普通化学：06章part3无机材料_无机化合物

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1、首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页无机化合物无机化合物第6章首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页目录目录6.1 氧化物和卤化物的性质氧化物和卤化物的性质6.2 配位化合物配位化合物 6.3 无机材料基础无机材料基础*（自学）（自学）2首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1.金属与合金材料金属与合金材料2.无机非金属材料无机非金属材料3.纳米材料和纳米碳管纳米材料和纳米碳管 36.3 无机材料无机材料首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页6.3 无机材料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

2、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。根据用途结构材料结构材料：以强度为特征，如建筑、构件功能材料功能材料：以光、电、磁、热等性能为特征的材料化学组成金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料有机高分子材料有机高分子材料复合材料复合材料4首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1 金属与合金材料金属与合金材料金属材料的优点：金属材料的优点：良好的导电、传热性、高的机械良好的导电、传热性、高的机械强度，较为广泛的温度使用范围，良好的机械加工强度，较为广泛的温度使用范围，良好的机械加工性能等。性能等。金属材料的缺点：金属材料的缺点：易被腐蚀和难以满足高新技术更高易被腐蚀和难以满

3、足高新技术更高温度的需要。温度的需要。思考思考：9.119.11事件中纽约世贸大厦坍塌的原因事件中纽约世贸大厦坍塌的原因？合金钢强度经得起合金钢强度经得起12级台风、各种龙卷风的袭击，也耐级台风、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，使得住地震、雷电或爆炸的侵扰。但其优良的导热性，使其经不起高温，整体变软，促成大厦迅速倒塌。其经不起高温，整体变软，促成大厦迅速倒塌。5首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页（1）合金的基本结构类型合金的基本结构类型 金属固溶体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一种溶质元素（金属或非金属）原子溶解到另一种

4、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。合金称为金属固溶体。金属固溶体可分为金属固溶体可分为置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。例如钒、铬、锰、镍和钴等元素与铁都能形成置换固溶体；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。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首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页 金属化合物金属化合物当合金中加入的溶

5、质原子数量超过了溶剂金属的溶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，除能形成固溶体外解度时，除能形成固溶体外,同时还会出现新的相，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。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。前者如元素组成。前者如Mg2Pb、CuZn 等；后者如硼、等；后者如硼、碳和氮等非金属元素与碳和氮等非金属元素与d区金属元素形成的化合物

6、，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。分别称为硼化物、碳化物、氮化物等。（1）合金的基本结构类型合金的基本结构类型7首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页碳化物碳化物碳能和大多数元素形成化合物。碳与电负性比碳小的元素形碳能和大多数元素形成化合物。碳与电负性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳氢化合物外，称为碳化物。成的二元化合物，除碳氢化合物外，称为碳化物。离子型碳化物离子型碳化物指活泼金属的碳化物，如碳化钙指活泼金属的碳化物，如碳化钙(CaC2)，熔点较高，熔点较高(2300)，工业产品叫电石。工业产品叫电石。共价型碳化物共价型碳化物非金属硅和硼的碳化物，如碳化硅非金属

7、硅和硼的碳化物，如碳化硅(SiC)、碳化硼、碳化硼(B4C)。熔。熔点高点高(分别为分别为2827、2350)、硬度大，为原子晶体。、硬度大，为原子晶体。金属型碳化物金属型碳化物由碳与钛、锆、钒、铌、钽、钼、钨、锰、铁等由碳与钛、锆、钒、铌、钽、钼、钨、锰、铁等d区金属形区金属形成，例如成，例如WC、Fe3C等。这类碳化物的共同特点是具有金属等。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。光泽，能导电导热，熔点高，硬度大，但脆性也大。（1）合金的基本结构类型合金的基本结构类型8首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1 1）轻质）轻质合金合金轻质合金是由镁、铝、

