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1、第 六 章 非 金 属 元 素 与无机非金属材料,第一节 非金属元素概述,一.周期系中的非金属元素,(H) He B C N O F Ne Si P S Cl Ar As Se Br Kr Te I Xe At Rn,1 外层电子构型： H 1s1 其它 ns2np1-5 0族 ns2np6,1,电离能大 ； 电子亲合能负； 电负性大。,3 可变的氧化数； 4 晶体类型：,原子晶体过渡晶体分子晶体,B C Si As Se Sb 大多数,2,2 原子的性质：,二 单质的物理性质, 熔沸点、硬度 与晶体类型对应: 金刚石(C) 最高(10)原子晶体， He 最低 分子晶体；, 大多数是非导体。
2、B C Si P As Se具有半导体性质。,三 单质的化学性质, 与活泼金属可反应 （O2 、X2，N2需“活化”）；,3,N2可做保护气体，但2000下可得NO： N2+O22NO, 常温下只有X2可与水反应： 2F2+2H2O4HF+O2 Cl2+H2OHCl+HClO 高温下B、C、Si与H2O反应得H2。,4, 常温下与氧无明显反应(白磷自燃), 不与非氧化性酸反应。 与氧化性酸反应得含氧酸： S+c.HNO3H2SO4+2NO,5,如,1000时： C+H2O（g）CO+H2 N2、P、O2、S则不反应。,Cl2可与碱反应，B、 Si 、P、 S与 浓碱反应得含氧酸： 2B+2KO
3、H+2H2O2KBO2+3H2,第二节 非金属元素的重要化合物,一 卤 化 物,1 卤化物的晶体类型及熔沸点 卤化物卤素与比卤素电负性小的元素 组成的二元化合物。, 卤化物的熔点： 活泼金属卤化物：离子晶体，熔点较高； 过渡金属卤化物：过渡晶体，熔点较低； 非金属的卤化物：分子晶体，熔点很低。,6,上述情况可用离子极化理论予以说明。, 离子极化理论： 视化合物由正、负离子组成； 视离子的正负电荷中心重合； 离子在电场作用下产生诱导偶极 离子的极化。,离子的极化决定于离子的极化力和 变形性：,7,离子的极化力与离子的电荷、半径、 电子层结构有关；,离子的变形性是指某离子在外电场作用下被极化的程度
4、。与离子的电荷、半径、电子层结构有关。主要与离子的半径有关。,8,离子的极化力是指：某离子使邻近异 电荷离子变形（极化）的能力。,结果是：离子键向共价键过渡；,离子晶体向分子晶体过渡；,化合物的物理性质随之发生相应变化。 如熔点变低，水中溶解度变小，等。,9,离子极化的结果导致原子轨道的重叠；,离子极化作用增强,如第3周期氯化物熔点依次：高低 正离子元素 Na Mg Al Si P S 电荷 +1 +2 +3 +4 +5 +6,离子的半径 依次变小 离子的极化力 依次增强 Cl-被极化程度 依次增大 氯化物键型 离子键共价键,晶型 离子晶体分子晶体,熔点 高低,10, 解释：,A、A卤化物一般
5、不水解； 某些卤化物水解生成氯氧化物+HCl： SbCl3+H2OSbOCl(s)+HCl BiCl3+H2OBiOCl(s)+HCl,非金属卤化物能完全水解生成两种酸： BCl3+3H2OH3BO+3HCl PCl5+4H2OH3PO4+5HCl SiCl4+3H2OH2SiO3+4HCl,11,2.卤化物的水解,二 氧 化 物,氧化物氧与电负性比氧小的元素组成 的二元化合物。,1 氧化物的晶型、熔点、硬度 规律与卤化物类似，如：,12,此处讨论正常氧化物。,Mn+极化力 依次增强 晶 型 离子晶体过渡分子晶体 熔 点 高 低,例 NaO MgO Al2O3 CO2 SO3 CrO3 MnO
