第二章化學(xué)與材料

1、第二章材料材料化學(xué)化學(xué)組成組成化學(xué)化學(xué)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)制備、應(yīng)用制備、應(yīng)用和發(fā)展趨勢和發(fā)展趨勢化學(xué)化學(xué)性能性能鉆鉆石石鉆頭鉆頭人造金剛石刀具人造金剛石刀具鋸片鋸片2.1 2.1 化學(xué)的基石化學(xué)的基石- - 原子和分子原子和分子原子直徑原子直徑: 10-10m ; 砂粒砂粒: 10-4m化學(xué)變化化學(xué)變化-原子結(jié)合方式的變化原子結(jié)合方式的變化有必要探討有必要探討原子的組成及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原子的組成及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.1.1 人類對原子的認(rèn)識人類對原子的認(rèn)識 對微觀世界的認(rèn)識對微觀世界的認(rèn)識 如電子顯微鏡直接觀察如電子顯微鏡直接觀察如如:afm (atomic force microscope)水平方向水平方向0.

2、1 nm，垂直方向，垂直方向0.01 nm, 即可以分辨出即可以分辨出單個原子。單個原子。fe on cu(111)don eigler, 1990 xe on ni基板 ibmxe on ni19世紀(jì)初世紀(jì)初, 道爾頓道爾頓“原子學(xué)說原子學(xué)說” : 物質(zhì)由物質(zhì)由原子組成原子組成,原子不能創(chuàng)造原子不能創(chuàng)造,也不能毀滅也不能毀滅,在化學(xué)在化學(xué)變化中不可再分割。變化中不可再分割。1897年英國物理學(xué)家年英國物理學(xué)家j.j.湯姆生通過陰湯姆生通過陰極射線發(fā)現(xiàn)極射線發(fā)現(xiàn)電子電子(比原子更小的單位比原子更小的單位) -提出提出“浸入模型浸入模型”原子模型原子模型 rutherford原子核原子核 電電

3、子子 質(zhì)質(zhì) 子子 中中 子子原子原子經(jīng)典原經(jīng)典原子模型子模型盧瑟福盧瑟福核式結(jié)構(gòu)核式結(jié)構(gòu)原子模型原子模型 （1911）1. 與經(jīng)典的電磁輻射理論相矛盾與經(jīng)典的電磁輻射理論相矛盾2. 與實際觀察到的與實際觀察到的原子光譜原子光譜相矛盾相矛盾例如：氫原子光譜例如：氫原子光譜特征：不連續(xù)的、線狀的；有規(guī)律性特征：不連續(xù)的、線狀的；有規(guī)律性. 丹麥物理學(xué)家玻爾丹麥物理學(xué)家玻爾: : 必須在原子范圍必須在原子范圍內(nèi)拋棄經(jīng)典的理論內(nèi)拋棄經(jīng)典的理論, , 建立新的原子理建立新的原子理論。論。 只有只有量子假說量子假說才是擺脫困境的唯一出才是擺脫困境的唯一出路路 1913年，年，28歲的玻爾在其老師盧瑟歲的玻

4、爾在其老師盧瑟福原子有核模型和普朗克舊量子論的福原子有核模型和普朗克舊量子論的基礎(chǔ)上沖破了經(jīng)典力學(xué)的束縛，大膽基礎(chǔ)上沖破了經(jīng)典力學(xué)的束縛，大膽地提出了自己的假說，成功的解釋了地提出了自己的假說，成功的解釋了氫原子光譜的成因和譜線的規(guī)律，從氫原子光譜的成因和譜線的規(guī)律，從而使他的假說上升為理論。而使他的假說上升為理論。 玻爾綜合了玻爾綜合了: : 普朗克的量子理論普朗克的量子理論 愛因斯坦的光子理論愛因斯坦的光子理論 盧瑟福的有核原子模型盧瑟福的有核原子模型 建立了建立了玻爾原子模型玻爾原子模型吸收能量吸收能量躍遷。躍遷。放出能量，放出能量，回到基態(tài)?；氐交鶓B(tài)。電子在這些定態(tài)軌道電子在這些定態(tài)軌

5、道上運動時，既不吸收上運動時，既不吸收能量又不放出能量。能量又不放出能量。最高能最高能量軌道量軌道玻爾理論的形象化圖示玻爾理論的形象化圖示: :玻爾理論的局限玻爾理論的局限 ： 玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜玻爾理論成功地解釋了氫原子光譜! 不能解釋氫原子光譜在磁場中的分裂不能解釋氫原子光譜在磁場中的分裂. . 不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)不能解釋氫原子光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu) 不能解釋多電子原子的光譜不能解釋多電子原子的光譜. .機(jī)械地應(yīng)用了普朗克量子理論和“確定軌道”等概念.原因：原子中電子等微觀粒子的運動遵循什么規(guī)律？原子中電子等微觀粒子的運動遵循什么規(guī)律？描述微觀物體運動規(guī)律的需求呼喚物理學(xué)新概

