第9章非金屬化學(xué)與材料

第9章非金屬化學(xué)與材料制作:2

(3)了解鋼筋混凝土腐蝕的成因及防護(hù)措施。

(1)掌握非金屬的主要化學(xué)性質(zhì)。

(2)了解常見的非金屬材料及用途。

本章教學(xué)要求制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系3本章內(nèi)容9.1非金屬單質(zhì)9.2無機(jī)化合物9.3無機(jī)非金屬材料9.4鋼筋混凝土的腐蝕與防腐制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系49.1非金屬單質(zhì)9.1.1物理性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)9.1.2化學(xué)性質(zhì)制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系5非金屬的特點(diǎn):9.1.1物理性質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)

元素電負(fù)性大以共價(jià)鍵結(jié)合多為分子晶體有同素異形體熔點(diǎn)、硬度差異很大制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系69.1.2化學(xué)性質(zhì)?鹵素中的F2、Cl2和Br2，氧族的O3和O2有較強(qiáng)的氧化性。?非金屬單質(zhì)H2、C、Si等有較明顯的還原性。?大多數(shù)非金屬單質(zhì)既有氧化性又有還原性，其中Cl2、Br2、I2、P4、S8等遇堿均能發(fā)生歧化反應(yīng)。?氫常用作還原劑，但它與活潑金屬反應(yīng)時(shí)則表現(xiàn)出氧化性，例如：2Li+H2=2LiHCa+H2=CaH2生成的氫化物是比氫更強(qiáng)的還原劑，它們遇水即反應(yīng)生成氫氣CaH2+2H2O=2H2+Ca(OH)2這一反應(yīng)用于救生筏、救生衣的充氣等用途。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系79.2無機(jī)化合物

9.2.1氯化物?堿金屬和堿土金屬氯化物一般溶于水，如NaCl、BaCl2等。?難溶于水的氯化物有AgCl、CuCl、Hg2Cl2等。?許多非金屬及高氧化值金屬氯化物與水作用相當(dāng)完全：SiCl4+3H2O=H2SiO3+4HClTiCl4+3H2O=H2TiO3+4HCl

?有的氯化物與水反應(yīng)不完全而生成堿式氯化物等：

SnCl2+H2O==

Sn(OH)Cl+HCl

?鋁、鐵的氯化物與水的逐級(jí)反應(yīng)生成氫氧化物。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系89.2.2氧化物和氫氧化物?氧化物的酸堿性

（1）非金屬氧化物一般是酸性氧化物；過渡元素由于價(jià)態(tài)多，通常都有兩性氧化物存在。（2）同一種元素生成幾種不同氧化值的氧化物時(shí)，氧化值增高，氧化物的酸性越強(qiáng)、堿性越弱。（3）主族元素同一族從上到下，氧化物堿性遞增，酸性遞減。（4）同一周期元素最高氧化值的氧化物，在短周期內(nèi)從左到右酸性遞增；在長(zhǎng)周期內(nèi)IB族前后，類似經(jīng)歷了兩個(gè)短周期。?氫氧化物的酸堿性

（1）氫氧化物實(shí)際上可認(rèn)為是氧化物的水合物。（2）非金屬氫氧化物脫水所形成的含氧酸。（3）同一周期從左向右酸性依次增強(qiáng)；主族元素同一族自上而下堿性依次增強(qiáng)；同一元素高氧化值氧化物的酸性比低氧化值的強(qiáng)。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系99.2.3含氧酸及其鹽?非金屬含氧酸及其鹽的氧化還原性

（1）含氧酸氧化還原性取決于成酸元素的非金屬性強(qiáng)弱和氧化值的高低。非金屬性弱的元素，其含氧酸往往不具有氧化性。（2）同一元素同一氧化值的化合物，其氧化性的強(qiáng)弱順序?yàn)椋貉趸?gt;含氧酸>含氧酸鹽（3）同一周期各元素最高氧化值的含氧酸氧化性從左到右依次增強(qiáng)。（4）同族元素含氧酸氧化性遞變規(guī)律為低氧化值的自上而下減弱。（5）同一元素不同氧化值的含氧酸，低氧化值含氧酸的氧化性較強(qiáng)。（6）介質(zhì)酸度越大（pH值越小），含氧酸及其鹽的氧化性越強(qiáng)。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系10?熱穩(wěn)定性

