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对物质导电现象的质疑

高中阶段对物质导电的要求是要有自由移动的电子或离子,金属导体是靠自由电子导电,电解质是靠自由离子导电。对物质导电现象的理解主要从这两方面入手。但学生常有各种疑问,展示如下,以供分析。

疑问1.为什么石墨可导电,而石墨型BN称“白石墨”不导电?为什么白石墨不像石墨一样存在自由电子?

理解:石墨导电是由于存在自由电子。石墨存在自由电子的原因是:石墨结构中的每个C原子通过sp2杂化轨道与邻近的三个C原子以共价键相结合,形成无限的六边形平面网状结构,是层状结构。每个C原子还有1个未杂化的2p轨道,并有1个未成对电子能够形成遍及整个平面的大π键。石墨导电就是由于π电子在层内可以自由移动的缘故。

白石墨不导电是由于不存在自由电子。白石墨不存在自由电子的原因是:(BN)n的结构中的B、N原子均为sp2杂化,形成无限的六边形平面网状结构,每个B各有1个空轨道,每个N各有1个p轨道和1对p电子,二者形成π键(配位键),N原子的电负性大于B原子,π电子被定位在N原子周围,不能自由移动,故白石墨不导电,是一种理想的绝缘体。

疑问2.在石墨晶体的层与层之间嵌入金属K原子,能形成石墨夹层离子化合物(KC8)。为什么固态时KC8也能导电?

理解:固态离子化合物中含有离子,但受离子键的束缚,不能自由移动,故固态离子化合物不能导电。离子化合物导电需溶于水或熔化的条件,溶于水或熔化状态下,离子晶体中的离子键被破坏形成自由移动的阴阳离子,从而使离子化合物可导电。而固态离子化合物KC8能导电,只能说明KC8中含有另外的导电粒子:自由电子,所以,KC8能导电是由于存在自由电子。此问题易受“离子化合物”迷惑,误认为KC8的导电粒子是K、C8等。

疑问3.塑料是一种广泛应用的绝缘材料。为什么石墨烯塑料却能导电?

理解:一般来说,塑料不导电。石墨烯塑料是石墨烯与塑料的复合材料,石墨烯是层状结构,类似石墨结构,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个P轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,所以会导电。

疑问4.工业上电冶铝的原料采用氧化铝而不用氯化铝,说明熔融氧化铝可导电而熔融氯化铝不导电,为什么?

理解:因为氧化铝是离子晶体,离子化合物熔融状态下可电离成自由移动的铝离子与氧离子,故熔融氧化铝可导电。而氯化铝是分子晶体,常形成双聚分子Al2Cl6,共价化合物熔融时仍已分子形式存在,没有自由移动的离子,故熔融氯化铝不导电。氯化铝溶液中有自由移动的铝离子与氯离子,电解时,由于氢离子比铝离子容易放电,不能产生铝单质,所以,工业上电冶铝也不采用氯化铝溶液。

疑问5.水是一种微弱电解质,可自发电离出H3O和OH,水有微弱的导电性。许多液态极性共价化合物如液氨、无水氟化氢、纯硫酸、纯磷酸、纯高氯酸等都可发生自偶电离,这些物质能导电吗?为什么?

理解:导电的时候通常需要足够的电压使离子等带电荷的粒子定向移动,不然电阻太大的物质很难观察到导电性。纯水的电离度极小,导电性很微弱,一般的导电装置无法测其导电,只有灵敏电流计才能测其导电性。实验表明,液态时,纯硫酸的导电性强于纯水。纯硫酸自偶电离可产生H3SO4与HSO4离子,故纯硫酸能导电。实际上,在足够高的电压下很多物质都会导电。

疑问6.电化学中常有氧化物固体电解质的电池,如何导电?电解时,常有离子液体做溶剂的体系,如何导电?

理解:氧化物固体电解质导电原理是离子迁移,在其内部有缺陷或某种构型,能形成离子迁移的快速通道,在外加电压下形成导电。离子液体里没有电中性的分子,含有100%的阴阳离子,有很强的导电性,可作为电解时的电解液。

体会与感悟:导电的关键就是看能否实现导电粒子的定向移动,能定向移动就能导电。导电和不导电是相对的概念,通常认为容易导电的物体叫导体,不容易导电的物体叫绝缘体。实际上并非如此,在足够高的电压下,很多绝缘体就不绝缘了。这样,为什么有的塑料能导电?为什么固体电解质能导电?是不是能电离的物质都可以导电?自偶电离的物质是否能导电?分子晶体固体时一定不能导电吗?分子晶体熔融状态也一定不能导电吗?原子晶体固体时也一定不能导电?等一系列问题皆可迎刃而解。

(责任编辑:化学自习室)
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