《元素周期律》课件.ppt

1、元素周期律元素周期律周期表的结构及其周期性周期表的结构及其周期性 1 1 价层电子及价轨道的周期性价层电子及价轨道的周期性2 2 化学成键的规律性化学成键的规律性3 3 酸碱性的规律性酸碱性的规律性4 4 氧化还原稳定性的规律性氧化还原稳定性的规律性5 5 热稳定性的规律性热稳定性的规律性6 6 盐的水溶性规律盐的水溶性规律7 7 配合物的稳定性的规律性配合物的稳定性的规律性 元素周期表元素周期表核外电子运动用波函数表示 n,l,m,ms 波函数由四个参数（四个量子数）来确定 参数n决定电子层，即活动空间离原子核的远近，成键能力（半径）参数l决定轨道的形状和种类：s,p,d,f,(g)；决定成

2、键方式和成键能力（共价键）参数m决定轨道的空间取向（方向）参数ms决定电子的自旋方向原子轨道角度部分的形状+xyzzx+zx_y+_spxpypz+_xzy+_xz+y+_z+ydxydxzdyzddxy22-z2电子云角度部分的形状xyzzxzxyspxpypzxzyxzyzydxydxzdyzddxy22-z2_能级组 轨道的数量：ns=1,np=3,nd=5,nf=7,ng=9,nh=11 原子核外的轨道无穷多，且离核远近不同、种类不同，能量也不同。只有能量最低的轨道才能被采用填充电子；在填充电子的轨道中，只有能量最高的轨道上的电子才能参与化学反应。能量相近的轨道构成一个能级组，相当于周

3、期表中的一个周期。电子填充顺序：ns(n-3)g(n-2)f(n-1)d np，即能级组 n2时有p轨道 n4时有d轨道 n6时有f轨道周期表中每周期元素的数量 按能级组ns(n-3)g(n-2)f(n-1)d np 周期 轨道元素11s222s2p833s3p843d4s4p1854d5s5p1864f5d6s6p3275f6d7s7p3285g6f7d8s8p50元素各层的电子数 由能级组ns(n-2)f(n-1)d np可知：最外层能填充电子的轨道只有nsnp，故最多可填充8个电子，其中第一周期最多2个电子；次外层能填充电子的轨道只有(n-1)s(n-1)p(n-1)d，故最多可填充18

4、个电子次次外层能填充电子的轨道为(n-2)s(n-2)p(n-2)d(n-2)f，故最多可填充32个电子价电子、价轨道 参与化学反应的电子是能量最高占有轨道上的电子，这些电子是价电子。处于最高能级组上的电子都是价电子，即ns(n-2)f(n-1)d np 上的电子 参与成键的轨道包括价电子所在的轨道以及能量最低的空轨道，通常包括nd轨道。价轨道的数目决定了该元素的最大成共价键数目。第一周期元素：1个价轨道ns第二周期元素：4个价轨道ns+np第三周期及以下元素：9个价轨道ns+np+nd或(n-1)d+ns+np(内外层d轨道不能同时使用)。基态和激发态 基态(Ground State,GS)

5、：原子或分子处于最低能量的状态，其电子分布满足三原则，即能量最低原理，保里不相容原理和洪特规则。激发态(Excited State,ES)：比基态能量高的所有状态。在激发态时只满足保里原理，能量最低原理和洪特规则不再适用。化学反应中的电子激发只发生在价轨道之间。原子轨道间形成的共价键d轨道可以形成三种键成键分子轨道与反键分子轨道轨道种类与成键类型 只要是s轨道参与，则形成的键肯定是，包括s-s、s-p和s-d；p轨道参与则可以形成两种键，即和，包括p-p和p-d(通常只有dx2-y2和dz2轨道与p能形成，而dxy、dxz和dyz轨道与p之间形成）；d轨道之间三种键均可形成，但通常情况下多以为

6、主，极少数情况下还可以形成键。成键方式选择 主族元素形成和。只有d过渡元素才有可能形成键。键的稳定性：；只与原子半径足够小时才会形成键，故键只有第二周期元素参与才稳定；而键极不稳定，故极少见。两原子之间形成的第一个键肯定是，第二和第三个键则是，第四个键则肯定是多中心键 发生在缺电子原子为中心原子的共价化合物中，该类原子的最外层电子的数目少于或等于3（主族中IA-IIIA和过渡金属中）；形成的共价化合物都是缺电子化合物，都有是路易斯酸。例:(Al(CH3)3)2,B2H6,BeH2 H H H Be Be BeH H H大键（多中心键）化学键中电子离域程度越高，越稳定。形成大键的条件：杂化方式：

7、sp、sp2、dsp2之一或组合，以确保成键原子在同一个平面上！有第二周期元素参与，以确保键具有足够的稳定性。例：CO2,NO2-,Ni(CN)42-具有具有d8 结构的结构的Ni(CN)42-，中央离子接受配位体的孤对电中央离子接受配位体的孤对电子，形成子，形成4个共价配键。另外个共价配键。另外中央离子中央离子Ni2+还剩余一个垂直还剩余一个垂直于平面的空的于平面的空的4p轨道，可以和轨道，可以和各配体各配体CN-的一个的一个键形成键形成98 大键OCONOO43 43 反馈键反馈键 主族非金属供电子类：pp反馈键：孤电子对（p电子）向p空轨道轨道；p d 反馈键：孤电子对向d空轨道（第三周

