第八章化学与材料

还原性增强 还原性增强不明显
氧 化 性 增 强 还原性增强
表8.5 金第属八章单化质学与活材料泼性规律
(1) 金属与氧的作用
➢ s区金属活泼，还原性强。
A + O2
氧化物：Na2O, MgO等 过氧化物：Na2O2, BaO2等 超氧化物：KO2, BaO4等
—O—O— 强氧化
过氧化物和超氧化物都是固体储氧物质，能释放出氧气
第八章化学与材料
(2) 金属的溶解 从电极电势来理解 ➢ s区金属与水剧烈反应，置换出水中的氢。
Be和Mg形成致密的氧化物保护膜，对水较为稳定。 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2
➢ p区金属(除Sb、Bi外)和第四周期副族金属( Cu除外 ) 可 与盐酸、稀硫酸等非氧化性的酸反应。 Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
➢ p区金属中的铝、镓、锡、铅，d区的铬，s区的锌等可溶解 于碱溶液。 2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2 Sn + 2NaOH = Na2SnO2 + H2
第八章化学与材料
2. 金属的钝化 金属在空气中会自动氧化生成具有较强保护作用的氧化 膜，称为金属的钝化。最易产生钝化作用的有Al、Cr、 Ni和Ti以及含有这些金属的合金。 铝制品可以做炊具，铁制容器和管道能贮运浓HNO3和 浓H2SO4.
电子占 用能级
满带
a. 导体
空带
禁带 能隙
满带
b.半导体
空带
禁带 能隙
满带
c. 绝缘体
导体、半导体和绝第缘八章体化的学与能材料带模型示意图
思考：为什么金属导电率随温度升高而降低，半导体 和绝缘体的导电率随温度升高而迅速增加。
➢金属晶体中存在未满的能带是金属能导电的根本原因。 温度升高时，金属中原子和离子热振动加剧，电子与 它们碰撞的频率增加，电子穿越晶格的运动受阻，使 导电能力下降。
在钢中加入铬、铝和硅等，能生成具有钝化作用的氧 化膜，有效地减慢了高温下钢的氧化。依此可设计耐 热钢。
第八章化学与材料
8.3 金属和来自百度文库金材料
金属材料的优点：良好的导电、传热性、高的机械强度， 良好的机械加工性能等。
金属材料的缺点：易被腐蚀和难以满足高新技术对更高 温度的需要。
纯金属远不能满足工程上提出的众多性能要求。
合金：由两种或两种以上的金属元素（或金属和非金属 元素）组成，具有金属所应有的特征。 例如：钢由铁和碳组成；青铜由铜和锡组成
第八章化学与材料
8.3.1 合金的基本结构类型
相互溶解，金属固溶体 相互起化学反应，金属化合物
均匀
不溶解也不起化学反应，机械混合物 不完全均匀
化合物中，大多数都是绝缘体，少数化合物是半导体。 如：GaAs, I第n八S章b化, G学与a材P料, ZnO, CdS, ZnSe等。
（2）固体能带理论 以分子轨道理论为基础
σ*
2Na
3Na
3s
σ 3s
n个Na
空轨道，空能级 电子占用能级 3s能带 半满带
空带 满带
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导电
空能级
空带
➢绝缘体不能导电是因为禁带的宽度较大(>5eV)，一般 温度下电子难以跃过禁带。
➢半导体的禁带较窄(<2～3eV)，升高温度有少数电子 可以激发，跃过禁带而导电。
第八章化学与材料
8.2 金属单质的化学性质
8.2.1 还原性
1.金属单质活泼性规律
ⅠA ⅡA
ⅢA ⅦA
还
原 性
IIIB ⅣB
ⅡB
增 强
还增 原强 性
金属单质的密度
轻金属 密度<5g·cm-3
s区金属(镭除外) 及钪、钇、钛、铝等
重金属
密度>5g·cm-3
轻金属以外的金属 低熔点重金属在IIB和p区 高熔点重金属在d区
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8.1.2 导电性
金属晶体中存在自由电子，是电的良导体； p区对角线附近的金属导电能力介于导体与绝缘体之间， 是半导体，如 Ge等。 Ag、Cu、Au、Al是良好的导电材料。 金属导电性的影响因素：纯度，温度等
第8章 化学与材料
第八章化学与材料
109种元素
金属元素 非金属元素
87种 22种
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8.1 金属单质的物理性质
8.1.1 熔点、沸点和硬度
金属晶体，金属键 金属键的强度与金属的原子半径、价电子数及核对外层电 子的作用力有关。
元素 s区金属
原子半径 价电子数
r大
少
金属键 较弱
d区(IIIB-VIB) r减小
d区(VIIBVIII)及ds区
r减小
增多
增强
未成对电子 减弱 数减少
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物理性质
熔、沸点低，硬度、 密度小
熔、沸点逐渐升高
熔、沸点逐渐降低
表8.1 单质的熔点（℃）
第八章化学与材料
表8.2 单质的沸点（℃）
变化趋势与熔点相似
第八章化学与材料
表8.3 单质的硬度(莫氏)
第八章化学与材料
第八章化学与材料
➢ d区和ds区第五、六周期金属的电极电势比H高，只能用 氧化性的酸(浓硫酸、浓硝酸、王水等)溶解。 3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO(g) + 4H2O 3Pt + 4HNO3+18HCl = 3H2[PtCl6] + 4NO(g) + H2O Au + HNO3+4HCl = H[AuCl4] + NO(g) + 2H2O
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表8.4 单质的电导率(MS·m-1)
第八章化学与材料
8.1.2.1 导电性和固体能带理论
(1) 导电性 导体：电导率大于10S·m-1，周期表左边的金属及合金。
绝缘体：电导率小于10-11S·m-1，p区右上部元素及稀有 气体元素的单质。例如Cl2, O2, Ne, Ar等
半导体：10-11S·m-1 <电导率<10S·m-1，p区对角线附近的 元素单质。例如Si，Se, Ge等。
2Na2O2(s) + 2CO2(g) = 2Na2CO3(s) + O2(g) 4KO2(s) + 2H2O(g) = 4KOH(s) + 3O2(g) 4KO2(s) + 2CO2(g) = 2K2CO3 + 3O2(g) KO2常用于急救器或装第八在章防化学毒与材面料具中。
p区金属元素，只有Al比较活泼，能在空气中与氧反应， 但生成致密的氧化膜阻止反应进一步进行。 d区元素活泼性较弱。第四周期元素除Cu外可以与氧反应， 但Cr、Zn也形成致密的氧化膜。