大學化學第6章ppt課件

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第6章元素化學與無機材料 Chapter6ElementChemistryandInorganicMaterial 6 1單質的物理性質6 2單質的化學性質6 3無機化合物的物理性質6 4無機化合物的化學性質6 5配位化合物6 6無機材料 第6章元素化學與無機材料 6 1單質的物理性質 元素 112 非金屬 22 金屬 90 普通 Fe 5 1 Cu Au 5 10 7 Ag 1 10 5 Al等 1 3 稀有 2 3 輕稀有金屬 Li Rb Cs Be等難熔稀有金屬 Ti 1660 C V 1890 C W 3410 C Zr Nb Mo Hf Ta等稀散金屬 Ga In Tl Ge 分散在Al Si等礦石中 稀土金屬 Sc Y 鑭系 共生 等貴稀有金屬 Pt Pd 鈀 等放射性稀有金屬 錒系 Ra Po Th Pa U等 思考 單質的物理性質主要與什么因素有關 答 單質的物理性質與它們的原子結構或晶體結構有關 由于原子結構或晶體結構具有一定的規(guī)律性 因此單質的物理性質也有一定的規(guī)律性 6 1 1熔點 沸點和硬度 單質的熔點 沸點和硬度一般具有相同的變化趨勢 即熔點高的單質其沸點一般也高 硬度也較大 第2 3周期元素的單質從左到右 逐漸升高 第四主族的元素最高 隨后降低 第4 5 6周期元素的單質從左到右 逐漸升高 第六副族的元素最高 隨后逐漸降低 即 高熔點 高硬度單質集中在中部 其兩側較低 6 1單質的物理性質 1 單質的熔點 單質的熔點 C 6 1單質的物理性質 2 單質的沸點 圖6 2單質的沸點 C 6 1單質的物理性質 3 單質的硬度 圖6 3單質的硬度 莫氏 6 1單質的物理性質 4 主族元素的晶體類型 6 1單質的物理性質 5 非金屬單質的晶體結構 非金屬單質的分子和晶體結構示意圖 金屬晶體 6 1單質的物理性質 碳的同素異形體 金剛石 sp3網格狀硬度大石墨 sp2片層狀潤滑性 導電性C60 類sp2球烯多種優(yōu)異性能 碳的同素異形體 石墨 C60 金剛石 6 1單質的物理性質 C60的發(fā)現(xiàn) C60結構圖 1996年Kroto Smalley及Curl三位教授因首先發(fā)現(xiàn) 1985 C60而榮獲瑞典皇家科學院頒發(fā)的諾貝爾化學獎 H W 克魯托HaroldW Kroto R E 史沫萊RichardE Smalley R F 柯爾RobertF Curl 6 1單質的物理性質 6 1 2單質的導電性 導體 金屬能三維導電 是電的良導體絕緣體 許多非金屬單質不能導電 是絕緣體半導體 介于導體與絕緣體之間的是半導體 如Si Ge等 思考 單質中最好的導體是誰 答 1 Ag Cu Au Al等是最好的導電材料 2 Ag Au價格昂貴 只用于電子器件連接點等特殊場合 3 Al Cu廣泛用于電器工業(yè) Al的電導率低于Cu 但密度小 因此Al代替Cu作高壓電纜 6 1單質的物理性質 圖6 6單質的電導率 MS m 1 6 1單質的物理性質 6 1單質的物理性質6 2單質的化學性質6 3無機化合物的物理性質6 4無機化合物的化學性質6 5配位化合物6 6無機材料 第6章元素化學與無機材料 6 2 1金屬單質的還原性 思考1 金屬單質的還原性主要與哪些因素有關 答 從結構因素考慮 主要與元素的核電荷數(shù) 原子半徑和最外層電子數(shù)有關 思考2 金屬單質的還原性主要體現(xiàn)在哪些反應上 金屬與氧的作用金屬置換氫的能力 6 2單質的化學性質 1 金屬單質活潑性規(guī)律 同一周期 短周期 左到右金屬單質的還原性逐漸減弱 長周期 遞變情況和短周期一致 但較為緩慢 也有例外 同一族自上而下主副族變化規(guī)律相反 B與相鄰的主族一致 氧化性增強 氧化性增強 還原性增強 還原性增強 還原性增強 還原性增強不明顯 還原性增強 金屬單質活潑性規(guī)律 6 2單質的化學性質 2 溫度對單質活潑性的影響 在873K時 單質與氧氣結合的能力由強到弱的順序大致為 Ca Mg Al Ti Si Mn Na Cr Zn Fe H2 C Co Ni Cu這一順序與常溫時單質的活潑性遞變情況并不完全一致 