第六章(无机化合物)

第六章

无机化合物本节要点

氧化物和卤化物的性质无机材料基础

已发现的非金属元素共16种，位于周期表的右上角。

非金属元素的价电子结构：ns2np1~5(位于p区）

在化合物中常表现负价，容易形成单原子负离子或多原子负离子，如：Cl-,O2-,NO3-等非金属元素概论纳米半导体材料太阳电池材料光子带隙材料硅单晶材料分子筛碳-碳复合材料高能燃料人造金刚石层间为分子间力C(金刚石)—原子晶体C60(球烯)—分子晶体C

(石墨)—过渡型晶体富勒烯中以C60最稳定，其笼状结构酷似足球，相当于一个由二十面体截顶而得的三十二面体.32个面中包括12个五边形面和20个六边形面，每个五边形均与5个六边形共边，而六边形则将12个五边形彼此隔开.C60分子中每个C原子成键与石墨相似.6.1氧化物和卤化物的性质6.1.1氧化物和卤化物的物理性1、卤化物的熔点、沸点IA族与IIA族元素氯化物熔点变化规律相反。

IA族氯化物熔点变化规律：随式量增大而减小(LiCl

除外)IIA族氯化物熔点变化规律：随式量增大而增大过渡元素及P区金属氯化物熔点较低，同一元素的低价态比高价态熔点高化学键或分子间作用力强弱决定熔沸点高低为什么会出现这种现象-----？？？以离子极化理论解释一般：原子晶体＞离子晶体＞分子晶体，金属晶体的熔沸点变化很大（如钨、汞）

对于原子晶体，成键原子半径越小，键长越短，键能越大，共价键越强，原子晶体的熔沸点越高

对于离子晶体，离子电荷数大小（主要因素）和离子半径的大小决定离子键的强弱决定熔沸点的高低。离子键随着离子电荷数的增大、离子半径的减小儿增强

对于分子晶体，范德华力越强，熔沸点越高。

1.组成和结构相似的分子，一般相对分子质量越大，分子间作用里越强，分子晶体的熔沸点越高。

2.对于相对质量相同的分子，如同分异构体，一般地，支链数越多，沸点越低，分子越对称，则熔点越高。注意：并非外界条件对物质熔沸点的影响总是一致的。熔点常与晶体空间结构的对称性有关

3.若分子间有氢键，则分子间作用力比结构相似的其他同类晶体强，故熔沸点相对高）

对于金属晶体，离子电荷数大小（主要因素）和离子半径大小决定金属键的强弱决定熔沸点高低。一般地，金属键随着金属阳离子电荷数的增大、离子半径电减小而增强在外电场作用下，离子中的原子核与电子发生相对位移，离子变形产生诱导偶极的过程。＋-＋--＋2、离子极化理论及其应用＋－-＋－＋(a)不在电场中的离子(b)在电场中的离子(c)两个离子的相互极化＋-＋-1）.离子极化：离子极化结果：两离子电子云变形，轨道相互重叠离子键向共价键过渡离子相互极化作用增强，键极性减小2）离子极化影响因素：离子极化作用的大小决定于离子的极化力和变形性。极化作用----离子使异号离子极化而变形的作用变形性用----被异号离子极化而发生离子电子云变形的性能。离子有二重性：变形性和极化能力异号离子之间都可以使对方极化，但因阳离子具有多余的正电荷，半径较小，在外壳上缺少电子，它对相邻的阴离子起诱导作用显著，即极化作用；阴离子则因半径较大，在外壳上有较多的电子容易变形，容易被诱导产生诱导偶极。所以，对阳离子来说，极化作用应占主要地位，而对阴离子来说，变形性应占主要地位。2.离子极化力：3.离子变形性：离子使其它离子极化而发生变形的能力影响离子极化力因素｛(1)离子电荷Z：(2)离子半径r：(3)离子外层电子构型：Z↗，极化力↗。r↘，极化力↗。8电子构型：极化力弱9-18电子构型：极化力强离子可以被极化的程度影响变形性因素｛(1)离子电荷Z：(2)离子半径r：(3)离子外层电子构型：Z(代数值)↗，变形性↘

r↗

，变形性↗。8电子构型：变形性小9-18电子构型：变形性大以正离子为主以负离子为主离子间的极化作用很强时，会导致正负离子的电子云产生较大变形，甚至发生电子云的相互重叠，此时离子键转变成了共价键。相应的晶体由离子晶体转变为层状过渡型晶体，最后转变为共价性分子晶体。键长＝正负离子半径和键长＜正负离子半径和离子键共价键原子半径变化规律的形象表示Li157Be112Mg160Na191Ca197K235Rb250Sr215Ba224Cs272极化力：IA族离子<

