《化学与材料》课件.ppt

第8章化学与材料,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(MSm-1),8.1.2.1 导电性和固体能带理论,导体：电导率大于10Sm-1，周期表左边的金属及合金。,绝缘体：电导率小于10-11Sm-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：10-11Sm-1 电导率10Sm-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(23eV)，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=3H2PtCl6+4NO(g)+H2O,3Cu+8HNO3=3Cu(NO3)2+2NO(g)+4H2O,Au+HNO3+4HCl=HAuCl4+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1.738gcm-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-+I2 5Cl2+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)+2H2O 3Si+18HF+4HNO3=3H2SiF6+4NO(g)+8H2O Si+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+HClO Br2+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。CaCO3 Ca(HCO3)2 H2CO3 Na2SO4 NaHSO4 H2SO4,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 FeCO3 NaNO3 AgNO3 CaSO4 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1100nm,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.纳米材料的应用,催化方面 随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶。这就增加了化学反应的接触面。,在生物和医学上的应用 利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部治疗。磁性纳米颗粒作为药剂的载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，有利于提高药效。采用纳米金属颗粒制成金属溶胶，接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验，用于快速诊断。关于这方面的研究现在还处于初始阶段，但却有广阔的应用前景。,