溫度會影響金屬與氧氣反應的產物 對于氧化值可變的金屬來說 高溫下生成低氧化值的金屬氧化物的傾向較大 而常溫下生成高氧化值的金屬氧化物的傾向較大 例如 鐵在高溫下以生成FeO為主 常溫時則以Fe2O3為主 6 2單質的化學性質 3 金屬與氧的作用 過氧化物和超氧化物都是固體儲氧物質 它們與水反應會放出氧氣 又可吸收CO2并產生O2氣 所以較易制備的KO2常用于急救器或裝在防毒面具中 正常氧化物 Li2O BeO MgO等 在空氣中生成氧化物過氧化物 除Li Be Mg外 在純O2中生成過氧化物 超氧化物 K Rb Cs Ca Sr Ba等 在過量的O2中燃燒可以生成 2Na2O2 s 2CO2 g 2Na2CO3 s O2 g 4KO2 s 2H2O g 3O2 g 4KOH s 4KO2 s 2CO2 g 2K2CO3 3O2 g 6 2單質的化學性質 1 S區(qū) 2 p區(qū)金屬元素只有Al比較活潑 能在空氣中與氧反應 但生成致密的氧化膜 3 d區(qū)元素比較不活潑 第四周期元素除Cu外可以與氧反應 但Cr Zn也形成致密的氧化膜 Sc在空氣中能迅速作用Sc2O3Ti V常溫下對空氣較穩(wěn)定高溫與氧氣強烈化合TiO2 V2O5Cr Mn常溫下緩慢氧化高溫下與氧氣作用明顯Cr2O3氧化膜Fe Co Ni常溫與氧氣作用不顯著高溫與氧氣作用Fe2O3 Co2O3 NiO氧化膜Cu性質穩(wěn)定 加熱氧化CuOZn活潑性較強ZnO氧化膜 6 2單質的化學性質 思考 副族元素與氧反應的活潑性遞變規(guī)律同主族元素相比 有何不同 答 同一周期 活潑性遞變規(guī)律基本一致 但副族元素的變化很小 性質比較類似 同一族 主族元素隨周期數(shù)增加而增加 副族元素 除Sc副族 隨周期數(shù)增加而降低 6 2單質的化學性質 4 金屬的溶解 s區(qū)金屬與水劇烈反應 置換出水中的氫 生成氫氧化物 2Na 2H2O 2NaOH H2Be Mg形成致密氧化膜 對水穩(wěn)定 p區(qū)金屬 除銻 鉍外 和第四周期副族金屬 銅除外 的電極電勢比氫低 可以與鹽酸和稀硫酸反應 Zn 2HCl ZnCl2 H2 d區(qū)第五和第六周期金屬的電極電勢比氫高 只能與氧化性的酸 濃硫酸 濃硝酸 王水等 反應 3Pt 4HNO3 18HCl 3H2 PtCl6 4NO g 3H2OAu HNO3 4HCl H AuCl4 NO g 2H2O 鈮 鉭 釕 銠 鋨 銥等不能溶于王水 可以溶于濃硝酸和氫氟酸的混合酸 p區(qū)金屬中的鋁 鎵 錫 鉛等可以溶解于氫氧化鈉 2Al 2NaOH 2H2O 2NaAlO2 3H2 g 6 2單質的化學性質 5 金屬的鈍化 金屬在空氣中會自動氧化生成具有較強保護作用的氧化膜 稱為金屬的鈍化 最易產生鈍化作用的有Al Cr Ni和Ti以及含有這些金屬的合金 金屬的鈍化必須滿足兩個條件 金屬所形成的氧化膜在金屬表面必須是連續(xù)的 即所生成的氧化物的體積必須大于金屬原有的體積 氧化膜的結構致密 而且具有較高的穩(wěn)定性 氧化膜與金屬的熱膨脹系數(shù)相差不能太大 6 2單質的化學性質 6 2 2非金屬單質的氧化還原性 較活潑的非金屬單質如F2 O2 Cl2 Br2具有強氧化性 常用作氧化劑 5Cl2 I2 6H2O 10Cl 2IO3 12H 較不活潑的非金屬單質如C H2 Si常用做還原劑 如 C 2H2SO4 濃 CO2 g 2SO2 g 2H2O3Si 18HF 4HNO3 3H2 SiF6 4NO g 8H2OSi 2NaOH H2O Na2SiO3 2H2 g 一些不活潑的非金屬單質如稀有氣體 N2等通常不與其他物質反應 常用做惰性介質保護氣體 6 2單質的化學性質 歧化反應有些非金屬單質既具有氧化性又具有還原性 其Cl2 Br2 I2 P4 S8等能發(fā)生岐化反應 Cl2 H2O HCl HClOCl2 2NaOH NaCl NaClO H2O 溴和碘在氫氧化鈉中傾向于生成溴酸鈉和碘酸鈉 Br2 6NaOH 5NaBr NaBrO3 3H2O 次氯酸鈉次氯酸鈉可以釋放出原子氯 后者有極強的殺菌和漂白作用 因此廣泛地用作消毒液和漂白劑 次氯酸鈉在工業(yè)上用作氧化劑 可以將芳酮氧化為羧酸 ArCOCH3 NaOCl ArCOONa CH3Cl 6 2單質的化學性質 