第十八堂课 工科化学

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第

6章下一页 末页1

元素化学与无机材料

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本章学习要求 联系物质结构基础知识,了解单质和某些化合物的熔点 、硬度以及导电性等物理性质的一般规律。 联系化学热力学基础知识,了解单质氧化还原性的一般 规律。 联系周期系和电极电势,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。 了解配合物的组成、命名。了解配合物价键理论的基本 要点以及配合物的某些应用。

了解重要金属、金属材料、无机非金属材料及纳米材料 的特性及应用。

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目录6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 单质的物理性质 单质的化学性质 无机化合物的物理性质 无机化合物的化学性质 配位化合物 无机材料

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6.1

单质的物理性质

在目前发现的112种元素中，单质的存在状 态各异，有气态、液态和固态三种。思考：单质的物理性质主要与什么因素有关？

单质的物理性质与它们的原子结构或晶体结 构有关。由于原子结构或晶体结构具有一定 的规律性，因此单质的物理性质也有一定的 规律性。

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6.1.1

熔点、沸点和硬度

单质的熔点、沸点和硬度概述单质的熔点、沸点和硬度一般具有相同的变化趋势，即 熔点高的单质其沸点一般也高，硬度也较大。 第2、3周期元素的单质 从左到右，逐渐升高，IVA最高，随后降低； 第4、5、6周期元素的单质 从左到右，逐渐升高，VIB最高，随后总趋势是逐渐降 低。

即：高熔点、高硬度单质集中在中部，其两侧较低。

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单质的熔点表6.1 单质的熔点 (°C)

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2 单质的沸点表6.2 单质的沸点(°C)

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3 单质的硬度表6.3 单质的硬度(莫氏)

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4 主族元素的晶体类型表6.4 主族元素的晶体类型IA H2 分子 Li 金属 IIA IIIA IVA VA VIA VIIA H2 分子 F2 分子 0 He 分子 Ne 分子

Be 金属

B 近原子

Na 金属K 金属 Rb 金属 Cs 金属

Mg 金属Ca 金属 Sr 金属 Ba 金属

Al 金属Ga 金属 In 金属 Tl 金属

C 金刚石,原子 石墨,层状 Si 原子 Ge 原子 Sn 原子,金属 Pb 金属

N2 分子

O2 分子

P 分子,层状As 分子,层状 Sb 分子,层状 Bi 层状,近金属

S 分子,链状Se 分子,链状 Te 链状 Po 金属

Cl2 分子Br2 分子 I2 分子 At

Ar 分子Kr 分子 Xe 分子 Rn 分子

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5 非金属单质的晶体结构

金属晶体

图6.2 非金属单质的分子和晶体结构示意图首页 上一页 下一页 末页10

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C60的发现1996年 Kroto, Smalley及 Curl三位教授因首先发现 C60而

荣获瑞典皇家科学院 颁发的诺贝尔化学奖。图6.3 C60结构图

H. W. 克鲁托 Harold W. Kroto

R. F. 柯尔 Robert F. Curl 图6.4 发现C60的三位科学家上一页 下一页 末页11

R. E. 史沫莱 Richard E. Smalley

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碳的同素异形体碳的同素异形体金刚石：sp3 网格状 硬度大 石墨：sp2 片层状 润滑性、导电性 C60:类sp2 球烯 多种优异性能

金刚石

石墨 图6.5 碳的同素异形体

C60

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6.1.2

导电性和能带理论

1 单质的导电性 金属能三维导电，是电的良导体；许多非金属单 质不能导电，是绝缘体；介于导体与绝缘体之间 的是半导体，例如Si、 Ge等。思考：单质中最好的导体是什么？Ag、Cu、Au、Al等是最好的导电材料。 金属的纯度以及温度等因素对金属的导电性能影响相当重要。

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单质的电导率表6.5 单质的电导率(MS· -1) m

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2

固体能带理论

以分子轨道理论为基础。以钠为例，两个3s原子轨道可以组 合形成两个分子轨道：一个能量较低的成键分子轨道和一个 能量较高的反键分子轨道。当原子数目n很大时，分子轨道数 也很多，这些分子轨道的能级之间相差极小，形成了具有一 定上限和下限的能带，由于3s原子轨道之间的相互作用，形 成3s能带。 设有1mol Na原子，按泡利不 相容原理可以容纳2NA个电子， 而1mol Na原子只有NA个电子， 只能充满3s能带较低的一半 分子轨道，其他一半是空的。 此时，3s能带是未满的能带， 简称未满带。首页 上一页 下一页 末页

图6.6 1mol钠原子的3s轨道能带15

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3

能带理论的应用

金属晶体中存在这种未满的能带是金属能 导电的根本原因。 绝缘体的特征是价电子所处的能带都是满带， 且满带与相邻的空带之间存在一个较宽的禁 带。 半导体的能带与绝缘体的相似，但半导体的 禁带要狭窄得多。

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空能级 电子占 用能级 a 导体 空带 禁带 满带 满带 b 半导体 c 绝缘体 空带 禁带

空带 满带

图6.7 导体、半导体和绝缘体的能带模型示意图首页 上一页 下一页 末页17

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6.2

单质的化学性质

单质的化学性质通常表现为氧化还原性

金属单质最突出的性质是它们容易失去电子而 表现出还原性 非金属单质的特征是化学反应中能获得电子而 表现出氧化性，但不少非金属单质有时也能表现 出还原性。

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6.2.1

金属单质的还原性

思考1:金属单质的还原性主要与哪些因素有关？ 从结构因素考虑，主要与元素的核电荷数、原 子半径和最外层电子数有关。思考2:金属单质的还原性主要

体现在哪些反应上？ 金属与氧的作用 金属臵换H的能力

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