8、期及以上元素的含氧化合物中）上提供p*反馈键：孤电子对向*轨道（烯醇、酚和芳香胺）上提供电子。例：CO，SiO2Si 有3d 空轨道,氧上2s22p4 的孤对电子可以反馈到Si 的3d 轨道上生成反馈的p d键MAAd d 反馈键d*反馈键OMAAApp反馈键pd反馈键p*反馈键反馈键 金属供电子类：d d 反馈键：金属的d轨道上的电子向非金属原子（第三周期及以下元素作配位原子时）提供；d*反馈键：d轨道上的电子向*轨道（烯、炔、苯环及CO）上提供；d p 反馈键：d轨道上的电子向p轨道（金属卡宾中）提供。例：Ni(CO)4在在Ni(CO)4配合物中，形成配合物中，形成4个个键，同时还形成键，

9、同时还形成d-*反反馈馈键键反馈反馈键：羰基化合物中的成键情况与一般无机配合物键：羰基化合物中的成键情况与一般无机配合物中有些不同。反馈键理论认为，配体中中有些不同。反馈键理论认为，配体中C上的孤对电子上的孤对电子与金属原子的空轨道形成与金属原子的空轨道形成配键；同时金属原子的配键；同时金属原子的d轨道轨道和和CO分子中的空的反键轨道分子中的空的反键轨道2p*重叠形成重叠形成键。因为是键。因为是金属原子提供孤对电子，配体提供空轨道成键，所以这金属原子提供孤对电子，配体提供空轨道成键，所以这样形成的键被称为样形成的键被称为“反馈键反馈键”。配键造成中心原子上配键造成中心原子上负电荷富集，反馈键则

10、能使这些富电荷得到有效的分散，负电荷富集，反馈键则能使这些富电荷得到有效的分散，从而使得配合物更为稳定。从而使得配合物更为稳定。共价键的稳定性 成键半径：半径越小，共价键越稳定 成键数目：成键数目越多，越稳定 孤电子对间的排斥：若原子半径很小（仅第二周期元素）且成键双方均有离得太近的孤电子对，则化学键因孤电子对间的斥力而被削弱。主族元素：周期表中右上的元素形成键时因半径小而更稳定，而左下的元素形成的键因半径大而稳定性相对较差。d过渡元素从上到下因半径增幅小，而核电荷增幅大，因而其成键能力是增强的。共价键的稳定性与性质关系 原子晶体中的硬度 原子晶体中的熔沸点 物质的热稳定性 化学反应活性，包括

11、动力学活性和热力学活性。/离子键及其稳定性 活泼金属与活泼非金属间才可能形成离子键。离子键没有方向性，也没有饱和性。每个离子总是尽可能与更多的异号离子接触而相互吸引。离子键的强弱正比于阴阳离子电荷的乘积，反比于阴阳离子的半径之和。因此电荷越高离子键越强，半径越小离子键越强。周期表中规律性 周期表中，靠右上位置的金属离子化合物的离子键越强。阴离子则是O2-最强（负电荷高且半径小）。注意：没有100%离子键，一般化学键中都含有不同程度的共价，这类化合物用离子键来处理会得到错误的结果。例：BeCl2 MgCl2 CaCl2 SrCl2 BaCl2熔点/405 714 782 876 962 离子键的

12、强弱与性质关系 离子化合物的熔沸点 离子化合物的硬度 离子化合物的溶解性 离子化合物的稳定性 离子化合物的反应活性（非水溶液中）金属键的强弱及其稳定性 金属键可以看成特殊的共价键（超离域），但金属键无饱和性，也无方向性。成键半径：半径越小越强；成键电子数：电子数越多越强；成键轨道:(n-1)d轨道的成键能力强于ns和np轨道，且5d4d3d。金属密堆积方式：六方密堆积(74.05%)面心立方密堆积体心立方密堆积(68.02%)周期表中金属键的强弱规律 主族金属的金属键一般弱于副族金属的；s区弱于p区，p区弱于f区，f区弱于d区 主族金属：左下的金属键弱，右上的金属键强。d区金属：从左到右金属键

13、先增强再减弱；从上到下增强。金属键强弱反常处：IIIB族和IIB族，规律性与主族一致。金属键的强弱与性质 金属熔沸点 金属的硬度 金属的化学性质 金属的导电性金属的密堆积方式及合金的形成金属的密堆积方式及合金的形成面心立方密堆积：配位数为面心立方密堆积：配位数为12，按，按ABCABC.顺序密堆积。顺序密堆积。六方密堆积：配位数为六方密堆积：配位数为12，按，按ABAB方式方式密堆积。密堆积。金属的密堆积方式及合金的形成金属晶体的内部结构金属晶体的内部结构配位数为配位数为12金属晶体的内部结构金属晶体的内部结构晶体的内部结构晶体的内部结构体心立方密堆积：配位数为体心立方密堆积：配位数为8。八面