離子型氫化物 活潑性極強的堿金屬和堿土金屬可以與氫氣發(fā)生反應生成離子型氫化物 2Na H2 2NaHCa H2 CaH2 氫化物可分為共價型 如HCl 金屬型 離子型等 離子型氫化物可以釋放原子態(tài)氫 在工業(yè)上作為強還原劑用于還原醛 酮 酯等羰基化合物 6 2單質的化學性質 6 1單質的物理性質6 2單質的化學性質6 3無機化合物的物理性質6 4無機化合物的化學性質6 5配位化合物6 6無機材料 第6章元素化學與無機材料 6 3 1氯化物的熔點 沸點 氯化物是指氯與電負性比氯小的元素所組成的二元化合物 氯化物概述NaCl KCl BaCl2等離子型氯化物熔點較高 穩(wěn)定性好的氯化物在熔融狀態(tài)可用作高溫介質 鹽浴劑 CaF2 NaCl KCl等可以用作紅外光譜儀的棱鏡 過渡型的無水氯化物如AlCl3 ZnCl2 FeCl3等可以在極性有機溶劑中溶解 常用作烷基化反應或酰基化反應的催化劑 性質較穩(wěn)定的無水氯化物如CaCl2等常用作干燥劑 6 3無機化合物的物理性質 氯化物的熔點和沸點大致分為三種情況 活潑金屬的氯化物如NaCl KCl BaCl2等是離子晶體 熔點 沸點較高 非金屬的氯化物如PCl3 CCl4 SiCl4等是分子晶體 熔點 沸點都很低 位于周期表中部的金屬元素的氯化物如AlCl3 FeCl3 CrCl3 ZnCl2等是過渡型氯化物 熔點 沸點介于兩者之間 6 3無機化合物的物理性質 表6 2氯化物的熔點 單位為 C 注1 IB VB IA IVA族價態(tài)與族數(shù)相同 VIA族為四氯化物 VIB VA族為三氯化物 VIIB和VIII族為二氯化物 注2 Tl Pb Bi分別為 1 2 3價 6 3無機化合物的物理性質 表6 3氯化物的沸點 單位為 C s表示升華 d表示分解 LiCl ScCl3的數(shù)據(jù)有一個溫度范圍 本表取平均值 6 3無機化合物的物理性質 6 3 2氧化物的熔點 沸點和硬度 金屬性強的元素的氧化物是離子型化合物 如Na2O MgO 熔點 沸點大都較高 大多數(shù)非金屬氧化物是共價化合物 如CO2 N2O5 固態(tài)時是分子晶體 熔點 沸點低 SiO2則是原子晶體 熔點高 硬度大 金屬性弱的元素的氧化物屬過渡型晶體 其中低價偏向離子晶體或原子晶體 如Cr2O3 Fe2O3 Al2O3高價偏向共價型分子晶體 如V2O5 CrO3 MoO3 原子型 離子型和某些過渡型的氧化物晶體 由于具有熔點高 硬度大 對熱穩(wěn)定性高的共性 工程中?？捎米髂チ?耐火材料及耐高溫無機涂料等 6 3無機化合物的物理性質 表6 5氧化物的熔點 單位為 C 除標有 和VIII族的元素外 所有元素氧化物的價態(tài)與族數(shù)一致 Rh2O3 Au2O3 VIII族 2價 VA族有下劃線的為 3價 6 3無機化合物的物理性質 6 1單質的物理性質6 2單質的化學性質6 3無機化合物的物理性質6 4無機化合物的化學性質6 5配位化合物6 6無機材料 第6章元素化學與無機材料 6 4無機化合物的化學性質 6 4 1氧化還原性 1 高錳酸鉀暗紫色晶體 常用強氧化劑 氧化能力隨介質的酸度的減弱而減弱 還原產物也不同 酸性介質中是很強的氧化劑 還原產物為Mn2 MnO4 8H 5e Mn2 4H2O MnO4 Mn2 1 506V 在中性或弱堿性的溶液中 還原為MnO2 棕褐色沉淀 MnO4 2H2O 3e MnO2 s 4OH MnO4 MnO2 0 595V 在強堿性溶液中 被還原為MnO42 綠色 MnO4 e MnO42 MnO4 MnO42 0 588V 2 重鉻酸鉀橙色晶體 常用氧化劑 重鉻酸鉀的氧化性示例 Cr2O72 6Fe2 14H 2Cr3 6Fe3 7H2O 6價的鉻可以鉻酸鉀的形式存在 也可以重鉻酸鉀的形式存在 2CrO42 aq 2H aq Cr2O72 aq H2O 黃色 橙色 6 4無機化合物的化學性質 無色透明晶體 一般用作氧化劑 有弱毒性 致癌 作為氧化劑2NO2 2I 4H 2NO g I2 2H2O 作為還原劑Cr2O72 3NO2 8H 2Cr3 3NO3 4H2O 6 4無機化合物的化學性質 3 亞硝酸鈉 4 過氧化氫 過氧化氫中氧的氧化值為 1 既有氧化性又有還原性 H2O2 2I 2H