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1、重要元素及化合物,第六章,目录,6.1 单质的物理性质6.2 单质的化学性质 6.3 无机化合物的物理性质 6.4 无机化合物的化学性质 6.5 无机材料,6.1 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。,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。,单质的熔点,单质的熔点(),单质的沸点,单质的沸点(),单质的硬度,单质的硬度(莫
2、氏),第 2、3 周期元素的单质从左到右，逐渐升高，IVA最高，随后降低；,第 4、5、6 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。,主族元素的晶体类型,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，其单质的熔、沸点越高,硬度越大。,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
3、 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。,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,C60的发现,C60 结构图,1996年 Kroto,Smalley及 Curl 三位教授因首先发现 C60 而荣获瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔化学奖。,H.W.克鲁托Harold W.Kroto,R.E.史沫莱Richard E.Smalle
4、y,R.F.柯尔Robert F.Curl,发现 C60 的三位科学家,导电性和能带理论,1 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。一般而言 导体 半导体 绝缘体 电导率（MSm-1）10 1010-11 10-11 金属 Si、Ge、Se CO2、NaCl(s)及其合金 Cl2、O2、Ne,金属能三维导电，是电的良导体；许多非金属单质不能导电，是绝缘体；介于导体与绝缘体之间的是半导体，例如 Si、Ge 等。,Ag 是导电性最好的金属。Ag 也是导热性最好的金属。,单质的电导率(MSm-1),2 固体能带理论,以分子轨道理论为基础。以钠为例，两个3s原子轨道可以组合形成
5、两个分子轨道：一个能量较低的成键分子轨道和一个能量较高的反键分子轨道。当原子数目n 很大时，分子轨道数也很多，这些分子轨道的能级之间相差极小，形成了具有一定上限和下限的能带，由于3s 原子轨道之间的相互作用，形成3s 能带。,设有1mol Na 原子，按泡利不相容原理可以容纳2NA个电子，而1mol Na原子只有NA个电子，只能充满3s能带较低的一半分子轨道，其他一半是空的。此时，3s 能带是未满的能带，简称未满带。,1 mol 钠原子的 3s 轨道能带,3 能带理论的应用,金属晶体中存在这种未满的能带是金属能导电的根本原因。,绝缘体的特征是价电子所处的能带都是满带，且满带与相邻的空带之间存在
6、一个较宽的禁带。禁带宽度：5 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 eV,a 导体,导体、半导体和绝缘体的能带模型示意图,未满带,影响金属导电性的因素：温度：温度升高，导电能力降低。温度接近0K，某些物质导电能力增至无穷大-超导体。杂质：杂质含量增加，导电能力降低。一般铝线的纯度在99.5%以上，铜线在99.9%以上。影响半导体导电性能的因素：温度：温度升高，电导率增加。杂质：适量的杂质，电导率增加。例：Si、Ge 中掺加 P、As、Sb 等。,单质的纯度以及温度等因素对其导电性能影响很大。,6.2 单质的化学性质,单质的化学性质通常表现为氧化还原性。,非金
7、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出还原性。,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。,金属单质的还原性,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、原子半径和最外层电子数有关。,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。,金属置换H的能力。,1 金属单质活泼性规律,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。,同一族自上而下主副族变化规律相反（B与相邻的主族一致）。,金属单质活泼性规律,s区金属很活泼，具有很
8、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,较易制备的 KO2 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(
9、g)=2Na2CO3(s)+O2(g)4KO2(s)+2CO2(g)=2K2CO3+3O2(g),p 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：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 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；副族元素（除 Sc 副族）随周期数增加而降低。,3 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)2
10、M+(aq)+2OH-(aq)+H2(g)钠和钠下方的同族元素与水反应十分激烈，过程中生成的氢气能自燃。,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,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。,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),4 金属的钝
11、化,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Al、Cr、Ni 和 Ti 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。,非金属单质的氧化还原性,较活泼的非金属单质如 F2、O2、Cl2、Br2 具有强氧化性，常用作氧化剂。F2+2H2O=4HF+O2 Cl2（适量）2I I2 2Cl 5Cl2（过量）+I2+6H2O=10Cl+2IO3+12H+,较不活泼的非金属单质如
12、C、H2、Si 常用做还原剂，如：3C+Fe2O3=2Fe+3CO(g)C+2H2SO4(浓)=CO2(g)+2SO2(g)+2H2O S+2HNO3(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、N2 等通常不与其他物质反应，常用做惰性介质保护气体。,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
13、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。,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。,6.3 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
14、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。,6.3.1 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二元化合物。,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。,1 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
15、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。,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。,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。,从熔点数据发现两个有趣的问题：,（1