14、体空穴和四面体空穴 正八面体空穴：由六个原子形成。在六方密堆积和面心立方密堆积中由上下两层的原子构成；在体心立方密堆积中由上中下三层原子构成。正四面体空穴：由四个相邻原子形成。在六方密堆积和面心立方密堆积中由上下两层的原子构成。体心立方密堆积只形成正八面体空穴。六方密堆积和面心立方密堆积中八面体空穴与四面体空穴数量之比为1：2合金的生成 合金的生成有两种方式 取代型合金：当两种原子的原子半径比较接近时，取代原来原子位置而形成。进入原子往往也是金属原子，故形成的合金原子间仍以金属键作用，可以保有延展性。填充型合金：当进入原子的原子半径很小时，进入原子进入到金属密堆积形成的四面体空穴和八面体空穴中

15、而形成。进入原子往往是半径小的非金属原子。金属与非金属间一般形成共价键，故这类合金的形成往往导致合金变脆，填充比例越高，脆性越大。分子间作用力 取向力：极性分子间的偶极定向排列，仅在强极性分子中为主要的分子间力。诱导力：电荷对分子核外电子云的诱导形变，很次要的作用力。色散力：分子中电子高速运动产生的瞬间偶极相互作用，与分子的变形性有关。是一般分子间最主要的作用力。+_+_+取取向向力力诱导力诱导力色散力色散力分子间作用力大小规律 分子极性是由共价键的极性引起的，成键两原子的电负性差值越大，键的极性越强，分子中心不对称时的极性也就越大；分子极性越大，取向力越大，诱导力也越大；分子量越大，色散力越

16、大。氢键 发生在H与电负性大且半径小的原子（通常为N、O、F）成键的分子中。氢的缺电子与另一富电子（孤电子对）相互作用而形成。氢键的形成使分子的极性减小、变形能力也减小。分子间氢键：使分子量大幅度增大，使熔沸点大幅上升 分子内氢键：分子量不变，但使其它分子间力下降，使熔沸点下降。分子间作用力及氢键与性质关系 物质的熔沸点 物质的溶解性 物质的硬度。酸碱性的规律性 酸碱质子理论：凡是给出质子的是酸凡是接受质子的是碱酸特征：肯定有H与电负性更大的原子相连；碱特征：肯定有原子（尤其是第二周期元素）上有孤电子对例：HPO42-，NH3 酸碱电子理论(Lewis酸碱理论）：凡是给出电子(对)的是碱凡是接

17、受电子(对)的是酸酸特征：肯定有空价轨道，金属及其阳离子更易表现碱特征：肯定有孤电子对（包括s，p及d轨道上的电子或轨道上的电子例：Zn2+,Si(IV),NH3,S2-酸碱的电离与表达方式ROH:酸碱碱酸碱氢化物的酸碱性HX(aq)H(aq)X(aq)+HXHX-+-(g)(g)(g)(g)H2OHX(g)H2O+1456HHDHHHEmHm=1HDE4H5H6H+干态酸性即对不同氢化物的酸性比较只要比较HX的离解能和X的电子亲合能两项之和就可以了！Hm=DE+周期表中氢化物的酸碱性规律 同族元素从上到下，电子亲合能差异很小，成键半径（能力）差异很大，故酸性增强；同周期元素从左到右，成键半径

18、差异很小，电子亲合能差异很大，故酸性增强。含氧酸 结构：第二周期均以sp2杂化形成平面结构（有大键存在）；第三、四两周期均以sp3杂化，结构视氧的配位数而定；第五、六两周期大都以sp3d2杂化（也可以sp3杂化），结构视氧的配位数而定。性质主要表现在：p H-O键，酸性、失水性（聚合成多酸）、H的氧化性；p O上，配位能力、还原性（失氧分解）；p 成酸元素A上，氧化还原性（包括歧化）、孤电子对（配位能力）、稳定性（A-O键）、失水性（半径大小）含氧酸（氢氧化物）的酸碱性强弱含氧酸（氢氧化物）的酸碱性强弱 经验规则一：离子势大小其中z为成酸元素氧化态，r为成酸元素离子半径 10时，酸性 7 10

19、时，两性 9-17e18,18+2e 改变硬软法：提高正电荷变硬，降低电荷变软。如Fe2+Fe3+，NH3NH2-。软硬酸碱理论的具体应用 元素的存在方式：主要是氧化物矿和硫化物矿。含氧矿存在形式：氧化物和含氧酸盐；阳离子越硬越易形成含氧矿；强酸性氧化物或强碱性氧化物都形成含氧酸盐矿；弱酸性、弱碱性或两性氧化物也可以以氧化物形式成矿。如Li+,Al3+,Si(IV),Ti(IV)含硫矿存在形式：全部是硫化物；阳离子越弱越易形成含硫矿；软酸形成含硫矿，中间酸既可形成含氧矿，又可形成含硫矿。如Hg2+HgS，Cu2+CuFeS2,Cu2(OH)2CO3软硬酸碱理论的具体应用 化合物的稳定性和溶解度

