第十八堂课工科化学课件.ppt

第十八堂课工科化学1第1页，此课件共62页哦v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。本章学习要求v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。v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。v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。v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。2第2页，此课件共62页哦目录6.1 单质的物理性的物理性质6.2 单质的化学性的化学性质 6.3 无机化合物的物理性无机化合物的物理性质 6.4 无机化合物的化学性无机化合物的化学性质 6.5 配位化合物配位化合物 6.6 无机材料无机材料 3第3页，此课件共62页哦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。4第4页，此课件共62页哦6.1.1 熔点、沸点和硬度熔点、沸点和硬度单质的熔点、沸点和硬度概述的熔点、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。第第2、3周期元素的周期元素的单质从左到右，逐渐升高，IVA最高，随后降低；第第4、5、6周期元素的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。5第5页，此课件共62页哦1 单质的熔点表6.1 单质的熔点(C)6第6页，此课件共62页哦2 单质的沸点表6.2 单质的沸点(C)7第7页，此课件共62页哦3 单质的硬度表6.3 单质的硬度(莫氏)8第8页，此课件共62页哦4 主族元素的晶体类型IAIIAIIIAIVAVAVIAVIIA0 H2 分子分子H2 分子分子He分子分子Li金属金属Be金属金属B近原子近原子C金刚石金刚石,原子原子 石墨石墨,层状层状 N2 分子分子O2 分子分子F2 分子分子Ne分子分子Na金属金属Mg金属金属Al金属金属Si原子原子P分子分子,层状层状S分子分子,链状链状 Cl2 分子分子Ar分子分子K金属金属Ca金属金属Ga金属金属Ge原子原子As分子分子,层状层状Se分子分子,链状链状 Br2 分子分子Kr分子分子Rb金属金属Sr金属金属In金属金属Sn原子原子,金属金属Sb分子分子,层状层状Te链状链状I2 分子分子Xe分子分子Cs金属金属Ba金属金属Tl金属金属Pb金属金属Bi层状层状,近金属近金属Po金属金属AtRn分子分子表6.4 主族元素的晶体类型9第9页，此课件共62页哦5 非金属单质的晶体结构图6.2 非金属单质的分子和晶体结构示意图金属晶体10第10页，此课件共62页哦C60的发现图6.3 C60结构图1996年年 Kroto,Smalley及及Curl三位教授因首先三位教授因首先发现C60而荣而荣获瑞典皇家科学院瑞典皇家科学院颁发的的诺贝尔化化学学奖。H.W.克鲁托Harold W.KrotoR.E.史沫莱Richard E.SmalleyR.F.柯尔Robert F.Curl图6.4 发现C60的三位科学家11第11页，此课件共62页哦碳的同素异形体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 多种优异性能图6.5 碳的同素异形体石墨C60金刚石12第12页，此课件共62页哦6.1.2 导电性和能带理论1 单质的的导电性性金属能三金属能三维导电，是，是电的良的良导体；体；许多非金属多非金属单质不能不能导电，是，是绝缘体；介于体；介于导体与体与绝缘体之体之间的是半的是半导体，体，例如例如Si、Ge等。等。思考思考：单质中最好的中最好的导体是什么？体是什么？Ag、Cu、Au、Al等是最好的等是最好的导电材料。材料。金属的金属的纯度以及温度等因素度以及温度等因素对金属的金属的导电性能影响相当重要。性能影响相当重要。