16、）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,NaCl、KCl、RbCl、CsCl r+EL离子键熔点,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。,离
17、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。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,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。,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、
18、负离子的变形性愈大，则离子极化作用愈强。,影响离子极化作用的重要因素,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 电荷数越多，极化力越强。,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 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。,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
19、决于：,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: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: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+Hg2+,附加极化作用 离子的极化作用主要指正离子使负离子变形极化。由于电子构型为 18、(18+2)电子构型的正离子极化力和变形性都比较大，当它们与变形性较大的负离子结合时，在使负离子变形极化的同时，它们本身又会受到负离子极化而变形，从而产生附加极化作用，加强了正负离子间的极化作用。例如 Ag+、
20、Cd2+、Hg2+与I、S2 间的极化。,离子极化对化学键类型的影响,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,离子键与共价键的判别(单位：pm)晶体实测键长离子半径之和键型NaF 231 231 离子键AgF 246 257 离子键AgCl 277 302 过渡型AlN 187 221 共价键AgBr 288 320 过渡型SiC 189 301 共价键AgI 299 337 共价键,（1）溶解度：极化作用越大，溶
21、解度越小。离子极化使离子键逐步向共价键过渡，根据相似相溶的原理，离子极化的结果必然导致化合物在水中的溶解度降低。例：AgF 为离子化合物易溶于水，AgCl、AgBr、AgI 均为共价化合物，并且共价程度依次增大，水中溶解度依次降低。（2）颜色：极化作用越大，颜色越深。例：AgCl是白色的，但AgBr、AgI却是黄色的。一般化合物的极化程度越大，化合物的颜色越深。所以AgBr是浅黄，而AgI是黄色的。,离子极化对化合物性质的影响,（3）熔、沸点：极化作用越大，熔沸点越低 在BeCl2、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2等化合物中，BeCl2具有较低的熔、沸点。Be2离子半径最小，又是
22、2电子构型，因此Be2有很大的极化能力，使 Cl发生比较显著的变形，Be2和 Cl之间的键有较显著的共价性。因此 BeCl2 具有较低的熔、沸点。,对第三周期氯化物：由于Na+、Mg2+、Al3+、Si4+的离子电荷依次递增而半径减小，极化力依次增强，引起Cl发生变形的程度也依次增大，致使正负离子轨道的重叠程度增大，键的极性减小，相应的晶体由 NaCl 的离子晶体转变为 MgCl2、AlCl3 的层状过渡型晶体，最后转变为 SiCl4 的共价型分子晶体，其熔点、沸点、导电性也依次递减。,FeCl2 熔点高于 FeCl3 的熔点：Fe3+正电荷较多，半径较小，极化能力更强，因此FeCl3 中的离
23、子极化作用较 FeCl2 强，使 FeCl3 晶体的熔点下降。又如：SnCl2 SnCl4 TlCl TlCl3,氧化物的熔点、沸点和硬度,金属性强的元素的氧化物是离子型化合物，如 Na2O、MgO，熔点、沸点大都较高。,大多数非金属氧化物是共价化合物，如 CO2、N2O5，固态时是分子晶体，熔点、沸点低；SiO2 则是原子晶体，熔点高、硬度大。,金属性弱的元素的氧化物属过渡型晶体：其中低价态偏向原子晶体，如 Cr2O3、Fe2O3、Al2O3，熔、沸点高。高价态偏向共价型分子晶体，如 V2O5、CrO3、MoO3，熔、沸点低。,原子型、离子型和某些过渡型的氧化物晶体，由于具有熔点高、硬度大、
24、对热稳定性高的共性，工程中常可用作磨料、耐火材料及耐高温无机涂料等。,氧化物的熔点,除标有*、*和VIII族的元素外，所有元素氧化物的价态与族数一致。*：Rh2O3；*：Au2O3;VIII族：+2 价。VA族有下划线的为+3 价。,大多数相同价态的某金属的氧化物熔点比其氯化物高。例如：MgOMgCl2;Fe2O3FeCl3;CuOCuCl2,6.4 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、介质的影响及产物的一般规律。,6.4.1 氧化还原性,高锰酸钾,在中性或弱碱性的溶液中，还原为 MnO2(棕褐色沉淀)。,在强
25、碱性溶液中，被还原为 MnO42-（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）。,(MnO4-/Mn2+)=1.506V,MnO4(aq)+8H+(aq)+5e=Mn2+(aq)+4H2O(l),MnO4(aq)+2H2O(l)+3e=MnO2(s)+4OH(aq),(MnO4-/MnO2)=0.595V,MnO4(aq)+e=MnO42(aq),(MnO4-/M
26、nO42-)=0.558V,1.酸性：,2.中性：,3.碱性：,酸性中氧化性最强,2MnO4+6H+5SO32=2Mn2+5SO42+3H2O,2MnO4+6H+5H2O2=2Mn2+8H2O+5O2,2MnO4+H2O+3SO32=2MnO2(s)+3SO42+2OH,2MnO4+H2O+3H2O2=2MnO2(s)+2OH+3O2+H2O,2MnO4+2OH+SO32=2MnO42+SO42+H2O,2MnO4+2OH+H2O2=2MnO42+O2+2H2O,酸性条件：,中性条件：,碱性条件：,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。,C
27、r2O72 与 CrO42 存在如下平衡：,黄色,橙色,K=1.21014,Cr2O72(aq)+14H+(aq)+6e=2Cr3+(aq)+7H2O(l),(Cr2O72/Cr3+)=1.33V,可将较强的还原剂(如 Fe2+、NO2、SO32、H2S 等)氧化。,Cr2O72+14H+6Fe2+=2Cr3+6Fe3+7H2O,2Cr2O72+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。,亚硝酸钠 无色透明晶体,一般用作氧化剂，有弱毒性、致癌。亚硝酸盐中氮的氧化值为+3，处于中间价态，既有氧化性又有还原性。在酸性介
28、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),作为氧化剂：2NO2+2I+4H+=2NO(g)+I2+2H2O,作为还原剂Cr2O72+3NO2+8H+=2Cr3+3NO3+4H2O,过氧化氢,过氧化氢中氧的氧化值为-1，既有氧化性又有还原性，还有歧化作用。,还原性：O2+2H+2e=H2O2=0.695(V)H2O2 与强氧化剂作用（KMnO4，K2Cr2O7）充当还原剂，生成O2。如：2MnO4-+5H2O2+6H+=2Mn2+5O2+8H2O氧
29、化性：H2O2+2H+2e=2H2O=1.776(V)H2O2 与还原剂作用表现氧化性生成 H2O。如：H2O2+2I+2H+=I2+2H2O H2O2+H2S=S+2H2O,过氧化氢的歧化作用:2H2O2=2H2O+O2,液态 H2O2 热力学不稳定。,过氧化氢的应用：漂白剂：漂白象牙、丝、羽毛等；消毒剂：3%的 H2O2 做外科消毒剂；氧化剂：90%的 H2O2 做火箭燃料的氧化剂。,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。,(1)酸性氧化物：,(2)碱性氧化物：,(3)两
