大学化学第6章ppt课件

第6章元素化学与无机材料 Chapter6ElementChemistryandInorganicMaterial 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配位化合物6 6无机材料 第6章元素化学与无机材料 6 1单质的物理性质 元素 112 非金属 22 金属 90 普通 Fe 5 1 Cu Au 5 10 7 Ag 1 10 5 Al等 1 3 稀有 2 3 轻稀有金属 Li Rb Cs Be等难熔稀有金属 Ti 1660 C V 1890 C W 3410 C Zr Nb Mo Hf Ta等稀散金属 Ga In Tl Ge 分散在Al Si等矿石中 稀土金属 Sc Y 镧系 共生 等贵稀有金属 Pt Pd 钯 等放射性稀有金属 锕系 Ra Po Th Pa U等 思考 单质的物理性质主要与什么因素有关 答 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 6 1 1熔点 沸点和硬度 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 第2 3周期元素的单质从左到右 逐渐升高 第四主族的元素最高 随后降低 第4 5 6周期元素的单质从左到右 逐渐升高 第六副族的元素最高 随后逐渐降低 即 高熔点 高硬度单质集中在中部 其两侧较低 6 1单质的物理性质 1 单质的熔点 单质的熔点 C 6 1单质的物理性质 2 单质的沸点 图6 2单质的沸点 C 6 1单质的物理性质 3 单质的硬度 图6 3单质的硬度 莫氏 6 1单质的物理性质 4 主族元素的晶体类型 6 1单质的物理性质 5 非金属单质的晶体结构 非金属单质的分子和晶体结构示意图 金属晶体 6 1单质的物理性质 碳的同素异形体 金刚石 sp3网格状硬度大石墨 sp2片层状润滑性 导电性C60 类sp2球烯多种优异性能 碳的同素异形体 石墨 C60 金刚石 6 1单质的物理性质 C60的发现 C60结构图 1996年Kroto Smalley及Curl三位教授因首先发现 1985 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HaroldW Kroto R E 史沫莱RichardE Smalley R F 柯尔RobertF Curl 6 1单质的物理性质 6 1 2单质的导电性 导体 金属能三维导电 是电的良导体绝缘体 许多非金属单质不能导电 是绝缘体半导体 介于导体与绝缘体之间的是半导体 如Si Ge等 思考 单质中最好的导体是谁 答 1 Ag Cu Au Al等是最好的导电材料 2 Ag Au价格昂贵 只用于电子器件连接点等特殊场合 3 Al Cu广泛用于电器工业 Al的电导率低于Cu 但密度小 因此Al代替Cu作高压电缆 6 1单质的物理性质 图6 6单质的电导率 MS m 1 6 1单质的物理性质 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配位化合物6 6无机材料 第6章元素化学与无机材料 6 2 1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 答 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氢的能力 6 2单质的化学性质 1 金属单质活泼性规律 同一周期 短周期 左到右金属单质的还原性逐渐减弱 长周期 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 氧化性增强 氧化性增强 还原性增强 还原性增强 还原性增强 还原性增强不明显 还原性增强 金属单质活泼性规律 6 2单质的化学性质 2 温度对单质活泼性的影响 在873K时 单质与氧气结合的能力由强到弱的顺序大致为 Ca Mg Al Ti Si Mn Na Cr Zn Fe H2 C Co Ni Cu这一顺序与常温时单质的活泼性递变情况并不完全一致 温度会影响金属与氧气反应的产物 对于氧化值可变的金属来说 高温下生成低氧化值的金属氧化物的倾向较大 而常温下生成高氧化值的金属氧化物的倾向较大 例如 铁在高温下以生成FeO为主 常温时则以Fe2O3为主 6 2单质的化学性质 3 金属与氧的作用 过氧化物和超氧化物都是固体储氧物质 它们与水反应会放出氧气 又可吸收CO2并产生O2气 所以较易制备的KO2常用于急救器或装在防毒面具中 正常氧化物 Li2O BeO MgO等 在空气中生成氧化物过氧化物 除Li Be Mg外 在纯O2中生成过氧化物 超氧化物 K Rb Cs Ca Sr Ba等 在过量的O2中燃烧可以生成 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单质的化学性质 1 S区 2 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 3 d区元素比较不活泼 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 Sc在空气中能迅速作用Sc2O3Ti V常温下对空气较稳定高温与氧气强烈化合TiO2 V2O5Cr Mn常温下缓慢氧化高温下与氧气作用明显Cr2O3氧化膜Fe Co Ni常温与氧气作用不显著高温与氧气作用Fe2O3 