第六章 第六章 非金属材料化学 非金属材料化学

传统硅酸盐材料：传统硅酸盐材料：

以天然硅酸盐为材料的制品以天然硅酸盐为材料的制品 如陶瓷、玻璃、水泥如陶瓷、玻璃、水泥

新型非金属材料：新型非金属材料：

人工合成不含硅或少含人工合成不含硅或少含 SiOSiO22 的材料的材料 如半导体、光导纤维、激光材料如半导体、光导纤维、激光材料

非金属材料非金属材料

6.1 6.1 非金属材料概论非金属材料概论

周期表中的非金属元素周期表中的非金属元素

非金属单质非金属单质

非金属化合物非金属化合物

非金属元素大都集中在周期表的右上方，沿 B—S

i — As — Te — At 对角线将其与金属分开。

非金属元素 (22 个 ) 除氢在 s 区外 , 其余都分布在 p 区。

金属元素 (87 个 )

1. 周期表中的非金属元素1. 周期表中的非金属元素

非金属既可以存在于地壳中，也可以存在于空气中；既可以单质形式存在，也可以化合物形式存在。

2. 2. 非金属单质非金属单质2. 2. 非金属单质非金属单质

原子 如 稀有气体

分子 双原子分子多原子分子

如 N2, H2, O2

如 S8 环状结构 P4 三角锥型 B14 正二十面体

（（ 11 ）物质结构）物质结构

（（ 22 ）晶体结构）晶体结构

分子晶体：原子晶体：

过渡型晶体：

稀有气体、卤素、 N2 、 H2 、 O2 等

金刚石、单晶硅、硼

层状 : 石墨、灰砷、黑磷链状 : 灰碲、灰硒

（（ 33）物理性质）物理性质

a. 同素异形体很多，结构不同，性质不同。

这规律与单质晶体结构有关。

具体见表 6-1

b. 非金属单质的熔沸点和硬度在周期表中呈 低→高→低变化规律。

c. 导电性 P 区右上部元素 : 绝缘体 P 区对角线左右的单质 : 半导体

如 Si 、 Ge 、 Se 等 温度升高，导电性增大；加入杂质，导电性增大。

d. 有可变氧化数最高正氧化数在数值上等于所处族数。 S S-2 S0 S+2 S+4 S+6

氧化还原性

（（ 44 ））化学化学性质性质

其性质基本符合周期表中非金属性的递变规律及标准电极电势的顺序。

氧化还原性的一般规律：

a. 活泼的非金属单质有氧化性

FF22 是最活泼的非金属，除氮、氧和某些稀有气体外，它能与所有金属和非金属直接化合，而且反应十分激烈，有时伴随着燃烧和爆炸。

F2 + H2 → 2HF

2F2 + 2H2O → 4HF + O2

如 F2 、 O2 、 Cl2 、 Br2常用作氧化

剂

b. 较不活泼的非金属单质表现为还原性

3H2 + N2 2NH3

高温、高压

催化剂

SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl

PbO + C → Pb + CO

Cl2 + H2 → 2HCl

如 C 、 H ２、 Si 常用作还

原剂

c. 绝大多数非金属单质既具有氧化性，又具有还原性。

Cl2(g) + H2O(aq) → HCl(aq) + HClO(aq)

I2(g) + H2S(g) → 2HI(g) + S(s)

(I2的氧化性 )

I2(s) + 5CI2(g) + 6H2O(l) → 2HIO3(aq) + 10HCl(aq)

(I2的还原性 )Cl ２、 Br ２、 I ２、 P 、 S等能发生歧化反

应

d. 一些不活泼的非金属单质如稀有气体、 N2 等性质不活泼，常用作惰性介质或保护性气体。

稀有气体在电场作用下易于发电发光，氖、氦常用于霓虹灯、航标灯等照明设备；氪、氩也用于制造特种光源。

3. 3. 非金属化合非金属化合物物

3. 3. 非金属化合非金属化合物物

（（ 11）） 氧化物 氧化物

氧化物是指氧与电负性比氧小的元素所组成的二元化合物。氧化物熔点、沸点和硬度的高低与组成氧化物的晶体类型有关。

看表 6-5 、表 6-6

变化规律 a . 活泼金属元素的氧化物，如 Na2O 、 BaO 、 CaO 、

MgO 等是离子晶体，熔沸点都很高。 b . 非金属元素的氧化物大都是分子晶体，如 SO2 、 CO 、 N2O5 等是共价型化合物，熔沸点较低；但 SiO2 是原子晶体，熔沸点高。 c . 大多数不太活泼金属元素的氧化物是过渡型化合 物，其低价态的金属氧化物如 Cr2O3 ( 离子晶体 向原子晶体过渡 ) 的熔点大于高价态金属的氧化 物如 CrO3 ( 离子晶体向分子晶体过渡 ) 的熔点。