6、念的誕生描述微觀物體運動規(guī)律的需求呼喚物理學(xué)新概念的誕生！問題問題？1924年，法國的年，法國的de broglie提出提出假設(shè)假設(shè)：電子具有波粒二象性電子具有波粒二象性. mvh這就是著名的這就是著名的 德布羅依德布羅依關(guān)系式關(guān)系式. .證明證明 原子中電子是否也具有波動性？原子中電子是否也具有波動性？干涉干涉衍射現(xiàn)象和光電效應(yīng)證明光具有衍射現(xiàn)象和光電效應(yīng)證明光具有波粒二象性波粒二象性2.1.2 2.1.2 微觀粒子的波粒二象性微觀粒子的波粒二象性1927年，年，davisson和和germer應(yīng)用應(yīng)用ni晶體進(jìn)行晶體進(jìn)行電子衍射電子衍射實驗，證實電子具有波動性。實驗，證實電子具有波動性。薄

7、晶體片薄晶體片電子槍電子槍電子束電子束2.1.3 2.1.3 核外電子的運動狀態(tài)核外電子的運動狀態(tài)1 1）海森堡的測不準(zhǔn)關(guān)系）海森堡的測不準(zhǔn)關(guān)系 ：1927年，德國物理學(xué)家年，德國物理學(xué)家heisenberg提出提出量子力學(xué)中重要的量子力學(xué)中重要的測不準(zhǔn)關(guān)系測不準(zhǔn)關(guān)系式，式，認(rèn)為具有波粒二象性的核外電認(rèn)為具有波粒二象性的核外電子等微粒與宏觀物體不同，不具有子等微粒與宏觀物體不同，不具有確定軌道確定軌道（速度和空間位置）。（速度和空間位置）。原子軌道與波函數(shù)原子軌道與波函數(shù)mhx2例例1: 對于 m = 10 克的子彈，它的速度為200 m/s，誤差為0.01%，其位置測不準(zhǔn)情況為：233410

8、01. 0200101014. 3210 6.63m31102 . 5 對宏觀物體可同時測定位置與速度vmhx2速度不準(zhǔn)確程度過大例例2: 對于微觀粒子如電子, m = 9.11 10-31 kg, 半徑小于r = 10-12 m，則 x至少要達(dá)到10-12 m才相對準(zhǔn)確。則其速度200m/s，誤差為0.01%，其位置的測不準(zhǔn)情況為：m323134109 . 51001. 02001011. 914. 3210 6.63若若m非常小，則其位置與速度是不能同非常小，則其位置與速度是不能同時準(zhǔn)確測定的時準(zhǔn)確測定的vmhx2 海森堡的測不準(zhǔn)關(guān)系否定了玻爾提出海森堡的測不準(zhǔn)關(guān)系否定了玻爾提出的原子結(jié)構(gòu)

9、模型的原子結(jié)構(gòu)模型 在微觀領(lǐng)域里在微觀領(lǐng)域里, 具有波動性的粒子要用具有波動性的粒子要用波函數(shù)波函數(shù) 來描述來描述erwin schrodinger , 奧地利物理學(xué)家奧地利物理學(xué)家） 波函數(shù)波函數(shù)電子等微粒運動用電子等微粒運動用schrodinger方程來描述該方程的解方程來描述該方程的解波函數(shù)波函數(shù) ，即描述微粒（電子）即描述微粒（電子）在空間運動狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)在空間運動狀態(tài)的數(shù)學(xué)函數(shù)式式 薛定諤方程薛定諤方程 vehmzyx222222228波函數(shù)： ：能量e：勢能v：質(zhì)量m常數(shù)：planckh 波函數(shù)波函數(shù) （空間坐標(biāo)（空間坐標(biāo)x ,y , z 的函數(shù)）：的函數(shù)）： 描述核外電子運動狀

10、態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述核外電子運動狀態(tài)的數(shù)學(xué)表達(dá)式原子軌道：原子軌道： 波函數(shù)的空間圖像。波函數(shù)的空間圖像。 原子軌道的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是波函數(shù)原子軌道的數(shù)學(xué)表達(dá)式就是波函數(shù)）電子云電子云 | |2 : 電子在核外空間某處單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的電子在核外空間某處單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的幾率幾率幾率密度幾率密度 幾率幾率: 電子在空間出現(xiàn)的機(jī)會。電子在空間出現(xiàn)的機(jī)會。電子云的概念電子云的概念例如對氫原子核外電子例如對氫原子核外電子(1e)運動的觀察：運動的觀察：電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度圖象：電子在核外空間出現(xiàn)的幾率密度圖象：這些濃淡不同的點象一團(tuán)帶負(fù)電的云霧一樣這些濃淡不同的點象一團(tuán)帶負(fù)電的云霧一樣籠罩在