IIA族离子IIA族离子：上→下，离子键增强。极化力起主要作用IA族离子：上→下，离子键减弱。r起主要作用。熔沸点规律：原子晶体＞离子晶体＞分子晶体离子晶体极化力变大大，离子的离子键逐步向共价键转变，熔点逐步边小4.离子极化理论的应用3.卤化物的应用（1）根据高熔点沸点：NaCl、KCl、BaCL作为高温加热介质—盐浴

NaCl--熔点：801℃沸点：1413℃（2）作为红外光谱吸收仪的光学元件（3）特殊光学材料---如红外分光光度计的窗口、棱镜再如：碘钨灯具有亮度高，寿命长的特点碘钨灯的原理类似于白炽灯，只是它里面充入碘蒸气，碘蒸气有个性质，就是在低温（相对的）与钨化合，在高温与其分解，这样，就把位于灯管其他部分的，已经升华走的钨化合掉，再在灯丝上分解，这样就让灯丝不会因为高温而快速烧毁。白炽灯的平均使用寿命是1000个小时，碘钨灯要比它长一半，发光效率提高30%6.3.2氧化物的熔点、沸点、硬度一、活泼金属氧化物(典型离子型)较高，金属氧化物(过渡型—偏离子型)和非金属型氧化物略低BaO、CaO、SrO、MgO—熔点高NiO、FeO、CuO、CoO、ZnO

、MnO

—熔点略低二、同一金属氧化物熔、沸点高于其氯化物三、大多非金属氧化物为分子晶体，熔、沸点低四、原子晶体(SiO2)及某些过渡型晶体硬度较高：Cr2O3>Al2O3>SiO2>MgO>TiO2>Fe2O36.2.1氧化物卤化物的化学性1、氧化还原性：一、高锰酸钾：MnO4–(aq)+8H+(aq)+5e–=Mn2+(aq)+4H2O(l)（肉色）MnO4–(aq)+2H2O(l)+3e–=MnO2(s)+4OH–(aq)（棕褐色沉淀）1.酸性：2.中性：3.碱性：KMnO4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。MnO4–(aq)+e–=MnO42-(aq)（绿色）高锰酸钾，又叫过锰酸钾，俗称灰锰氧、PP粉作用消毒、洗胃药物、净化水、防治蔬菜病害、生火

2MnO4–+6H++5SO32–=2Mn2++5SO42–+3H2O2MnO4–+6H++5H2O2=2Mn2++8H2O+5O2

2MnO4–+H2O+3SO32–=2MnO2(s)+3SO42–+2OH–2MnO4–+H2O+3H2O2=2MnO2(s)+2OH–+3O2

+H2O2MnO4–+2OH–+SO32–=2MnO42–+SO42–+H2O2MnO4–+2OH–+H2O2=2MnO42–+O2

+2H2O酸性条件：中性条件：碱性条件：二、重铬酸钾：KCr2O72-Cr2O72–(aq)+14H+(aq)+6e–=2Cr3+(aq)+7H2O(l)可将较强的还原剂(如Fe2+、NO22–、SO32–、H2S等)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Cr2O72–与CrO42–存在如下平衡：Kө=1.2×1014橙色黄色2CrO42–(aq)+2H+(aq)Cr2O72–(aq)+H2O(l)

六价铬毒性大于三价铬。铬还是一种致敏源，六价铬有刺激性和腐蚀性，铬是一种致癌物。作用：实验室洗涤2、氧化物及其水合物的酸碱性1.氧化物及其水合物分类：(1)酸性氧化物：(2)碱性氧化物：(3)两性氧化物：(4)不成盐氧化物：非金属氧化物如：SO2、NO2、CO2强金属氧化物如K2O、BaO、CaO、Na2O两性金属氧化物如：Al2O3、ZnO、SnO

、SnO2、Sb2O3、Cr2O3水不溶性非金属氧化物如CO、NO酸性水合物：如：H2SO3、H2CO3碱性水合物：KOH、NaOH、Ba(OH)2、Ca(OH)2两性水合物：两性R(OH)x水合物：Al(OH)3H3AlO3HAlO2+H2O6.3无机材料基础

材料：可以用来制造有用的构件、器件或物品等的物质。按组成分类：无机非金属材料：传统无机非金属材料新型无机非金属材料

金属材料有机材料和复合材料：塑料、合成橡胶、合成纤维

水泥、玻璃、陶瓷

高温结构陶瓷、光导纤维Fe、Cu、Al、合金等结构材料：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按用途分金属材料的优点：良好的导电、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：易被腐蚀和难以满足高新技术更高温度的需要。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。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。硅酸盐指的是硅、氧与其它化学元素（主要是铝、铁、钙、镁、钾、钠等）结合而成的化合物的总称。它在地壳中分布极广，是构成多数岩石（如花岗岩）和土壤的主要成分。由于键能较高这类化合物具有：高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性