8、钛、锂等轻金属形成的合金。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。铝合金铝合金在铝中加入镁、铜、锌、锰形成铝合金。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铝铜镁合金称为硬铝，铝锌镁铜合金称为超强硬铝(其强度其强度远高于钢远高于钢)。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。钛合金钛合金钛中加入铝、钒、铬、钼、锰等形成钛合金。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

9、等的重要结构材料。（2）典型典型的合金材料的合金材料9首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2 2）耐热合金）耐热合金耐热合金耐热合金主要是第主要是第VVII 副族元素和副族元素和VIII族高熔点族高熔点元素形成的合金。元素形成的合金。应用最多的有铁基、镍基和钴基合金。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。件，涡轮工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。（2）典型典型的合金材料的合金材料10首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3 3）低）低熔合金熔合金低熔合金低熔合金常用的

10、低熔金属及其合金元素有汞、锡、常用的低熔金属及其合金元素有汞、锡、铅和铋等。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。中的电开关接触液。汞容易与很多种金属形成合金。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。以及信号仪表等，还可用作原子能反应堆的冷却剂。（2）典型典型的合金材料的合金材料11首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页4 4）形状记忆合金）形状记忆合金形状记忆合金有一个特殊的转变温度，

11、在转变温度以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，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。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，

12、由于接口恢复原状械扩张，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。这种管子固定法在而使接口非常紧密。这种管子固定法在F14F14型战斗机油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。的实例。（2）典型典型的合金材料的合金材料12首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页5 5）非晶态合金）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

13、，不给原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，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。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。犬牙交错不规则

14、排列使得它具有较好的韧性。（2）典型典型的合金材料的合金材料13首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页2.无机非金属材料无机非金属材料 无机非金属材料的分类和特点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天然硅酸盐为原料的制品(这些制品称为这些制品称为传统陶瓷传统陶瓷)。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

15、化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等化合物(这这些材料又称为些材料又称为精细陶瓷精细陶瓷或或特种陶瓷特种陶瓷)以及一些非金属单以及一些非金属单质如碳、硅等。质如碳、硅等。无机材料的主要特点是无机材料的主要特点是耐高温、抗氧化、耐磨、耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀和硬度大耐腐蚀和硬度大，而，而脆性脆性是其不足。是其不足。14首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页（1）耐热高温结构材料耐热高温结构材料 氮化硅氮化硅 Si3N4组成氮化硅的两种元素的电负性相近，属强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共价键结合的原子晶体子晶体，所以氮化硅的硬度高（耐磨损）、熔点高（耐高，所以氮化硅

16、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。想材料。缺陷是抗机械冲击强度偏低，容易发生脆性断裂。氮化硼氮化硼 BN金刚石型氮化硼金刚石型氮化硼属属强共价键结合强共价键结合，兼有许多优良性能，不但，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。超硬材料。石墨型氮化

17、硼石墨型氮化硼属属混合晶体混合晶体，俗称，俗称“白石墨白石墨”。与石墨性质相与石墨性质相似，有良好的电绝缘性、导热性和耐化学腐蚀性。抗氧化性似，有良好的电绝缘性、导热性和耐化学腐蚀性。抗氧化性能甚强，在高温时也具有良好的润滑性，是一种优良的高温能甚强，在高温时也具有良好的润滑性，是一种优良的高温固体润滑剂。固体润滑剂。15首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页（2）半导体材料半导体材料 半导体材料的分类半导体材料的分类按按化学组成化学组成，半导体可以分为，半导体可以分为单质半导体单质半导体和和化合物半导体化合物半导体，按半导体按半导体是否含有杂质是否含有杂质又可分为又可分为本征半导体本征半导