11、原子核周圍籠罩在原子核周圍，人們形象地稱之為，人們形象地稱之為電子云電子云。電子云圖是幾率密度電子云圖是幾率密度 | | 2 的形象化的形象化圖示圖示s 軌道軌道球形球形p 軌道軌道啞鈴形啞鈴形d軌軌道道有有兩兩種種形形狀狀f軌道電子云形狀復(fù)雜（軌道電子云形狀復(fù)雜（不作要求不作要求）不同種類的電子云形狀：不同種類的電子云形狀：能能級級組組(7s, 5f, 6d, 7p )(6 s , 4 f , 5 d ,6 p )(5 s ,4 d ,5 p)(4 s , 3 d , 4 p ) (3 s , 3 p ) (2 s , 2 p )(1 s) 電電子子的的填填充充次次序序！1s2s2p4s3s

12、5s6s6p5p4p3p3d5d4d4f1s2s2p4s3s5s6s6p5p4p3p3d5d4d4f1s2s2p4s3s5s6s6p5p4p3p3d5d4d4f能能量量低低能能量量高高元素周期表元素周期表2.1.4 元素周期律元素周期律原子半徑原子半徑 (pm) 比例圖比例圖h37heli be152 111 b c n o f ne 80 77 70 66 64na mg186 160 al si p s cl ar 143 117 110 104 99k ca227 197 ga ge as se br kr 122 123 121 117 114 sc ti v cr mn fe co

13、ni cu zn 161 145 131 125 137 124 125 125 128 123 rb sr y zr nb mo tc ru rh pd ag cd in sn sb te i xe 248 216 181 160 143 136 136 133 135 138 145 149 163 141 141 143 133 cs ba la hf ta w re os ir pt au hg tl pb bi po at rn 265 217 188 156 143 137 134 134 136 138 144 160 170 175 155 187總趨勢：隨著原子序數(shù)的增大總趨

14、勢：隨著原子序數(shù)的增大, ,原子半徑自左至右減小原子半徑自左至右減小. .同周期原子半徑的變化趨勢同周期原子半徑的變化趨勢h2.20heli be0.98 1.57b c n o f ne2.04 2.55 3.04 3.44 3.98na mg0.93 1.31al si p s cl ar1.61 1.90 2.19 2.58 3.16k ca0.82 1.00ga ge as se br kr1.81 2.01 2.18 2.55 2.96sc ti v cr mn fe co ni cu zn1.36 1.54 1.63 1.66 1.55 1.83 1.88 1.91 1.90 1.

15、65rb sr y zr nb mo tc ru rh pd ag cd in sn sb te i xe0.82 0.95 1.22 1.33 1.6 2.16 2.10 2.2 2.28 2.20 1.93 1.69 1.78 1.96 2.05 2.1 2.66 2.60cs ba la hf ta w re os ir pt au hg tl pb bi po at rn0.79 0.89 1.10 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.2 2.2 2.4 1.9 1.8 1.8 1.9 2.0 2.2fr ra ac0.7 0.9 1.1h2.20heli be0.98 1.5

16、7b c n o f ne2.04 2.55 3.04 3.44 3.98na mg0.93 1.31al si p s cl ar1.61 1.90 2.19 2.58 3.16k ca0.82 1.00ga ge as se br kr1.81 2.01 2.18 2.55 2.96sc ti v cr mn fe co ni cu zn1.36 1.54 1.63 1.66 1.55 1.83 1.88 1.91 1.90 1.65rb sr y zr nb mo tc ru rh pd ag cd in sn sb te i xe0.82 0.95 1.22 1.33 1.6 2.16

17、 2.10 2.2 2.28 2.20 1.93 1.69 1.78 1.96 2.05 2.1 2.66 2.60cs ba la hf ta w re os ir pt au hg tl pb bi po at rn0.79 0.89 1.10 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.2 2.2 2.4 1.9 1.8 1.8 1.9 2.0 2.2fr ra ac0.7 0.9 1.1元素電負(fù)性比例圖元素電負(fù)性比例圖(pauling scale)2.1.5 2.1.5 化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵和分子結(jié)構(gòu)上一章節(jié)討論了原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上一章節(jié)討論了原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)然而，然而，化學(xué)更關(guān)心的

18、是化學(xué)更關(guān)心的是分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)當(dāng)原子相互結(jié)合形成分子后，性質(zhì)將大不相同，如當(dāng)原子相互結(jié)合形成分子后，性質(zhì)將大不相同，如naclccl4hclcl2 分子類型：分子類型： 離子型離子型 共價共價 化學(xué)鍵型：化學(xué)鍵型： 離子鍵離子鍵 共價鍵共價鍵不不不不不導(dǎo)不不不ggls常溫 狀態(tài)-101.5-114.2-22.9808熔 點cl2hclccl4nacl性質(zhì)不不不不不導(dǎo)不不不不導(dǎo)s 熔融水溶液導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)電電性性ggls常溫 狀態(tài)-101.5-114.2-22.9808熔 點cl2hclccl4nacl性質(zhì)1852年年 弗蘭克蘭弗蘭克蘭frankland提出提出原子價原子價的概念；的概

