V0.595VMnO4(aq)+ e = MnO42(aq) (MnO(MnO4 4- - - - /MnO/MnO4 42-2-2-2- ) ) = = = = 0.558V0.558V1.1.1.1.酸性：酸性：酸性：酸性：2.2.2.2.中性：中性：中性：中性：3.3.3.3.碱性：碱性：碱性：碱性：酸性中氧化性最强酸性中氧化性最强602MnO4 + 6H+ + 5SO32 = 2Mn2+ + 5SO42 + 3H2O2MnO4 + 6H+ + 5H2O2= 2Mn2+ + 8H2O + 5O2 2MnO4 + H2O + 3SO32 = 2MnO2(s) + 3SO42 +2OH2MnO4 + H2O + 3H2O2= 2MnO2(s) + 2OH + 3O2 + H2O 2MnO4 +2OH + SO32 = 2MnO42+ SO42 + H2O 2MnO4 + 2OH+ H2O2= 2MnO42+ O2 + 2H2O 酸性条件：酸性条件：中性条件：中性条件：碱性条件：碱性条件：61v 重铬酸钾重铬酸钾橙色晶体,常用氧化剂。+6 价的铬可以铬酸钾的形式存在，也可以重铬酸钾的形式存在。 2CrO42(aq) + 2H+(aq) Cr2O72(aq) + H2O(l) Cr2O72 与 CrO42 存在如下平衡：黄色黄色黄色黄色橙色橙色橙色橙色K K = 1.210= 1.2101462Cr2O72(aq) + 14H+(aq) + 6e = 2Cr3+(aq) + 7H2O(l) (Cr2O72 / /Cr3+ ) ) = = = = 1.33V1.33V可将较强的还原剂可将较强的还原剂可将较强的还原剂可将较强的还原剂( ( ( (如如如如 FeFe2+、NONO2、SOSO32、HH2S S 等等等等) ) ) )氧化。氧化。氧化。氧化。Cr2O72 + 14H+ + 6Fe2+ = 2Cr3+ 6Fe3+ +7H2O2Cr2O72 + 16H+ + 3C2H5OH = 4Cr3+ + 3CH3COOH + 11H2O用于测定铁矿石中铁含量。用于快速检测驾驶员是否酒后驾车。63v 亚硝酸钠亚硝酸钠 无色透明晶体,一般用作氧化剂，有弱毒性、致癌。 亚亚硝硝酸酸盐盐中中氮氮的的氧氧化化值值为为 +3，处处于于中中间间价价态态，既既有有氧化性又有还原性。在酸性介质中的电极电势氧化性又有还原性。在酸性介质中的电极电势:HNO2 + H+ + e- = NO(g) + H2O (l) （HNO2/NO） = 0.983 (V)NO3- + 3H+ 2e- = HNO2(g) + H2O (l) （NO3-/HNO2）= 0.934 (V)64作为氧化剂：2NO2+ 2I+ 4H+ = 2NO(g) + I2 + 2H2O作为还原剂Cr2O72 + 3NO2 + 8H+ = 2Cr3+ + 3NO3 + 4H2O65v 过氧化氢过氧化氢 过氧化氢中氧的氧化值为过氧化氢中氧的氧化值为 -1，既有氧化性又有，既有氧化性又有还原性，还有歧化作用。还原性，还有歧化作用。l还原性：还原性：O2 + 2H+ + 2e = H2O2 = 0.695 (V) H2O2 与强氧化剂作用（与强氧化剂作用（KMnO4，K2Cr2O7）充当还原剂，生）充当还原剂，生成成O2。如：如：2MnO4- + 5H2O2 + 6H+ = 2Mn2+ + 5O2 + 8H2Ol氧化性：氧化性：H2O2 + 2H+ + 2e = 2H2O = 1.776 (V) H2O2 与还原剂作用表现氧化性生成与还原剂作用表现氧化性生成 H2O。如：如： H2O2 + 2I + 2H+ = I2 + 2H2O H2O2 + H2S = S+ 2H2O66过氧化氢的歧化作用过氧化氢的歧化作用: 2H: 2H2 2O O2 2 = 2H= 2H2 2O + OO + O2 2液态 H2O2 热力学不稳定。热力学不稳定。过氧化氢的应用：过氧化氢的应用：漂白剂漂白剂：漂白象牙、丝、羽毛等；消毒剂消毒剂：3% 的 H2O2 做外科消毒剂；氧化剂氧化剂：90% 的 H2O2 做火箭燃料的氧化剂。