13第13页，此课件共62页哦1 单质的电导率表6.5 单质的电导率(MSm-1)14第14页，此课件共62页哦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，简称未未满带。图6.6 1mol钠原子的3s轨道能带15第15页，此课件共62页哦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。16第16页，此课件共62页哦空能级电子占用能级a 导体 空带禁带满带b 半导体空带禁带满带c 绝缘体图6.7 导体、半导体和绝缘体的能带模型示意图满带空带17第17页，此课件共62页哦6.2 单质的化学性质 单质的化学性的化学性质通常表通常表现为氧化氧化还原性原性 非金属非金属单质的特征是化学反的特征是化学反应中能中能获得得电子而表子而表现出氧化性，但不少非金属出氧化性，但不少非金属单质有有时也能表也能表现出出还原性。原性。金属金属单质最突出的性最突出的性质是它是它们容易失去容易失去电子而表子而表现出出还原性原性18第18页，此课件共62页哦6.2.1 金属单质的还原性思考思考1：金属单质的还原性主要与哪些因素有关？从从结构因素考构因素考虑，主要与元素的核，主要与元素的核电荷数、原子半径和荷数、原子半径和最外最外层电子数有关。子数有关。思考思考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与氧的作用 金属置金属置换H的能力的能力19第19页，此课件共62页哦1 金属单质活泼性规律 同一周期同一周期在短周期中，从左到右金属单质的还原性逐渐减弱。在长周期中的递变情况和短周期一致，但较为缓慢，也有例外。同一族同一族自上而下主副族变化规律相反（B与相邻的主族一致）。氧化性增氧化性增强氧氧化化性性增增强还原原性性增增强还原性增原性增强增增强还原原性性还原性增原性增强不明不明显还原性增原性增强A AA AB B B 图6.8 金属单质活泼性规律20第20页，此课件共62页哦2 温度对单质活泼性的影响*化学热力学计算结果表明：在873K的高温时，单质与氧气结合的能力由强到弱的顺序大致为：Ca、Mg、Al、Ti、Si、Mn、Na、Cr、Zn、Fe、H2、C、Co、Ni、Cu这一顺序与常温时单质的活泼性递变情况并不完全一致。温度会影响金属与氧气反温度会影响金属与氧气反应的的产物。物。对于氧化值可变的金属来说，高温下生成低氧化值的金属氧化物的倾向较大，而常温下生成高氧化值的金属氧化物的倾向较大。例如，铁在高温下以生成FeO为主,常温时则以Fe2O3为主。rGm(T)r Hm(298.15K)T.r Sm(298.15K)rGm(T)与T 的关系图21第21页，此课件共62页哦 金属与氧的作用过氧氧化化物物和和超超氧氧化化物物都都是是固固体体储氧氧物物质，它它们与与水水反反应会会放放出出氧氧气气，又又可可吸吸收收CO2并并产生生O2气气，所所以以较易制易制备的的KO2常用于急救器或装在防毒面具中常用于急救器或装在防毒面具中:s区金属与空气作用生成正常的氧化物，也生成部分过氧化物(Li、Be、Mg除外)。在纯氧气中生成过氧化物，K、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba等在过量的氧气中燃烧可以生成超氧化物。2Na2O2(s)+2CO2(g)=2Na2CO3(s)+O2(g)4KO2(s)+2H2O(g)=3O2(g)+4KOH(s)4KO2(s)+2CO2(g)=2K2CO3+3O2(g)22第22页，此课件共62页哦续p区金属元素中只有Al比较活泼，能在空气中与氧反应，但生成致密的氧化膜。d区元素也比较不活泼，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。思考思考：副族元素与氧反应的活泼性递变规律同主族元素相比，有何不同？同一周期：活同一周期：活泼性性递变规律基本一致，但副族元素的律基本一致，但副族元素的变化很化很 小，性小，性质比比较类似。似。同一族：主族元素随周期数增加而增加；同一族：主族元素随周期数增加而增加；副族元素（除副族元素（除Sc副族）随周期数增加而降低。