6、2 Cr2O3 Mn2O3,13,高价态极化力强,低价态极化力弱,B C N Na Mg Al Si P S Cl,2 氧化物及其水合物的酸碱性, ROH模型 ROH由Rn+、O2-、H+离子组成； ROH中RO，OH皆为离子键；,R O H,碱式 解离,如:ROHRn+OH- ROHH+ROn-,14,酸式 解离,ROH的解离方式决定于R-O键的相 对强弱，即决定于Rn+的极化力。,同周期： Na+ Mg2+ Al3+ Si4+ P5+ S6+ Cl7+ Rn+电荷 依次增大 R-O结合力 依次增强 RO对H+斥力 依次增大 ROH的酸性 依次增强,同族：,上 下,n+ 同,r(+) 大,R
7、n+极化力 弱,R-O键 弱,酸性 弱,15, 举例：,包括两种情况： 热分解,如: 2HgO2Hg+O2 置换，如: 2Al+Fe2O3Al2O3+2Fe 前者可用fH判断； 后者可用G-T 图判断。,大多数氧化物稳定,不分解。 少数不活泼金属氧化物受热会分解： 2Ag2O4Ag+O2 卤素氧化物最不稳定，低温下即分解。,16,3 氧化物的稳定性,三 含氧酸及其盐,盐由两部分组成： 正离子：,17,酸 根：,无氧酸根， 含氧酸根， 负配离子 如：Cl- S2- SO42- CO32- Fe(CN)63- 此处讨论含氧酸的盐。,金属离子，金属氧根， 正配离子 如：K+ Cu2+ SbO+ Ti
8、O2+ Cu(NH3)42+,CO2 水溶液中，含有大量CO2H2O， 少量H2CO3。 H2CO3的解离： H2CO3,HCO3-, 盐的溶解度： A（除Li+），NH4+外皆难溶。,18,假定溶于水中的CO2 全部转化为H2CO3,1 碳酸及其盐, 易溶盐的酸式盐NaHCO3难溶； 难溶盐的酸式盐Ca(HCO3)2易溶。, 热稳定性： 正盐 酸式盐 酸 如： CaCO3 Ca(HCO3)2 H2CO3 可用热分解温度衡量碳酸盐的稳定性。 如：A碳酸盐 BaCO3 SrCO3 CaCO3 MgCO3 热分解温度/ 1292 1098 841 558,19,热分解温度碳酸盐分解出的p(CO2)
9、 达到101325Pa时的温度。此温度可用 热力学数据计算。,无论浓稀都有氧化性，还原产物很 多：N2O、NO、NO2、N2、NH4+等，决 定于酸的浓度和还原剂。,20,2 硝酸（亚硝酸）及其盐 HNO3,可钝化某些金属，如：Ti、Cr、Al、 Fe、Co、Ni；,21,王水由于HNO3的氧化能力和Cl-配合 物的形成而具有很强的溶解能力。,这里有三块黄金样品： 左边的样品上加浓盐酸， 右边的加浓硝酸，中间 的加两种酸的混合物。 金子只与混酸反应， 这种混酸称为王水， 意思是“黄金水”。,活泼金属 2NaNO32NaNO2+O2 Mg-Cu之间 2Pb(NO3)22PbO+4NO2+O2 A
10、g后金属 2AgNO32Ag+2NO2+O2,其分解情况有三（视金属的活泼性）：, 硝酸盐 多不稳定,22,酸性介质中，氧化性为主； 遇强氧化剂，表现还原性。,3 硫的含氧酸及其盐 H2SO4 浓酸具有氧化性。还原产物多种； 有钝化作用,如:Ti Al Cr Fe Co Ni。 沸点(338)高,做热浴，制挥发酸。, 硫酸盐 溶液无氧化性，热稳定性强。,23, HNO2 兼具氧化 还原性：,5(NH4)2S2O8+2MnSO4+8H2OAg+ 2HMnO4+ 5(NH4)2SO4+7H2O 稳定性差，加热分解： (NH4)2S2O8(NH4)2SO4+SO2+O2,(4)亚硫酸盐 兼具氧化、还
11、原性。 主要在碱性介质中做还原剂。,24,过硫酸铵(NH4)2S2O8, 有氧化性(因含-O-O-),Na2SO3+Cl2+H2ONa2SO4+2HCl Na2SO3+2KMnO4+2KOHNa2SO4+2K2MnO4+H2O,(5)Na2S2O3 常用的还原剂， 用于吸氯： S2O32-+4Cl2+5H2O 2SO42-+10H+8Cl- 用于测I2： 2S2O32-+I2 S4O62-+2I-,25, 氯有四种含氧酸,皆有氧化性， HClO HClO2 HClO3 HClO4 其氧化性：依次增强,可见氧化性与氧化数无关。, 盐： Ca(ClO)2CaCl2漂白粉,用于杀菌消毒;,26,KC