I2 2H2O2MnO4 5H2O2 6H 2Mn2 5O2 8H2O 過氧化氫的應用漂白劑 漂白象牙 絲 羽毛等 消毒劑 3 的H2O2做外科消毒劑 氧化劑 90 的H2O2做火箭燃料的氧化劑 6 4無機化合物的化學性質 6 4 2酸堿性 氧化物及其水合物的酸堿性強弱的一般規(guī)律 根據(jù)氧化物對酸 堿的反應不同可將氧化物分成酸性 堿性 兩性和不成鹽四類 氧化物的水合物可用一個簡化通式R OH x來表示 周期系各族元素最高價態(tài)的氧化物及其水合物從左到右 同周期 酸性增強 堿性減弱自上而下 同族 酸性減弱 堿性增強 同一元素形成不同價態(tài)的氧化物及其水合物高價態(tài)的酸性比低價的態(tài)強 低價態(tài)的堿性比高價的態(tài)強 6 4無機化合物的化學性質 1 氧化物及其水合物的酸堿性 表6 8氧化物及水合物的酸堿性 6 4無機化合物的化學性質 相同元素不同價態(tài)的氧化物及其水合物的酸堿性 6 4無機化合物的化學性質 R OH x離子鍵理論 R OH x型化合物可按兩種方式解離 IR O鍵斷裂堿式解離IIO H鍵斷裂酸式解離 解釋 1 若簡單地把R O H都看成離子 考慮正離子Rx 和H 分別與O2 之間的作用力 如果Rx 離子的電荷數(shù)越多 半徑越小 則Rx 的吸O2 斥H 能力越大 越易發(fā)生酸式解離 酸性越強 堿性越弱 2 當R為低價態(tài) 3 金屬元素 如s區(qū)和d區(qū)低價態(tài)離子 時 其氫氧化物多呈堿性 當R為中間價態(tài) 2 4 時 其氫氧化物常顯兩性 例如Zn2 Al3 等的氫氧化物 I II 酸式 堿式 6 4無機化合物的化學性質 活潑金屬的氯化物鉀 鈉 鋇的氯化物在水中解離并水合 但不與水發(fā)生反應 非金屬氯化物除CCl4外 高價態(tài)氯化物與水完全反應 SiCl4 l 3H2O H2SiO3 s 4HCl aq 不太活潑金屬的氯化物鎂 鋅 鐵等的氯化物會不同程度地與水發(fā)生反應 水解 盡管反應常常是分級進行和可逆的 卻總引起溶液酸性的增強 SnCl2 H2OSn OH Cl s HClSbCl3 H2OSbOCl s HClBiCl3 H2OBiOCl s HCl 6 4無機化合物的化學性質 2 氯化物與水的作用 3 硅酸鹽與水的作用 除堿金屬外 絕大多數(shù)硅酸鹽難溶于水也不與水作用 硅酸鈉 硅酸鉀是常見的可溶性的硅酸鹽 將二氧化硅與燒堿或純堿共熔 可得硅酸鈉 SiO2 2NaOH Na2SiO3 H2O g SiO2 Na2CO3 Na2SiO3 CO2 g Na2SiO3與水反應 強烈水解 呈堿性 SiO32 H2O H2SiO3 2OH 6 4無機化合物的化學性質 水玻璃與硅膠 在一定范圍內 水玻璃的模數(shù)越大 水玻璃粘結性越高 硬化速率越快 但粘結后強度較低 因此正確選擇模數(shù)或加入化學試劑 如NH4Cl或NaOH 來調節(jié)模數(shù) 是保證粘結質量的重要因素 水玻璃常用做鑄型砂的粘結劑 在空氣中遇CO2變成粘結力極強的硅凝膠 Na2SiO3 2CO2 2H2O H2SiO3 s 2NaHCO3 也可以使用氯化銨 Na2SiO3 2NH4Cl H2SiO3 s 2NaCl 2NH3 g 硅酸鈉的水溶液稱為水玻璃 俗稱泡花堿 硅酸鈉的計量式可表示為Na2O mSiO2 寫成Na2SiO3是簡化表示 m稱為水玻璃的模數(shù) 一般在3左右 6 4無機化合物的化學性質 硅酸分子由于其中含有SiO2與H2O的比例不同而形成幾種硅酸 通式為mSiO2 nH2O 式中m和n都是正整數(shù) m 1的硅酸稱為多硅酸 硅酸凝膠就是多硅酸 受熱能完全脫水 轉變成SiO2 若將其中大部分水脫去 可得白色透明固體 稱為硅膠 硅膠的比表面積非常大 800 900m2 g 可用作吸附劑 干燥劑和催化劑載體 經CoCl2處理可得變色硅膠 是常用的干燥劑 當藍色變成粉紅色時 就要進行再生處理 方可恢復吸濕能力 Na2SiO3 2HCl H2SiO3 2NaCl 6 4無機化合物的化學性質 6 1單質的物理性質6 2單質的化學性質6 3無機化合物的物理性質6 4無機化合物的化學性質6 5配位化合物6 6無機材料 第6章元素化學與無機材料 6 5配位化合物 配位化學是無機化學的一個重要研究方向 