一、硅酸盐材料1.天然的硅酸盐矿物（粘土、石英、长石等）：宝石—绿柱石、黄玉、水晶2、以天然硅酸盐为主要原料，经高温窑炉烧制而成的一大类材料，故又称窑业材料。包括日用陶瓷、一般工业用陶瓷、普通玻璃、水泥、耐火材料等。分类:●1.硅酸盐矿石的结构------硅氧四面体：在这种四面体内，硅原子占据中心，四个氧原子占据四角。这些四面体，依着四面体，依着不同的配合，形成了各类的硅酸盐。这种结构导致其化学性质很稳定.正硅酸根离子[SiO4]4-共用一个顶点的二硅酸根离子[Si2O7]6-共用两个顶点的链状翡翠

NaAl(SiO3)2绿柱石中共用两个顶点的环状[Si6O18]12-祖母绿黄玉石英（石英单晶为水晶翡翠玛瑙2.可溶性硅酸盐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。

SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O(g) SiO2+Na2CO3=Na2SiO3+CO2(g)Na2SiO3与水反应，强烈水解，呈碱性

SiO32ˉ＋H2O=H2SiO3＋2OHˉ硅酸钠的水溶液称为水玻璃，俗称泡花碱。水玻璃常用做铸型砂的粘结剂：在空气中遇CO2变成黏结力极强的硅凝胶3.水泥--粉状水硬性无机胶凝材料。加水搅拌成浆体后能在空气或水中硬化，用以将砂、石等散粒材料胶结成砂浆或混凝土。分类：硅酸盐水泥（3CaO·SiO2，简式C3S），（2CaO·SiO2，简式C2S）铝酸盐水泥（3CaO·Al2O3，简式C3A）；铁铝酸盐水泥（4CaO·Al2O3·Fe2O3，简式C4AF）。硫铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥磷酸盐水泥生产工艺：以石灰石和粘土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，然后喂入水泥窑中煅烧成熟料，再将熟料加适量石膏（有时还掺加混合材料或外加剂）磨细而成。水泥的凝结和硬化：

1)、3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O（凝胶）+Ca（OH）2；

2)、2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O（凝胶）+Ca（OH）2；

3)、3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O（水化铝酸钙，不稳定）；4)、4）、CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2

装饰水泥品种白色硅酸盐水泥：以硅酸钙为主要成分，加少量铁质熟料及适量石膏磨细而成彩色水泥：在白水泥的生料中加少量金属氧化物，直接烧成彩色熟料，然后再加适量石膏磨细而成。●陶瓷原料是地球原有的大量资源粘土经过淬取而成。粘土的性质具韧性，常温遇水可塑，微干可雕，全干可磨；700度陶器；气孔率较高、有不同程度渗水性，机械强度低、断面粗糙无光泽的制品，但有耐火、抗氧化、不易腐蚀等优点，分粗陶和精陶。1230度瓷化，瓷器可完全不吸水且耐高温耐腐蚀。4、陶瓷—陶器、瓷器组成：陶瓷是混合物，成分特别多而复杂，而且根据陶瓷的产地不同成分也不同。其主要成分是二氧化硅和硅酸氧化硅、氧化铝、氧化钾、氧化钠、氧化钙、氧化镁、氧化铁

土木建筑工程用的陶瓷制品：陶瓷面砖、彩色瓷粒、陶管如果是粘土烧制的砖也可算陶器生产砖时一般用大火将砖坯里外烧透，然后熄火，使窑和砖自然冷却。此时，窑中空气流通，氧气充足，形成了一个良好的氧化气氛，使砖坯中的铁元素被氧化成三氧化二铁。由于三氧化二铁是红色的，所以也就会呈红色。如果待砖坯烧透后，往窑中不断淋水，此时，由于窑内温度很高，水很快变成水蒸汽，将会阻止空气的流通，使窑内形成一个缺氧的环境，砖中的三氧化二铁便被还原成氧化亚铁，并存在于砖中。由于氧化亚铁是青灰色的，因而砖就会呈青灰色。

青砖在抗氧化，水化，大气侵蚀等方面性能明显优于红砖玻璃：一种较为透明的固体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料。普通玻璃化学的组成(Na2O·CaO·6SiO2),主要成份是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混合物。二氧化硅（SiO2）通常为制造玻璃的主要原料，其网状结构决定了它具有优良的物理和化学性质，加上SiO2在自然界的广泛存在，从古到今都被人类广泛地应用。二氧化硅与其它化合物在高温下熔融，快速冷却可以制得玻璃，仅含二氧化硅单一成分的特种玻璃叫做石英玻璃。二氧化硅也是沙子和石英的主要成分。在半导体和太阳能板等应用中，是目前主要的原料。5、玻璃物理过程——原料混合、粉碎、干燥、加热、熔融、调色、凝固成形、退火。化学过程——除铁、合成硅酸盐