19、念；1861年布特列洛夫提出了年布特列洛夫提出了分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)的概念；的概念；1874年范霍夫和勒貝爾分別提出年范霍夫和勒貝爾分別提出c原子的四個價原子的四個價鍵指向正四面體的四個頂點的假設(shè)，發(fā)展了鍵指向正四面體的四個頂點的假設(shè)，發(fā)展了結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)理論理論，并導(dǎo)致了，并導(dǎo)致了1893年維爾納年維爾納配位理論配位理論的建立；的建立；1916年柯塞爾提出了年柯塞爾提出了電價鍵（離子鍵）理論電價鍵（離子鍵）理論。一一 離子鍵離子鍵2 na + cl2 = 2nacl燃燒燃燒形成的形成的na+ 和和cl- 通過靜電引力組成通過靜電引力組成nacl。這種在原子間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移后這種在原子間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移后,

20、形成陰、陽離形成陰、陽離子子,并通過靜電引力形成的化學(xué)鍵并通過靜電引力形成的化學(xué)鍵, 叫叫離子鍵離子鍵。由離子鍵形成的化合物叫做由離子鍵形成的化合物叫做離子化合物離子化合物。離子鍵離子鍵是靠靜電引力而形成的化學(xué)鍵，是靠靜電引力而形成的化學(xué)鍵，電負(fù)性相差大的元素之間才能形成離子鍵電負(fù)性相差大的元素之間才能形成離子鍵特征：特征： 1.1.無方向性無方向性 2.2.無飽和性無飽和性 本質(zhì)是本質(zhì)是靜電引力靜電引力（庫侖引力）（庫侖引力）2rqqf（庫侖引力的性質(zhì)所決定）（庫侖引力的性質(zhì)所決定）naclu 兩個相同的原子或兩個相同的原子或電負(fù)性相差不大電負(fù)性相差不大的原子的原子-不能不能形成形成離子型化

21、合物離子型化合物，只能形成，只能形成共價型化合物共價型化合物， 兩兩個原子各提供一個電子作為共用個原子各提供一個電子作為共用, ,共用電子對共用電子對通過通過與核的引力將兩個原子連接在一起形成分子。與核的引力將兩個原子連接在一起形成分子。u 這種靠這種靠共用電子對共用電子對而形成的化學(xué)鍵而形成的化學(xué)鍵, ,叫做叫做共價鍵共價鍵。二二 共價鍵共價鍵共享電子對共享電子對共價鍵共價鍵single covalent bonddouble covalent bondtriple covalent bond1對對2對對3對對共價鍵的特征共價鍵的特征 具有具有飽和性飽和性 一個原子的單電子和另一原子的自旋相

22、反的電一個原子的單電子和另一原子的自旋相反的電子配對后就不能再和第三個電子結(jié)合。子配對后就不能再和第三個電子結(jié)合。 結(jié)合力的本質(zhì)是結(jié)合力的本質(zhì)是電性電性的的 兩個原子核對共用電子對的負(fù)電區(qū)的吸引。兩個原子核對共用電子對的負(fù)電區(qū)的吸引。 具有具有方向性方向性 是因為每種元素的原子能提供用于形成共價鍵是因為每種元素的原子能提供用于形成共價鍵的軌道是具有一定的方向，從合適的方向才能達(dá)到的軌道是具有一定的方向，從合適的方向才能達(dá)到最大最有效的重疊。最大最有效的重疊。例如：例如：h o hn n價鍵理論價鍵理論分子軌道理論分子軌道理論。共共價價鍵鍵理理論論1. 價鍵理論價鍵理論兩個具有自旋方向相反的電子

23、的兩個具有自旋方向相反的電子的氫原子接近時體系能量的變化。氫原子接近時體系能量的變化。 兩原子間通過共用電子對相連形成分子，兩原子間通過共用電子對相連形成分子，是基于電子定域于兩原子之間，形成了一個是基于電子定域于兩原子之間，形成了一個密度相對大的電子云（負(fù)電性），這是價鍵密度相對大的電子云（負(fù)電性），這是價鍵理論的基礎(chǔ)理論的基礎(chǔ). . h2分子的形成分子的形成成鍵的條件成鍵的條件: : 具有未成對的、自旋方向相反的具有未成對的、自旋方向相反的電子。電子。最大重疊原理：最大重疊原理： 共價鍵盡可能沿著原子軌道最共價鍵盡可能沿著原子軌道最大重疊的方向形成。大重疊的方向形成。分子軌道理論的要點：分