Co2O3 NiO氧化膜Cu性质稳定 加热氧化CuOZn活泼性较强ZnO氧化膜 6 2单质的化学性质 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 答 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 6 2单质的化学性质 4 金属的溶解 s区金属与水剧烈反应 置换出水中的氢 生成氢氧化物 2Na 2H2O 2NaOH H2Be Mg形成致密氧化膜 对水稳定 p区金属 除锑 铋外 和第四周期副族金属 铜除外 的电极电势比氢低 可以与盐酸和稀硫酸反应 Zn 2HCl ZnCl2 H2 d区第五和第六周期金属的电极电势比氢高 只能与氧化性的酸 浓硫酸 浓硝酸 王水等 反应 3Pt 4HNO3 18HCl 3H2 PtCl6 4NO g 3H2OAu HNO3 4HCl H AuCl4 NO g 2H2O 铌 钽 钌 铑 锇 铱等不能溶于王水 可以溶于浓硝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 2Al 2NaOH 2H2O 2NaAlO2 3H2 g 6 2单质的化学性质 5 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 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 6 2单质的化学性质 6 2 2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 5Cl2 I2 6H2O 10Cl 2IO3 12H 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 6 2单质的化学性质 歧化反应有些非金属单质既具有氧化性又具有还原性 其Cl2 Br2 I2 P4 S8等能发生岐化反应 Cl2 H2O HCl HClOCl2 2NaOH NaCl NaClO H2O 溴和碘在氢氧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 可以将芳酮氧化为羧酸 ArCOCH3 NaOCl ArCOONa CH3Cl 6 2单质的化学性质 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 2NaHCa H2 CaH2 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 酯等羰基化合物 6 2单质的化学性质 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配位化合物6 6无机材料 第6章元素化学与无机材料 6 3 1氯化物的熔点 沸点 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 稳定性好的氯化物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 6 3无机化合物的物理性质 氯化物的熔点和沸点大致分为三种情况 活泼金属的氯化物如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 6 3无机化合物的物理性质 表6 2氯化物的熔点 单位为 C 注1 IB VB IA IVA族价态与族数相同 VIA族为四氯化物 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 6 3无机化合物的物理性质 表6 3氯化物的沸点 单位为 C 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 6 3无机化合物的物理性质 6 3 2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 其中低价偏向离子晶体或原子晶体 如Cr2O3 Fe2O3 Al2O3高价偏向共价型分子晶体 如V2O5 CrO3 MoO3 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 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 6 3无机化合物的物理性质 表6 5氧化物的熔点 单位为 C 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 6 3无机化合物的物理性质 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配位化合物6 6无机材料 第6章元素化学与无机材料 6 4无机化合物的化学性质 6 4 1氧化还原性 1 高锰酸钾暗紫色晶体 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 MnO4 8H 5e Mn2 4H2O MnO4 Mn2 1 506V 在中性或弱碱性的溶液中 还原为MnO2 棕褐色沉淀 MnO4 2H2O 3e MnO2 s 4OH MnO4 MnO2 0 595V 在强碱性溶液中 被还原为MnO42 绿色 MnO4 e MnO42 MnO4 MnO42 0 588V 