由于配位化學與生命科學的結合 以及具有特殊功能配合物的良好前景等 使配位化學獲得很大的發(fā)展 Cu DABT Cl2配合物的分子結構 70K以下呈鐵磁性質 配體DABT為2 2 二氨基 4 4 聯(lián)噻唑的簡稱 配位化學的研究對象是配位化合物 也稱為配合物 6 5配位化合物 H3NNH3Cu2 SO42 H3NNH3中心離子配位體內界 配離子 外界 能夠提供孤對電子 與中心離子配位的中性分子或離子 1 配位原子 coordinatingatom 配位體中直接與中心離子形成配位鍵的原子電負性較大的非金屬素 2 配位數(shù) coordinationnumber 配離子中所有的配位原子的總數(shù) 6 5 1配位化合物的組成 1 中心離子 能夠提供空軌道的離子或原子 過渡元素離子 如Cr3 Fe3 Co3 Fe2 等原子 如Ni B等 2 配位體 ligand 6 5配位化合物 根據(jù)配位體的不同 配合物可分為兩類 單齒配位體 簡單配合物 一個配位體只能提供一個配位原子 稱為單齒配位體 由單齒配體和中心離子 或中心原子 配位的配合物稱為簡單配合物 如 F Cl Br CN NO2 NO3 NH3 H2O等 多齒配位體 特殊配合物 一個配位體中有多個配位原子 稱為多齒配位體 配位體中至少有一個多齒配體和中心離子 或中心原子 配位形成環(huán)狀結構的配合物稱為復雜配合物或螯合物 還有中性金屬原子為配合物形成體 CO為配體的羰合物 如 草酸根C2O42 乙二胺NH2CH2CH2NH2 ethylenediamine en 乙二胺四乙酸EDTA ethylenediaminetetraaceticacid 6 5配位化合物 3 分類 Cu2 Cu NH3 4 2 離子的結構 6 5配位化合物 Cu en 2 2 的結構 EDTA的結構 草酸根的結構 6 5 2配位化合物的命名 內界與外界 某化某 或 某酸某 簡單化合物內界 配位體 合 中心離子 I II 表明中心離子價態(tài) 6 5配位化合物 例 命名下列配位化合物 Ag NH3 2 Cl Cu en 2 SO4H AuCl4 K3 Fe CN 6 K PtCl3 C2H4 CoCl NH3 3 H2O 2 Cl2Co2 CO 8 6 5配位化合物 6 5 3配合物及配位化學的應用 離子的定性鑒定 電鍍工業(yè) 冶金工業(yè) 生物醫(yī)學 6 5配位化合物 1 離子的定性鑒定 濃氨水鑒定Cu2 Cu NH3 4 2 深藍色 KSCN鑒定Fe3 Fe SCN 2 血紅色 K3 Fe CN 6 鑒定Fe2 Fe3 Fe CN 6 2 滕氏藍沉淀 K4 Fe CN 6 鑒定Fe3 Fe4 Fe CN 6 3 普魯士藍沉淀 近代通過結構分析普魯士藍和滕氏藍為組成和結構相同的同一種物質 分子式為KFe Fe CN 6 H2O 6 5配位化合物 利用螯合劑與某些金屬離子生成有色難溶的螯合物 作為檢驗這些離子的特征反應 例如丁二肟是Ni2 的特效試劑 它與Ni作用 生成鮮紅色的二 丁二肟 合鎳內配鹽 附圖6 7二 丁二肟 合鎳配合物的結構 6 5配位化合物 2 電鍍工業(yè)方面 在電鍍銅工藝中 一般不直接用CuSO4溶液作電鍍液 而常加入配位劑焦磷酸鉀 K2P2O7 使形成 Cu P2O7 2 6 配離子 電鍍液中存在下列平衡 Cu P2O7 2 6 Cu2 2P2O74 Cu2 的濃度降低 在鍍件 陰極 上Cu的析出電勢代數(shù)值減小 同時析出速率也可得到控制 從而有利于得到較均勻 較光滑 附著力較好的鍍層 在電鍍工藝中 為了使金屬離子保持恒定的低濃度水平 一般利用配合物的特性使金屬離子形成配離子 6 5配位化合物 3 冶金工業(yè)方面 用合適的配位體溶液直接把金屬從礦物中浸取出來 再用適當?shù)倪€原劑將配合物還原為金屬 也稱為濕法冶金 又如廢舊材料中金的回收4Au 8CN 2H2O O2 4 Au CN 2 4OH 2 Au CN 2 Zn 2Au Zn CN 4 2 6 5配位化合物 4 生物醫(yī)學方面 在生物方面 以Mg2 為中心的大環(huán)配合物葉綠素能進行光合作用 將太陽能轉變成化學能 以Fe2 為中心的卟啉配合物血紅素能輸送O2 而煤氣中毒是因為血紅素中的Fe2 與CO生成了更穩(wěn)定的配合物而失去了運輸O2的功能 