20、软亲软，硬亲硬都反映的是化合物的稳定性。如HgOFeCl3稳定性高的在水溶液中的溶解度往往越小！配合物的生成及稳定性F-，含氧配体与硬酸结合稳定；S2-，I-与软酸结合稳定。如：Al3+AlF63-,HgI42-HgBr42-HgCl42-氧化还原能力的规律性 从上到下同族：高氧化态氧化性依次减弱，低氧化态还原性依次增强（包括主族和副族）。另外：IIB族、第四周期元素和第六周期元素反常地高氧化性。从左到右同周期：氧化性依次增强，还原性依次减弱。同一元素不同氧化态：高氧化态的氧化性强，低氧化态的还原性强。另外：Cl的正氧化态反常（孤电子对间的斥力）。同一元素同一氧化态：酸性环境越强，氧化性越强；

21、碱性环境越强，还原性越强。热稳定性规律 与化学键的强弱有关，分子中最弱的化学键决定其稳定性。共价型化合物的热稳定性：参看共价键的稳定性规律。离子型化合物的热稳定性：参看离子键的强弱规律。含氧酸盐的热稳定性 金属与成酸元素争夺O2-，若MO晶格能越大则越易分解；Mn+的极化能力越强越易分解；金属与氧争夺电子，金属离子的电荷越高，极化能力越强，越易分解；成酸元素与O争夺电子，成酸元素的氧化态越高，电负性越大越易分解；金属和成酸元素均与O争夺电子，容易分解；中间氧化态的成酸元素之间通过O传递电子，歧化反应。OAMOAM:OAM:OAM:OAMOAM:含氧酸盐的热稳定性（周期表中和规律性）主族阳离子从

22、上到下其含氧酸盐越稳定，从左到右越不稳定（极化）；副族阳离子从上到下其含氧酸盐越稳定，从左到右越不稳定（极化）。含氧酸酸根的稳定性：铝酸盐，硅酸盐硼酸盐、磷酸盐、镓酸盐、砷酸盐碳酸盐硫酸盐硝酸盐、卤酸盐亚酸盐及次酸盐。过渡金属(成酸元素）含氧酸盐的稳定性：从左到右稳定性下降，从上到下稳定性增强。盐的水溶性 含氧酸盐的水溶性一般不如含氧酸，特殊的如H2CO3，而生成的部分全部溶解，溶液中一般是CO2!,H2SiO3实际上是因为形成了大分子，Si(OH)4的水溶性是很大的！B(OH)3是因为氢键。两个经验规则：p大阳小阴或小阳大阴的盐易溶，大阳大阴或小阳小阴的盐难溶p强酸盐一般易溶，弱酸盐一般难溶

23、（但例外不少）规则一的热力学解释M(aq)X(aq)+MX-+-(g)(g)+123HHHHsHs=1H2H3H+MX(s)物质的电性质 物质的电性质包括两个方面：一是产生传导电流，即电荷的定向移动；二是产生电子云或阴阳离子的定向偏移，即形变，产生静电或电荷储存。物质的导电性与电荷的定向移动有关，电荷的形式可以是电子(空穴)和阴阳离子。材料的电性质 电子质量相对离子来说极小，体积也极小，运动速度也极快；阴阳离子则相对来说都有较大的体积和质量，移动速度受其它离子的存在影响，尤其是阴离子的移动，因体积大受其它离子阻挡和牵制，影响最大。电子导电能力远胜阴阳离子的导电能力。电子或离子的定向偏移则产生静

24、电积累，对于电子和离子被束缚，则在电场作用下产生定向偏移。材料的导电性分类 对于电荷定向移动的导电性，有：=ne 其中是导电率，n是带电粒子数，是定向移动速度 导体的导电率105S/m；半导体的导电率为10-7104S/m；绝缘体的导电率小于10-7S/m。导电性比较 金属的导电率一般在107108S/m；合金的导电性比纯金属差，一般在105107S/m之间。因此合金一般用于电阻材料或热电偶。无机非金属导电材料一般在105108S/m，一般用于耐腐蚀导体或导电填料。如石墨层内2.5106S/m，ReO3为108S/m。材料的导电性与温度关系 对于金属来说，其电子数量不受温度和光照的影响，而定向

25、运动速度却因温度的升高而下降（碰撞），因此金属的导电性具有负温度系数，即温度升高，导电性越差。对于半导体和绝缘体来说，其电子数量在光照和升温下急剧增加，故导电性显著增强，因此半导体和绝缘体的导电性具有正温度系数。对于离子导体来说，影响其导电性的仅是离子移动的速度，因此温度升高可以大大提高离子的扩散速度，故导电性也是增加的。绝缘体的击穿电场 在低电场作用下，电介质表现为绝缘和储存电荷。但在高电场作用下，电介质会被击穿而变为导体。击穿往往产生局部高温、火花，造成材料本身不可逆的破坏。在击穿处有小孔、裂缝或击穿时整个瓷体炸裂的现象。击穿电场强度Ej、击穿电压U和电介质厚度之间满足：Ej=U/h 陶瓷

