第06章 非金属元素与无机非金属材料.ppt

第六章非金属元素与无机非金属材料 第一节非金属元素概述 一 周期系中的非金属元素 H HeBCNOFNeSiPSClArAsSeBrKrTeIXeAtRn 1外层电子构型 H1s1其它ns2np1 50族ns2np6 1 电离能大 电子亲合能负 电负性大 3可变的氧化数 4晶体类型 原子晶体 过渡晶体 分子晶体 BCSiAsSeSb大多数 2 2原子的性质 二单质的物理性质 熔沸点 硬度与晶体类型对应 金刚石 C 最高 10 原子晶体 He最低 分子晶体 大多数是非导体 BCSiPAsSe具有半导体性质 三单质的化学性质 与活泼金属可反应 O2 X2 N2需 活化 3 N2可做保护气体 但2000 下可得NO N2 O2 2NO 常温下只有X2可与水反应 2F2 2H2O 4HF O2Cl2 H2O HCl HClO高温下B C Si与H2O反应得H2 4 常温下与氧无明显反应 白磷自燃 不与非氧化性酸反应 与氧化性酸反应得含氧酸 S c HNO3 H2SO4 2NO 5 如 1000 时 C H2O g CO H2N2 P O2 S则不反应 Cl2可与碱反应 B Si P S与浓碱反应得含氧酸 2B 2KOH 2H2O 2KBO2 3H2 第二节非金属元素的重要化合物 一卤化物 1卤化物的晶体类型及熔沸点卤化物 卤素与比卤素电负性小的元素组成的二元化合物 卤化物的熔点 活泼金属卤化物 离子晶体 熔点较高 过渡金属卤化物 过渡晶体 熔点较低 非金属的卤化物 分子晶体 熔点很低 6 上述情况可用离子极化理论予以说明 离子极化理论 视化合物由正 负离子组成 视离子的正负电荷中心重合 离子在电场作用下产生诱导偶极 离子的极化 离子的极化决定于离子的极化力和变形性 7 离子的极化力与离子的电荷 半径 电子层结构有关 离子的变形性是指某离子在外电场作用下被极化的程度 与离子的电荷 半径 电子层结构有关 主要与离子的半径有关 8 离子的极化力是指 某离子使邻近异电荷离子变形 极化 的能力 结果是 离子键向共价键过渡 离子晶体向分子晶体过渡 化合物的物理性质随之发生相应变化 如熔点变低 水中溶解度变小 等 9 离子极化的结果导致原子轨道的重叠 离子极化作用增强 如第3周期氯化物熔点依次 高 低正离子元素NaMgAlSiPS电荷 1 2 3 4 5 6 离子的半径 依次变小离子的极化力 依次增强Cl 被极化程度 依次增大氯化物键型离子键 共价键 晶型离子晶体 分子晶体 熔点高 低 10 解释 A A卤化物一般不水解 某些卤化物水解生成氯氧化物 HCl SbCl3 H2O SbOCl s HClBiCl3 H2O BiOCl s HCl 非金属卤化物能完全水解生成两种酸 BCl3 3H2O H3BO 3HClPCl5 4H2O H3PO4 5HClSiCl4 3H2O H2SiO3 4HCl 11 2 卤化物的水解 二氧化物 氧化物 氧与电负性比氧小的元素组成的二元化合物 1氧化物的晶型 熔点 硬度规律与卤化物类似 如 12 此处讨论正常氧化物 Mn 极化力 依次增强晶型离子晶体 过渡 分子晶体熔点高 低 例NaOMgOAl2O3CO2SO3CrO3MnO2Cr2O3Mn2O3 13 高价态极化力强 低价态极化力弱 BCNNaMgAlSiPSCl 2氧化物及其水合物的酸碱性 ROH模型ROH由Rn O2 H 离子组成 ROH中R O O H皆为离子键 R O H 碱式解离 如 ROH Rn OH ROH H ROn 14 酸式解离 ROH的解离方式决定于R O键的相对强弱 即决定于Rn 的极化力 同周期 Na Mg2 Al3 Si4 P5 S6 Cl7 Rn 电荷 依次增大R O结合力 依次增强RO对H 斥力 依次增大ROH的酸性 依次增强 同族 上 下 n 同 r 大 Rn 极化力 弱 R O键 弱 酸性 弱 15 举例 包括两种情况 热分解 如 2HgO 2Hg O2 置换 如 2Al Fe2O3 Al2O3 2Fe前者可用 