① 酸碱性

氧化物及其水合物的酸碱性是氧化物最重要的化学性质。

通式 R(OH)x

氧化物：酸性、碱性、两性、惰性

水合物：酸性、碱性、两性

② 氧化物及其水合物的酸碱性强弱规律

左 右 酸 性 增 强

碱 性 减 弱

上

下

酸性减弱

碱性增强

a. 周期表各主族最高价态的氧化物及其水合物

副族情况与主族大致相同，但要缓和些。

原因： (I) (II)

(I) 碱式解离 如 钠、镁等， 原子半径大，离子电荷数少， 易碱式解离形成碱。(II) 酸式解离 如氯等，原子半径小，离子电荷数多，易酸 式解离形成酸。

O HR

b. 同一元素形成不同价态的氧化物及其水合物 时，高价态的酸性比低价态的要强。

HClO HClO2 HClO3 HClO4 弱酸 中强酸 强酸 极强酸

酸 性 增 强

例如：

CrO Cr2O3 CrO3

碱性 两性 酸性酸 性 增 强

（（ 22）） 卤卤化物化物 卤化物是指卤素与电负性比卤素小的元素所组成的二元化合物。本节着重讨论氯化物。

如 HCl 、 KCl 、 ZnCl2 、 CCl4 、 PCl3

等 氯化物有离子晶体、分子晶体、还有过渡型晶体，大致可分成三类：

a. 活泼金属氯化物

属于离子晶体，由于正、负离子间静电引力较大或者说离子键较强，因而熔点、沸点较高，硬

度较大。如 NaCl 、 KCl 等 同类型的离子晶体熔沸点、硬度随离子电

荷数的增加以及离子半径的减小而升高。

① 氯化物晶体

b. 非金属氯化物

属于分子晶体，晶体微粒间存在着弱小的范德华力，所以熔点、沸点、硬度都较低 .

同类型的分子晶体，一般随着分子量增大，范德华力增强，熔点、沸点会升高。

如 PCl3 、 CCl4 、 SiCl4 等

c. 绝大多数过渡金属氯化物

是介于离子晶体和分子晶体之间的过渡型晶体。

其熔点、沸点介于两者之间，大多较低。

如 MgCl2 、 AlCl3 、 FeCl3等

② 氯化物与水的反应

a. 活泼金属氯化物

在水中完全解离，不发生水解，因而水溶液的 pH 值不变。

b. 非金属氯化物和某些高价态金属氯化物

与水迅速完全发生反应，生成非金属含氧酸和盐酸。

PCl5 + H2O = H3PO4 + 5HCl

这类氯化物在湿潮的空气中成雾的现象就是由于与水的强烈作用引起的。

在水中会有不同程度的解离，水解常常分级进行，溶液的 pH 值发生变化。

MgCl2 + H2O Mg(OH)Cl + HCl

c. 绝大多数过渡金属氯化物

（（ 33 ） 碳酸盐） 碳酸盐

碳酸盐正盐酸式盐碱式盐

一般不稳定一般较稳定

Na2CO3 NaHCO3

热分解温度 1800℃ 267℃

NaNa22COCO3 3 → Na→ Na22OO + CO+ CO2 2

▲▲

表 6-10列出一些碳酸盐的热分解温度

NaHCONaHCO3 3 → Na→ Na22COCO3 3 + CO+ CO2 2 + H+ H22OO▲▲

碳酸盐的热分解的基本规律

① 吸热反应，升高温度有利于热分解。

② 同一种含氧酸，其正盐比相应的酸式盐稳定 ,

酸式盐比相应的含氧酸稳定

CaCO3 Ca(HCO3 ) H2CO3

热稳定性降低

③ 同一种含氧酸的盐，钠、钾等活泼金属的盐

比一般金属的盐稳定。

CaCO3 FeCO3 Ag2CO3

热分解温度 / 910 282 170℃

6.2 6.2 非金属材料非金属材料

硅酸盐材料硅酸盐材料 新型新型非金属材非金属材料料

1. 1. 硅酸盐材料硅酸盐材料1. 1. 硅酸盐材料硅酸盐材料

硅酸或多硅酸的盐 如长石、云母、石棉、滑石等都是天然硅酸盐，组成复杂，用途广泛。通常认为是酸性的 SiO2 和碱金属氧化物相结合的化合物。

基本结构单元 : SiO4四面体

(1) (1) 天然硅酸天然硅酸盐盐

因四面体排列不同，产生下列几种结构 :

链状结构

如石棉 ( CaO·3MgO · 4SiO2)

如云母 (K2O·3Al2O3 · 6SiO2 ·2H2O)

滑石 (3MgO · 4SiO2 ·H2O)

如长石 (K2O·Al2O3 · 6SiO2 )

泡沸石 (Na2O· Al2O3 · 2SiO2 ·nH2O)

三维结构

层状结构

（ 2 ）水 泥普通水泥 ( 硅酸盐水泥 )