26、材料的击穿电场强度一般在460KV/mm。注：绝缘体肯定是电介质，但电介质并不一定是绝缘体。绝缘材料 按分子轨道理论，这类材料要求有大禁带宽度（3eV)，最好5eV以上。参与成键的元素的原子半径越小，其禁带宽度越大；电负性差值越小，则禁带宽度越小。另外，禁带宽度还与分子结构和晶体结构有关。组成结构禁带宽度(eV)AlN纤维锌矿6.2AlP闪锌矿2.45AlAs闪锌矿2.16AlSb闪锌矿1.5BN闪锌矿7.2BP闪锌矿2.0BAs闪锌矿1.6SiC纤维锌矿2.390SiC闪锌矿3.023绝缘材料 要达到宽禁带：IA和IIB族元素的氧化物和氟化物（离子化合物类）p区第二、三周期元素的氧化物和氟化

27、物（共价化合物类）离子型氧化物和氟化物与共价型氧化物和氟化物的复合物（盐类）饱和烃类及其氟代、氯代物；饱和环氧类化合物、聚胺类、聚脂类离子型化合物的禁带宽度大（成键元素间电负性差值越大，禁带宽度一般越大）。第二、三周期元素的原子半径小、形成共价键时成键轨道能量降低和反键轨道能量升高都很大，禁带宽度大。复合氧化物和复合氟化物稳定性更高，禁带宽度往往更大。饱和的碳氢化合物及其O、N、F、Cl的取代物是理想的绝缘材料。其原子半径都很小，稳定性高，禁带宽度大；难变形，介电常数小（一般在5以下，若形成泡沫型结构甚至可以接近空气的介电常数1）。常用的有低分子量的油类、聚合物类如塑料、橡胶。绝缘材料 另外：

28、硼化物、碳化物、硅化物、氮化物、磷化物和硫化物形成的共价化合物禁带宽度相对较小，大都是半导体。共轭体系、自由基体系都有不同程度的导电性，不适合作绝缘材料。可变氧化态的元素及其化合物不适合作绝缘材料；重元素的原子价轨道能量较高，成键时禁带宽度小，不适合作绝缘材料；在绝缘材料中不允许有上述杂质进入，否则绝缘性能大幅度下降。瓷绝缘材料 早期的普通瓷绝缘材料主成份是石英、长石、粘土等，组成比例大致是：1020%石英，1020%莫来石，6080%的气孔和玻璃相。特点：成本低、易成型；机械强度低，只适合于普通绝缘子。提高石英的含量，可改善其机械强度。电绝缘材料 氧化铝陶瓷质绝缘材料，用于超高压绝缘子。特点

29、：机械强度高，耐电弧性能高。但价格相对较高。目前国内外有关高压、超高压和特高压电瓷材料的研究集中中高铝陶瓷。通过提高陶瓷的机械强度、耐污性、耐电弧性等方面。原料中的杂质对材料的绝缘性能起至关重要的作用。原料一般向超纯、超细、超匀方向发展。绝缘材料 各类塑料：用于各种开关，如聚脂和聚胺脂类、环氧类和尼龙等 各类橡胶：用于各种包裹型绝缘，如电线电缆等，包括氯丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、丁苯橡胶等 各类纤维：如棉、石棉、人造纤维等，主要是用于绝缘材料的增强。耐高温类：有机硅橡胶、聚四氟乙烯、无机氧化物类，如氧化铝、云母等。复合型绝缘材料 常将有机类绝缘材料，通常是树脂，如环氧材料，与无机物类绝缘材料

30、，如云母、玻璃纤维、石英或氧化铝粉等进行复合，得到复合绝缘材料。特点：强度高、耐老化、耐高温。无机陶瓷材料的化学键强，易吸水或表面易吸附其它杂质，防污性能差，且脆性大；而有机类材料表面防水效果好，柔性好，但强度低。两者可以相互弥补不足。复合型绝缘材料 引入空心无机绝缘材料，可使介电常数大幅度下降，提高绝缘性。引入纳米材料，利用纳米材料的量子阻塞效应，提高绝缘性能。如微米TiO2的引入会大幅增大导电性，而引入纳米TiO2则导电性有一程度降低，且抗电晕老化性能大幅度提高。半导体材料 半导体材料的禁带宽度在0-3eV，一般在1eV左右。对于宽禁带材料，可以通过掺杂而形成半导体。掺杂方式有两类，一类是

31、引入缺电子物质，从而在禁带内形成空穴能带，其导电方式相当于正电荷移动，故称为P型半导体（Positive)；另一类是引入授电子物质，从而在禁带内形成新的价带能级，其导电方式是电子移动，故称为N型半导体(Negative)。不掺杂的半导体称为本征半导体。本征半导体材料 导电机理：价带上的电子借助于热、电、磁等能量激发到导带（本征激发）。本征半导体都是高纯物质，其杂质量应少于10-9。可以是单质，也可以是化合物。本征半导体的应用不多。因单位体积内的载流子数量少，需要在高温下才能工作。化合物类半导体 化合物半导体包括两大类，一类是定组成的化合物半导体，其特点是氧化态确定，只是其禁带宽度落在半导体区，

