第9章非金属化学与材料

第9章非金属化学与材料制作:2

(3)了解钢筋混凝土腐蚀的成因及防护措施。

(1)掌握非金属的主要化学性质。

(2)了解常见的非金属材料及用途。

本章教学要求制作:张思敬等理学院化学系3本章内容9.1非金属单质9.2无机化合物9.3无机非金属材料9.4钢筋混凝土的腐蚀与防腐制作:张思敬等理学院化学系49.1非金属单质9.1.1物理性质和晶体结构9.1.2化学性质制作:张思敬等理学院化学系5非金属的特点:9.1.1物理性质和晶体结构

元素电负性大以共价键结合多为分子晶体有同素异形体熔点、硬度差异很大制作:张思敬等理学院化学系69.1.2化学性质ㆅ卤素中的F2、Cl2和Br2，氧族的O3和O2有较强的氧化性。ㆅ非金属单质H2、C、Si等有较明显的还原性。ㆅ大多数非金属单质既有氧化性又有还原性，其中Cl2、Br2、I2、P4、S8等遇碱均能发生歧化反应。ㆅ氢常用作还原剂，但它与活泼金属反应时则表现出氧化性，例如：2Li+H2=2LiHCa+H2=CaH2生成的氢化物是比氢更强的还原剂，它们遇水即反应生成氢气CaH2+2H2O=2H2+Ca(OH)2这一反应用于救生筏、救生衣的充气等用途。制作:张思敬等理学院化学系79.2无机化合物

9.2.1氯化物ㆅ碱金属和碱土金属氯化物一般溶于水，如NaCl、BaCl2等。ㆅ难溶于水的氯化物有AgCl、CuCl、Hg2Cl2等。ㆅ许多非金属及高氧化值金属氯化物与水作用相当完全：SiCl4+3H2O=H2SiO3+4HClTiCl4+3H2O=H2TiO3+4HCl

ㆅ有的氯化物与水反应不完全而生成碱式氯化物等：

SnCl2+H2O==

Sn(OH)Cl+HCl

ㆅ铝、铁的氯化物与水的逐级反应生成氢氧化物。制作:张思敬等理学院化学系89.2.2氧化物和氢氧化物ㆅ氧化物的酸碱性

（1）非金属氧化物一般是酸性氧化物；过渡元素由于价态多，通常都有两性氧化物存在。（2）同一种元素生成几种不同氧化值的氧化物时，氧化值增高，氧化物的酸性越强、碱性越弱。（3）主族元素同一族从上到下，氧化物碱性递增，酸性递减。（4）同一周期元素最高氧化值的氧化物，在短周期内从左到右酸性递增；在长周期内IB族前后，类似经历了两个短周期。ㆅ氢氧化物的酸碱性

（1）氢氧化物实际上可认为是氧化物的水合物。（2）非金属氢氧化物脱水所形成的含氧酸。（3）同一周期从左向右酸性依次增强；主族元素同一族自上而下碱性依次增强；同一元素高氧化值氧化物的酸性比低氧化值的强。制作:张思敬等理学院化学系99.2.3含氧酸及其盐ㆅ非金属含氧酸及其盐的氧化还原性

（1）含氧酸氧化还原性取决于成酸元素的非金属性强弱和氧化值的高低。非金属性弱的元素，其含氧酸往往不具有氧化性。（2）同一元素同一氧化值的化合物，其氧化性的强弱顺序为：氧化物>含氧酸>含氧酸盐（3）同一周期各元素最高氧化值的含氧酸氧化性从左到右依次增强。（4）同族元素含氧酸氧化性递变规律为低氧化值的自上而下减弱。（5）同一元素不同氧化值的含氧酸，低氧化值含氧酸的氧化性较强。（6）介质酸度越大（pH值越小），含氧酸及其盐的氧化性越强。制作:张思敬等理学院化学系10ㆅ热稳定性

（1）同一种含氧酸及其盐相比较，正盐比相应的酸式盐稳定，酸式盐又比相应的含氧酸稳定。（2）同一种含氧酸根与不同的金属组成的盐，其稳定性次序是：碱金属盐>碱土金属盐>过渡金属盐>铵盐。（3）同一种金属离子与不同酸根离子组成的含氧酸盐，其稳定性取决于对应酸的稳定性，含氧酸较不稳定的其盐也较不稳定。（4）同一成酸元素不同氧化值的含氧酸及其盐，高氧化值的比低氧化值的稳定。

制作:张思敬等理学院化学系119.3无机非金属材料9.3.1建筑胶凝材料9.3.2耐热高强材料9.3.3玻璃装饰材料9.3.4半导体材料9.3.5精细陶瓷材料9.3.6功能转换材料制作:张思敬等理学院化学系12一、水泥硅酸盐水泥熟料的矿物组分及其大致含量组分化学式符号质量分数%硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·A12O34CaO·Al2O3·Fe2O3C3SC2SC3AC4AF37-6015-377-1510-189.3.1建筑胶凝材料制作:张思敬等理学院化学系13

当水泥颗粒与水接触时，其表面发生水合作用或酸碱反应：

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2(水合硅酸钙)4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·A12O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