（1）同一種含氧酸及其鹽相比較，正鹽比相應(yīng)的酸式鹽穩(wěn)定，酸式鹽又比相應(yīng)的含氧酸穩(wěn)定。（2）同一種含氧酸根與不同的金屬組成的鹽，其穩(wěn)定性次序是：堿金屬鹽>堿土金屬鹽>過渡金屬鹽>銨鹽。（3）同一種金屬離子與不同酸根離子組成的含氧酸鹽，其穩(wěn)定性取決于對(duì)應(yīng)酸的穩(wěn)定性，含氧酸較不穩(wěn)定的其鹽也較不穩(wěn)定。（4）同一成酸元素不同氧化值的含氧酸及其鹽，高氧化值的比低氧化值的穩(wěn)定。

制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系119.3無機(jī)非金屬材料9.3.1建筑膠凝材料9.3.2耐熱高強(qiáng)材料9.3.3玻璃裝飾材料9.3.4半導(dǎo)體材料9.3.5精細(xì)陶瓷材料9.3.6功能轉(zhuǎn)換材料制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系12一、水泥硅酸鹽水泥熟料的礦物組分及其大致含量組分化學(xué)式符號(hào)質(zhì)量分?jǐn)?shù)%硅酸三鈣硅酸二鈣鋁酸三鈣鐵鋁酸四鈣3CaO·SiO22CaO·SiO23CaO·A12O34CaO·Al2O3·Fe2O3C3SC2SC3AC4AF37-6015-377-1510-189.3.1建筑膠凝材料制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系13

當(dāng)水泥顆粒與水接觸時(shí)，其表面發(fā)生水合作用或酸堿反應(yīng)：

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2(水合硅酸鈣)4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=3CaO·A12O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

（水合鋁酸鈣水合鐵酸鈣）

生成的水合硅酸鈣和水合鐵酸鈣為凝膠，氫氧化鈣和水合鋁酸鈣為結(jié)晶體。凝膠、結(jié)晶體和未與水作用的水泥顆粒凝聚在一起成為具有一定強(qiáng)度的膠凝體。水泥、砂子與適量水調(diào)和成的漿料具有可塑性，可夾在磚塊或石料間將其膠結(jié)為墻體等。隨著時(shí)間的推移，水分的逸散使砂漿失去可塑性，其硬度和強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，最后成為石狀固體。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系14

除普通硅酸鹽水泥外，還有高鋁水泥和耐酸水泥等特種水泥。高鋁水泥CaO含量低而Al2O3含量高，具有抗寒耐溫、快硬早強(qiáng)等特點(diǎn)，用于建造窯爐、緊急搶修、海上作業(yè)等特殊工程。耐酸水泥主要由磨細(xì)的石英砂與具有高度分散表面的活性硅土物質(zhì)混合而成。耐酸水泥加入硅酸鈉溶液形成可塑性漿狀物，主要用作耐酸設(shè)備中的黏結(jié)料，可抵抗除氫氟酸以外的所有酸的侵蝕。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系15制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系16二、石灰

CaCO3在910℃時(shí)的熱分解產(chǎn)物CaO俗稱生石灰。生石灰與水作用變成熟石灰或稱消石灰Ca(OH)2，同時(shí)放出大量的熱。含有過量水的石灰膏置于空氣中會(huì)逐漸硬化。硬化過程中水分不斷蒸發(fā)而析出Ca(OH)2晶體，Ca(OH)2又吸收空氣中的CO2生成難溶的固體CaCO3。石灰膏硬化時(shí)因體積收縮較大而出現(xiàn)干裂，因此，在使用時(shí)常加入沙土、紙筋等材料以防縮裂。作為最常用的無機(jī)膠凝材料之一，石灰廣泛用于建筑業(yè)。例如用石灰乳粉刷混凝土墻面，用石灰制成灰土加強(qiáng)地基等。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系17

三、石膏

天然石膏又稱二水石膏，主要成分是CaSO4·2H2O，在107℃-170℃范圍內(nèi)加熱會(huì)失水生成建筑石膏（β型半水石膏）。由于二水石膏的溶解度比半水石膏的小，所以施工時(shí)半水石膏不斷形成二水石膏并逐漸硬化，達(dá)到一定的強(qiáng)度。建筑石膏比石灰更加潔白、細(xì)膩，廣泛用于室內(nèi)墻體抹灰、粉刷和裝修。此外，用它做成的石膏板具有質(zhì)輕、隔熱、防水、加工方便等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用很普遍。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系189.3.2耐熱高強(qiáng)材料一、工業(yè)耐火材料

耐火材料一般是指在不低于1580℃的高溫下，能耐氣體、熔融金屬、熔融爐渣等物質(zhì)的侵蝕，而且有一定機(jī)械強(qiáng)度的無機(jī)非金屬固體材料。