砂渣水泥

高铝水泥

耐酸水泥

（（ 33 ）玻 璃）玻 璃

a. 普通玻璃

b. 特种玻璃

Na2CO3 + CaCO3 + 6SiO2 → Na2O·CaO · 6SiO2 + 2CO2

光导纤维、钢化玻璃、有色玻璃、半导体玻璃、透红外玻璃等。

（（ 44 ）陶 瓷）陶 瓷

结构陶瓷

功能陶瓷

智能陶瓷

生物陶瓷

结构陶瓷与功能陶瓷的复合产物。

用于人体器官替换修补及外科矫形的陶瓷材料。如羟基磷灰石 ：[Ca10(PO4)6(OH)6] 。

如氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷等。改变陶瓷组成、使其具有某些独特功能的材料。如用尖晶石铁氧体制成的磁性陶瓷。

2. 2. 新型新型非金属材料非金属材料2. 2. 新型新型非金属材料非金属材料

(1) (1) 半导体材料半导体材料

① 半导体

② 导电机理 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。

符合金属能带理论。

温度升高，半导体导电性增强。

a. a. 温度温度

金属导体与半导体导电性的区别：

温度升高，金属导体中的原子振动加剧，导电性下降；

金属导体中增加杂质，阻碍电子的定向移动，导电性下降。

b. b. 杂质杂质

半导体中增加微量杂质，导电性大大增加下降。

③ 半导体种类

化学组成单质半导体

化合物半导体

如 Si Ge

如 GaP ZnSb

本征半导体有无杂质 P- 型半导体

非本征半导体( 杂质半导体 ) n- 型半导体

GeB

GeSb

④ 应用

利用半导体的特性可以制造晶体管集成电路、检波器、整流器、热敏电阻、光敏电阻、光电探测器等。

磁性材料包括铁磁性材料和亚铁磁性材料。微观特征：

相邻原子或离子磁矩呈有序排列。宏观特征：

在外磁场作用下，具有明显的磁化特性

（（ 22 ）磁性材料）磁性材料

a. 金属磁性材料

b. 铁氧体

铁、镍、钴及其合金

通常适用于低频大功率的电力电子工业等。

以氧化铁为主要成份

广泛用于电视广播通讯等领域。

磁性材料按成分分为：

由激光器发出的光称为激光。能产生激光的半导体材料有： GaAs 、 ZnSb 、GaAlAs 、 ZnS 、 CdTe 等。

特 征： 光源亮度强

有极高的方向性

有极高的单色性

（（ 33 ）激光材料）激光材料

激光应用面很广。激光是最亮光源，在焦点处可产生上百万度的高温，使难熔物质瞬间熔化或气化，激光切割、激光打孔、激光焊接正是最好的应用；在激光方向性和单色性方面，可用激光测距，距离远，精度高。激光雷达已用于气象预测。

光纤以传光和传像为目的的一种光波传导介质。

光纤通讯优点：信息容量大重量轻抗干扰保密性好耐腐蚀

（（ 44 ）光导纤）光导纤维维

光导纤维 能传导光信号的纤维材料，一般是直径仅几微米的带包层的圆柱形石英玻璃纤维。

不同折光率介质界面的全反射现象，即光从折射率大的光密介质（纤芯）以一定角度射向折射率的小光疏介质（包层）时，光在界面会发生全反射而全部折回光密介质。

光纤通讯的基本原理 光通讯就是把声音或图象由发光元件转化成光讯号，由光导纤维传到另一端，再由接受元件恢复为电讯号。

传光原理

光导纤维作为现代光通信的传光关键器件，主要有以下特点：（１）传输损耗小。一般损耗小于 20分贝 /公里， 20世纪末已有仅为 0.2 分贝/公里的超低损耗光纤问世。 (2)容量大，即同时可通过的信息量大。 20世纪末已有一对光纤同时传送 150万路电话和 2000套彩色电视的记录，比现有的 1800路中同轴电缆载波通信的容量大 800倍以上。（３）传输质量高，抗干扰、保密性好。光信号传输过程中失真、畸变、误差小，不产生也不受磁干扰。（４）足够的强度和可挠性。不仅加工、使用方便，耐久性好，而且可以任意弯曲传光。（５）材料来源广，成本低。20世纪末成本仅为 0.25－ 1.5美元／公里，并在继续下降，同时节约了大量有色金属材料。

光导纤维主要用于激光－光导纤维通信，并已从电话、电报、电视发展到计算机网络和连接其他电子设备的信息传输，可用于资料检索、文字图像处理、银行财务经济往来、医疗诊询等。光纤还可用于传感器，做成能 "感觉 "声、味、热、磁、力等信息的人工感官。 20世纪末已制成光导纤维温度计、速度计、电流计、磁场计、微移信计以及光纤陀螺、光纤水听器等，并已开始用于传输光能，制成 "激光刀"进行手术和切割、焊接工程材料等。近年还研制出紫外光纤、红外光纤、耐辐射光纤、荧光光纤和光纤激光器等新型光导纤维，应用范围已超越一般的通信技术，而开始在空间技术、生物工程、能源工程等新技术领域大显身手，成为引人注目的基础新技术。

6芯光缆 48芯光缆

现代通信用的光缆

用光导纤维制作的内窥镜可以观察人体的内脏

用光导纤维做手术，不用开刀就可以切除肿瘤

本章结束