能固定空氣中N2的植物固氮酶是鐵和鉬蛋白質配合物 鉛中毒主要損害神經系統(tǒng) 消化系統(tǒng) 造血系統(tǒng)和腎臟 我國兒童鉛中毒比例很高 在醫(yī)藥方面 順鉑 Pt NH3 2Cl2 具有抗癌的作用 EDTA的鈣鈉鹽是排除人體內Hg Pb Cd等有毒金屬和U Th Pu等放射性元素的高效解毒劑等等 Pb2 Ca edta 2 Pb edta 2 Ca2 順鉑的結構 6 5配位化合物 6 1單質的物理性質6 2單質的化學性質6 3無機化合物的物理性質6 4無機化合物的化學性質6 5配位化合物6 6無機材料 第6章元素化學與無機材料 6 6無機材料 材料是人類賴以生存和生產的物質基礎 材料發(fā)展的歷史反映了人類社會發(fā)展的文明史 新材料的研究和開發(fā)已被認為是當今社會發(fā)展的三大支柱之一 材料的品種繁多 材料的分類方法主要有兩種 根據(jù)用途 結構材料 以強度為特征 如建筑 構件 功能材料 以光 電 磁 熱等性能為特征的材料 化學組成 金屬材料 無機非金屬材料 有機高分子材料 復合材料 6 6 1金屬和合金材料 金屬材料的優(yōu)點 良好的導電 導熱性高的機械強度 良好的機械加工性能較為廣泛的溫度使用范圍 金屬材料的缺點 易腐蝕 難以滿足高新技術更高溫度的需要 思考 911事件中紐約世貿大廈坍塌的原因 合金鋼強度經得起12級臺風 各種龍卷風的襲擊 也耐得住地震 雷電或爆炸的侵擾 但其優(yōu)良的導熱性 使他經不起高溫 整體變軟 促成大廈迅速倒塌 6 6無機材料 6 6無機材料 1 合金的基本結構類型 1 合金 由一種金屬與另一種 或幾種 金屬或非金屬所組成的具有金屬通性的物質 2 種類 二元合金根據(jù)元素數(shù)目三元合金多元合金混合物合金 各組分分別結晶 如鉍鎘合金根據(jù)結構不同固溶體合金 形成固溶體 如金銀合金金屬化合物 形成化合物 如 黃銅 金屬固溶體一種溶質元素 金屬或非金屬 原子溶解到另一種溶劑金屬元素 較大量的 的晶體中形成一種均勻的固態(tài)溶液 這類合金稱為金屬固溶體 金屬固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體 例如釩 鉻 錳 鎳和鈷等元素與鐵都能形成置換固溶體 而氫 硼 碳和氮與許多副族金屬元素能形成間隙固溶體 a 純金屬 溶質原子溶劑原子 金屬固溶體晶格示意圖 b 置換固溶體 c 間隙固溶體 6 6無機材料 金屬化合物 當合金中加入的溶質原子數(shù)量超過了溶劑金屬的溶解度時 除能形成固溶體外 同時還會出現(xiàn)新的相 這第二相可以是另一種組分的固溶體 而更常見的是形成金屬化合物 金屬化合物種類很多 從組成元素來說可以由金屬元素與金屬元素 也可以由金屬元素和非金屬元素組成 前者如Mg2Pb CuZn等 后者如硼 碳和氮等非金屬元素與d區(qū)金屬元素形成的化合物 分別稱為硼化物 碳化物 氮化物等 6 6無機材料 離子型碳化物 指活潑金屬的碳化物 如碳化鈣 CaC2 熔點較高 2300 工業(yè)產品叫電石 共價型碳化物 非金屬硅和硼的碳化物 如碳化硅 SiC 碳化硼 B4C 熔點高 分別為2827 2350 硬度大 為原子晶體 金屬型碳化物 由碳與鈦 鋯 釩 鈮 鉭 鉬 鎢 錳 鐵等d區(qū)金屬形成 例如WC Fe3C等 這類碳化物的共同特點是具有金屬光澤 能導電導熱 熔點高 硬度大 但脆性也大 6 6無機材料 碳化物 2 輕質合金 輕質合金是由鎂 鋁 鈦 鋰等輕金屬形成的合金 主要優(yōu)點是密度小 在交通運輸 航空航天等領域有重要應用 鋁合金在鋁中加入鎂 銅 鋅 錳形成鋁合金 鋁銅鎂合金稱為硬鋁 鋁鋅鎂銅合金稱為超強硬鋁 其強度遠高于鋼 這些鋁合金相對密度小 強度高 易成型 廣泛用于飛機制造業(yè) 鈦合金鈦中加入鋁 釩 鉻 鉬 錳等形成鈦合金 鈦合金具有密度小 強度高 抗磁性 耐高溫 耐海水腐蝕等優(yōu)點 是制造飛機 火箭發(fā)動機 人造衛(wèi)星外殼 宇宙飛船船艙 潛艇等的重要結構材料 6 6無機材料 3 耐熱合金與低熔合金 耐熱合金主要是第V VII副族元素和VIII族高熔點元素形成的合金 應用最多的有鐵基 鎳基和鈷基合金 它們廣泛地用來制造渦輪發(fā)動機 各種燃氣輪機熱端部件 