676.4.2酸碱性酸碱性v 氧化物及其水合物的酸碱性氧化物及其水合物的酸碱性 根据氧化物对酸、碱的反应不同可将氧化物分成酸性、碱性、两性和不成盐四类，氧化物的水合物可用一个简化通式R(OH)x 来表示。68(1)(1)酸性氧化物：酸性氧化物：(2)(2)碱性氧化物：碱性氧化物：(3)(3)两性氧化物：两性氧化物：(4)(4)不成盐氧化物：不溶性非金属氧化物如不成盐氧化物：不溶性非金属氧化物如 CO CO、NONO。非金属氧化物如：非金属氧化物如：SO2、NO2、CO2活泼金属氧化物如：活泼金属氧化物如：K2O、BaO、CaO、Na2O两性金属氧化物如：两性金属氧化物如：Al2O3、ZnO、SnO 、 SnO2、 Sb2O3、Cr2O3酸性酸性水合物水合物如：如：H2SO3、H2CO3碱性碱性水合物：水合物：KOH、NaOH、Ba(OH)2、Ca(OH)2两性两性水合物：水合物：两性两性R(OH)x 水合物水合物Al(OH)3H3AlO369氧化物及其水合物的酸碱性强弱的一般规律：氧化物及其水合物的酸碱性强弱的一般规律： 周期表中各元素最高价态的氧化物及其水合物周期表中各元素最高价态的氧化物及其水合物从左到右(同周期)：酸性增强，碱性减弱。自上而下(同族)：酸性减弱，碱性增强。 同一元素形成不同价态的氧化物及其水合物同一元素形成不同价态的氧化物及其水合物高价态的酸性比低价态强；低价态的碱性比高价态强。70碱碱性性增增强强IAIIAIIIAIVAVAVIAVIIA酸酸性性增增强强酸性增强酸性增强LiOH(中强碱)NaOH(强碱)KOH(强碱)RbOH(强碱)CsOH(强碱)Be(OH)2(两性) Mg(OH)2(中强碱)Ca(OH)2(中强碱)Sr(OH)2(中强碱)Ba(OH)2(强碱)H3BO3 (弱酸) Al(OH)3 (两性) Ga(OH)3 (两性) In(OH)3 (两性) Tl(OH)3 (弱碱) H2CO3 (弱酸) H2SiO3 (弱酸) Ge(OH)4 (两性) Sn(OH)4 (两性) Pb(OH)4 (两性) HNO3 (强酸) H3PO4 (中强酸) H3AsO4 (弱性) HSb(OH)4 (弱性) H2SO4 (强酸) H2SeO4 (强性)H2TeO4 (弱性) HClO4 (超强酸) HBrO4 (强性)HIO4 (强性)碱性增强碱性增强氧化物及水合物的酸碱性71HClOHClO2HClO3HClO4弱酸中强酸强酸极强酸酸性增强Mn(OH)2 Mn(OH)3 Mn(OH)4 H2MnO4 HMnO4碱弱碱两性弱酸强酸酸性增强CrOCr2O3CrO3碱性两性酸性酸性增强相同元素不同价态的氧化物及其水合物的酸碱性72R(OH)x 离子键理论离子键理论R(OH)X 型化合物可以按两种方式解离： I RO 键断裂 碱式解离 II OH 键断裂 酸式解离 若简单地把R、O、H 都看成离子，考虑正离子Rx+ 和 H+ 分别与 O2- 之间的作用力。如果 Rx+ 离子的电荷数越多，半径越小，则 Rx+ 的吸 O2-、斥H+ 能力越大，越易发生酸式解离，酸性越强，碱性越弱。可解释上述两条规律。 当 R 为低价态(+3)金属元素(如s区和d区低价态离子)时，其氢氧化物多呈碱性；当R为中间价态(+2+4)时，其氢氧化物常显两性，例如 Zn2+、Al3+ 等的氢氧化物。ROHIII酸式碱式73氯化物氯化物v 氯化物与水的作用氯化物与水的作用 活泼金属的氯化物活泼金属的氯化物钾、钠、钡的氯化物在水中解离并水合，但不与水发生反应。不太活泼金属的氯化物不太活泼金属的氯化物 镁、锌、铁等的氯化物会不同程度地与水发生反应(水解)，尽管反应常常是分级进行和可逆的，却总引起溶液酸性的增强。 MgCl2+ H2O Mg(OH)Cl + HCl ZnCl2+ H2O Zn(OH)Cl + HCl FeCl3+ H2O Fe(OH)Cl2 + HCl 以第一步水解为主，溶液显弱酸性。