32、可以形成二元或多元半导体，包括II-VI族化合物，如CdS,ZnS,HgS,CdSe等，III-V族化合物，如GaN,GaAs,GaP,InP等，多元的如Ga1-xAlxN等，IV-IV族化合物如SiC,GeSi等；另一类是混价化合物半导体，如Fe1-xO等，多出现在过渡金属化合物中。这类半导体的特点是禁带宽，迁移率范围也宽。定组成的化合物半导体，因控制掺杂浓度容易，能带宽度调节方便，而广泛被研究。从元素周期表上来看，p区元素单质或之间（包括IIB族）形成的半导体容易纯化和控制掺杂。过渡元素的氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物将是丰富的半导体材料，有等于进一步研究和挖掘的宝库。多元

33、的复合氧化物（含氧酸盐类）更是种类繁多，它们也是半导体材料的重要宝库，有待研究和利用，如BaTiO3。半导体 VIIA、IA和IIA族元素很少用于半导体，只有在掺杂或有限调整组成时偶尔用到。过渡元素也可以作用p区半导体的掺杂成份。作为掺杂元素，通常要求其能量比本体相元素的轨道能量要高，故理想的掺杂元素都应是第三周期及其以下的元素热敏半导体陶瓷 据电阻与温度特性分为三类：电阻随温度升高而增大，正温度系数热敏电阻（Positive temperature coefficient,PTC)；电阻随温度升高而减小，负温度系数热敏电阻（Negative temperature coefficient,N

34、TC)；电阻在某一小温度范围内急剧变化的热敏电阻，临界温度热敏电阻（Critical temperature resistor,CTR)。正温度系数热敏电阻（PTC）是一类铁电半导体，电阻剧变温度发生在居里温度点（即相变点），此时材料由铁电性变为顺电性，电阻暴增103-107倍。相变温度可以通过组成调节来改变。以BaTiO3为代表的PTC陶瓷。BaTiO3具有较宽的禁带宽度，一般情况下是绝缘体，其电阻率在1012.cm，不能用于PTC热敏电阻。PTC半导体材料 通过掺杂，引入新能级，使该陶瓷具有半导体性质，其导电率变为1103.cm。掺杂的方法是引入+3氧化态的阳离子如RE3+取代Ba2+，引

35、入+5氧化态的阳离子取代Ti4+。杂质的引入对性质非常敏感。典型的PTC热敏陶瓷配方：主成分Ba0.93Pb0.03Ca0.04TiO3+0.0011Nb2O5+0.01TiO2 辅助成分摩尔分数：Sb2O3 0.06%,MnO2 0.04%SiO2 0.5%Al2O3 0.167%Li2CO3 0.1%NTC热敏电阻 NTC热敏电阻随温度变化其电阻下降，与普通陶瓷的区别在于其电阻变化的幅度更大。CTR热敏电阻目前主要是VO2为主要成份的半导体陶瓷，其电阻在68C附近突变1034倍，具有很大的负温度系数。导电材料 电子导体：金属、合金、导电高分子 离子导体：阳离子导体、阴离子导体 超导体 混合

36、导体金属及其合金 金属单质的导电性很高，掺杂后的导电性会急剧下降。因此金属的纯度对导电性致关重要。导电性最好的金属：Ag,Cu,Au,Al。合金的形成相当于对纯金属掺杂，其导电性下降，一般用于制作电阻和热电偶。离子导体离子导体 锂电池 Li1-xCoO2(x1)Li1-xCoO2-LiyC6充放电示意图Li1-xCoO2LiyC6+-LiPF6Li+Li+-LiPF6Li+Li放 电充 电物质的光性质 物质的光性质包括两个方面，一是物质与光相互作用而产生的效应，二是物质吸收能量以后的发光。光是一种电磁波，其运动速率在真空中为3108m/s，运动中有两个分量，即电分量和磁分量，且电分量和磁分量相

37、互垂直。因此尽管光子不带电，仍可以理解光与电场和磁场均会发生相互作用，从而改变光的行为。其中是光速，为波长，t为时间，x为距离 光子是能量的最小单位，其能量与光子的波长（或频率）有关，波长越短，能量越高，涉及从射频、红外、可见、紫外、X射线、射线等宽广的波长范围。E=h=hc/)(2sin0,txEEtx光通常按波长分类 对人眼有光刺激的波长范围是380-830nm段，其中对人眼有明显光刺激的则是400-780nm段，即通常所说的可见光。比该段波长长的为红外线、微波和无线电波等；比该波长短的为紫外线、X射线和射线等。对可见光来说，每一种波长代表一种颜色，而每一种颜色却并不一定对应一种特定波长！