渦輪工作葉片 渦輪盤 燃燒室等 低熔合金常用的低熔金屬及其合金元素有汞 錫 鉛和鉍等 汞常用做溫度計 氣壓計中的液柱 也可做恒溫設備中的電開關接觸液 汞容易與很多種金屬形成合金 鉍的某些合金可應用于自動滅火設備 鍋爐安全裝置以及信號儀表等 還可用作原子能反應堆的冷卻劑 6 6無機材料 4 形狀記憶合金 形狀記憶合金有一個特殊的轉變溫度 在轉變溫度以下 金屬晶體結構處于一種不穩(wěn)定結構狀態(tài) 在轉變溫度以上 金屬結構是一種穩(wěn)定結構狀態(tài) 一旦把它加熱到轉變溫度以上 不穩(wěn)定結構就轉變?yōu)榉€(wěn)定結構 合金就恢復了原來的形狀 用鎳鈦形狀記憶合金制成管接口 在使用溫度下加工的管接口內徑比外管徑略小 安裝時在低溫下將其機械擴張 套接完畢在室溫下放置 由于接口恢復原狀而使接口非常緊密 這種管子固定法在F14型戰(zhàn)斗機油壓系統(tǒng)的接頭及在海底輸送管的接口固接均有很成功的實例 6 6無機材料 5 非晶態(tài)合金 熔融狀態(tài)的合金緩慢冷卻得到的是晶態(tài)合金 從熔融的液態(tài)到晶態(tài)需要時間使原子排列有序化 如果將熔融狀態(tài)的合金以超高速急冷的方法使其凝固 不給原子有序化排列的時間 瞬間冷凍后其內部原子仍然保持著液態(tài)時的那種基本無序的狀態(tài) 稱為非晶態(tài)合金 也稱金屬玻璃 高強度 高硬度和高韌性可以在非晶態(tài)合金身上達到較好的統(tǒng)一 因為組成非晶態(tài)合金的兩種原子間有很強的化學鍵 使得合金的強度很大 同時合金中原子犬牙交錯不規(guī)則排列使得它具有較好的韌性 6 6無機材料 6 6 2無機非金屬材料 無機非金屬材料的分類和特點 主要有傳統(tǒng)的硅酸鹽材料和新型無機材料等 前者主要指陶瓷 玻璃 水泥 耐火材料 磚瓦 搪瓷等以天然硅酸鹽為原料的制品 這些制品稱為傳統(tǒng)陶瓷 新型無機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 這些材料又稱為精細陶瓷或特種陶瓷 以及一些非金屬單質如碳 硅等 無機材料的主要特點是耐高溫 抗氧化 耐磨 耐腐蝕和硬度大 而脆性是其不足 6 6無機材料 1 耐熱高溫結構材料 氮化硅Si3N4組成氮化硅的兩種元素的電負性相近 屬強共價鍵結合的原子晶體 所以氮化硅的硬度高 耐磨損 熔點高 耐高溫 結構穩(wěn)定 絕緣性能好 故是制造高溫燃氣輪機的理想材料 缺陷是抗機械沖擊強度偏低 容易發(fā)生脆性斷裂 氮化硼B(yǎng)N氮化硼 金剛石型 屬強共價鍵結合 兼有許多優(yōu)良性能 不但耐高溫 耐腐蝕 高導熱 高絕緣 還可以很容易地進行機械加工 是一種理想的高溫導熱絕緣材料 也是既硬又韌的超硬材料 6 6無機材料 2 半導體材料 半導體材料的分類按化學組成單質半導體化合物半導體按是否含有雜質本征半導體雜質半導體 由于半導體禁帶較窄 不要太多的能量就可以使?jié)M帶中的電子激發(fā)躍遷到空帶 并在滿帶留下空穴 滿帶中的其它電子移動到空穴又產生新的空穴 在外電場作用下 電子和空穴都可以定向地移動 6 6無機材料 3 超導材料 有些物質在某特定的溫度以下 其導電率將突然增至無窮大 這種現(xiàn)象稱為超導電性 Bednorz和M ller因發(fā)現(xiàn)La Ba Cu O氧化物 Tc 30K 超導體 榮獲1987年諾貝爾物理學獎 J G 貝德諾茲JohannesG Bednorz K A 穆勒KarlA M ller 目前已發(fā)現(xiàn)30種單質 8000余種金屬 合金 化合物具有超導性 20世紀80年代以來 我國高溫超導材料的研究和應用方面一直居世界前列 首先報道超導材料的科學家 6 6無機材料 1987年趙忠賢等發(fā)現(xiàn)了組成為YBa2Cu3O7 的超導材料 相變溫度Tc 93K 1993年 中 瑞合作開發(fā)得到Hg Ba Cu O 其相變溫度達到133 5K YBa2Cu3O7 的晶體結構 人們發(fā)現(xiàn)C60分子與堿金屬K Rb Cs等形成的AxC60也具有超導性質 AxC60是球形結構 屬三維超導體 而上述的混合金屬氧化物是層狀結構 屬二維超導體 目前研制出K3C60 Rb3C60 RbCs2C60 