24、子軌道理論的要點： 原子在形成分子時，所有電子都有貢獻(xiàn)原子在形成分子時，所有電子都有貢獻(xiàn)，分子中的電子不再從屬于某個原子，而，分子中的電子不再從屬于某個原子，而是在整個分子空間范圍內(nèi)運動。是在整個分子空間范圍內(nèi)運動。2. 2. 分子軌道理論分子軌道理論2.1.6 2.1.6 分子間的相互作用分子間的相互作用一一 分子的極性和偶極矩（分子的極性和偶極矩（）極性極性: : 正、負(fù)電荷中心不重合正、負(fù)電荷中心不重合非極性：正、負(fù)電荷中心重合非極性：正、負(fù)電荷中心重合 =q d （ ：偶極距）：偶極距） q： 電荷中心的電量電荷中心的電量 （一個電子電荷（一個電子電荷 q = 1.60110-19 c

25、 ) d： 正、負(fù)電荷中心之間的距離，偶極長正、負(fù)電荷中心之間的距離，偶極長極性分子，極性分子， 0; 非極性分子，非極性分子， = 01） h2 ， n2 ，o2 ， =0 ； hcl， hi ， 0 2）ch4 ，cs2 ，co2 = 0； h2o ，nh3 0二二 分子間的相互作用分子間的相互作用1 . 分子的極化分子的極化 當(dāng)分子受到外界影響時當(dāng)分子受到外界影響時,則其電荷則其電荷分布可能發(fā)生某些變化。分布可能發(fā)生某些變化。- +- = 0：誘導(dǎo)偶極誘導(dǎo)偶極0 固有偶極固有偶極固有偶極固有偶極+誘導(dǎo)偶極誘導(dǎo)偶極+ -+ - 2 . 2 . 分子間作用力：分子間作用力： 包括三部分（色散

26、力、誘導(dǎo)力、取向力）包括三部分（色散力、誘導(dǎo)力、取向力）1 1）色散力：色散力： 瞬時偶極之間產(chǎn)生的相互作用瞬時偶極之間產(chǎn)生的相互作用- +- +瞬時偶極瞬時偶極非極性非極性非極性非極性非極性非極性極性極性極性極性極性極性都存在都存在2 2） 誘導(dǎo)力誘導(dǎo)力：誘導(dǎo)偶極同永久偶極間的作用：誘導(dǎo)偶極同永久偶極間的作用 + -+ -+ -誘導(dǎo)偶極誘導(dǎo)偶極永久偶極永久偶極非極性非極性極性極性極性極性極性極性存存在在3) 3) 取向力取向力：靠永久偶極而產(chǎn)生的相互作用力，：靠永久偶極而產(chǎn)生的相互作用力，發(fā)生在極性分子間。發(fā)生在極性分子間。+-+-+ -+ -永久偶極永久偶極永久偶極永久偶極極性極性極性極性

27、非極性非極性非極性非極性非極性非極性極性極性極性極性極性極性取取向向力力誘誘導(dǎo)導(dǎo)力力色色散散力力極性分子，極性越大，極性分子，極性越大，誘導(dǎo)力和取向力越大。誘導(dǎo)力和取向力越大。非極性分子，變形越非極性分子，變形越大，誘導(dǎo)力和色散力大，誘導(dǎo)力和色散力越大。越大。分子間力的特點分子間力的特點 半徑很小半徑很小, ,又帶正電荷的氫原子與另一又帶正電荷的氫原子與另一個分子中含有孤對電子并帶部分負(fù)電荷的個分子中含有孤對電子并帶部分負(fù)電荷的原子，半徑小且電負(fù)性很強(qiáng)的原子充分靠原子，半徑小且電負(fù)性很強(qiáng)的原子充分靠近近, ,從而產(chǎn)生的靜電引力稱為從而產(chǎn)生的靜電引力稱為氫鍵氫鍵。三三 氫鍵氫鍵表示方法：表示方法

28、：x h y （x，y 如：如：f，o，n）氫原子氫原子電負(fù)性強(qiáng)；電負(fù)性強(qiáng)； 有孤對電子有孤對電子hho ho h:99 pm177 pmfhfh:為什么雪花有固定的為什么雪花有固定的 美麗的美麗的六角形六角形:正因為正因為有方向性和飽和性有方向性和飽和性氫鍵的飽和性和方向性氫鍵的飽和性和方向性ohhohhhohhohhohhoh周期周期沸沸點點h2ohfh2shclph3nh3hbrhih2se為什么下列同一主族氫化物的沸點隨周為什么下列同一主族氫化物的沸點隨周期的增加呈先降低后逐漸升高的趨勢？期的增加呈先降低后逐漸升高的趨勢？由于氫鍵存在，使分子熔沸點升高由于氫鍵存在，使分子熔沸點升高n材