2 重铬酸钾橙色晶体 常用氧化剂 重铬酸钾的氧化性示例 Cr2O72 6Fe2 14H 2Cr3 6Fe3 7H2O 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 2CrO42 aq 2H aq Cr2O72 aq H2O 黄色 橙色 6 4无机化合物的化学性质 无色透明晶体 一般用作氧化剂 有弱毒性 致癌 作为氧化剂2NO2 2I 4H 2NO g I2 2H2O 作为还原剂Cr2O72 3NO2 8H 2Cr3 3NO3 4H2O 6 4无机化合物的化学性质 3 亚硝酸钠 4 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 H2O2 2I 2H I2 2H2O2MnO4 5H2O2 6H 2Mn2 5O2 8H2O 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 6 4无机化合物的化学性质 6 4 2酸碱性 氧化物及其水合物的酸碱性强弱的一般规律 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 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的态强 低价态的碱性比高价的态强 6 4无机化合物的化学性质 1 氧化物及其水合物的酸碱性 表6 8氧化物及水合物的酸碱性 6 4无机化合物的化学性质 相同元素不同价态的氧化物及其水合物的酸碱性 6 4无机化合物的化学性质 R OH x离子键理论 R OH x型化合物可按两种方式解离 IR O键断裂碱式解离IIO H键断裂酸式解离 解释 1 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 2 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 其氢氧化物常显两性 例如Zn2 Al3 等的氢氧化物 I II 酸式 碱式 6 4无机化合物的化学性质 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 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 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 SnCl2 H2OSn OH Cl s HClSbCl3 H2OSbOCl s HClBiCl3 H2OBiOCl s HCl 6 4无机化合物的化学性质 2 氯化物与水的作用 3 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 SiO32 H2O H2SiO3 2OH 6 4无机化合物的化学性质 水玻璃与硅胶 在一定范围内 水玻璃的模数越大 水玻璃粘结性越高 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 是保证粘结质量的重要因素 水玻璃常用做铸型砂的粘结剂 在空气中遇CO2变成粘结力极强的硅凝胶 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Na2O mSiO2 写成Na2SiO3是简化表示 m称为水玻璃的模数 一般在3左右 6 4无机化合物的化学性质 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mSiO2 nH2O 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 800 900m2 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 6 4无机化合物的化学性质 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配位化合物6 6无机材料 第6章元素化学与无机材料 6 5配位化合物 配位化学是无机化学的一个重要研究方向 由于配位化学与生命科学的结合 以及具有特殊功能配合物的良好前景等 使配位化学获得很大的发展 Cu DABT Cl2配合物的分子结构 70K以下呈铁磁性质 配体DABT为2 2 二氨基 4 4 联噻唑的简称 配位化学的研究对象是配位化合物 也称为配合物 6 5配位化合物 H3NNH3Cu2 SO42 H3NNH3中心离子配位体内界 配离子 外界 能够提供孤对电子 与中心离子配位的中性分子或离子 1 配位原子 coordinatingatom 配位体中直接与中心离子形成配位键的原子电负性较大的非金属素 2 配位数 coordinationnumber 配离子中所有的配位原子的总数 6 5 1配位化合物的组成 1 中心离子 能够提供空轨道的离子或原子 过渡元素离子 如Cr3 Fe3 Co3 Fe2 等原子 如Ni B等 2 配位体 ligand 6 5配位化合物 根据配位体的不同 配合物可分为两类 单齿配位体 简单配合物 一个配位体只能提供一个配位原子 称为单齿配位体 由单齿配体和中心离子 或中心原子 配位的配合物称为简单配合物 如 F Cl Br CN NO2 NO3 NH3 H2O等 多齿配位体 特殊配合物 一个配位体中有多个配位原子 称为多齿配位体 