74 p p区三金属氯化物区三金属氯化物( SnCl( SnCl2 2、SbClSbCl3 3、BiClBiCl3 3 ) ) ：SnCl2 + H2O Sn(OH)Cl(s) + HClSbCl3 + H2O SbOCl(s) + HClBiCl3 + H2O BiOCl(s) + HCl配制此类盐溶液，例如：配制此类盐溶液，例如： SnCl SnCl2 2 水溶液。水溶液。 配制时先加配制时先加HClHCl后加水稀释。再加少量锡粒后加水稀释。再加少量锡粒; ; 防止防止 Sn Sn2+ 2+ 被氧化。被氧化。非金属氯化物非金属氯化物除 CCl4 外，高价态氯化物与水完全反应。SiCl4(l) + 3H2O = H2SiO3(s) + 4HCl(aq)，军事上作烟雾剂。，军事上作烟雾剂。75硅酸盐硅酸盐v 硅酸盐与水的作用硅酸盐与水的作用 除碱金属外，绝大多数硅酸盐难溶于水也不与水除碱金属外，绝大多数硅酸盐难溶于水也不与水作用。硅酸钠、硅酸钾是常见的可溶性的硅酸盐。作用。硅酸钠、硅酸钾是常见的可溶性的硅酸盐。将二氧化硅与烧碱或纯碱共熔，可得硅酸钠。将二氧化硅与烧碱或纯碱共熔，可得硅酸钠。SiO2 + 2NaOH = Na2SiO3 + H2O(g)SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2(g)Na2SiO3 与水反应，强烈水解，呈碱性：与水反应，强烈水解，呈碱性： SiO322H2O = H2SiO32OH76水玻璃与硅胶水玻璃与硅胶 在一定范围内，水玻璃的模数越大，水玻璃的粘结性越高，硬化速率越快，但粘结后强度较低。因此正确选择模数或加入化学试剂(如 NH4Cl 或 NaOH )来调节模数，是保证粘结质量的一个重要因素。 水玻璃常用作铸型砂的粘结剂：在空气中遇 CO2 变成黏结力极强的硅凝胶： Na2SiO3 + 2CO2 + 2H2O = H2SiO3(s) + 2NaHCO3也可以使用氯化铵： Na2SiO3 + 2NH4Cl = H2SiO3(s) + 2NaCl + 2NH3(g) 硅酸钠的水溶液称为水玻璃，俗称泡花碱。硅酸钠的计量式可表示为 Na2OmSiO2 (写成 Na2SiO3 是简化表示)，m 称为水玻璃的模数模数，一般在3 左右。77 硅酸分子由于其中含有 SiO2 与 H2O 的比例不同而形成几种硅酸，通式为 mSiO2nH2O，式中 m 和 n 都是正整数。m 1 的硅酸称为多硅酸。硅酸凝胶就是多硅酸，受热能完全脱水， 转变成 SiO2。若将其中大部分水脱去，可得白色透明固体，称为硅胶。 硅胶的比表面积非常大(800900m2/g)，可用作吸附剂、干燥剂和催化剂载体。经 CoCl2 处理可得变色硅胶，是常用的干燥剂。当蓝色变成粉红色时，就要进行再生处理，方可恢复吸湿能力。Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaClCoCl26H2O = CoCl22H2O = CoCl2H2O = CoCl2325393363 粉红粉红 紫红紫红 蓝紫蓝紫 蓝色蓝色 78796.5无机材料无机材料材料是人类赖以生存和生产的物质基础。材料发展的历史反映了人类社会发展的文明史。新材料的研究和开发已被认为是当今社会发展的三大支柱之一。材料的品种繁多，材料的分类方法主要有两种。根据用途结构材料：以强度为特征，如建筑构件。功能材料：以光、电、磁、热等性能为特征的材料。化学组成金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料806.5.1金属和合金材料金属和合金材料金属材料的优点：金属材料的优点：良好的导电性、传热性、高的机械强度，较为广泛的温度使用范围，良好的机械加工性能等。金属材料的缺点：金属材料的缺点：易被腐蚀和难以满足高新技术更高温度的需要。思考思考：911事件中纽约世贸大厦坍塌的原因？合金钢强度经得起12级台风、各种龙卷风的袭击，也耐得住地震、雷电或爆炸的侵扰。但其优良的导热性，使它经不起高温，整体变软，促使大厦迅速倒塌。