38、由于波长是连续的，因此理论上，颜色就有无穷多种，不过人眼能识别的颜色并不多，对一位经过专业训练的人来说，最多可识别300余种（按深浅、色调）。对于黑体辐射，温度高于绝对零度辐射电磁波，发出连续波长的光，其量分布按Plank黑体辐射公式计算。其中为波长，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，c为光速，h为普朗克常数。温度越高，短波长的光越多，颜色偏蓝偏冷；反之温度越低，长波长的光越多，颜色偏黄偏暖。)1(2)(52kThcehcE 因此，不同温度下，黑体辐射产生的光谱能量分布是不同的，光的颜色也就不同，对应不同的色温。色温越高的光越偏蓝偏冷；色温越低的光越偏黄偏暖。太阳的表面温度是6500C，因此，日

39、光的色温是6500C，常用D65(Day light 6500)来表示。太阳光也是一个典型的黑体辐射，其光谱也是连续的；人眼是适应太阳光进化而来，因此对阳光和光谱连续的光最适应，人造光源中通过高温而得到的光源波长也是连续的，如白炽灯；而不通过高温而得到的光波长通常是不连续的，如荧光灯、节能灯、钠灯、高压汞灯等。太阳光是混合波长的光 通过棱镜将太阳光分光，则由于不同波长的光在棱镜中的折射指数不同，传播速度和方向的不同而分开，可以观察到红橙黄绿青蓝紫连续的色带。也即太阳光的白光其实由无数波长（颜色）的光组成，若去掉部分颜色的光，则所得到的光不再是白色了，此时所看到的光的颜色和被去掉的光的颜色之间构

40、成互补色。任何两互补色都可以通过调整其比例混合后得到白光。aa互补色 一种非白色的光可以由一种波长的光构成，也可以由多种波长的光混合得到；而白光则肯定是混合波长的光。若两种波长的光按一定比例混合能得到白光，则称该两种光为互补色。如普通荧光灯由蓝光和黄光两种光混合得到，故蓝光和黄光是互补色。色坐标与光的混合色 根据实验测定的不同波长的光对人眼的光谱三刺激值，对不同波长的光可以建立一个色坐标，其形状似马蹄形，通常用平面图就可以表示，x+y+z=1，只要知道x、y，便自然知道z值。x值越高，则红光成份越高，而y值越小，蓝光成份越高，y值越高，绿光成份越高。色坐标色坐标 色坐标马蹄形区代表了自然界中所

41、有的颜色，任意一点代表一种颜色，每一种颜色都对应一个确定的色坐标。每一种颜色如果是处在马蹄形轨迹上，则该颜色是纯色，由单一波长的光组成；若处在马蹄形图的中间的任意一点，则肯定是混合色，即由不同波长的光配伍得到。除纯色外的其它颜色，可以有无穷多种方法得到，只要通过该点往任意方向作直线，则通过该点线两端的任意两种颜色都可以配出该点的颜色，配伍比例由杠杆原理确定（二色配伍法）；也可以通过该点往不同方向引出多条直线，若这些线的终点所围成的多面体包含该点，则这些颜色也能配伍出该点颜色（多色配伍法）。色坐标的中心点为白光点，该点的坐标是x=y=z=0.3333，此点对应的是标准的白光。显而易见，太阳光的白

42、光所包含的是马蹄形轨迹上的各波长的光混合而得到的。而要得到色坐标是x=y=z=0.3333并不需要所有波长的光，配光方式与上述方式相似。显而易见，配出白光的方式有无穷多种。在人造光源中并不要求严格满足x=y=z=0.3333。若在马蹄形区中任意选两点，则该两点的颜色可以配出两点连线上所有的颜色；若任选三点，则由该三点颜色可以配出该三点所围成的三角形面积有所有的颜色。三基色 最理想的，由红绿蓝三种颜色可以围成一个很大面积的三角形，即可以复现其面积中的所有颜色，基本上可以覆盖自然界中绝大多数的颜色，因此红绿蓝三色又称为三原色或三基色。彩电、显示器、节能灯等都利用了三原色原理。若使用四种颜色、五种颜

43、色，则可以围成四边形、五边形，其形成的面积有可能更大，可配出的色彩也就更丰富。电视使用多色配伍可使图像质量更高但难度更大；节能灯使用多色配伍可使光更接近自然光（太阳光）。显色指数 人眼是长期适应阳光进化而来，所以对阳光最适应。当阳光和一种人造光源分别照在同一物体上时会产生色差，这种色差用显色指数来度量。将日光D65定为显色指数100，其它光源的还原颜色的能力对比相对值肯定要小，即为该光源的显色指数。如白炽灯的显色指数达到95以上，与日光很接近，而荧光灯一般在80左右，节能灯可达到85-90，而钠灯和高压汞灯只有20-50。高品质的生活需要高显色指数的光源。对普通人来说，稍低的显色指数对生活影响

