第八章-化学与材料.ppt

金属元素87种 非金属元素22种 109种元素 8 1金属单质的物理性质 8 1 1熔点 沸点和硬度 金属晶体 金属键 金属键的强度与金属的原子半径 价电子数及核对外层电子的作用力有关 表8 1单质的熔点 表8 2单质的沸点 变化趋势与熔点相似 表8 3单质的硬度 莫氏 金属单质的密度 8 1 2导电性 金属晶体中存在自由电子 是电的良导体 p区对角线附近的金属导电能力介于导体与绝缘体之间 是半导体 如Ge等 Ag Cu Au Al是良好的导电材料 金属导电性的影响因素 纯度 温度等 表8 4单质的电导率 MS m 1 8 1 2 1导电性和固体能带理论 导体 电导率大于10S m 1 周期表左边的金属及合金 绝缘体 电导率小于10 11S m 1 p区右上部元素及稀有气体元素的单质 例如Cl2 O2 Ne Ar等 半导体 10 11S m 1 电导率 10S m 1 p区对角线附近的元素单质 例如Si Se Ge等 化合物中 大多数都是绝缘体 少数化合物是半导体 如 GaAs InSb GaP ZnO CdS ZnSe等 1 导电性 2 固体能带理论 以分子轨道理论为基础 3s 3s 2Na 3Na n个Na 空轨道 空能级 电子占用能级 3s能带 满带 导电 空带 半满带 a 导体 导体 半导体和绝缘体的能带模型示意图 能隙 能隙 金属晶体中存在未满的能带是金属能导电的根本原因 温度升高时 金属中原子和离子热振动加剧 电子与它们碰撞的频率增加 电子穿越晶格的运动受阻 使导电能力下降 绝缘体不能导电是因为禁带的宽度较大 5eV 一般温度下电子难以跃过禁带 半导体的禁带较窄 2 3eV 升高温度有少数电子可以激发 跃过禁带而导电 思考 为什么金属导电率随温度升高而降低 半导体和绝缘体的导电率随温度升高而迅速增加 8 2金属单质的化学性质 表8 5金属单质活泼性规律 1 金属单质活泼性规律 8 2 1还原性 1 金属与氧的作用 s区金属活泼 还原性强 过氧化物和超氧化物都是固体储氧物质 能释放出氧气 2Na2O2 s 2CO2 g 2Na2CO3 s O2 g 4KO2 s 2H2O g 4KOH s 3O2 g 4KO2 s 2CO2 g 2K2CO3 3O2 g KO2常用于急救器或装在防毒面具中 p区金属元素 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阻止反应进一步进行 d区元素活泼性较弱 第四周期元素除Cu外可以与氧反应 但Cr Zn也形成致密的氧化膜 2 金属的溶解 s区金属与水剧烈反应 置换出水中的氢 Be和Mg形成致密的氧化物保护膜 对水较为稳定 p区金属 除Sb Bi外 和第四周期副族金属 Cu除外 可与盐酸 稀硫酸等非氧化性的酸反应 2Na 2H2O 2NaOH H2 从电极电势来理解 Zn 2HCl ZnCl2 H2 Fe 2HCl FeCl2 H2 p区金属中的铝 镓 锡 铅 d区的铬 s区的锌等可溶解于碱溶液 d区和ds区第五 六周期金属的电极电势比H高 只能用氧化性的酸 浓硫酸 浓硝酸 王水等 溶解 3Pt 4HNO3 18HCl 3H2 PtCl6 4NO g H2O 3Cu 8HNO3 3Cu NO3 2 2NO g 4H2O Au HNO3 4HCl H AuCl4 NO g 2H2O 2Al 2NaOH 2H2O 2NaAlO2 3H2 Sn 2NaOH Na2SnO2 H2 2 金属的钝化 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 铝制品可以做炊具 铁制容器和管道能贮运浓HNO3和浓H2SO4 在钢中加入铬 铝和硅等 能生成具有钝化作用的氧化膜 有效地减慢了高温下钢的氧化 依此可设计耐热钢 8 3金属和合金材料 金属材料的优点 良好的导电 传热性 高的机械强度 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对更高温度的需要 纯金属远不能满足工程上提出的众多性能要求 合金 由两种或两种以上的金属元素 或金属和非金属元素 组成 具有金属所应有的特征 例如 钢由铁和碳组成 青铜由铜和锡组成 8 3 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 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 置换固溶体 溶质原子占据了溶剂原子格点的位置 形成条件 原子半径 电负性及晶格类型等方面相近 例如 钒 铬 锰 镍 钴等元素与铁能形成置换固溶体 间隙固溶体 溶质原子填充在溶剂原子格点的间隙之中 原子半径特别小的氢 硼 碳 氮与许多副族金属元素形成间隙固溶体 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 