811合金的基本结构类型合金的基本结构类型 金属固溶体金属固溶体 一种溶质元素（金属或非金属）的原子溶解到另一种溶剂金属元素（较大量的）的晶体中形成一种均匀的固态溶液，这类合金称为金属固溶体。金属固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。例如钒、铬、锰、镍和钴等元素与铁都能形成置换固溶体；而氢、硼、碳和氮与许多副族金属元素能形成间隙固溶体。纯金属溶质金属溶剂金属金属固溶体晶格示意图置换固溶体间隙固溶体82金属化合物金属化合物 当合金中加入的溶质原子数量超过了溶剂金属的溶解度时，除能形成固溶体外，同时还会出现新的相，这第二相可以是另一种组分的固溶体，而更常见的是形成金属化合物。 金属化合物种类很多，从组成元素来说可以由金属元素与金属元素，也可以由金属元素和非金属元素组成。前者如 Mg2Pb、CuZn 等；后者如硼、碳和氮等非金属元素与 d 区金属元素形成的化合物，分别称为硼化物、碳化物、氮化物等。83碳化物碳化物 碳能和大多数元素形成化合物。碳与电负性比碳小的元碳能和大多数元素形成化合物。碳与电负性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳氢化合物外，称为碳化物。素形成的二元化合物，除碳氢化合物外，称为碳化物。 离子型碳化物离子型碳化物 指活泼金属的碳化物，如碳化钙 (CaC2)，熔点较高(2300)，工业产品叫电石。 共价型碳化物共价型碳化物 非金属硅和硼的碳化物，如碳化硅 (SiC)、碳化硼 (B4C)。熔点高 (分别为 2827、2350)、硬度大，为原子晶体。 金属型碳化物金属型碳化物 由碳与钛、锆、钒、铌、钽、钼、钨、锰、铁等 d 区金属形成，例如 WC、Fe3C 等。这类碳化物的共同特点是具有金属光泽，能导电导热，熔点高，硬度大，但脆性也大。842轻质合金轻质合金轻质合金是由镁、铝、钛、锂等轻金属形成的合金。轻质合金是由镁、铝、钛、锂等轻金属形成的合金。主要优点是密度小，在交通运输、航空航天等领域有重要应用。铝合金铝合金在铝中加入镁、铜、锌、锰形成铝合金。铝铜镁合金称为硬铝，铝锌镁铜合金称为超强硬铝(其强度远高于钢)。这些铝合金相对密度小、强度高、易成型，广泛用于飞机制造业。钛合金钛合金钛中加入铝、钒、铬、钼、锰等形成钛合金。钛合金具有密度小、强度高、抗磁性、耐高温、耐海水腐蚀等优点。是制造飞机、火箭发动机、人造卫星外壳、宇宙飞船船舱、潜艇等的重要结构材料。853耐热合金与低熔合金耐热合金与低熔合金 耐热合金耐热合金 主要是第VVII 副族元素和VIII族高熔点元素形成的合金。应用最多的有铁基、镍基和钴基合金。它们广泛地用来制造涡轮发动机、各种燃气轮机热端部件、涡轮工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。低熔合金低熔合金常用的低熔金属及其合金元素有汞、锡、铅和铋等。汞常用做温度计、气压计中的液柱，也可做恒温设备中的电开关接触液。汞容易与很多种金属形成合金。铋的某些合金可应用于自动灭火设备、锅炉安全装置以及信号仪表等，还可用作原子能反应堆的冷却剂。864形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金有一个特殊的转变温度，在转变温度以下，金属晶体结构处于一种不稳结构状态，在转变温度以上，金属结构是一种稳定结构状态。一旦把它加热到转变温度以上，不稳定结构就转变为稳定结构，合金就恢复了原来的形状。 用镍钛形状记忆合金制成管接口，在使用温度下加工的管接口内径比外管径略小，安装时在低温下将其机械扩张，套接完毕在室温下放置，由于接口恢复原状而使接口非常紧密。这种管子固定法在F14型战斗机油压系统的接头及在海底输送管的接口固接均有很成功的实例。87汽车用这种“记忆金属”造出汽车，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。记忆食道支架记忆食道支架 “记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。 