18、体和和杂质半导体杂质半导体。电子 空穴(一个电子从价带激发到导带，从而在价带中留下一个空穴)半导体两类载流子示意图由于半导体禁带较窄，不要由于半导体禁带较窄，不要太多的能量就可以使满带中太多的能量就可以使满带中的电子激发跃迁到空带，并的电子激发跃迁到空带，并在满带留下空穴。满带中的在满带留下空穴。满带中的其它电子移动到空穴又产生其它电子移动到空穴又产生新的空穴。在外电场作用下，新的空穴。在外电场作用下，电子和空穴都可以定向地移电子和空穴都可以定向地移动。动。16首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页（3）超导材料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有些物质在某特定的温度

19、以下，其导电率将突然增至无穷大，这种现象称为超导电性。大，这种现象称为超导电性。Bednorz和和Mller因发现因发现La-Ba-Cu-O氧化物（氧化物（Tc=30K)超导体，荣获超导体，荣获1987年诺贝尔物理年诺贝尔物理学奖。学奖。J.G.贝德诺兹Johannes G.BednorzK.A.穆勒Karl A.Mller目前已发现目前已发现30种单质，种单质，8000余种金属、合金、余种金属、合金、化合物具有超导性。化合物具有超导性。20世纪世纪80年代以来，我年代以来，我国高温超导材料的研究国高温超导材料的研究和应用方面一直居世界和应用方面一直居世界前列。前列。首先报道超导材料的科学家1

20、7首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页1987年年 赵忠贤等发现了组成为赵忠贤等发现了组成为YBa2Cu3O7-的的超导材超导材料，相变温度料，相变温度Tc=93K。1993年，中年，中-瑞合作开发得到瑞合作开发得到Hg-Ba-Cu-O，其相变温度达到，其相变温度达到133.5K。YBa2Cu3O7-的晶体结构人们发现人们发现C60分子与碱金属分子与碱金属K、Rb、Cs等形成的等形成的AxC60也具有超导性质，也具有超导性质，AxC60是球形结构，属三维超导体。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而上述的混合金属氧化物是层状结构，属二维超导体。目前已研结构，属二维超导体。

21、目前已研制出制出K3C60、Rb3C60、RbCs2C60、RbTl2C60等，其等，其Tc分别为分别为18K、28K、33K、48K。（3）超导材料超导材料18首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页据据科技日报科技日报2001年年12月月3日报道，随着三条各日报道，随着三条各长长1000米的高温超导线材的出炉，标志着我国第一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，也使具有我国及

22、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。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该产品单根线材可通过的电流达43安培，工程临界安培，工程临界电流密度达到电流密度达到6000安培每平方厘米以上。该生产线安培每平方厘米以上。该生产线目前年生产能力为目前年生产能力为200公里。公里。（3）超导材料超导材料19首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页（4）光导纤维光导纤维光导纤维简称光纤，以光导纤维简称光纤，以传光和传像为目的的一传光和传像为目的的一种光波传导介质。种光波传导介质。光导纤维的最大应用是光导纤维的最大应用是激

23、光通讯，它具有信息激光通讯，它具有信息容量大、重量轻、抗干容量大、重量轻、抗干扰、保密性好等优点。扰、保密性好等优点。光导纤维20首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页3.纳米材料和纳米碳管纳米材料和纳米碳管 纳米材料纳米材料纳米科技就是在1100nm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

24、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21首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页纳米材料的表面效应和体积效应纳米材料的表面效应和体积效应 表面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

25、，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。22首页首页上一页上一页下一页下一页末页末页本章小结本章小结 了解氯化物和氧化物的熔点、硬度等物理性质与其结构密切相关，并呈现一定的规律性。明确某些化合物的氧化还原性和酸碱性等化学性质的一般规律。如KMnO4、K2CrO7、NaNO2、H2O2等的氧化还原性与产物规律；氧化物及其水合物的酸碱性规律；氯化物与水反应的规律。了解配合物的组成、命名和价键理论等基本内容。注意配合物在分析鉴定、电镀、冶金及生物医学等领域有重要应用。了解一些重要金属、合金材料、无机非金属材料及纳米材料的特性及应用。23