fH判断 后者可用 G T图判断 大多数氧化物稳定 不分解 少数不活泼金属氧化物受热会分解 2Ag2O 4Ag O2卤素氧化物最不稳定 低温下即分解 16 3氧化物的稳定性 三含氧酸及其盐 盐由两部分组成 正离子 17 酸根 无氧酸根 含氧酸根 负配离子如 Cl S2 SO42 CO32 Fe CN 6 3 此处讨论含氧酸的盐 金属离子 金属氧根 正配离子如 K Cu2 SbO TiO2 Cu NH3 4 2 CO2水溶液中 含有大量CO2 H2O 少量H2CO3 H2CO3的解离 H2CO3 HCO3 盐的溶解度 A 除Li NH4 外皆难溶 18 假定溶于水中的CO2全部转化为H2CO3 1碳酸及其盐 易溶盐的酸式盐NaHCO3难溶 难溶盐的酸式盐Ca HCO3 2易溶 热稳定性 正盐 酸式盐 酸如 CaCO3Ca HCO3 2H2CO3可用热分解温度衡量碳酸盐的稳定性 如 A碳酸盐BaCO3SrCO3CaCO3MgCO3热分解温度 12921098841558 19 热分解温度 碳酸盐分解出的p CO2 达到101325Pa时的温度 此温度可用热力学数据计算 无论浓稀都有氧化性 还原产物很多 N2O NO NO2 N2 NH4 等 决定于酸的浓度和还原剂 20 2硝酸 亚硝酸 及其盐 HNO3 可钝化某些金属 如 Ti Cr Al Fe Co Ni 21 王水由于HNO3的氧化能力和Cl 配合物的形成而具有很强的溶解能力 这里有三块黄金样品 左边的样品上加浓盐酸 右边的加浓硝酸 中间的加两种酸的混合物 金子只与混酸反应 这种混酸称为王水 意思是 黄金水 活泼金属2NaNO3 2NaNO2 O2Mg Cu之间2Pb NO3 2 2PbO 4NO2 O2Ag后金属2AgNO3 2Ag 2NO2 O2 其分解情况有三 视金属的活泼性 硝酸盐多不稳定 22 酸性介质中 氧化性为主 遇强氧化剂 表现还原性 3硫的含氧酸及其盐 H2SO4 浓酸具有氧化性 还原产物多种 有钝化作用 如 TiAlCrFeCoNi 沸点 338 高 做热浴 制挥发酸 硫酸盐溶液无氧化性 热稳定性强 23 HNO2兼具氧化还原性 5 NH4 2S2O8 2MnSO4 8H2O Ag 2HMnO4 5 NH4 2SO4 7H2O 稳定性差 加热分解 NH4 2S2O8 NH4 2SO4 SO2 O2 4 亚硫酸盐兼具氧化 还原性 主要在碱性介质中做还原剂 24 过硫酸铵 NH4 2S2O8 有氧化性 因含 O O Na2SO3 Cl2 H2O Na2SO4 2HClNa2SO3 2KMnO4 2KOH Na2SO4 2K2MnO4 H2O 5 Na2S2O3常用的还原剂 用于吸氯 S2O32 4Cl2 5H2O 2SO42 10H 8Cl 用于测I2 2S2O32 I2 S4O62 2I 25 氯有四种含氧酸 皆有氧化性 HClOHClO2HClO3HClO4其氧化性 依次增强 可见氧化性与氧化数无关 盐 Ca ClO 2 CaCl2漂白粉 用于杀菌消毒 26 KClO3KClO4NH4ClO4高温时皆氧化剂分解出大量气体 可用于火柴焰火炸药 4氯的含氧酸及其盐 2KClO3 2KCl 3O2NH4ClO4 N2 6H2O 4HCl 5O2 5含氧酸盐热稳定性的规律 酸不稳定 对应的盐亦不稳定 正盐 酸式盐 酸 同一种酸 碱金属盐 碱土金属 过渡金属 铵 同一酸根 高氧化值盐 低氧化值盐 同一成酸元素 NaNO3 NaNO2例外 27 如 第三节新型无机非金属材料简介 一半导体材料 1半导体导电机理 金属的能带理论 根据分子轨道理论 MO法 二相邻原子的相应原子轨道可以组成总数目相同的分子轨道 金属晶体中 原子紧密堆积 原子数目很大 可以组合成很多分子轨道 这些分子轨道间能量差很小 形成了能带 28 如 Na的3s1形成3s能带 3s 3s 能量较低的 3s能带充满电子 称满带 3s能带没有电子 为空带 又称导带 在满带和导带之间有禁带 29 满带 禁带 空带之间有三种情况 满 导带间无禁带 