29、料與化學(xué)的關(guān)系概述：概述：材料與社會發(fā)展史材料與社會發(fā)展史石器石器時代時代 青銅器青銅器時代時代 鐵器鐵器時代時代 鋼鐵鋼鐵時代時代 高分子高分子時代時代 塑料塑料 合成纖維合成纖維 合成橡膠合成橡膠 功能高分子功能高分子材料是人類賴以生存和發(fā)展的物材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的跨越式發(fā)展是人質(zhì)基礎(chǔ)，材料的跨越式發(fā)展是人類進(jìn)步的重要里程碑。類進(jìn)步的重要里程碑。n人類社會可以根據(jù)重人類社會可以根據(jù)重要的材料進(jìn)行劃分要的材料進(jìn)行劃分! !青青 銅銅 器器 時時 代代自來水管：鍍錫管自來水管：鍍錫管水槽、水龍頭：不銹鋼水槽、水龍頭：不銹鋼灶臺、櫥窗：玻璃灶臺、櫥窗：玻璃墻壁：瓷磚墻壁：瓷

30、磚抽油煙機(jī)外殼：塑料抽油煙機(jī)外殼：塑料櫥門外層：涂料、漆櫥門外層：涂料、漆廚房桌臺面：人造大理石廚房桌臺面：人造大理石金屬金屬材料材料無機(jī)非金無機(jī)非金屬材料屬材料合成高分合成高分子材料子材料分類實例分類實例復(fù)合復(fù)合材料材料中國科學(xué)院固體物理所韓福生中國科學(xué)院固體物理所韓福生 合金合金：一種金屬與一種或幾種其他金屬或非：一種金屬與一種或幾種其他金屬或非金屬熔合在一起形成具有金屬性的物質(zhì)。金屬熔合在一起形成具有金屬性的物質(zhì)。ti-ni記憶合金花記憶合金花val2o3vzro2vtio2vzno（tc 4 k）n復(fù)合氧化物：復(fù)合氧化物：re1be2cu3o7 （tc 77k）、）、bi2sr2cac

31、u2o8 （tc 80k）、）、(bi,pb)2sr2ca2cu3o10（tc 110k）n鉍鉍nbi2sr2cacu2o8: 80k n(bi,pb)2sr2ca2cu3o10 : 110kn 鉈系金屬鉈系金屬ntl-ba-ca-cu-o(tbcco) ：125k一一 單質(zhì)硅（單質(zhì)硅（si)陶瓷陶瓷是用天然或是用天然或人工合成的粉狀化合人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過成型和高溫物，經(jīng)過成型和高溫?zé)Y(jié)制成的，由無機(jī)燒結(jié)制成的，由無機(jī)化合物構(gòu)成的多相固化合物構(gòu)成的多相固體材料體材料 二二 陶瓷陶瓷普通陶瓷：特種陶瓷：陶瓷的性能陶瓷的性能(1)(1)硬度硬度 是各類材料中最高的。是各類材料中最高的。 (

32、2)(2)剛度剛度 是鋼是鋼5 5倍以上倍以上 (3)(3)強(qiáng)度強(qiáng)度 抗壓、抗彎及高溫強(qiáng)度高?？箟?、抗彎及高溫強(qiáng)度高。(4)(4)塑性塑性 在室溫幾乎沒有塑性在室溫幾乎沒有塑性。(5)(5)韌性差，脆性大韌性差，脆性大, ,是陶瓷的最大缺點。是陶瓷的最大缺點。(6)(6)熱膨脹性低熱膨脹性低 導(dǎo)熱性差，多為較好的絕熱材料導(dǎo)熱性差，多為較好的絕熱材料(7)(7)熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性 抗熱振抗熱振(8)(8)化學(xué)穩(wěn)定性化學(xué)穩(wěn)定性 耐高溫，耐火，不可燃燒，抗蝕耐高溫，耐火，不可燃燒，抗蝕(9)(9)導(dǎo)電性導(dǎo)電性 大多數(shù)是良好的絕緣體，也有不少半導(dǎo)體大多數(shù)是良好的絕緣體，也有不少半導(dǎo)體(10)(10)其它

33、其它：高耐熱，不老化，溫度急變抗力低。高耐熱，不老化，溫度急變抗力低。2004年年1月月20,一種可供移植的一種可供移植的新型陶瓷骨。新型陶瓷骨。1.具有組織相容性和生物穩(wěn)定具有組織相容性和生物穩(wěn)定性好等特點。性好等特點。2.不會導(dǎo)致排異反應(yīng)，有利于不會導(dǎo)致排異反應(yīng)，有利于誘導(dǎo)骨質(zhì)的生長。誘導(dǎo)骨質(zhì)的生長。3.富含鈣、鋅富含鈣、鋅氮化硅氮化硅(si3n4)、碳化硅碳化硅(、碳化硼碳化硼(b4c3)、氮化硼、氮化硼(bn)，高，高強(qiáng)度、硬度，耐高溫等。強(qiáng)度、硬度，耐高溫等。n可作高溫燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、高溫?zé)峤粨Q可作高溫燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片、高溫?zé)峤粨Q器、火箭的噴嘴及輕質(zhì)防彈用品等。器、火箭的噴嘴及

