非金属材料在各行各业都有广泛的应用,通常作为不能使用传统金属材料的解决方案。

非金属材料具有一系列物理和化学特性,包括具有低导热性和导电性,使其成为良好的绝缘体,并具有很高的耐化学性和耐腐蚀性。然而,它们可能很脆,并且往往具有低熔点或沸点。当施加应力时,非金属材料通常会表现出弹性、塑性或粘性响应。

最广泛使用的非金属材料类型

要了解非金属材料的潜在特性、质量和广泛的应用,值得更多地了解它们背后的科学。  

非金属元素科学

14 种元素几乎总是包含在非金属元素列表中,有时还会添加多达 9 种以上的元素,包括气体(氢、氦、氮、氧、氟、氖、氯、氩、氪、氙和氡) 、液体(溴)和一些固体(碳、磷、硫、硒和碘)。所有这些元素都是有机化合物的基本组成部分,并在其原子和化学行为方面显示出一系列特性。

这些行为差异是原子间和分子间键合强度差异的结果,但大多数具有一些共同特性,包括:

  • 形成离子/共价键

  • 易碎且不可延展

  • 低熔点/沸点

  • 高电离能和电负性

  • 热和电的不良导体

并非所有非金属都具有所有这些共同特性,例如,碳是良好的电导体,而许多聚合物具有延展性且易于成型。

非金属包括元素周期表 S 区中的所有元素以及 P 区中约 58% 的元素。

非金属元素分类

从化学上讲,非金属可分为两种:

  1. 共价材料包含具有小尺寸、高电负性、低价空位与电子比的原子,并且在化学反应中倾向于形成负离子并在其化合物中具有负氧化态。

  2. 离子材料,包含大原子和小原子,可以通过向原子添加或提取电子来形成离子。在这些材料中,非金属或者作为单原子阴离子存在,或者作为多原子阴离子的成分存在。

非金属也可分为反应性非金属(氢 (H)、碳 (C)、氮 (N)、氧 (O)、磷 (P)、硫 (S)、硒 (Se))、卤素(氟 (F)、氯 (Cl)、溴 (B)、碘 (I)、砹 (As))和惰性气体(氦 (He)、氖 (Ne)、氩 (Ar)、氪 (Kr) , 氙 (Xe), 氡 (Rn), 元素 118 (oganesson Og))。

氢:金属还是非金属?

氢被归类为非金属,但它显示出与其他非金属不同的独特特性,因此难以分类。氢以气体的形式自然存在,与其他非金属一样形成共价键,但它也可以脱落其单电子并形成带正电的离子,如金属。这种独特的特性组合使物理学家希拉德亨廷顿和尤金维格纳在 1935 年预测,氢会在极高的温度或压力下凝结成金属液体或固体。预计这一阶段的氢会表现得像金属,并成为电和热的良好导体。人们认为液态金属氢可能存在于土星和木星等气态巨行星的核心,这可以解释这些行星的强大磁场。然而,至少目前,

非金属材料示例

非金属材料可以由有机和无机化合物制成,包括一系列不同的复合材料、聚合物、纺织品和乙烯基材料。

广泛使用的非金属材料的常见示例包括:

  • 粘合剂

  • 陶瓷

  • 软木

  • 纤维

  • 毛毡

  • 润滑剂

  • 塑料(热固性和热塑性塑料)

  • 橡皮

非金属材料的优势

非金属物质具有独特的特性,使其比金属具有一系列优势:

1.成本

非金属材料的成本往往比金属材料低得多。

2.可获得

非金属材料可以比许多金属更快地生产和获得,从而提高生产效率。

3. 优良特性

非金属的特性可以使其在某些应用中优于金属。缺乏导电性意味着非金属可以用作电绝缘体,它们的低导热性意味着它们可以用作耐热应用,例如平底锅的把手。非金属材料也比金属更耐化学品和腐蚀,使其能够在恶劣的环境中使用。

非金属材料的应用

非金属的各种优点意味着非金属材料有一系列的实际应用,包括:

  • 绝缘体:由于非金属部件不导电,因此它们是电气部件和布线的良好绝缘体

  • 石油和天然气生产:非金属的耐腐蚀和轻质特性使其易于用于石油和天然气行业的管道和衬里。

  • 燃料:几个世纪以来,碳一直被用作燃料来源,主要以煤的形式出现。

  • 汽车、飞机和船舶制造:由于重量轻,许多非金属部件,如塑料和玻璃纤维,被用于汽车、航空航天和海洋工业。

  • 胶带和粘合剂:非金属材料用于胶带和粘合剂,因为它们可以承受腐蚀和高温等极端条件。

  • 密封:由于它们能够在各种条件下保持有效,非金属可以制成良好的密封。

  • 泡沫和橡胶:泡沫和橡胶等非金属材料在各种应用中都很常见。

常见问题

两类非金属材料是什么?