组成 金属元素与金属元素 如Mg2Pb CuZn等 金属元素和非金属元素 如硼 碳 氮等非金属元素与d区金属元素形成的化合物 金属化合物 碳化物 离子型 共价型 金属型 活泼金属的碳化物 如CaC2 硅或硼的碳化物 如SiC B4C d区金属的碳化物 如WC Fe3C有金属光泽 导电导热 熔点高 硬度大 脆性也大 8 3 2常见的金属和合金材料 1 轻金属和轻合金 1 镁和镁合金 密度1 738g cm 3 轻 机械强度低 化学性质活泼 极易被氧化 氧化膜疏松 不起保护 用途 造照明弹 烟火 制合金 常加入铝 锌 锰等 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 铝合金相对密度小 强度高 易成型 广泛用于飞机制造业 2 铝合金 钛中加入铝 钒 铬 钼 锰等形成钛合金 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 钛合金 2 合金钢和硬质合金 d区副族金属熔点高 硬度大 加入碳钢中制成合金钢 第IV V VI副族金属与C N B等形成的合金熔点和硬度特别高 称为硬质合金 制造高速切削和钻探工具主要部位的优良材料 3 低熔合金 低熔金属 IA IIB p区金属 汞 锡 铅和铋等 汞常用做温度计 气压计中的液柱 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 8 4非金属单质的物理性质 根据单质或化合物的组成 结构及在周期表中的位置 区分晶体所属类型 晶体类型 晶体微粒间作用力的性质和大小 表8 6主族元素的晶体类型 熔点 高 表8 7非金属单质的晶体结构 熔点沸点 8 5非金属单质和化合物的化学性质 氧化还原性 酸碱性 热稳定性等 8 5 1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 Cl2 2I 2Cl I25Cl2 I2 6H2O 10Cl 2IO3 12H 可根据 的大小判断氧化性的强弱 较不活泼的非金属单质如C H2 Si常用做还原剂 如 C 2H2SO4 浓 CO2 g 2SO2 g 2H2O3Si 18HF 4HNO3 3H2 SiF6 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 大多数非金属单质既有氧化性又有还原性 可发生岐化反应 如Cl2 Br2 I2 P4 S8等 Cl2 H2O HCl HClOBr2 6NaOH 5NaBr NaBrO3 3H2O 8 5 2酸碱性 1 氧化物及其水合物的酸碱性氧化物可分为酸性 碱性 两性和不成盐四类 不成盐氧化物与水 酸或碱不起反应 如CO NO等 氧化物的水合物通式 R OH x R OH x离子键理论 R OH X型化合物可以按两种方式解离 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 氧化物及其水合物的酸碱性强弱的一般规律 周期系各族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 8 5 3热稳定性 1 热稳定性的一般规律 1 含氧酸盐热分解 吸热反应 升温利于热分解 2 同一种含氧酸 其正盐比相应的酸式盐要稳定 酸式盐又比相应的含氧酸稳定 CaCO3Ca HCO3 2H2CO3Na2SO4NaHSO4H2SO4 热稳定性 3 同一种含氧酸的盐 活泼金属的盐比一般金属的盐稳定 CaCO3 FeCO3NaNO3 AgNO3CaSO4 ZnSO4 4 同一金属离子与不同酸根所形成的盐 其稳定性取决于对应酸的稳定性 酸较稳定 对应的盐也较稳定 Na2SO4 Na2CO3 Ca3 PO4 2 Ca NO3 2 颗粒尺寸为1 100nm 8 6纳米材料 1 特性 表面效应 纳米粒子表面原子与总原子数之比 粒径越小 表面效应越大 表面能增高 活性 催化 吸附 急剧增强 量子尺寸效应 准连续能带分裂为分立能级 能级能隙变宽 粒径越小 能隙越大 导致光 电 磁 热 声等特性异常 制造隐形飞机 导体变成绝缘体等 小尺寸效应 由于纳米粒子的细化 使得材料的强度 韧性和超塑性大为提高 纳米铜的强度比普通铜高5倍 纳米陶瓷摔不碎 熔点显著下降等 宏观量子隧道效应 当微观粒子的总能量小于势垒高度时 该粒子具有贯穿势垒的能力 宏观量子隧道效应是未来微电子 光电子器件的基础 它指出了现有微电子器件进一步小型化的物理极限 磁性材料当磁性颗粒尺寸很小时 在一定温度范围内将呈现类似于顺磁体的超顺磁性 用它制作磁记录可以大大提高记录密度 提高声噪比 改善图像质量 还可作快门 光调节器 改变外磁控制透光量 激光磁爱滋病毒检测仪等仪器仪表 抗癌药物磁性载体 细胞磁分离介质材料 复印机墨粉材料以及磁墨水和磁印刷等 2 纳米材