酸性耐火材料的主要組分是SiO2等酸性氧化物，堿性耐火材料的主要組分是MgO、CaO等堿性氧化物，中性耐火材料的主要組分是A12O3、Cr2O3等兩性氧化物。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系19二、高溫結(jié)構(gòu)材料

同時(shí)能滿足耐高溫和高強(qiáng)度雙重要求的高溫結(jié)構(gòu)材料也稱為高溫結(jié)構(gòu)陶瓷。高致密的氮化硅(Si3N4)、碳化硅（SiC）、氮化硼（BN）、二氧化鋯（ZrO2）等無機(jī)非金屬材料，耐高溫、抗氧化，在高溫下不易變形，是很好的高溫結(jié)構(gòu)材料。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系209.3.3玻璃裝飾材料

普通玻璃（又稱鈉玻璃）是將石英砂、石灰石、純堿等混合后在高溫熔化、成型、冷卻所制得的質(zhì)地硬而脆的透明物體。

改變玻璃的成分或?qū)ΣＡнM(jìn)行特殊處理，可制成不同性能的玻璃。如與光和色有關(guān)的特殊玻璃、鋼化玻璃、微晶玻璃、微孔玻璃、導(dǎo)電玻璃、生化玻璃等。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系21制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系22制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系23幾種玻璃的特性和用途種類特性用途普通玻璃再高溫下易軟化窗玻璃、玻璃瓶、玻璃杯等石英玻璃膨脹系數(shù)小，耐酸堿，強(qiáng)度大，濾光化學(xué)儀器，高壓水銀燈，紫外燈，光導(dǎo)纖維，壓電晶體等光學(xué)玻璃透光性能好，有折光和色散性眼鏡片，照相機(jī)，顯微鏡，望遠(yuǎn)鏡用凸凹透鏡等光學(xué)儀器玻璃纖維耐腐蝕，不怕燒，不導(dǎo)電，不吸水，隔熱，吸聲，防蛀蟲太空飛行員的衣服，玻璃鋼等鋼化玻璃耐高溫，耐腐蝕，強(qiáng)度大，質(zhì)輕，抗震裂運(yùn)動(dòng)器材，微波通訊器材，汽車，火車窗玻璃等制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系24石英玻璃制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系25光學(xué)玻璃制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系26玻璃纖維制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系279.3.4半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體是指導(dǎo)電性能介于金屬和絕緣體之間的物質(zhì)，性能最優(yōu)越、最具有實(shí)用價(jià)值的單質(zhì)半導(dǎo)體是Si和Ge。與金屬依靠自由電子導(dǎo)電不同，半導(dǎo)體的導(dǎo)電是借助于載流子（電子和空穴）的遷移來實(shí)現(xiàn)的。

將能提供5個(gè)價(jià)電子的原子（如P、As、Sb等）摻入Si或Ge晶體后比形成4個(gè)共價(jià)鍵所需的電子多出1個(gè)，這種載流子是電子的半導(dǎo)體稱為電子半導(dǎo)體或n型半導(dǎo)體。將能提供3個(gè)價(jià)電子的原子（如B、In等）摻入Si或Ge晶體中，由于雜質(zhì)提供的價(jià)電子比形成4個(gè)共價(jià)鍵所需的電子少1個(gè)，就形成了可接受1個(gè)電子的空位，這種載流子是孔穴的半導(dǎo)體稱為孔穴半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系28

如果將一個(gè)p型半導(dǎo)體與一個(gè)n型半導(dǎo)體相接觸，組成一個(gè)p-n結(jié)，利用p-n結(jié)形成的接觸電勢(shì)差，可對(duì)交變電源電壓起整流作用，或?qū)π盘?hào)起放大作用。整個(gè)晶體管技術(shù)就是在p-ｎ結(jié)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

把各種類型的半導(dǎo)體適當(dāng)組合，可制成各種晶體管和小型化的集成電路，用于電子計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、通訊設(shè)備和雷達(dá)等。半導(dǎo)體材料具有極其廣泛的應(yīng)用。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系299.3.5精細(xì)陶瓷材料一、光導(dǎo)纖維

光導(dǎo)纖維是一種比頭發(fā)絲還細(xì)的玻璃纖維。光纖本身由纖芯和包層構(gòu)成。纖芯是由高透明固體材料制成，外面是一層低折射率的包皮，從而使入射的光在芯料和包皮料的界面上發(fā)生全反射，所以入射光幾乎全部被封閉在芯料內(nèi)部。經(jīng)過無數(shù)次的全反射，光波呈鋸齒狀向前傳播，使光由纖維的一端曲折地傳到另一端。光通信就是把聲音或圖像由發(fā)光元件（如GaAs等半導(dǎo)體激光器）轉(zhuǎn)成光信號(hào)，經(jīng)光導(dǎo)纖維傳向另一端，再由接收元件恢復(fù)為電信號(hào)。

