非金屬材料化學(xué)

非金屬材料化學(xué)第一頁，共49頁。傳統(tǒng)硅酸鹽材料：以天然硅酸鹽為材料的制品如陶瓷、玻璃、水泥

新型非金屬材料：人工合成不含硅或少含SiO2的材料如半導(dǎo)體、光導(dǎo)纖維、激光材料

非金屬材料第一頁第二頁，共49頁。6.1非金屬材料概論周期表中的非金屬元素非金屬單質(zhì)非金屬化合物第二頁第三頁，共49頁。非金屬元素大都集中在周期表的右上方，沿B—Si—As—Te—At對角線將其與金屬分開。非金屬元素(22個)除氫在s區(qū)外,其余都分布在p區(qū)。金屬元素(87個)1.

周期表中的非金屬元素第三頁第四頁，共49頁。非金屬既可以存在于地殼中，也可以存在于空氣中；既可以單質(zhì)形式存在，也可以化合物形式存在。第四頁第五頁，共49頁。2.非金屬單質(zhì)原子如稀有氣體分子雙原子分子多原子分子如N2,H2,O2如S8環(huán)狀結(jié)構(gòu)P4三角錐型B14正二十面體（1）物質(zhì)結(jié)構(gòu)第五頁第六頁，共49頁。

（2）晶體結(jié)構(gòu)分子晶體：原子晶體：過渡型晶體：稀有氣體、鹵素、N2、H2、O2等金剛石、單晶硅、硼層狀:石墨、灰砷、黑磷鏈狀:灰碲、灰硒第六頁第七頁，共49頁。（3）物理性質(zhì)a.同素異形體很多，結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)不同。這規(guī)律與單質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。具體見表6-1b.非金屬單質(zhì)的熔沸點(diǎn)和硬度在周期表中呈低→高→低變化規(guī)律。第七頁第八頁，共49頁。c.導(dǎo)電性P區(qū)右上部元素:

絕緣體

P區(qū)對角線左右的單質(zhì):半導(dǎo)體如Si、Ge、Se等溫度升高，導(dǎo)電性增大；加入雜質(zhì)，導(dǎo)電性增大。d.有可變氧化數(shù)最高正氧化數(shù)在數(shù)值上等于所處族數(shù)。

SS-2S0S+2S+4S+6第八頁第九頁，共49頁。

氧化還原性（4）化學(xué)性質(zhì)其性質(zhì)基本符合周期表中非金屬性的遞變規(guī)律及標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的順序。第九頁第十頁，共49頁。3.非金屬化合物（1）氧化物氧化物是指氧與電負(fù)性比氧小的元素所組成的二元化合物。氧化物熔點(diǎn)、沸點(diǎn)和硬度的高低與組成氧化物的晶體類型有關(guān)。看表6-5、表6-6第十頁第十一頁，共49頁。

變化規(guī)律

a.活潑金屬元素的氧化物，如Na2O、BaO、CaO、MgO等是離子晶體，熔沸點(diǎn)都很高。

b.非金屬元素的氧化物大都是分子晶體，如SO2、CO、N2O5等是共價(jià)型化合物，熔沸點(diǎn)較低；但SiO2是原子晶體，熔沸點(diǎn)高。

c.大多數(shù)不太活潑金屬元素的氧化物是過渡型化合物，其低價(jià)態(tài)的金屬氧化物如Cr2O3(離子晶體向原子晶體過渡)的熔點(diǎn)大于高價(jià)態(tài)金屬的氧化物如CrO3(離子晶體向分子晶體過渡)的熔點(diǎn)。第十一頁第十二頁，共49頁。①酸堿性

氧化物及其水合物的酸堿性是氧化物最重要的化學(xué)性質(zhì)。

通式R(OH)x

氧化物：酸性、堿性、兩性、惰性水合物：酸性、堿性、兩性第十二頁第十三頁，共49頁。

②

氧化物及其水合物的酸堿性強(qiáng)弱規(guī)律左右

酸性增強(qiáng)堿性減弱上下酸性減弱堿性增強(qiáng)a.周期表各主族最高價(jià)態(tài)的氧化物及其水合物

副族情況與主族大致相同，但要緩和些。第十三頁第十四頁，共49頁。原因：(I)(II)(I)堿式解離如鈉、鎂等，原子半徑大，離子電荷數(shù)少，易堿式解離形成堿。(II)酸式解離

如氯等，原子半徑小，離子電荷數(shù)多，易酸式解離形成酸。OHR第十四頁第十五頁，共49頁。b.