副族）随周期数增加而降低。23第23页，此课件共62页哦3 金属的溶解 s区金属与水剧烈反应，置换出水中的氢。p区金属(除Sb、Bi外)和第四周期副族金属(Cu除外)的电极电势比H低，可以与盐酸和稀硫酸反应。d区第五和第六周期金属的电极电势比H高，只能与氧化性的酸(浓硫酸、浓硝酸、王水等)反应。铌、钽、钌、铑、锇、铱等不能溶于王水，可以溶于浓硫酸和氢氟酸的混合酸。p区金属中的铝、镓、锡、铅等可以溶解于氢氧化钠。24第24页，此课件共62页哦4 金属的钝化金属在空气中会自金属在空气中会自动氧化生成具有氧化生成具有较强保保护作用的氧化作用的氧化膜，称膜，称为金属的金属的钝化。最易化。最易产生生钝化作用的有化作用的有Al、Cr、Ni和和Ti以及含有以及含有这些金属的合金些金属的合金。金属的钝化必须满足两个条件：金属所形成的氧化膜在金属表面必须是连续的，即所生成的氧化物的体积必须大于金属原有的体积。氧化膜的结构致密，而且具有较高的稳定性，氧化膜与金属的热膨胀系数相差不能太大。25第25页，此课件共62页哦6.2.2 非金属单质的氧化还原性 较活活泼的非金属的非金属单质如如F2、O2、Cl2、Br2具有具有强氧化氧化性，常用作氧化性，常用作氧化剂。5Cl2+I2+6H2O=10Cl+2IO3+12H+较不活不活泼的非金属的非金属单质如如C、H2、Si常用做常用做还原原剂，如：，如：C+2H2SO4(浓)=CO2(g)+2SO2(g)+2H2O3Si+18HF+4HNO3=3H2SiF6+4NO(g)+8H2OSi+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2(g)一些不活一些不活泼的非金属的非金属单质如稀有气体、如稀有气体、N2等通常不等通常不与其他物与其他物质反反应，常用做惰性介，常用做惰性介质保保护气体气体。26第26页，此课件共62页哦值得注意的问题：歧化反歧化反应有些非金属单质既具有氧化性又具有还原性，其Cl2、Br2、I2、P4、S8等能发生岐化反应。Cl2+H2O=HCl+HClOCl2+2NaOH=NaCl+NaClO+H2O溴和碘在氢氧化钠中倾向于生成溴酸钠和碘酸钠：Br2+6NaOH=5NaBr+NaBrO3+3H2O次次氯酸酸钠次氯酸钠可以释放出原子氯，后者有极强的杀菌和漂白作用。因此广泛地用作消毒液和漂白剂。次氯酸钠在工业上用作氧化剂，可以将芳酮氧化为羧酸：ArCOCH3+NaOCl=ArCOONa+CH3Cl 27第27页，此课件共62页哦2 离子型氢化物 活泼性极强的碱金属和碱土金属可以与氢气发生反应生成离子型氢化物：2Na+H2=2NaHCa+H2=CaH2 氢化物可分为共价型（如HCl)，金属型、离子型等。离子型氢化物可以释放原子态氢，在工业上作为强还原剂用于还原醛、酮、酯等碳基化合物。28第28页，此课件共62页哦6.3 无机化合物的物理性质无机化合物种类繁多，情况比较复杂。这里依照元素的周期性规律和物质结构，尤其是晶体结构理论为基础，讨论具有代表性的氯化物和氧化物的熔点、沸点等物理性质以及规律。29第29页，此课件共62页哦6.3.1 氯化物的物理性质氯化物是指化物是指氯与与电负性比性比氯小的元素所小的元素所组成的二元成的二元化合物。化合物。氯化物概述化物概述NaCl、KCl、BaCl2等离子型氯化物熔点较高、稳定性好的氯化物在熔融状态可用作高温介质(盐浴剂)，CaF2、NaCl、KCl等可以用作红外光谱仪的棱镜。过渡型的无水氯化物如AlCl3、ZnCl2、FeCl3等可以在极性有机溶剂中溶解，常用作烷基化反应或酰基化反应的催化剂。性质较稳定的无水氯化物如CaCl2等常用作干燥剂。30第30页，此课件共62页哦1 氯化物的熔点和沸点氯化物的熔点和沸点大致分为三种情况：活泼金属的氯化物如NaCl、KCl、BaCl2等是离子晶体,熔点、沸点较高非金属的氯化物如PCl3、CCl4、SiCl4等是分子晶体，熔点、沸点都很低 位于周期表中部的金属元素的氯化物如AlCl3、FeCl3、CrCl3、ZnCl2等是过渡型氯化物,熔点、沸点介于两者之间31第31页，此课件共62页哦氯化物熔点表6.6 氯化物的熔点注1：IBVB，IAIVA族价态与族数相同；VIA族为四氯化物，VIB、VA族为三氯化物。