非金属材料化学

非金属材料化学第一页，共49页。传统硅酸盐材料：以天然硅酸盐为材料的制品如陶瓷、玻璃、水泥

新型非金属材料：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

非金属材料第一页第二页，共49页。6.1非金属材料概论周期表中的非金属元素非金属单质非金属化合物第二页第三页，共49页。非金属元素大都集中在周期表的右上方，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,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三页第四页，共49页。非金属既可以存在于地壳中，也可以存在于空气中；既可以单质形式存在，也可以化合物形式存在。第四页第五页，共49页。2.非金属单质原子如稀有气体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）物质结构第五页第六页，共49页。

（2）晶体结构分子晶体：原子晶体：过渡型晶体：稀有气体、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、灰硒第六页第七页，共49页。（3）物理性质a.同素异形体很多，结构不同，性质不同。这规律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。第七页第八页，共49页。c.导电性P区右上部元素:

绝缘体

P区对角线左右的单质:半导体如Si、Ge、Se等温度升高，导电性增大；加入杂质，导电性增大。d.有可变氧化数最高正氧化数在数值上等于所处族数。

SS-2S0S+2S+4S+6第八页第九页，共49页。

氧化还原性（4）化学性质其性质基本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。第九页第十页，共49页。3.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、沸点和硬度的高低与组成氧化物的晶体类型有关。看表6-5、表6-6第十页第十一页，共49页。

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，熔沸点较低；但SiO2是原子晶体，熔沸点高。

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。第十一页第十二页，共49页。①酸碱性

氧化物及其水合物的酸碱性是氧化物最重要的化学性质。

通式R(OH)x

氧化物：酸性、碱性、两性、惰性水合物：酸性、碱性、两性第十二页第十三页，共49页。

②

氧化物及其水合物的酸碱性强弱规律左右

酸性增强碱性减弱上下酸性减弱碱性增强a.周期表各主族最高价态的氧化物及其水合物

副族情况与主族大致相同，但要缓和些。第十三页第十四页，共49页。原因：(I)(II)(I)碱式解离如钠、镁等，原子半径大，离子电荷数少，易碱式解离形成碱。(II)酸式解离

如氯等，原子半径小，离子电荷数多，易酸式解离形成酸。OHR第十四页第十五页，共49页。b.

同一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

弱酸中强酸强酸极强酸酸性增强例如：CrOCr2O3CrO3碱性两性酸性酸性增强第十五页第十六页，共49页。（2）卤化物卤化物是指卤素与电负性比卤素小的元素所组成的二元化合物。本节着重讨论氯化物。如HCl、KCl、ZnCl2、CCl4、PCl3等氯化物有离子晶体、分子晶体、还有过渡型晶体，大致可分成三类：第十六页第十七页，共49页。a.活泼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以及离子半径的减小而升高。①氯化物晶体第十七页第十八页，共49页。b.非金属氯化物

属于分子晶体，晶体微粒间存在着弱小的范德华力，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，熔点、沸点会升高。

如PCl3、CCl4、

SiCl4等第十八页第十九页，共49页。c.绝大多数过渡金属氯化物是介于离子晶体和分子晶体之间的过渡型晶体。其熔点、沸点介于两者之间，大多较低。

如MgCl2、AlCl3、FeCl3等

第十九页第二十页，共49页。

②氯化物与水的反应a.活泼金属氯化物在水中完全解离，不发生水解，因而水溶液的pH值不变。第二十页第二十一页，共49页。b.非金属氯化物和某些高价态金属氯化物

与水迅速完全发生反应，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由于与水的强烈作用引起的。第二十一页第二十二页，共49页。

在水中会有不同程度的解离，水解常常分级进行，溶液的pH值发生变化。MgCl2+H2OMg(OH)Cl+HClc.绝大多数过渡金属氯化物第二十二页第二十三页，共49页。（3）碳酸盐碳酸盐正盐酸式盐碱式盐一般不稳定一般较稳定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▲第二十三页第二十四页，共49页。碳酸盐的热分解的基本规律①吸热反应，升高温度有利于热分解。②同一种含氧酸，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热稳定性降低第二十四页第二十五页，共49页。③同一种含氧酸的盐，钠、钾等活泼金属的盐比一般金属的盐稳定。

CaCO3FeCO3Ag2CO3热分解温度/℃910282170第二十五页第二十六页，共49页。6.2非金属材料硅酸盐材料新型非金属材料第二十六页第二十七页，共49页。1.硅酸盐材料硅酸或多硅酸的盐如长石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸盐，组成复杂，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。基本结构单元:SiO4四面体(1)天然硅酸盐第二十七页第二十八页，共49页。因四面体排列不同，产生下列几种结构:链状结构

如石棉(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二十八页第二十九页，共49页。（2）水泥普通水泥(硅酸盐水泥)砂渣水泥高铝水泥耐酸水泥第二十九页第三十页，共49页。（3）玻璃a.普通玻璃b.特种玻璃Na2CO3+CaCO3+6SiO2→Na2O·CaO·6SiO2+2CO2光导纤维、钢化玻璃、有色玻璃、半导体玻璃、透红外玻璃等。第三十页第三十一页，共49页。（4）陶瓷结构陶瓷功能陶瓷智能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。第三十一页第三十二页，共49页。2.新型非金属材料(1)半导体材料①半导体②导电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。第三十二页第三十三页，共49页。温度升高，半导体导电性增强。a.温度金属导体与半导体导电性的区别：温度升高，金属导体中的原子振动加剧，导电性下降；第三十三页第三十四页，共49页。金属导体中增加杂质，阻碍电子的定向移动，导电性下降。b.杂质半导体中增加微量杂质，导电性大大增加下降。第三十四页第三十五页，共49页。③半导体种类化学组成单质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第三十五页第三十六页，共49页。④应用利用半导体的特性可以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。第三十六页第三十七页，共49页。磁性材料包括铁磁性材料和亚铁磁性材料。微观特征：相邻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）磁性材料第三十七页第三十八页，共49页。a.金属磁性材料b.铁氧体铁、镍、钴及其合金通常适用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广播通讯等领域。磁性材料按成分分为：第三十八页第三十九页，共49页。由激光器发出的光称为激光。能产生激光的半导体材料有：GaAs、ZnSb、GaAlAs、ZnS、CdTe等。特征：光源亮度强有极高的方向性有极高的单色性（3）激光材料第三十九页第四十页，共49页。激光应用面很广。激光是最亮光源，在焦点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。第四十页第四十一页，共49页。900度高温下工作的光纤传感器第四十一页第四十二页，共49页。以传光和传像为目的的一种光波传导介质。一般是直径仅几微米的带包层的圆柱形石英玻璃纤维。（4）光导纤维第四十二页第四十三页，共49页。

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，光在界面会发生全反射而全部折回光密介质。

光纤通讯的基本原理

光通讯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。传光原理第四十三页第四十四页，共49页。

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150万路电话和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