44、不大，而对艺术家来说，低显色指数可能是灾难性的。物质的光性质 当光进入新介质时，必定与介质中的原子或离子发生相互作用，这种作用与介质的组成、晶体结构、能带结构等关系密切。当光子的能量与介质的能带结构不匹配时，光子不会被介质吸收，此时介质是透明的，即光会透过介质而产生透射。由于介质不同于真空，光在介质中传播的速率和传播方向（折射）都会发生变化，这与介质的折射指数n有关（真空的折射指数定为1），不同介质中光的传播速率不同，方向改变程度也不同：i=c/ni sin1/sin2=n2/n1=1/2物质的光性质折射率 介质的折射率与介质的介电常数有关：=n2 而介电常数又与材料的变形能力有关。由于光运动

45、中具有电和磁两个分量，光作用到介质上相当于光有电作用到介质上，介质被光电场极化，产生正负电荷重心的相对位移。反过来，被极化的介质又反作用于光电场，从而使光波减速。物质的光性质双折射 对于各向同性材料，如玻璃、无定形体、立方晶体，在这类材料内部光速率不会因传播方向改变而改变。对于各向异性晶体，由于晶体在不同方向上原子或离子的排列方式不同，其折射率也不同，传播速率上也有差异，产生双折射现象。如石英（六方晶体）的双折射率是n0=1.543，ne=1.552，前者是光轴折射率是一个常数，后者是随入射角而变的折射率，当与光轴垂直时达最大值。一些材料的折射率材料折射率双折射材料折射率 双折射SiCl41.

46、412NaAlSi3O81.5290.008LiF1.392CaAl2Si2O81.5850.008NaF1.326Al2SiO51.650.021CaF21.434Al6Si2O131.640.010Al2O31.760.008金红石2.710.287MgO1.74SiC2.680.043石英1.550.009PbO2.61MgAl2O41.72PbS3.912ZrSiO41.950.055方解石1.650.17KAlSi3O81.5250.007硅3.49物质的光性质折射指数 物质的内应内也会改变折射指数，垂直于拉应力方向的n大，平行于拉应力方向的n小。无定形的n小，高温时的n也小。原子密

47、度越少，n越小。物质的折射率还随光的波长而变，此一现象称为光的色散。波长短的折射率大材料的光性质全反射 当光从折射指数大的介质传到折射指数小的介质中时，折射角大于入射角。调整入射角可以使折射角大于90时，则光不能进入折射指数小的介质，发生全反射。此时光线被束缚在折射指数大的介质中，即材料成为光容器。利用此原理可以用于光纤通迅。材料的光性质反射系数 光照射到材料表面时，除发生透射外，还发生反射。若定n21为两种不同介质的相对折射率，即n21=n2/n1，此时材料的反射系数为m，有 m=(n21-1)2/(n21+1)2 显然，当两种介质的折射指数差异越小，反射系数越小，当n1=n2 时，m=0，

48、即几乎没有反射损失。如折射率为1.5的玻璃，其空气中反射损失为0.04，若透过两块，则损失为1-0.962=0.08，若透过x块玻璃，则其透过部分为(1-m)2x。因此若要透过多块玻璃时，为减少反射损失，可用折射率相近的胶将它们粘起来。另外，陶瓷要用于透光器件，则必须减少气孔数量。反射系数的应用 如眼镜镜片，要求透光率越高越好，要达此目的，可以采用以下方法：使用折射指数尽可能小的透明材料，以尽量减小反射损失。折射指数1.5，反射损失为0.04，折射指数2.0，反射损失为0.11。使用玻璃态物质或具有立方晶系的晶体，减少双折射损失。如1cm的陶瓷片，由10m的晶粒烧成，则有1000个晶面，对氧化

49、铝其双折射损失为0.005，对金红石(n0=2.854,ne=2.567)，其双折射损失为0.94!（计算参见反射系数）提高材料的纯度，减少散射损失。减少材料气孔率，减少反射损失。材料的光性质吸收 若材料中有能级间隔与光的能量相近，则发生光的吸收。其吸收系数差异很大，如空气为10-5cm-1，玻璃通常约10-2cm-1，而金属则通常为104-5cm-1，故金属实际上是不透明的。对于金属来说，其能带结构非常丰富，几乎对所有波长的光都能产生吸收，因此金属对所有波长的光几乎都是不透明的（晶体状态时有一定反射）。仅当金属颗粒小到纳米级时，由于库仑阻塞效应才使能级差变大。尽管金属的能带结构丰富，但能量极

50、低的雷达波（范围覆盖米、分米和厘米）有较强的反射，这是雷达测金属物体运动的原理。透光窗口 一般电介质都有一定的禁带宽度，小于该禁带宽度的能量的光不会被吸收，而原子或离子振动能级往往在红外区，故电介质往往有一个透光范围（窗口）。常见材料的透光范围材料波长(nm)材料波长(nm)材料波长(nm)熔二氧化硅16-400多晶氟化镁45-900氟化钠14-1500熔融石英18-420氧化钇26-920氟化钡13-1500铝酸钙玻璃40-550单晶氧化镁25-950硅120-1500偏铌酸锂35-550多晶氧化镁30-950氟化铅29-1500方解石20-550单晶氟化镁15-960硫化镉55-1600二