非金属材料化学

第六章

非金属材料化学(huàxué)第一页，共50页。1传统(chuántǒng)硅酸盐材料：以天然硅酸盐为材料的制品如陶瓷(táocí)、玻璃、水泥新型(xīnxíng)非金属材料：人工合成不含硅或少含SiO2的材料如半导体、光导纤维、激光材料

非金属材料第二页，共50页。26.1非金属材料概论(gàilùn)周期表中的非金属元素非金属单质(dānzhì)非金属化合物第三页，共50页。3非金属元素大都集中(jízhōng)在周期表的右上方，沿B—Si—As—Te—At对角线将其与金属分开。非金属元素(22个)除氢在s区外(qūwài),其余都分布在p区。金属元素(87个)1.

周期表中的非金属元素第四页，共50页。4非金属既可以存在(cúnzài)于地壳中，也可以存在(cúnzài)于空气中；既可以单质形式存在(cúnzài)，也可以化合物形式存在(cúnzài)。第五页，共50页。52.非金属单质(dānzhì)原子(yuánzǐ)如稀有气体(xīyǒuqìtǐ)分子双原子分子多原子分子如N2,H2,O2如S8环状结构P4三角锥型B14正二十面体〔1〕物质结构第六页，共50页。6〔2〕晶体结构分子晶体：原子(yuánzǐ)晶体：过渡型晶体(jīngtǐ)：稀有气体(xīyǒuqìtǐ)、卤素、N2、H2、O2等金刚石、单晶硅、硼层状:石墨、灰砷、黑磷链状:灰碲、灰硒第七页，共50页。7〔3〕物理性质(wùlǐxìngzhì)a.同素异形体很多，结构不同(bùtónɡ)，性质不同(bùtónɡ)。这规律(guīlǜ)与单质晶体结构有关。具体见表6-1b.非金属单质的熔沸点和硬度在周期表中呈低→高→低变化规律。第八页，共50页。8c.导电性P区右上部元素:绝缘体P区对角线左右(zuǒyòu)的单质:半导体如Si、Ge、Se等温度升高(shēnɡɡāo)，导电性增大；参加杂质，导电性增大。d.有可变氧化(yǎnghuà)数最高正氧化数在数值上等于所处族数。

SS-2S0S+2S+4S+6第九页，共50页。9氧化(yǎnghuà)复原性〔4〕化学性质(huàxuéxìngzhì)其性质根本(gēnběn)符合周期表中非金属性的递变规律及标准电极电势的顺序。第十页，共50页。103.非金属化合物〔1〕氧化物氧化物是指氧与电负性比氧小的元素所组成的二元化合物。氧化物熔点、沸点和硬度的上下与组成氧化物的晶体(jīngtǐ)类型有关。看表6-5、表6-6第十一页，共50页。11变化规律a.活泼金属元素的氧化物，如Na2O、BaO、CaO、MgO等是离子晶体，熔沸点(fèidiǎn)都很高。b.非金属元素的氧化物大都是分子晶体，如SO2、CO、N2O5等是共价型化合物，熔沸点(fèidiǎn)较低；但SiO2是原子晶体，熔沸点(fèidiǎn)高。c.大多数不太活泼金属元素的氧化物是过渡型化合物，其低价态的金属氧化物如Cr2O3(离子晶体向原子晶体过渡)的熔点大于高价态金属的氧化物如CrO3(离子晶体向分子晶体过渡)的熔点。第十二页，共50页。12①酸碱性氧化物及其水合物的酸碱性是氧化物最重要(zhòngyào)的化学性质。

通式(tōngshì)R(OH)x氧化物：酸性、碱性、两性(liǎngxìng)、惰性水合物：酸性、碱性、两性(liǎngxìng)第十三页，共50页。13②氧化物及其水合物的酸碱性强弱(qiánɡruò)规律左右