12、lO3 KClO4 NH4ClO4高温时皆氧化剂分 解出大量气体,可用于火柴 焰火 炸药。,4 氯的含氧酸及其盐,2KClO32KCl+3O2 NH4ClO4N2+6H2O+4HCl+5O2,5 含氧酸盐热稳定性的规律： 酸不稳定，对应的盐亦不稳定； 正盐酸式盐酸 (同一种酸) 碱金属盐碱土金属过渡金属铵 (同一酸根) 高氧化值盐低氧化值盐(同一成酸元素),（NaNO3NaNO2例外）,27,如:,第三节 新型无机非金属材料简介,一 半导体材料,1 半导体导电机理金属的能带理论,根据分子轨道理论（MO法），二相邻 原子的相应原子轨道可以组成总数目相 同的分子轨道。金属晶体中，原子紧密 堆积，原
13、子数目很大，可以组合成很多 分子轨道。这些分子轨道间能量差很小 ,形成了能带。,28,如，Na的3s1形成3s能带：,(*3s),(3s),能量较低的3s能带充满电子，称满带； *3s能带没有电子，为空带，又称导带, 在满带和导带之间有禁带。,29,满带、禁带、空带之间有三种情况：,满、导带间无禁带，电子可进入导带， 此即导体导电；,满、导带间禁带很宽（480kJ mol-1）， 电子不能激发进入导带，此即绝缘体；,30,禁带宽度较窄（96-290kJ mol-1） 电子可在小能量下激发到导带，通常 不导电。此即半导体。,在半导体中，满带中一个电子被激发 到导带，则导带中有一个负电荷（电子）
14、满带中有一个正电荷（空穴）。,31,电子正极； 空穴负极 这就是半导体导电。 其电导是电子和空穴的电导之和。,2 半导体种类 单质半导体,本征半导体：无杂质单晶。 需高能量激发电子，电子和空穴数目 相等。,32,在电场中：,杂质半导体： 选择性地掺入杂质(单质，不化合)如：,33,n型Si、Ge中掺入 As、P(多一个 价电子)称施主 杂质，电子导 电；,p型Si、Ge中掺入 B、In(少一个 价电子)称受主 杂质，空穴导 电。,所掺杂质的轨道能级应处于本征半导体禁带宽度之中。,34,许多化合物与合金具有半导体性质，以A、A-B、B的化合物为主。, p-n结：p型半导体和n型半导体接触，以接触
15、电势差对交流电起整流作用，对信号起放大作用；,35,3 半导体材料的特性和用处, 化合物半导体, 以半导体的电导-温度关系做热敏 电阻，用于测温；,p-n结中，半导体受光照， 电子进入导带。此时， 电子进入n区,空穴进入p区，,36, 太阳能电池：,以半导体的电导-光照关系做光敏 电阻，用于光电控制、静电复印；,形成电势差，同时产生电子和空穴 光生伏特效应。,二 超 导 材 料,1 超导现象及临界条件,1911年发现，Hg在4.2K附近,电阻突 然消失.金属的这种特殊状态称超导态。 向超导态转变的温度叫超导临界温度Tc。,37,超导态时，磁感应强度也为零，即具 有完全的抗磁性。当磁场超过Hc时
16、,超导 态被破坏。Hc叫临界磁场；,通过超导体的电流超过Ic后，超导态 也被破坏。Ic叫临界电流。,TTc，HHc，IIc 超导态都被破坏 称超导体的三大邻界条件。,38,超导态具有完全的抗磁性。,39,2 超导材料,目前已发现30种单质，8000种金属、,合金、化合物具有超导性。,1987年 赵宗贤等，,YBa2Cu3O7-x (Tc=90K),1993年 中-瑞合作，,Hg-Ba-Cu-O (Tc=133.5K),40,日前发现，C60的某些金属化合物具有超导性。,C60（足球烯）的结构,41,三 激 光 材 料,1 激光的特点: 光源亮度高；,方向性极强;,单色性极好.,2 激光的产生:, 通常,物质的粒子大多处于基态, 极少处于激发态。激发态粒子跃迁回 基态放