34、輕質(zhì)防彈用品等。sic 還可還可用作電阻發(fā)熱體、變阻器、半導(dǎo)體材料用作電阻發(fā)熱體、變阻器、半導(dǎo)體材料(單晶單晶)三三 玻璃玻璃幾種玻璃的特性和用途幾種玻璃的特性和用途四四 分子篩分子篩發(fā)發(fā)展展史史1756年年 天然微孔硅鋁酸鹽。天然微孔硅鋁酸鹽。1940-1950 從天然沸石到合成從天然沸石到合成低硅低硅分子篩。分子篩。1950-1980 低硅沸石到低硅沸石到高硅高硅沸石，全盛時期。沸石，全盛時期。1982 從沸石分子篩到從沸石分子篩到磷酸鋁磷酸鋁分子篩與微孔分子篩。分子篩與微孔分子篩。 1992 從超大微孔到介孔從超大微孔到介孔(2-50nm)。 1988 從十二元環(huán)微孔到超大微孔從十二元環(huán)

35、微孔到超大微孔(1.3nm)。1998 從介孔向大孔從介孔向大孔(200100nm) 。2001 從無機(jī)多孔骨架向從無機(jī)多孔骨架向金屬有機(jī)金屬有機(jī)多孔骨架多孔骨架 。天然分子篩：天然分子篩：30多種，合成分子篩：多種，合成分子篩：140多種多種應(yīng)用：應(yīng)用：新型高效、高選擇性的吸附劑、干燥劑、分新型高效、高選擇性的吸附劑、干燥劑、分離劑；石油煉制和石油化工催化劑；離子交換材料等。離劑；石油煉制和石油化工催化劑；離子交換材料等。結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點： 一般由四面體結(jié)構(gòu)單元之間通過共享一般由四面體結(jié)構(gòu)單元之間通過共享頂點而形成的三維四連接骨架。空隙排列整齊，多孔，頂點而形成的三維四連接骨架?？障杜帕姓?/p>

36、齊，多孔，孔徑均勻，有極大的內(nèi)表面。孔徑均勻，有極大的內(nèi)表面。發(fā)展前景：發(fā)展前景：改善水熱穩(wěn)定性、膜材料、與改善水熱穩(wěn)定性、膜材料、與高新技術(shù)領(lǐng)域（如生物醫(yī)藥）結(jié)合等高新技術(shù)領(lǐng)域（如生物醫(yī)藥）結(jié)合等 十元環(huán)，十元環(huán)，z形，形，5.5x5.1, 5.3x5.6 十二元環(huán)：孔徑約為十二元環(huán)：孔徑約為6.5 mww(001方向) aen(001方向) 近近10年，發(fā)現(xiàn)了三十多種具有新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分子篩年，發(fā)現(xiàn)了三十多種具有新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分子篩n 本質(zhì)特點：本質(zhì)特點：其中的原子排列既不同于長程其中的原子排列既不同于長程有序的晶體，也不同于長程無序、短程有序有序的晶體，也不同于長程無序、短程有序的的“氣

37、體狀氣體狀”固體結(jié)構(gòu)，是一種介于固體和固體結(jié)構(gòu)，是一種介于固體和分子間的亞穩(wěn)中間態(tài)物質(zhì)。納米材料被稱為分子間的亞穩(wěn)中間態(tài)物質(zhì)。納米材料被稱為晶態(tài)、非晶態(tài)之外的晶態(tài)、非晶態(tài)之外的“第三態(tài)晶體材料第三態(tài)晶體材料” 。q四大效應(yīng)：四大效應(yīng)：小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料的基本物理和化學(xué)性質(zhì)納米材料的基本物理和化學(xué)性質(zhì)n電學(xué)性能n納米金屬微粒在低溫由于量子尺寸效應(yīng)會呈現(xiàn)電絕緣性n納米半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)隨測量頻率的減小呈明顯上升趨勢；并且在低頻范圍，納米半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)呈現(xiàn)尺寸效應(yīng)，即粒徑很小時，其介電常數(shù)較低，