记忆钉子菲力浦公司研制了一种由菲力浦公司研制了一种由“记忆金属记忆金属”制成的钉子，把制成的钉子，把它安在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会它安在汽车外胎上，当气温降低、公路结冰时，钉子会“自自动动”从外胎里伸出来，防止车轮打滑。从外胎里伸出来，防止车轮打滑。88记忆毛毯记忆毛毯人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的人们盖上用记忆合金丝混合羊毛织成的毛毯后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开毛毯后，如毛毯温度过热，它就会自动掀开一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。记忆照明灯记忆照明灯法国巴黎用形状记忆合金制造的城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。895非晶态合金非晶态合金熔融状态的合金缓慢冷却得到的是晶态合金，从熔融的液态到晶态需要时间使原子排列有序化。如果将熔融状态的合金以超高速急冷的方法使其凝固，不给原子有序化排列的时间，瞬间冷冻后其内部原子仍然保持着液态时的那种基本无序的状态，称为非晶态合金，也称金属玻璃。高强度、高硬度和高韧性可以在非晶态合金上达到较好的统一，因为组成非晶态合金的两种原子间有很强的化学键，使得合金的强度很大。同时合金中原子犬牙交错不规则排列使得它具有较好的韧性。906.5.2无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料的分类和特点无机非金属材料的分类和特点主要有传统的硅酸盐材料和新型无机材料等。前者主要指陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、砖瓦、搪瓷等以天然硅酸盐为原料的制品(这些制品称为传统陶瓷)。新型无机材料是用人工合成方法制得的材料，包括氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等化合物(这些材料又称为精细陶瓷或特种陶瓷)以及一些非金属单质如碳、硅等。无机材料的主要特点是耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀和硬度大，而脆性是其不足。911耐热高温结构材料耐热高温结构材料 氮化硅氮化硅 Si3N4 组成氮化硅的两种元素的电负性相近，属强共价键结合的原子晶体，所以氮化硅的硬度高（耐磨损）、熔点高（耐高温）、结构稳定、绝缘性能好，故是制造高温燃气轮机的理想材料。缺陷是抗机械冲击强度偏低，容易发生脆性断裂。 氮化硼氮化硼 BN 氮化硼（金刚石型）属强共价键结合，兼有许多优良性能，不但耐高温、耐腐蚀、高导热、高绝缘，还可以很容易地进行机械加工，是一种理想的高温导热绝缘材料，也是既硬又韧的超硬材料。922半导体材料半导体材料半导体材料的分类半导体材料的分类按化学组成，半导体可以分为单质半导体和化合物半导体，按半导体是否含有杂质又可分为本征半导体和杂质半导体。电子 空穴半导体两类载流子示意图一个电子从价带激发到导带，从而在价带中留下一个空穴。由于半导体禁带较窄，不要太多的能量就可以使满带中的电子激发跃迁到空带，并在满带留下空穴。满带中的其它电子移动到空穴又产生新的空穴。在外电场作用下，电子和空穴都可以定向地移动。933超导材料超导材料 有些物质在某特定的温度以下，其导电率将突然增至无穷大，这种现象称为超导电性。Bednorz 和 Mller 因发现La-Ba-Cu-O 氧化物（Tc= 30K)超导体，荣获1987年诺贝尔物理学奖。J. G. 贝德诺兹Johannes G.BednorzK. A. 穆勒Karl A.Mller 目前已发现 30 种单质，8000 余种金属、合金、化合物具有超导性。 20 世纪 80 年代以来，我国高温超导材料的研究和应用方面一直居世界前列。