同一元素形成不同價(jià)態(tài)的氧化物及其水合物時，高價(jià)態(tài)的酸性比低價(jià)態(tài)的要強(qiáng)。HClOHClO2HClO3HClO4

弱酸中強(qiáng)酸強(qiáng)酸極強(qiáng)酸酸性增強(qiáng)例如：CrOCr2O3CrO3堿性兩性酸性酸性增強(qiáng)第十五頁第十六頁，共49頁。（2）鹵化物鹵化物是指鹵素與電負(fù)性比鹵素小的元素所組成的二元化合物。本節(jié)著重討論氯化物。如HCl、KCl、ZnCl2、CCl4、PCl3等氯化物有離子晶體、分子晶體、還有過渡型晶體，大致可分成三類：第十六頁第十七頁，共49頁。a.活潑金屬氯化物屬于離子晶體，由于正、負(fù)離子間靜電引力較大或者說離子鍵較強(qiáng)，因而熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較高，硬度較大。如NaCl、KCl等同類型的離子晶體熔沸點(diǎn)、硬度隨離子電荷數(shù)的增加以及離子半徑的減小而升高。①氯化物晶體第十七頁第十八頁，共49頁。b.非金屬氯化物

屬于分子晶體，晶體微粒間存在著弱小的范德華力，所以熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度都較低.

同類型的分子晶體，一般隨著分子量增大，范德華力增強(qiáng)，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)會升高。

如PCl3、CCl4、

SiCl4等第十八頁第十九頁，共49頁。c.絕大多數(shù)過渡金屬氯化物是介于離子晶體和分子晶體之間的過渡型晶體。其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)介于兩者之間，大多較低。

如MgCl2、AlCl3、FeCl3等

第十九頁第二十頁，共49頁。

②氯化物與水的反應(yīng)a.活潑金屬氯化物在水中完全解離，不發(fā)生水解，因而水溶液的pH值不變。第二十頁第二十一頁，共49頁。b.非金屬氯化物和某些高價(jià)態(tài)金屬氯化物

與水迅速完全發(fā)生反應(yīng)，生成非金屬含氧酸和鹽酸。PCl5+H2O=H3PO4+5HCl這類氯化物在濕潮的空氣中成霧的現(xiàn)象就是由于與水的強(qiáng)烈作用引起的。第二十一頁第二十二頁，共49頁。

在水中會有不同程度的解離，水解常常分級進(jìn)行，溶液的pH值發(fā)生變化。MgCl2+H2OMg(OH)Cl+HClc.絕大多數(shù)過渡金屬氯化物第二十二頁第二十三頁，共49頁。（3）碳酸鹽碳酸鹽正鹽酸式鹽堿式鹽一般不穩(wěn)定一般較穩(wěn)定Na2CO3NaHCO3熱分解溫度1800℃267℃Na2CO3→Na2O

+CO2▲表6-10列出一些碳酸鹽的熱分解溫度NaHCO3→Na2CO3+CO2+H2O▲第二十三頁第二十四頁，共49頁。碳酸鹽的熱分解的基本規(guī)律①吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于熱分解。②同一種含氧酸，其正鹽比相應(yīng)的酸式鹽穩(wěn)定,酸式鹽比相應(yīng)的含氧酸穩(wěn)定CaCO3Ca(HCO3)2H2CO3熱穩(wěn)定性降低第二十四頁第二十五頁，共49頁。③同一種含氧酸的鹽，鈉、鉀等活潑金屬的鹽比一般金屬的鹽穩(wěn)定。

CaCO3FeCO3Ag2CO3熱分解溫度/℃910282170第二十五頁第二十六頁，共49頁。6.2非金屬材料硅酸鹽材料新型非金屬材料第二十六頁第二十七頁，共49頁。1.硅酸鹽材料硅酸或多硅酸的鹽如長石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸鹽，組成復(fù)雜，用途廣泛。通常認(rèn)為是酸性的SiO2和堿金屬氧化物相結(jié)合的化合物?；窘Y(jié)構(gòu)單元:SiO4四面體(1)天然硅酸鹽第二十七頁第二十八頁，共49頁。因四面體排列不同，產(chǎn)生下列幾種結(jié)構(gòu):鏈狀結(jié)構(gòu)

