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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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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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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