配位体中至少有一个多齿配体和中心离子 或中心原子 配位形成环状结构的配合物称为复杂配合物或螯合物 还有中性金属原子为配合物形成体 CO为配体的羰合物 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 分类 Cu2 Cu NH3 4 2 离子的结构 6 5配位化合物 Cu en 2 2 的结构 EDTA的结构 草酸根的结构 6 5 2配位化合物的命名 内界与外界 某化某 或 某酸某 简单化合物内界 配位体 合 中心离子 I II 表明中心离子价态 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配合物及配位化学的应用 离子的定性鉴定 电镀工业 冶金工业 生物医学 6 5配位化合物 1 离子的定性鉴定 浓氨水鉴定Cu2 Cu NH3 4 2 深蓝色 KSCN鉴定Fe3 Fe SCN 2 血红色 K3 Fe CN 6 鉴定Fe2 Fe3 Fe CN 6 2 滕氏蓝沉淀 K4 Fe CN 6 鉴定Fe3 Fe4 Fe CN 6 3 普鲁士蓝沉淀 近代通过结构分析普鲁士蓝和滕氏蓝为组成和结构相同的同一种物质 分子式为KFe Fe CN 6 H2O 6 5配位化合物 利用螯合剂与某些金属离子生成有色难溶的螯合物 作为检验这些离子的特征反应 例如丁二肟是Ni2 的特效试剂 它与Ni作用 生成鲜红色的二 丁二肟 合镍内配盐 附图6 7二 丁二肟 合镍配合物的结构 6 5配位化合物 2 电镀工业方面 在电镀铜工艺中 一般不直接用CuSO4溶液作电镀液 而常加入配位剂焦磷酸钾 K2P2O7 使形成 Cu P2O7 2 6 配离子 电镀液中存在下列平衡 Cu P2O7 2 6 Cu2 2P2O74 Cu2 的浓度降低 在镀件 阴极 上Cu的析出电势代数值减小 同时析出速率也可得到控制 从而有利于得到较均匀 较光滑 附着力较好的镀层 在电镀工艺中 为了使金属离子保持恒定的低浓度水平 一般利用配合物的特性使金属离子形成配离子 6 5配位化合物 3 冶金工业方面 用合适的配位体溶液直接把金属从矿物中浸取出来 再用适当的还原剂将配合物还原为金属 也称为湿法冶金 又如废旧材料中金的回收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 生物医学方面 在生物方面 以Mg2 为中心的大环配合物叶绿素能进行光合作用 将太阳能转变成化学能 以Fe2 为中心的卟啉配合物血红素能输送O2 而煤气中毒是因为血红素中的Fe2 与CO生成了更稳定的配合物而失去了运输O2的功能 能固定空气中N2的植物固氮酶是铁和钼蛋白质配合物 铅中毒主要损害神经系统 消化系统 造血系统和肾脏 我国儿童铅中毒比例很高 在医药方面 顺铂 Pt NH3 2Cl2 具有抗癌的作用 EDTA的钙钠盐是排除人体内Hg Pb Cd等有毒金属和U Th Pu等放射性元素的高效解毒剂等等 Pb2 Ca edta 2 Pb edta 2 Ca2 顺铂的结构 6 5配位化合物 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配位化合物6 6无机材料 第6章元素化学与无机材料 6 6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 根据用途 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 化学组成 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 6 6 1金属和合金材料 金属材料的优点 良好的导电 导热性高的机械强度 良好的机械加工性能较为广泛的温度使用范围 金属材料的缺点 易腐蚀 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 使他经不起高温 整体变软 促成大厦迅速倒塌 6 6无机材料 6 6无机材料 1 合金的基本结构类型 1 合金 由一种金属与另一种 或几种 金属或非金属所组成的具有金属通性的物质 2 种类 二元合金根据元素数目三元合金多元合金混合物合金 各组分分别结晶 如铋镉合金根据结构不同固溶体合金 形成固溶体 如金银合金金属化合物 形成化合物 如 黄铜 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 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 a 纯金属 溶质原子溶剂原子 金属固溶体晶格示意图 b 置换固溶体 c 间隙固溶体 6 6无机材料 金属化合物 当合金中加入的溶质原子数量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 6 6无机材料 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 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 6 6无机材料 碳化物 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 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 6 6无机材料 3 耐热合金与低熔合金 