如石棉(CaO·3MgO·4SiO2)如云母(K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O)滑石(3MgO·4SiO2·H2O)如長石(K2O·Al2O3·6SiO2)泡沸石(Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O)三維結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)第二十八頁第二十九頁，共49頁。（2）水泥普通水泥(硅酸鹽水泥)砂渣水泥高鋁水泥耐酸水泥第二十九頁第三十頁，共49頁。（3）玻璃a.普通玻璃b.特種玻璃Na2CO3+CaCO3+6SiO2→Na2O·CaO·6SiO2+2CO2光導(dǎo)纖維、鋼化玻璃、有色玻璃、半導(dǎo)體玻璃、透紅外玻璃等。第三十頁第三十一頁，共49頁。（4）陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷智能陶瓷生物陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷與功能陶瓷的復(fù)合產(chǎn)物。用于人體器官替換修補(bǔ)及外科矯形的陶瓷材料。如羥基磷灰石：[Ca10(PO4)6(OH)6]。如氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷等。改變陶瓷組成、使其具有某些獨(dú)特功能的材料。如用尖晶石鐵氧體制成的磁性陶瓷。第三十一頁第三十二頁，共49頁。2.新型非金屬材料(1)半導(dǎo)體材料①半導(dǎo)體②導(dǎo)電機(jī)理導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。符合金屬能帶理論。第三十二頁第三十三頁，共49頁。溫度升高，半導(dǎo)體導(dǎo)電性增強(qiáng)。a.溫度金屬導(dǎo)體與半導(dǎo)體導(dǎo)電性的區(qū)別：溫度升高，金屬導(dǎo)體中的原子振動加劇，導(dǎo)電性下降；第三十三頁第三十四頁，共49頁。金屬導(dǎo)體中增加雜質(zhì)，阻礙電子的定向移動，導(dǎo)電性下降。b.雜質(zhì)半導(dǎo)體中增加微量雜質(zhì)，導(dǎo)電性大大增加下降。第三十四頁第三十五頁，共49頁。③半導(dǎo)體種類化學(xué)組成單質(zhì)半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體如SiGe如GaPZnSb本征半導(dǎo)體有無雜質(zhì)P-型半導(dǎo)體非本征半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體)n-型半導(dǎo)體GeBGeSb第三十五頁第三十六頁，共49頁。④應(yīng)用利用半導(dǎo)體的特性可以制造晶體管集成電路、檢波器、整流器、熱敏電阻、光敏電阻、光電探測器等。第三十六頁第三十七頁，共49頁。磁性材料包括鐵磁性材料和亞鐵磁性材料。微觀特征：相鄰原子或離子磁矩呈有序排列。宏觀特征：在外磁場作用下，具有明顯的磁化特性（2）磁性材料第三十七頁第三十八頁，共49頁。a.金屬磁性材料b.鐵氧體鐵、鎳、鈷及其合金通常適用于低頻大功率的電力電子工業(yè)等。以氧化鐵為主要成份廣泛用于電視廣播通訊等領(lǐng)域。磁性材料按成分分為：第三十八頁第三十九頁，共49頁。由激光器發(fā)出的光稱為激光。能產(chǎn)生激光的半導(dǎo)體材料有：GaAs、ZnSb、GaAlAs、ZnS、CdTe等。特征：光源亮度強(qiáng)有極高的方向性有極高的單色性（3）激光材料第三十九頁第四十頁，共49頁。激光應(yīng)用面很廣。激光是最亮光源，在焦點(diǎn)處可產(chǎn)生上百萬度的高溫，使難熔物質(zhì)瞬間熔化或氣化，激光切割、激光打孔、激光焊接正是最好的應(yīng)用；在激光方向性和單色性方面，可用激光測距，距離遠(yuǎn)，精度高。激光雷達(dá)已用于氣象預(yù)測。第四十頁第四十一頁，共49頁。900度高溫下工作的光纖傳感器第四十一頁第四十二頁，共49頁。以傳光和傳像為目的的一種光波傳導(dǎo)介質(zhì)。一般是直徑僅幾微米的帶包層的圓柱形石英玻璃纖維。（4）光導(dǎo)纖維第四十二頁第四十三頁，共49頁。

不同折光率介質(zhì)界面的全反射現(xiàn)象，即光從折射率大的光密介質(zhì)（纖芯）以一定角度射向折射率的小光疏介質(zhì)（包層）時，光在界面會發(fā)生全反射而全部折回光密介質(zhì)。

光纖通訊的基本原理

光通訊就是把聲音或圖象由發(fā)光元件轉(zhuǎn)化成光訊號，由光導(dǎo)纖維傳到另一端，再由接受元件恢復(fù)為電訊號。傳光原理第四十三頁第四十四頁，共49頁。

光導(dǎo)纖維作為現(xiàn)代光通信的傳光關(guān)鍵器件，主要有以下特點(diǎn)：（１）傳輸損耗小。一般損耗小于20分貝/公里，20世紀(jì)末已有僅為0.2分貝/公里的超低損耗光纖問世。（2）容量大。20世紀(jì)末已有一對光纖同時傳送150萬路電話和2000套彩色電視的記錄，比現(xiàn)有的1800路中同軸電纜載波通信的容量大800倍以上。（３）傳輸質(zhì)量高，抗干擾、保密性好。誤差小，不產(chǎn)生也不受磁干擾。（４）足夠的強(qiáng)度和可撓性。不僅加工、使用方便，耐久性好，而且可以任意彎曲傳