非金屬性材料

非金屬性材料指具有非金屬性質(zhì)(導(dǎo)電性導(dǎo)熱性差)的材料。自19世紀(jì)以來，隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是無機(jī)化學(xué)和有機(jī)化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，人類以天然的礦物、植物、石油等為原料，制造和合成了許多新型非金屬性材料，如水泥、人造石墨、特種陶瓷、合成橡膠、合成樹脂(塑料)、合成纖維等。

非金屬性材料可分為無機(jī)材料和有機(jī)材料兩大類。在機(jī)械工程中較常使用的有許多品種。①屬于無機(jī)材料的有耐火材料、陶瓷、磨料、碳和石墨材料、石棉等;②屬于有機(jī)材料的有木材、皮革、膠粘劑和高分子合成材料──合成橡膠、合成樹脂、合成纖維等;③以非金屬纖維增強(qiáng)樹脂基所構(gòu)成的復(fù)合材料。2100433B

非金屬性決定因素

兩元素非金屬性強(qiáng)弱實(shí)際上只由兩元素形成二元化合物時(shí)二者的化合價(jià)決定。

非金屬性其他常見非金屬性的比較規(guī)律

（注意，這些規(guī)則有些比較片面，實(shí)際上存在反例，并非可靠判據(jù)；）：

1、由元素原子的氧化性判斷：一般情況下，氧化性越強(qiáng)，對應(yīng)非金屬性越強(qiáng)。（反例：氮原子氧化性弱于氯原子）

2、由單質(zhì)和水生成酸的反應(yīng)程度判斷：反應(yīng)越劇烈，非金屬性越強(qiáng)。

3、由對應(yīng)氫化物的熱穩(wěn)定性判斷：氫化物熱穩(wěn)定性越高，非金屬性越強(qiáng)。（反例：甲烷比氨分解溫度高）

4、由和氫氣化合的難易程度判斷：化合越容易，非金屬性越強(qiáng)。（反例：氯比氮更易與氫反應(yīng)）

5、由最高價(jià)氧化物對應(yīng)水化物的酸性來判斷：酸性越強(qiáng)，非金屬性越強(qiáng)。（反例：硝酸的酸性弱于硫酸和高氯酸，硒酸的酸性強(qiáng)于硫酸，部分金屬含氧酸（如高錳酸）酸性很強(qiáng)，但它是金屬，比非金屬的非金屬性弱）

值得注意的是：氟元素沒有正價(jià)態(tài)，氧不能與氧反應(yīng)產(chǎn)生價(jià)態(tài)，硝酸則因分子內(nèi)氫鍵導(dǎo)致酸性較弱，所以最高價(jià)氧化物對應(yīng)水化物的酸性最強(qiáng)的是高氯酸，而不是非金屬性高于氯的氮氧氟。

6、由對應(yīng)陰離子的還原性判斷：還原性越強(qiáng)，對應(yīng)非金屬性越弱。（反例：硫離子還原性強(qiáng)于砹離子，氫氧根還原性強(qiáng)于氯離子）

7、由置換反應(yīng)判斷：強(qiáng)置弱。（反例：氯氣可以從水中置換出氧氣（本反應(yīng)熱力學(xué)可行，動(dòng)力學(xué)上則因?yàn)橹虚g產(chǎn)物次氯酸分解較慢導(dǎo)致反應(yīng)速率較慢，光照則可以加速該反應(yīng)），從氨氣中置換出氮?dú)?，但氯的非金屬性弱于氧氮）此外，若依?jù)置換反應(yīng)來說明元素的非金屬性強(qiáng)弱，則非金屬單質(zhì)應(yīng)做氧化劑，非金屬單質(zhì)做還原劑的置換反應(yīng)不能作為比較非金屬性強(qiáng)弱的依據(jù)。

8、按元素周期律，同周期元素由左到右，隨核電荷數(shù)的增加，非金屬性增強(qiáng)；同主族元素由上到下，隨電子層數(shù)的增加，非金屬性減弱。對角線斜率：2→3周期約為-0.5，其余約為-22100433B

對于主族元素來說，同周期元素隨著原子序數(shù)的遞增，原子核電荷數(shù)逐漸增大，而電子層數(shù)卻沒有變化，因此原子核對核外電子的引力逐漸增強(qiáng)，隨原子半徑逐漸減小，原子失電子能力減弱，原子得電子能力增加，元素非金屬性逐漸增大。例如：對于第三周期元素的非金屬性Na原子序數(shù)的遞增，電子層逐漸增大，原子半徑明顯增大，原子核對最外層電子的吸引力逐漸減小，元素的原子失電子能力逐漸增強(qiáng)，得電子能力逐漸減弱，所以元素的非金屬性逐漸減弱。例如：第一主族元素的非金屬性H＞Li＞Na＞K＞Rb＞Cs

硼烯因其優(yōu)越的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)屬性，被科學(xué)界寄予厚望，或?qū)⒊蔀槔^石墨烯之后又一種“神奇納米材料”。

硼烯具有非常豐富的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，理論預(yù)測可以存在的硼單層膜結(jié)構(gòu)有很多，只發(fā)現(xiàn)其中的兩種。通過制備出更多種類的硼烯，有希望從中發(fā)現(xiàn)一些具有奇異電子性質(zhì)的結(jié)構(gòu)，例如理論預(yù)測中具有狄拉克錐的能帶結(jié)構(gòu)或者具有超導(dǎo)特性的硼烯等。體相的硼單質(zhì)是非金屬性的，而理論計(jì)算中單原子層的硼烯薄膜卻都是金屬性的。日本東京大學(xué)馮寶杰等人利用角分辨光電子能譜研究了這種硼烯薄膜，觀察到了費(fèi)米面處的電子pocket和空穴pocket結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步驗(yàn)證了其金屬特性。

硼烯材料具有優(yōu)越的各向異性的電導(dǎo)性質(zhì)和罕見的“負(fù)泊松比”現(xiàn)象。所謂“各向異性電導(dǎo)”是指由于硼烯的原子排列結(jié)構(gòu)使得其表面呈現(xiàn)出“褶皺”，而這樣的結(jié)構(gòu)決定了硼烯導(dǎo)電屬性具有方向性。而水平拉伸導(dǎo)致垂直方向膨脹的“負(fù)泊松比”現(xiàn)象也令硼烯的應(yīng)用更加多樣化。

硼烯還有可能成為超導(dǎo)體。美國Rice大學(xué)Boris Yakobson等人通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在金屬襯底上制備出的幾種穩(wěn)定的單層硼烯結(jié)構(gòu)有可能具有以聲子為媒介的超導(dǎo)特性，其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度預(yù)計(jì)在10-20 K之間。清華大學(xué)倪軍教授研究組也通過計(jì)算預(yù)言了帶翹曲結(jié)構(gòu)的雙層硼烯薄膜有超導(dǎo)的可能性，其中8-C2/m-II結(jié)構(gòu)的硼烯的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到27.6K。2017年，日本東京大學(xué)Matsuda研究組用高分辨電子能量損失譜(ARPES)測量，意外發(fā)現(xiàn)β₁₂相硼烯中存在有Dirac 費(fèi)米子。研究結(jié)果表明，β₁₂相硼烯中有一些硼原子對費(fèi)米面附近電子態(tài)貢獻(xiàn)很小，而有貢獻(xiàn)的原子晶格類似于蜂窩狀結(jié)構(gòu)，因此可以存在Dirac電子態(tài)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)意味著硼烯中可能存在更有意思的量子效應(yīng)和令人期待的應(yīng)用前景。