光導(dǎo)纖維主要用作遠(yuǎn)距離通訊的光纜，短距離使用的人體內(nèi)窺鏡，是人類健康的好幫手。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系30二、氣敏陶瓷

氣敏陶瓷是一類對(duì)特定氣體有特殊響應(yīng)的陶瓷，有“電子鼻”之稱。

SnO2氣敏陶瓷對(duì)可燃性氣體，如氫、甲烷、丙烷、乙醇、丙酮、一氧化碳等都有較高的靈敏度。

ZnO也是很重要的氣敏材料，ZnO與V-Mo-A12O3催化劑組合后，檢測(cè)氟里昂氣體F-22和F-12比一般的氣敏傳感器的靈敏度高。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系31三、生物陶瓷

生物陶瓷是與活體細(xì)胞具有良好相容性的人工材料。

氧化鋁陶瓷做成的假牙與天然齒十分接近，還可以做人工關(guān)節(jié)如膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、指關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等。ZrO2陶瓷的強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨性比氧化鋁陶瓷好，也可用以制造牙根、骨和股關(guān)節(jié)等。人工合成的羥基磷灰石與骨的生物相容性非常好，可用于頜骨、耳聽骨修復(fù)和人工牙種植等。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系329.3.6功能轉(zhuǎn)換材料一、壓電材料

壓電材料水聲換能器是利用正、逆壓電效應(yīng)以發(fā)射聲波或接收聲波來完成水下觀察、通訊和探測(cè)工作。

壓電材料是一種可以使電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的功能材料。

利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。高電壓發(fā)生器是壓電材料最早開拓的應(yīng)用之一，其中應(yīng)用較多的有壓電點(diǎn)火器、引燃引爆裝置、壓電開關(guān)和小型電源等。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系33二、光電材料

如果光照射到半導(dǎo)體的p-n結(jié)上，則在p-n結(jié)兩端會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，p區(qū)為正極，n區(qū)負(fù)極。這一電勢(shì)差可以用高內(nèi)阻的電壓表測(cè)量出來，這種效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。利用光生伏特效應(yīng)原理不僅可以制做探測(cè)光信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換元件，還可以制造太陽(yáng)能電池。

硅是太陽(yáng)能電池較理想的材料。另外，比較好的薄膜太陽(yáng)能電池有硫化鎘、碲化鎘和砷化鎵。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系34三、智能材料

智能陶瓷具有很多的特殊功能，它能感知客觀世界，能動(dòng)地對(duì)外發(fā)射聲波、輻射電磁波和熱能，以及促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和改變顏色等對(duì)外做出類似有生命的智慧反應(yīng)。很多智能陶瓷具有自修復(fù)和保護(hù)功能，它使材料能抵抗環(huán)境的突然變化。

電致變色現(xiàn)象是指智能材料在電場(chǎng)作用下引起的顏色變化，這種變化是可逆的并且連續(xù)可調(diào)。電致變色系統(tǒng)通過選擇性的吸收或反射外界熱輻射和阻止內(nèi)部熱擴(kuò)散，可減少辦公大樓和民用住宅等建筑物為在夏季保持涼爽和冬季保持溫暖而必須耗費(fèi)的大量能源。制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系359.4鋼筋混凝土的腐蝕與防腐9.4.1混凝土的腐蝕9.4.2混凝土中鋼筋的腐蝕9.4.3鋼筋混凝土的防腐措施制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系369.4.1混凝土的腐蝕?溶解腐蝕混凝土中的可溶性成分Ca(OH)2被水溶解、浸出，引起膠凝體水解，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。?化學(xué)腐蝕混凝土中的活性成分與水溶液中的腐蝕物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。?膨脹腐蝕腐蝕劑滲透到混凝土空隙中后產(chǎn)生結(jié)晶，結(jié)晶積聚、膨脹、產(chǎn)生張力，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。一、腐蝕類型制作:張思敬等理學(xué)院化學(xué)系37二、腐蝕來源（1）軟水的腐蝕

當(dāng)混凝土浸泡于軟水或經(jīng)常受軟水沖刷時(shí)，會(huì)發(fā)生溶解腐蝕?；炷两ㄖ镌谑褂靡欢螘r(shí)間后表面出現(xiàn)的白色沉積物，就是浸出的Ca(OH)2與空氣