电子可进入导带 此即导体导电 满 导带间禁带很宽 480kJmol 1 电子不能激发进入导带 此即绝缘体 30 禁带宽度较窄 96 290kJmol 1 电子可在小能量下激发到导带 通常不导电 此即半导体 在半导体中 满带中一个电子被激发到导带 则导带中有一个负电荷 电子 满带中有一个正电荷 空穴 31 电子 正极 空穴 负极这就是半导体导电 其电导是电子和空穴的电导之和 2半导体种类 单质半导体 本征半导体 无杂质单晶 需高能量激发电子 电子和空穴数目相等 32 在电场中 杂质半导体 选择性地掺入杂质 单质 不化合 如 33 n型 Si Ge中掺入As P 多一个价电子 称施主杂质 电子导电 p型 Si Ge中掺入B In 少一个价电子 称受主杂质 空穴导电 所掺杂质的轨道能级应处于本征半导体禁带宽度之中 34 许多化合物与合金具有半导体性质 以 A A B B的化合物为主 p n结 p型半导体和n型半导体接触 以接触电势差对交流电起整流作用 对信号起放大作用 35 3半导体材料的特性和用处 化合物半导体 以半导体的电导 温度关系做热敏电阻 用于测温 p n结中 半导体受光照 电子进入导带 此时 电子进入n区 空穴进入p区 36 太阳能电池 以半导体的电导 光照关系做光敏电阻 用于光电控制 静电复印 形成电势差 同时产生电子和空穴 光生伏特效应 二超导材料 1超导现象及临界条件 1911年发现 Hg在4 2K附近 电阻突然消失 金属的这种特殊状态称超导态 向超导态转变的温度叫超导临界温度Tc 37 超导态时 磁感应强度也为零 即具有完全的抗磁性 当磁场超过Hc时 超导态被破坏 Hc叫临界磁场 通过超导体的电流超过Ic后 超导态也被破坏 Ic叫临界电流 T Tc H Hc I Ic超导态都被破坏称超导体的三大邻界条件 38 超导态具有完全的抗磁性 39 2超导材料 目前已发现30种单质 8000种金属 合金 化合物具有超导性 1987年赵宗贤等 YBa2Cu3O7 x Tc 90K 1993年中 瑞合作 Hg Ba Cu O Tc 133 5K 40 日前发现 C60的某些金属化合物具有超导性 C60 足球烯 的结构 41 三激光材料 1激光的特点 光源亮度高 方向性极强 单色性极好 2激光的产生 通常 物质的粒子大多处于基态 极少处于激发态 激发态粒子跃迁回基态放出热 非辐射跃迁 和光 辐射跃迁 自发辐射 42 若人为地使多数粒子处于激发态 粒子数反转 此时 以h 入射此工作物质 激发态粒子受到激发而跃迁 辐射出的光子与入射光完全相同 受激发射 43 由于激发态粒子多而起到放大作用 受激发射所发出的光 激光 把上述过程持续下去的装置 激光器 3激光器种类 固体激光器 激活离子 产生激光的离子 Cr3 Mn2 Co3 Ni2 Ln3 Nd3 基质材料 传播激光的介质 44 Al2O3 晶体激光器 钕玻璃 玻璃激光器 气体激光器 原子气体激光器 如He Ne激光器 分子气体激光器 如CO2激光器 离子气体激光器 半导体激光器 等 45 加工 打孔 切割 焊接 四光导材料 皮料 低折射率的玻璃 吸收料 46 通讯 方向性 发散性好 可远距离传输 1光纤的组成 芯料 高折射率 高透光度 不析晶的玻璃 4应用 多组分玻璃光纤 复合材料光纤 石英光纤 高纯度或掺杂 光在芯料和皮料界面上全反射 入射光封闭在芯料内 经过无数次全反射 锯齿状传播 47 3 通信原理 2光纤材料 光缆结构图 48 HClO4 H2SO3 H2SO4的酸性 Sr OH 2 Sc OH 3 Y OH 3的碱性 FeCl3 PCl3 CaCl2的水解性 MgCO3 CaCO3 ZnCO3 NH4 2CO3的热稳定性 49 例题 比较并简单说明下列物质的有关性质 酸性 HClO4 H2SO4 H2SO3成酸元素氧化值高者酸性强 碱性 Sr OH 2 Y OH 3 Sc OH 3元素R的极化力弱 其ROH碱性强 水解性 PCl3 FeCl3 CaCl2元素R的极化力弱 卤化物水解性差 稳定性 CaCO3 MgCO