VIIB和VIII族为二氯化物。注2：Tl、Pb、Bi分别为+1、+2、+3价。32第32页，此课件共62页哦IAHCl-84.9IIAIIIAIVAVAVIALiCl1342BeCl2520BCl312.5CCl476.8NCl31600ScCl3825sTiCl4136.4VCl4148.5CrCl31300sMnCl21190FeCl3315dCoCl21049NiCl2973sCuCl2933dCuCl1490ZnCl2732GaCl3201.3GeCl484AsCl3130.2SeCl4288dRbCl1390SrCl21250YCl31507ZrCl4331sNbCl5254MoCl5268RhCl2800sAgCl1550CdCl2960InCl3600SnCl4114.1SbCl3283TeCl4380CsCl1290BaCl21560LaCl31000HfCl4319sTaCl5242WCl6346.7WCl5275.6ReCl4500AuCl3265sAuCl289dHgCl2302TlCl720PbCl4105dPbCl2950BiCl3447氯化物的沸点化物的沸点s表示升华;d表示分解；LiCl，ScCl3的数据有一个温度范围，本表取平均值。33第33页，此课件共62页哦2 离子极化理论及应用*把组成化合物的原子看作球形的正、负离子，正、负电荷的中心重合于球心。在外电场的作用下，离子中的原子核和电子会发生相对位移，离子就会变形，产生诱导偶极，这种过程叫做离子极化。事实上离子都带电荷，所以离子本身就可以产生电场，使带有异号电荷的相邻离子极化。图6.9 离子极化作用示意图34第34页，此课件共62页哦离子极化的结果，使正、负离子之间发生了额外的吸引力，甚至有可能使两个离子的轨道或电子云产生变形而导致轨道的相互重叠，趋向于生成极性较小的键（如下图），即离子键向共价键转变。因而，极性键可以看成是离子键向共价键过渡的一种形式。图6.10 离子键向共价键转变的示意图35第35页，此课件共62页哦影响离子极化作用的重要因素*v 极化力极化力（离子使其他离子极化而发生变形的能力）离子的极化力决定于它的电场强度，主要取决于：离子的离子的电荷荷 电荷数越多，极化力越强。离子的半径离子的半径 半径越小，极化力越强。如 Mg2+Ba2+离子的外离子的外层电子构型子构型 8电子构型(稀有气体原子结构)的离子(如Na+、Mg2+)极化力弱，917电子构型的离子(如Cr3、Mn2、Fe2、Fe3+)以及18电子构型的离子(如Ag、Zn2+等)极化力较强。如 Ag Na+36第36页，此课件共62页哦v 离子离子变形性形性(离子可以被极化的程度)离子变形性大小与离子的结构有关，主要取决于：离子的离子的电荷荷:随正电荷的减少或负电荷的增加，变形性增大。Si4+Al3+Mg2+Na+F-O2-离子的半径离子的半径:随半径的增大，变形性增大。F-Cl-Br-I-；O2-S2-离子的外离子的外层电子构型子构型:18、917等电子构型的离子变形性较大，具有稀有气体外层电子构型的离子变形性小。K+Ag+；Ca2+1的硅酸称为多硅酸。硅酸凝胶就是多硅酸，受热能完全脱水，转变成SiO2。若将其中大部分水脱去，可得白色透明固体，称为硅胶。硅胶的比表面积非常大(800900m2/g)，可用作吸附剂、干燥剂和催化剂载体。经CoCl2处理可得变色硅胶，是常用的干燥剂。当蓝色变成粉红色时，就要进行再生处理，方可恢复吸湿能力。Na2SiO3+2HCl=H2SiO3+2NaCl53第53页，此课件共62页哦6.5 配位化合物配位化学是无机化学的一个配位化学是无机化学的一个重要研究方向，由于配位化重要研究方向，由于配位化学与生命科学的学与生命科学的结合，以及合，以及具有特殊功能配合物的良好具有特殊功能配合物的良好前景等，使配位化学前景等，使配位化学获得很得很大的大的发展。展。图6.11 Cu(DABT)Cl2配合物的分子结构(70K以下呈铁磁性质),配体DABT为2,2-二氨基-4,4-联噻唑的简称配位化学的研究对象是配位化合物，也称为配合物。54第54页，此课件共62页哦6.5.1 配位化合物的组成和结构配合物是由中心离子(或中心原子)通过配位键与配位体形成的化合物。