从化学的角度来看,非金属材料可分为共价材料和离子材料。这些包括气体、液体和固体材料,可以是反应性材料、卤素或稀有气体。

什么是非金属物体?

非金属物体是那些不含金属元素的物体。它们通常具有低导热性或导电性,并表现出良好的耐化学性和耐腐蚀性。

有哪些非金属元素的例子?

元素周期表中的非金属元素包括氢、碳、氮、氧、磷、硫、硅、硼、碲和硒。它们还包括卤素(氟、氯、溴、碘和砹)和稀有气体(氦、氖、氩、氪、氙和氡)。

5 非金属特性是什么?

人们常说非金属具有五种共同特性,然而,并非所有非金属都具备所有这些特性。虽然大多数非金属的熔点较低,但例如盐的熔点非常高,为 801 °C。

尽管有例外,但普遍接受的非金属特性是:

1. 形成共价/离子键

非金属形成共价键或离子键以产生化合物。

共价键是两个元素共享价电子直到形成完整的壳层。共价化合物包括乙醇、葡萄糖和二氧化碳。共价键合的化合物在其中的元素之间共享电子,以实现稳定的电子构型,并且往往表现出分子几何形状的最大变化。共价化合物还具有使电子对之间的静电排斥量最小化的形状。

离子键与一种元素从另一种元素中获取电子形成阳离子和阴离子。带相反电荷的离子相互吸引,结合在一起形成离子化合物。这些化合物包括食盐、碳酸盐、硫酸盐和氯化钾。大多数离子化合物将自身排列成晶格结构,并倾向于在具有不同负电性的元素之间形成(ΔEN > 2.0)。

2.易碎

无论是由离子键还是共价键形成,大多数非金属都是易碎的,并且会在外力作用下破碎,这与具有延展性和延展性的金属不同。大多数非金属化合物在成型时会失去强度,并且不能变形超过设定点而不破裂。

共价键或离子键的性质是非金属脆性的原因,因为它们都会排列共享或捕获的电子以最小化静电排斥。在离子化合物中,正电子和负电子在晶体结构中被锁定在一起。力可以改变这种结构,从而使负电子与正电子对齐,而不是正电子与正电子对齐,而负电子与负电子对齐,从而引起使化合物断裂的排斥力。共价键也以一种特殊的方式形成,可以通过施加机械力来干扰,从而使化合物断裂。 

相比之下,金属具有离域的电子键,它们可以相互移动和滑过而不会断裂,从而赋予金属延展性和延展性。

3. 低熔点/沸点

虽然并非所有非金属化合物都具有低熔点和沸点,但它们的熔点和沸点往往比金属低,这就是为什么许多非金属在室温下呈气态的原因。  

低熔点和沸点是由于非金属中相对较弱的分子间相互作用,并且对于共价化合物比离子化合物更明显。分子间结构的强度决定了材料的相行为,与大多数非金属相比,金属表现出强烈的分子间吸引力。共价化合物具有最弱的分子间吸引力,因为它们是电中性的。离子化合物比共价化合物强,但随着它们被加热,离子化合物中粒子的动能增加。这种动能最终克服了静电引力,导致晶格结构破裂。

4. 高电离能/电负性

非金属原子往往具有高水平的电离能,这意味着很难从中去除电子。这种高电离能是由于与它们的电子壳的饱满程度相比,它们的原子核尺寸较大。这些大的、带正电的原子核强烈地吸引它们的电子,使它们难以去除。这种吸引力甚至可以从相邻原子中去除电子,并解释了为什么非金属比金属更倾向于负电。当您在元素周期表上向左移动时,这些高电离能和电负性会增加。

5.热和电的不良导体

非金属往往是热和电的不良导体,尽管这条规则有一些例外。金属可以吸收大量动热能而不会破坏它们的键,同时它们也有许多电子可以穿过的开放轨道,这也使它们成为良好的电导体。相比之下,非金属具有在动能下断裂的结构和在引入电压时会阻挡电子的完整轨道。

结论

非金属在室温下通常为气态或液态,可分为反应性非金属、卤素和稀有气体。它们形成共价键或离子键,易碎,熔点/沸点低,电离能高,电负性高,并且是不良的导电体。

非金属材料广泛用于各行各业,用途广泛,从用于航空航天的复合材料到用于输送流体和液体的聚合物管道。橡胶、乙烯基和陶瓷都是常用的非金属材料,还有粘合剂和密封剂。

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