（水合铝酸钙水合铁酸钙）

生成的水合硅酸钙和水合铁酸钙为凝胶，氢氧化钙和水合铝酸钙为结晶体。凝胶、结晶体和未与水作用的水泥颗粒凝聚在一起成为具有一定强度的胶凝体。水泥、砂子与适量水调和成的浆料具有可塑性，可夹在砖块或石料间将其胶结为墙体等。随着时间的推移，水分的逸散使砂浆失去可塑性，其硬度和强度逐渐增强，最后成为石状固体。制作:张思敬等理学院化学系14

除普通硅酸盐水泥外，还有高铝水泥和耐酸水泥等特种水泥。高铝水泥CaO含量低而Al2O3含量高，具有抗寒耐温、快硬早强等特点，用于建造窑炉、紧急抢修、海上作业等特殊工程。耐酸水泥主要由磨细的石英砂与具有高度分散表面的活性硅土物质混合而成。耐酸水泥加入硅酸钠溶液形成可塑性浆状物，主要用作耐酸设备中的黏结料，可抵抗除氢氟酸以外的所有酸的侵蚀。制作:张思敬等理学院化学系15制作:张思敬等理学院化学系16二、石灰

CaCO3在910℃时的热分解产物CaO俗称生石灰。生石灰与水作用变成熟石灰或称消石灰Ca(OH)2，同时放出大量的热。含有过量水的石灰膏置于空气中会逐渐硬化。硬化过程中水分不断蒸发而析出Ca(OH)2晶体，Ca(OH)2又吸收空气中的CO2生成难溶的固体CaCO3。石灰膏硬化时因体积收缩较大而出现干裂，因此，在使用时常加入沙土、纸筋等材料以防缩裂。作为最常用的无机胶凝材料之一，石灰广泛用于建筑业。例如用石灰乳粉刷混凝土墙面，用石灰制成灰土加强地基等。制作:张思敬等理学院化学系17

三、石膏

天然石膏又称二水石膏，主要成分是CaSO4·2H2O，在107℃-170℃范围内加热会失水生成建筑石膏（β型半水石膏）。由于二水石膏的溶解度比半水石膏的小，所以施工时半水石膏不断形成二水石膏并逐渐硬化，达到一定的强度。建筑石膏比石灰更加洁白、细腻，广泛用于室内墙体抹灰、粉刷和装修。此外，用它做成的石膏板具有质轻、隔热、防水、加工方便等优点，因此应用很普遍。制作:张思敬等理学院化学系189.3.2耐热高强材料一、工业耐火材料

耐火材料一般是指在不低于1580℃的高温下，能耐气体、熔融金属、熔融炉渣等物质的侵蚀，而且有一定机械强度的无机非金属固体材料。

酸性耐火材料的主要组分是SiO2等酸性氧化物，碱性耐火材料的主要组分是MgO、CaO等碱性氧化物，中性耐火材料的主要组分是A12O3、Cr2O3等两性氧化物。制作:张思敬等理学院化学系19二、高温结构材料

同时能满足耐高温和高强度双重要求的高温结构材料也称为高温结构陶瓷。高致密的氮化硅(Si3N4)、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、二氧化锆（ZrO2）等无机非金属材料，耐高温、抗氧化，在高温下不易变形，是很好的高温结构材料。制作:张思敬等理学院化学系209.3.3玻璃装饰材料

普通玻璃（又称钠玻璃）是将石英砂、石灰石、纯碱等混合后在高温熔化、成型、冷却所制得的质地硬而脆的透明物体。

改变玻璃的成分或对玻璃进行特殊处理，可制成不同性能的玻璃。如与光和色有关的特殊玻璃、钢化玻璃、微晶玻璃、微孔玻璃、导电玻璃、生化玻璃等。制作:张思敬等理学院化学系21制作:张思敬等理学院化学系22制作:张思敬等理学院化学系23几种玻璃的特性和用途种类特性用途普通玻璃再高温下易软化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光化学仪器，高压水银灯，紫外灯，光导纤维，压电晶体等光学玻璃透光性能好，有折光和色散性眼镜片，照相机，显微镜，望远镜用凸凹透镜等光学仪器玻璃纤维耐腐蚀，不怕烧，不导电，不吸水，隔热，吸声，防蛀虫太空飞行员的衣服，玻璃钢等钢化玻璃耐高温，耐腐蚀，强度大，质轻，抗震裂运动器材，微波通讯器材，汽车，火车窗玻璃等制作:张思敬等理学院化学系24石英玻璃制作:张思敬等理学院化学系25光学玻璃制作:张思敬等理学院化学系26玻璃纤维制作:张思敬等理学院化学系279.3.4半导体材料

半导体是指导电性能介于金属和绝缘体之间的物质，性能最优越、最具有实用价值的单质半导体是Si和Ge。与金属依靠自由电子导电不同，半导体的导电是借助于载流子（电子和空穴）的迁移来实现的。