首先报道超导材料的科学家94 1987 年赵忠贤等发现了组成为 YBa2Cu3O7- （00.5）的超导材料，相变温度Tc= 93 K。1993 年，中-瑞合作开发得到 Hg-Ba-Cu-O 其相变温度达到133.5K。 YBa2Cu3O7-的晶体结构95 人们发现 C60 分子与碱金属 K、Rb、Cs 等形成的 AxC60 也具有超导性质，AxC60 是球形结构，属三维超导体。而上述的混合金属氧化物是层状结构，属二维超导体。目前已研制出 K3C60、Rb3C60、 RbCs2C60、RbTl2C60 等，其 Tc 分别为18K、28K、33K、48K。96据科技日报2001年12月3日报道，随着三条各长1000米的高温超导线材的出炉，标志着我国第一条铋系高温超导线材生产线正式建成投产，从而使我国成为世界上为数不多的具有高温超导线材生产技术及产业化生产能力的国家之一，同时，也使具有我国自主产权的超导技术产品在我国的应用成为现实。该产品单根线材可通过的电流达43安培，工程临界电流密度达到6000安培每平方厘米以上。该生产线目前年生产能力为200公里。974光导纤维光导纤维 光导纤维简称光纤，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透光度极高的光学玻璃纤维。如果将许多根经过技术处理的光纤绕在一起就制得我们常说的光缆，它能将光的明暗光点的明灭变化等信号从一端传送到另一端。 光导纤维的最大应用是激光通讯，它具有信息容量大、重量轻、抗干扰、保密性好等优点。光导纤维986.5.3纳米材料和纳米碳管纳米材料和纳米碳管 纳米材料纳米材料 纳米科技就是在 1-100 nm 范围内研究原子、分子的结构，通过直接操作和安排原子、分子将其组装成具有特定功能和结构的一门高新技术。表面效应表面效应指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。主要表现：因表面原子所占比例大，吸附能力强，表面反应活性高；表面活性中心数多，催化效率高。体积效应体积效应指纳米粒子的尺寸与传导电子的波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，磁性、光吸收、化学活性、催化活性和熔点等性质较普通粒子发生了很大的变化。主要表现：熔点降低，活性表面的出现等。纳米材料的表面效应和体积效应纳米材料的表面效应和体积效应99纳米材料的应用纳米材料的应用纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。是生产其他三类产品的基础。纳米粉末纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在 100 nm以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。100 纳米纤维纳米纤维 指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光材料或发光二极管材料等。 纳米膜纳米膜 纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密，但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。 纳米块体纳米块体 是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。101纳米碳管纳米碳管 1990 年，瑞士科学家发现管状结构的碳分子，称为碳纳米管。它是由六元环形的碳原子组成的管状大分子，管的直径为零点几到几十纳米，管长为几十纳米到1微米 。碳纳米管由几个到几十个单层碳管同轴套构而成，相邻管径向间距为 0.34 nm。碳纳米管有许多优异性能。如强度比钢高100倍，具有优良的导热性和导电性等。 纳米碳管结构102作业：作业：p34813(1) 103献给：献给：勤奋学习的同学们！勤奋学习的同学们！