耐热合金主要是第V VII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 6 6无机材料 4 形状记忆合金 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定结构状态 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 6 6无机材料 5 非晶态合金 熔融状态的合金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身上达到较好的统一 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 6 6无机材料 6 6 2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 6 6无机材料 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 6 6无机材料 2 半导体材料 半导体材料的分类按化学组成单质半导体化合物半导体按是否含有杂质本征半导体杂质半导体 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 6 6无机材料 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M ller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 G 贝德诺兹JohannesG Bednorz K A 穆勒KarlA M ller 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 6 6无机材料 1987年赵忠贤等发现了组成为YBa2Cu3O7 的超导材料 相变温度Tc 93K 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 目前研制出K3C60 Rb3C60 RbCs2C60 RbTl2C60等 其Tc分别为18K 28K 33K 48K 6 6无机材料 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 6 6无机材料 4 光导纤维 光导纤维简称光纤 以传光和传像为目的的一种光波传导介质 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 6 6无机材料 6 6 3纳米材料和纳米碳管 纳米材料 纳米科技就是在1 100nm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 纳米材料应用广泛 如美国制成的GaN和ZnO纳米导线 能发出紫外光 这对制造 单片实验室 非常有用 它可用于快速和低成本地分析医学 环境和其他样品 纳米碳管 1990年 瑞士科学家发现管状结构的碳分子 称为碳纳米管 它由六元环形的碳原子组成的管状大分子 管的直径为零点几到几十纳米 管长为几十纳米到1微米 碳纳米管由几个到几十个单层碳管同轴套构成 相邻管径向间距为0 34nm 碳纳米管有许多优异性能 如强度比钢高100倍 具有优良的导热性和导电性等 纳米碳管结构 6 6无机材料 纳米材料的表面效应和体积效应 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 6 6无机材料 选读材料稀土金属 镧系元素与钪 钇一起共17种元素统称为稀土元素 稀土元素是我国的丰产元素 储量大于世界其它国家的总和 稀土元素有镧系收缩现象 在化合物中的氧化值一般是 3 稀土金属用途广泛 1 做合金的脱氧剂 脱硫剂 2 做催化剂 3 做贮氢材料 4 做高温超导材料 5 做发光材料 6 做永磁材料 作业 P310 313 1 23 总复习 考试时间 2h 计算器 第一章 15 考试题型 是非题 20 第二章 20 选择题 20 第三章 20 填空题 20 第四章 20 计算题 40 第五章 20 第六章 5 总复习 第二章 G 热力学等温方程 范特霍夫等压方程 总复习 v v k c A a c B b v k c A x c B y 阿仑尼乌斯公式 一元 稀释定律 缓冲溶液 Ks AmBn ceq Am n ceq Bn m nn mm sm n 溶度积规则 Qc Ks有沉淀 Qc Ks溶解平衡 Qc Ks无沉淀 第三章 总复习 总复习 第四章 总复习 原子结构 波函数 描写电子运动 R r 径向Y 角度分布图形状 电子云 2 几率密度 Y2 角度分布图形状 量子数 主量子数n角量子数l磁量子数m自旋量子数ms 1 取值 2 物理意义 3 对应波函数 轨道 名称 电子排布Pauling能级顺序 泡利不相容原理能量最低原理洪德规则 原子 离子的电子排布式和外层电子构型 周期系 周期族区 元素性质 半径 电负性 电离能 氧化值等 变化规律 第五章 总复习 分子结构 化学键 分子间力 离子键金属键共价键 价键理论杂化轨道论分子轨道论 spsp2sp3dsp2d2sp3sp3d2 理解理论要点类型 空间构型实例 范德华力氢键 色散力诱导力取向力 晶体结构 离子晶体 离子极化原子晶体分子晶体金属晶体 固体能带理论过渡晶体 层状 链状 质点微粒作用力物理性质 熔沸点 硬度 溶解性等 实例