酸性增强碱性减弱上下酸性减弱碱性增强a.周期表各主族(zhǔzú)最高价态的氧化物及其水合物副族情况与主族(zhǔzú)大致相同，但要缓和些。第十四页，共50页。14原因(yuányīn)：(I)(II)(I)碱式解离如钠、镁等，原子(yuánzǐ)半径大，离子电荷数少，易碱式解离形成碱。(II)酸式解离如氯等，原子(yuánzǐ)半径小，离子电荷数多，易酸式解离形成酸。OHR第十五页，共50页。15b.同一(tóngyī)元素形成不同价态的氧化物及其水合物时，高价态的酸性比低价态的要强。HClOHClO2HClO3HClO4弱酸(ruòsuān)中强酸强酸极强酸酸性增强例如(lìrú)：CrOCr2O3CrO3碱性两性酸性酸性增强第十六页，共50页。16〔2〕卤化物卤化物是指卤素与电负性比卤素小的元素(yuánsù)所组成的二元化合物。本节着重讨论氯化物。如HCl、KCl、ZnCl2、CCl4、PCl3等氯化物有离子(lízǐ)晶体、分子晶体、还有过渡型晶体，大致可分成三类：第十七页，共50页。17a.活泼(huópo)金属氯化物属于离子晶体，由于正、负离子间静电引力较大或者说离子键较强，因而熔点、沸点(fèidiǎn)较高，硬度较大。如NaCl、KCl等同类型的离子晶体熔沸点、硬度随离子电荷数的增加(zēngjiā)以及离子半径的减小而升高。①氯化物晶体第十八页，共50页。18b.非金属氯化物属于分子晶体，晶体微粒间存在(cúnzài)着弱小的范德华力，所以熔点、沸点、硬度都较低.

同类型的分子晶体，一般随着分子量增大，范德华力增强(zēngqiáng)，熔点、沸点会升高。

如PCl3、CCl4、

SiCl4等第十九页，共50页。19c.绝大多数过渡(guòdù)金属氯化物是介于(jièyú)离子晶体和分子晶体之间的过渡型晶体。其熔点、沸点介于(jièyú)两者之间，大多较低。

如MgCl2、AlCl3、FeCl3等

第二十页，共50页。20②氯化物与水的反响(fǎnxiǎng)a.活泼(huópo)金属氯化物在水中完全(wánquán)解离，不发生水解，因而水溶液的pH值不变。第二十一页，共50页。21b.非金属氯化物和某些(mǒuxiē)高价态金属氯化物与水迅速完全(wánquán)发生反响，生成非金属含氧酸和盐酸。PCl5+H2O=H3PO4+5HCl这类氯化物在湿潮的空气中成雾的现象就是(jiùshì)由于与水的强烈作用引起的。第二十二页，共50页。22在水中会有不同程度的解离，水解常常分级(fēnjí)进行，溶液的pH值发生变化。MgCl2+H2OMg(OH)Cl+HClc.绝大多数过渡(guòdù)金属氯化物第二十三页，共50页。23〔3〕碳酸盐碳酸盐正盐(zhènɡyán)酸式盐碱式盐一般(yībān)不稳定一般(yībān)较稳定Na2CO3NaHCO3热分解温度1800℃267℃Na2CO3→Na2O

+CO2▲表6-10列出一些碳酸盐的热分解温度NaHCO3→Na2CO3+CO2+H2O▲第二十四页，共50页。24碳酸盐的热分解的根本(gēnběn)规律①吸热反响，升高(shēnɡɡāo)温度有利于热分解。②同一种(yīzhǒnɡ)含氧酸，其正盐比相应的酸式盐稳定,酸式盐比相应的含氧酸稳定CaCO3Ca(HCO3)2H2CO3热稳定性降低第二十五页，共50页。25③同一种含氧酸的盐，钠、钾等活泼金属(jīnshǔ)的盐比一般金属(jīnshǔ)的盐稳定。CaCO3FeCO3Ag2CO3热分解温度(wēndù)/℃910282170第二十六页，共50页。266.2非金属材料硅酸盐材料(cáiliào)新型非金属材料(cáiliào)第二十七页，共50页。271.硅酸盐材料(cáiliào)硅酸(ɡuīsuān)或多硅酸(ɡuīsuān)的盐如长石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸盐，组成(zǔchénɡ)复杂，用途广泛。通常认为是酸性的SiO2和碱金属氧化物相结合的化合物。根本结构单元:SiO4四面体(1)天然硅酸盐第二十八页，共50页。28因四面体排列不同(bùtónɡ)，产生以下几种结构:链状结构(jiégòu)