将能提供5个价电子的原子（如P、As、Sb等）掺入Si或Ge晶体后比形成4个共价键所需的电子多出1个，这种载流子是电子的半导体称为电子半导体或n型半导体。将能提供3个价电子的原子（如B、In等）掺入Si或Ge晶体中，由于杂质提供的价电子比形成4个共价键所需的电子少1个，就形成了可接受1个电子的空位，这种载流子是孔穴的半导体称为孔穴半导体或p型半导体。制作:张思敬等理学院化学系28

如果将一个p型半导体与一个n型半导体相接触，组成一个p-n结，利用p-n结形成的接触电势差，可对交变电源电压起整流作用，或对信号起放大作用。整个晶体管技术就是在p-ｎ结的基础上发展起来的。

把各种类型的半导体适当组合，可制成各种晶体管和小型化的集成电路，用于电子计算机、电视机、通讯设备和雷达等。半导体材料具有极其广泛的应用。制作:张思敬等理学院化学系299.3.5精细陶瓷材料一、光导纤维

光导纤维是一种比头发丝还细的玻璃纤维。光纤本身由纤芯和包层构成。纤芯是由高透明固体材料制成，外面是一层低折射率的包皮，从而使入射的光在芯料和包皮料的界面上发生全反射，所以入射光几乎全部被封闭在芯料内部。经过无数次的全反射，光波呈锯齿状向前传播，使光由纤维的一端曲折地传到另一端。光通信就是把声音或图像由发光元件（如GaAs等半导体激光器）转成光信号，经光导纤维传向另一端，再由接收元件恢复为电信号。

光导纤维主要用作远距离通讯的光缆，短距离使用的人体内窥镜，是人类健康的好帮手。制作:张思敬等理学院化学系30二、气敏陶瓷

气敏陶瓷是一类对特定气体有特殊响应的陶瓷，有“电子鼻”之称。

SnO2气敏陶瓷对可燃性气体，如氢、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳等都有较高的灵敏度。

ZnO也是很重要的气敏材料，ZnO与V-Mo-A12O3催化剂组合后，检测氟里昂气体F-22和F-12比一般的气敏传感器的灵敏度高。制作:张思敬等理学院化学系31三、生物陶瓷

生物陶瓷是与活体细胞具有良好相容性的人工材料。

氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，还可以做人工关节如膝关节、肘关节、肩关节、指关节、髋关节等。ZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性比氧化铝陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股关节等。人工合成的羟基磷灰石与骨的生物相容性非常好，可用于颌骨、耳听骨修复和人工牙种植等。制作:张思敬等理学院化学系329.3.6功能转换材料一、压电材料

压电材料水声换能器是利用正、逆压电效应以发射声波或接收声波来完成水下观察、通讯和探测工作。

压电材料是一种可以使电能和机械能相互转换的功能材料。

利用压电材料的正压电效应，可将机械能转换成电能。高电压发生器是压电材料最早开拓的应用之一，其中应用较多的有压电点火器、引燃引爆装置、压电开关和小型电源等。制作:张思敬等理学院化学系33二、光电材料

如果光照射到半导体的p-n结上，则在p-n结两端会出现电势差，p区为正极，n区负极。这一电势差可以用高内阻的电压表测量出来，这种效应称为光生伏特效应。利用光生伏特效应原理不仅可以制做探测光信号的光电转换元件，还可以制造太阳能电池。

硅是太阳能电池较理想的材料。另外，比较好的薄膜太阳能电池有硫化镉、碲化镉和砷化镓。制作:张思敬等理学院化学系34三、智能材料

智能陶瓷具有很多的特殊功能，它能感知客观世界，能动地对外发射声波、辐射电磁波和热能，以及促进化学反应和改变颜色等对外做出类似有生命的智慧反应。很多智能陶瓷具有自修复和保护功能，它使材料能抵抗环境的突然变化。

电致变色现象是指智能材料在电场作用下引起的颜色变化，这种变化是可逆的并且连续可调。电致变色系统通过选择性的吸收或反射外界热辐射和阻止内部热扩散，可减少办公大楼和民用住宅等建筑物为在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须耗费的大量能源。制作:张思敬等理学院化学系359.4钢筋混凝土的腐蚀与防腐9.4.1混凝土的腐蚀9.4.2混凝土中钢筋的腐蚀9.4.3钢筋混凝土的防腐措施制作:张思敬等理学院化学系369.4.1混凝土的腐蚀ㆅ溶解腐蚀混凝土中的可溶性成分Ca(OH)2被水溶解、浸出，引起胶凝体水解，从而导致混凝土结构破坏。ㆅ化学腐蚀混凝土中的活性成分与水溶液中的腐蚀物质发生化学反应，使混凝土结构破坏。ㆅ膨胀腐蚀腐蚀剂渗透到混凝土空隙中后产生结晶，结晶积聚、膨胀、产生张力，导致混凝土结构破坏。一、腐蚀类型制作:张思敬等理学院化学系37二、腐蚀来源（1）软水的腐蚀

当混凝土浸泡于软水或经常受软水冲刷时，会发生溶解腐蚀。混凝土建筑物在使用一段时间后表面出现的白色沉积物，就是浸出的Ca(OH)2与空气