根据配位体的不同，配合物分为简单配合物和特殊配合物两类。简单配合物配合物由单齿配体和中心离子(或中心原子)配位的配合物称为简单配合物。特殊配合物特殊配合物配位体中至少有一个多齿配体和中心离子(或中心原子)配位形成环状结构的配合物称为螯合物。还有中性金属原子为配合物形成体,CO为配体的羰合物。55第55页，此课件共62页哦1 简单配合物以Cu(NH3)4 SO4 为例，金属离子 Cu2+为中心离子中心离子(又称为配离子的形成体配离子的形成体)。在它周围直接配位着四个NH3配位体配位体(能提供配位体的物质称为配位配位剂)。在配位体中，与中心原子直接相结合的原子叫做配位原子配位原子(如NH3中N)。与中心离子直接相结合的配位原子的总数是配位数配位数。在Cu(NH3)4 中,Cu2+离子的配位数为4。Cu2+NH3NH3H3NH3N图6.12 Cu(NH3)42+离子的结构56第56页，此课件共62页哦2 特殊配合物（螯合物和羰合物）（螯合物和羰合物）每一个配位体只能提供一每一个配位体只能提供一 个配位个配位原子的配位体称原子的配位体称为单齿配体配体，而含，而含有两个或两个以上配位原子的配有两个或两个以上配位原子的配位体称位体称为多多齿配体配体。能提供多。能提供多齿配配体的物体的物质称称为螯合螯合剂。由多。由多齿配体配体形成的形成的环状状结构的配合物称构的配合物称为螯螯合物合物，如，如Cu(en)22+。图6.13 Cu(en)22+的结构 如果配位化合物的形成体是中性原子，如果配位化合物的形成体是中性原子，配位体是配位体是CO分子，分子，这类配合物称配合物称为羰合物合物。如。如Ni(CO)4,Fe(CO)5。57第57页，此课件共62页哦3 价键理论v 基本要点基本要点在形成配位化合物时，中心离子所提供的空轨道进行杂化，形成多种具有一定方向的杂化轨道，从而使配合物具有一定空间构型。中心离子中心离子中心离子（或原子）有空的价电子轨道可接受由配位体的配原子提供的孤对电子而形成配位键。配位体配位体配位体的配位原子必须有孤对电子可提供，常见的配位原子有C、N、S、O、F、Cl、Br、I等。58第58页，此课件共62页哦空间构型配位数配位数 杂化轨道杂化轨道 空间构型空间构型实例实例2sp 直线型直线型Ag(NH3)2+,AuCl24sp3四面体型四面体型Zn(NH3)42+,Cu(CN)42-,HgI42,Ni(CO)4dsp2平面四边形平面四边形Ni(CN)42-,Cu(NH3)42+,AuCl4,PtCl426d2sp3正八面体正八面体Fe(CN)63,PtCl62,Cr(CN)63sp3d2FeF63,Cr(NH3)63+,Ni(NH3)62+表6.9 配合物的杂化轨道与空间构型59第59页，此课件共62页哦6.5.2 配位化合物的命名 配离子命名配离子命名配位体名称列在中心离子(或中心原子)之前，用“合”字将二者联在一起。每种配位体前用二、三、四等数字表示配位体数目。对较复杂的配位体则将配位体均写在括号中，以避免混淆。在中心离子之后用带括号的罗马字表示其氧化值。例如：Ag(NH3)2+命名为二氨合银(I)配离子。若配体不止一种，不同配体名称之间以中圆点“”分开。配体列出的顺序按如下规定：o 无机配体先于有机配体o 无机配体中，先负离子后中性分子o 同类配体的名称，按配原子元素符号的英文字母顺序排列60第60页，此课件共62页哦 配合物命名配合物命名服从一般化合物的命名原则。若与配位阳离子结合的负离子是简单酸根,则该配合物叫做“某化某”；若与配合物阳离子结合的负离子是复杂酸根如SO42-、Ac-等叫做“某酸某”。若配合物含有配阴离子（即配离子是负离子），则配阴离子后加“酸”字，也叫做“某酸某”61第61页，此课件共62页哦配合物命名示例Ag(NH3)2Cl氯化二氨合银(I)Cu(en)2SO4硫酸二(乙二胺)合铜(II)HAuCl4四氯合金(III)酸K3Fe(CN)6六氰合铁(III)酸钾KPtCl3(C2H4)三氯乙烯合铂(II)酸钾CoCl(NH3)3(H2O)2Cl2二氯化一氯三氨二水合钴(III)Co2(CO)8八羰合二钴62第62页，此课件共62页哦