如石棉(shímián)(CaO·3MgO·4SiO2)如云母(K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O)滑石(3MgO·4SiO2·H2O)如长石(K2O·Al2O3·6SiO2)泡沸石(Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O)三维结构层状结构第二十九页，共50页。29〔2〕水泥普通(pǔtōng)水泥(硅酸盐水泥)砂渣水泥高铝水泥耐酸水泥第三十页，共50页。30〔3〕玻璃a.普通(pǔtōng)玻璃b.特种玻璃Na2CO3+CaCO3+6SiO2→Na2O·CaO·6SiO2+2CO2光导纤维(ɡuānɡdǎoxiānwéi)、钢化玻璃、有色玻璃、半导体玻璃、透红外玻璃等。第三十一页，共50页。31〔4〕陶瓷结构(jiégòu)陶瓷功能(gōngnéng)陶瓷智能(zhìnénɡ)陶瓷生物陶瓷结构陶瓷与功能陶瓷的复合产物。用于人体器官替换修补及外科矫形的陶瓷材料。如羟基磷灰石：[Ca10(PO4)6(OH)6]。如氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷等。改变陶瓷组成、使其具有某些独特功能的材料。如用尖晶石铁氧体制成的磁性陶瓷。第三十二页，共50页。322.新型(xīnxíng)非金属材料(1)半导体材料(cáiliào)①半导体②导电(dǎodiàn)机理导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。符合金属能带理论。第三十三页，共50页。33温度(wēndù)升高，半导体导电性增强。a.温度(wēndù)金属导体(dǎotǐ)与半导体(dǎotǐ)导电性的区别：温度升高，金属导体中的原子振动加剧，导电性下降；第三十四页，共50页。34金属导体中增加杂质，阻碍(zǔài)电子的定向移动，导电性下降。b.杂质(zázhì)半导体中增加(zēngjiā)微量杂质，导电性大大增加(zēngjiā)下降。第三十五页，共50页。35③半导体种类(zhǒnglèi)化学(huàxué)组成单质(dānzhì)半导体化合物半导体如SiGe如GaPZnSb本征半导体有无杂质P-型半导体非本征半导体(杂质半导体)n-型半导体GeBGeSb第三十六页，共50页。36④应用(yìngyòng)利用半导体的特性可以(kěyǐ)制造晶体管集成电路、检波器、整流器、热敏电阻、光敏电阻、光电探测器等。第三十七页，共50页。37磁性材料包括(bāokuò)铁磁性材料和亚铁磁性材料。微观(wēiguān)特征：相邻(xiānɡlín)原子或离子磁矩呈有序排列。宏观特征：在外磁场作用下，具有明显的磁化特性〔2〕磁性材料第三十八页，共50页。38a.金属(jīnshǔ)磁性材料b.铁氧体铁、镍、钴及其合金(héjīn)通常适用(shìyòng)于低频大功率的电力电子工业等。以氧化铁为主要成份广泛用于电视播送通讯等领域。磁性材料按成分分为：第三十九页，共50页。39由激光器发出的光称为(chēnɡwéi)激光。能产生激光的半导体材料有：GaAs、ZnSb、GaAlAs、ZnS、CdTe等。特征：光源(guāngyuán)亮度强有极高的方向性有极高的单色性〔3〕激光(jīguāng)材料第四十页，共50页。40激光应用面很广。激光是最亮光源，在焦点(jiāodiǎn)处可产生上百万度的高温，使难熔物质瞬间熔化或气化，激光切割、激光打孔、激光焊接正是最好的应用；在激光方向性和单色性方面，可用激光测距，距离远，精度高。激光雷达已用于气象预测。第四十一页，共50页。41900度高温(gāowēn)下工作的光纤传感器第四十二页，共50页。42以传光和传像为目的的一种光波传导(chuándǎo)介质。一般是直径(zhíjìng)仅几微米的带包层的圆柱形石英玻璃纤维。〔4〕光导纤维(ɡuānɡdǎoxiānwéi)第四十三页，共50页。43不同折光率介质界面的全反射现象，即光从折射率大的光密介质〔纤芯〕以一定角度射向折射率的小光疏介质〔包层〕时，光在界面会发生(fāshēng)全反射而全部折回光密介质。

光纤通讯的根本(gēnběn)原理光通讯(tōngxùn)就是把声音或图象由发光元件转化成光讯号，由光导纤维传到另一端，再由接受元件恢复为电讯号。传光原理第四十四页，共50页。44

光导纤维作为现代光通信的传光关键器件，主要有以下特点：〔１〕传输损耗小。一般损耗小于20分贝/公里，20世纪末已有仅为0.2分贝/公里的超低损耗光纤问世。〔2〕容量大。20世纪末已有一对光纤同时传送150万路和2000套彩色电视的记录，比现有的1800路中同轴电缆载波通信(zǎibōtōnɡxìn)的容量大800倍以上。〔３〕传输质量高，抗干扰、保密性好。误差小，不产生也不受磁干扰。〔４〕足够的强度和可挠性。不仅加工、使用方便，耐久性好，而且可以任意弯曲传光。〔５〕材料来源广，本钱低。20世纪末本钱仅为0.25－1.5美元／