30、性氧化物：,(4)不成盐氧化物：不溶性非金属氧化物如 CO、NO。,非金属氧化物如：SO2、NO2、CO2,活泼金属氧化物如：K2O、BaO、CaO、Na2O,两性金属氧化物如：Al2O3、ZnO、SnO、SnO2、Sb2O3、Cr2O3,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)3,H3AlO3,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
31、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。,氧化物及水合物的酸碱性,相同元素不同价态的氧化物及其水合物的酸碱性,R(OH)x 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
32、氧化物常显两性，例如 Zn2+、Al3+等的氢氧化物。,I,II,酸式,碱式,氯化物,氯化物与水的作用 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 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。,p区三金属氯化物(SnCl2、SbCl3、BiCl3)：SnCl2+H2O Sn(OH)Cl(s)+HClSbCl3
33、+H2O SbOCl(s)+HClBiCl3+H2O BiOCl(s)+HCl,配制此类盐溶液，例如：SnCl2 水溶液。配制时先加HCl后加水稀释。再加少量锡粒;防止 Sn2+被氧化。,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。,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
34、与水反应，强烈水解，呈碱性：SiO322H2O=H2SiO32OH,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 N
35、a2SiO3 是简化表示)，m 称为水玻璃的模数，一般在3 左右。,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+2NaCl,CoCl26H2O=CoCl22
36、H2O=CoCl2H2O=CoCl2,325,393,363,粉红 紫红 蓝紫 蓝色,6.5 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。,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。,金属材料,无机非金属材料,有机高分子材料,复合材料,金属和合金材料,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：易被腐蚀和难以满足高新技术更高温度的需要。,思
37、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。,1 合金的基本结构类型,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,金属化合物,当合金中加入的溶质原子数量
38、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。,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 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 非金属硅和硼的碳化物，如碳化硅(
39、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 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。,2 轻质合金,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 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 钛中加入铝、钒、铬、钼、锰等形成钛合金。
40、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。,3 耐热合金与低熔合金,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 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。,4 形状
41、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。,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,“记忆金属”食道架能在喉部膨胀成新的
42、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“记忆金属”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“自动”从外胎里伸出来，防止车轮打滑。,记忆毛毯,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，它就会自动掀开一部分，适当降低温度，使人睡得更安稳。,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。,5 非晶态合金,熔融状态的合金
43、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。,无机非金属材料,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
44、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。,1 耐热高温结构材料,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 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
45、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。,2 半导体材料,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。,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。,3 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.
46、G.贝德诺兹Johannes G.Bednorz,K.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,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,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
47、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。,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。,4 光导纤维,光
48、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,纳米材料和纳米碳管,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 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
49、性高；表面活性中心数多，催化效率高。,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,纳米材料的应用,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，是生产其他三类产品的基础。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
50、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。,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；