RbTl2C60等 其Tc分別為18K 28K 33K 48K 6 6無機材料 據(jù) 科技日報 2001年12月3日報道 隨著三條各長1000米的高溫超導線材的出爐 標志著我國第一條鉍系高溫超導線材生產線正式建成投產 從而使我國成為世界上為數(shù)不多的具有高溫超導線材生產技術及產業(yè)化生產能力的國家之一 同時 也使具有我國自主產權的超導技術產品在我國的應用成為現(xiàn)實 該產品單根線材可通過的電流達43安培 工程臨界電流密度達到6000安培每平方厘米以上 該生產線目前年生產能力為200公里 6 6無機材料 4 光導纖維 光導纖維簡稱光纖 以傳光和傳像為目的的一種光波傳導介質 光導纖維的最大應用是激光通訊 它具有信息容量大 重量輕 抗干擾 保密性好等優(yōu)點 光導纖維 6 6無機材料 6 6 3納米材料和納米碳管 納米材料 納米科技就是在1 100nm范圍內研究原子 分子的結構 通過直接操作和安排原子 分子將其組裝成具有特定功能和結構的一門高新技術 納米材料應用廣泛 如美國制成的GaN和ZnO納米導線 能發(fā)出紫外光 這對制造 單片實驗室 非常有用 它可用于快速和低成本地分析醫(yī)學 環(huán)境和其他樣品 納米碳管 1990年 瑞士科學家發(fā)現(xiàn)管狀結構的碳分子 稱為碳納米管 它由六元環(huán)形的碳原子組成的管狀大分子 管的直徑為零點幾到幾十納米 管長為幾十納米到1微米 碳納米管由幾個到幾十個單層碳管同軸套構成 相鄰管徑向間距為0 34nm 碳納米管有許多優(yōu)異性能 如強度比鋼高100倍 具有優(yōu)良的導熱性和導電性等 納米碳管結構 6 6無機材料 納米材料的表面效應和體積效應 表面效應 指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化 主要表現(xiàn) 因表面原子所占比例大 吸附能力強 表面反應活性高 表面活性中心數(shù)多 催化效率高 體積效應 指納米粒子的尺寸與傳導電子的波長相當或更小時 周期性的邊界條件將被破壞 磁性 光吸收 化學活性 催化活性和熔點等較普通粒子發(fā)生了很大的變化 主要表現(xiàn) 熔點降低 活性表面的出現(xiàn)等 6 6無機材料 選讀材料稀土金屬 鑭系元素與鈧 釔一起共17種元素統(tǒng)稱為稀土元素 稀土元素是我國的豐產元素 儲量大于世界其它國家的總和 稀土元素有鑭系收縮現(xiàn)象 在化合物中的氧化值一般是 3 稀土金屬用途廣泛 1 做合金的脫氧劑 脫硫劑 2 做催化劑 3 做貯氫材料 4 做高溫超導材料 5 做發(fā)光材料 6 做永磁材料 作業(yè) P310 313 1 23 總復習 考試時間 2h 計算器 第一章 15 考試題型 是非題 20 第二章 20 選擇題 20 第三章 20 填空題 20 第四章 20 計算題 40 第五章 20 第六章 5 總復習 第二章 G 熱力學等溫方程 范特霍夫等壓方程 總復習 v v k c A a c B b v k c A x c B y 阿侖尼烏斯公式 一元 稀釋定律 緩沖溶液 Ks AmBn ceq Am n ceq Bn m nn mm sm n 溶度積規(guī)則 Qc Ks有沉淀 Qc Ks溶解平衡 Qc Ks無沉淀 第三章 總復習 總復習 第四章 總復習 原子結構 波函數(shù) 描寫電子運動 R r 徑向Y 角度分布圖形狀 電子云 2 幾率密度 Y2 角度分布圖形狀 量子數(shù) 主量子數(shù)n角量子數(shù)l磁量子數(shù)m自旋量子數(shù)ms 1 取值 2 物理意義 3 對應波函數(shù) 軌道 名稱 電子排布Pauling能級順序 泡利不相容原理能量最低原理洪德規(guī)則 原子 離子的電子排布式和外層電子構型 周期系 周期族區(qū) 元素性質 半徑 電負性 電離能 氧化值等 變化規(guī)律 第五章 總復習 分子結構 化學鍵 分子間力 離子鍵金屬鍵共價鍵 價鍵理論雜化軌道論分子軌道論 spsp2sp3dsp2d2sp3sp3d2 理解理論要點類型 空間構型實例 范德華力氫鍵 色散力誘導力取向力 晶體結構 離子晶體 離子極化原子晶體分子晶體金屬晶體 固體能帶理論過渡晶體 層狀 鏈狀 質點微粒作用力物理性質 熔沸點 硬度 溶解性等 實例