38、隨粒徑增大，介電常數(shù)先增加然后下降，在某一臨界尺寸呈極大值。n熔點與燒結(jié)性能n納米微粒的熔點、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度均比常規(guī)粉體低得多。n力學(xué)性能n由于納米物質(zhì)的巨大表面，納米物質(zhì)的力學(xué)性能也表現(xiàn)出許多特點：抗彎強(qiáng)度高、斷裂韌性高，具有超塑性、高溫抗氧化性能和高溫抗蠕變性能等。n光學(xué)性質(zhì)n吸收峰變寬、“藍(lán)移”，隨著粒徑的減小，對光的反射大大降低。n催化性能 生命科學(xué)中的應(yīng)用：生命科學(xué)中的應(yīng)用： 熒光探針熒光探針 藥物篩選藥物篩選 醫(yī)學(xué)成像醫(yī)學(xué)成像 疾病診斷疾病診斷 器件應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器方面的應(yīng)用器件應(yīng)用：半導(dǎo)體激光器方面的應(yīng)用 美國美國技術(shù)評論技術(shù)評論雜志日前推出雜志日前推出2007年最令人

39、興奮、最有可能影年最令人興奮、最有可能影響整個產(chǎn)業(yè)和科研的新興響整個產(chǎn)業(yè)和科研的新興10大技術(shù)技術(shù)：半導(dǎo)體量子點新技術(shù)，大技術(shù)技術(shù)：半導(dǎo)體量子點新技術(shù)，能夠大幅度提高廉價光伏太陽能電池的效能：釋放電子的數(shù)量是能夠大幅度提高廉價光伏太陽能電池的效能：釋放電子的數(shù)量是硅半導(dǎo)體材料的硅半導(dǎo)體材料的2倍以上倍以上 。 化學(xué)溶膠法：以化學(xué)溶膠方式合成，可制作化學(xué)溶膠法：以化學(xué)溶膠方式合成，可制作復(fù)層量子點，過程簡單，且可大量生產(chǎn)。復(fù)層量子點，過程簡單，且可大量生產(chǎn)。 自組裝法：采用分子束磊晶或化學(xué)氣相沉積過程，自組裝法：采用分子束磊晶或化學(xué)氣相沉積過程，并利用晶格不匹配的原理，使量子點在特定基材表并利用

40、晶格不匹配的原理，使量子點在特定基材表面自聚生長，可大量生產(chǎn)排列規(guī)則的量子點。面自聚生長，可大量生產(chǎn)排列規(guī)則的量子點。(a)將硒粉加入十八碳烯中，使硒的含量為將硒粉加入十八碳烯中，使硒的含量為 0.010.05mol/l，在氬氣存在下，加熱到在氬氣存在下，加熱到200220，保溫，保溫1030分鐘后，分鐘后，冷卻至室溫，除去不溶物，制得硒的儲備液；冷卻至室溫，除去不溶物，制得硒的儲備液；(b)將將cdo和硬脂酸加入十八碳烯中，使和硬脂酸加入十八碳烯中，使cdo和硬脂酸的含量和硬脂酸的含量分別為分別為0.010.05mol/l和和0.040.20mol/l，在氬氣存在下，在氬氣存在下，加熱到加熱

41、到130200 并保持并保持1030分鐘，然后降至室溫，制分鐘，然后降至室溫，制得鎘的儲備液；得鎘的儲備液；(c)取硒的儲備液取硒的儲備液110ml，加入到，加入到0.10.5g氧化三正辛基膦氧化三正辛基膦和和0.32.0g十六胺中，同時在氬氣存在下攪拌并加熱到十六胺中，同時在氬氣存在下攪拌并加熱到 260290；將；將0.55ml鎘的儲備液加熱到鎘的儲備液加熱到6080后后加入到上述氧化三正辛基膦、十六胺和硒的儲備液的混合加入到上述氧化三正辛基膦、十六胺和硒的儲備液的混合物中，在物中，在200260保持保持10300秒，然后冷卻至秒，然后冷卻至30-50，即制得即制得cdse量子點。量子點。

42、 高分子高分子：指由共價鍵連接分子量很高指由共價鍵連接分子量很高的的一類化一類化合物合物 ， 簡史：簡史：施陶丁格（施陶丁格（ staudinger，1953，異戊二烯，異戊二烯);齊格勒齊格勒和納塔（和納塔（it），弗勞瑞），弗勞瑞(us) ，德金，德金(fr)單體單體： 合成聚合物的起始原料合成聚合物的起始原料結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元：在大分子鏈中出現(xiàn)的以單體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的原在大分子鏈中出現(xiàn)的以單體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的原子團(tuán)；結(jié)構(gòu)單元有時也稱為單體單元、重復(fù)單元或鏈節(jié)子團(tuán)；結(jié)構(gòu)單元有時也稱為單體單元、重復(fù)單元或鏈節(jié) n n 表示聚合度表示聚合度; ; 分子量分子量-( ch2-ch=ch-ch2 -)-(-

43、ch2-ch-)-xynh -n h (c h2)6n h -c o (c h2)4c o -o hnh2n (c h2)6n h2 + h o o c (c h2)4c o o h(2n-1) h2o+ 單體在形成高分子的過程中要單體在形成高分子的過程中要失掉失掉一些原子一些原子 結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)單元 重復(fù)單元重復(fù)單元 單體單元單體單元, , 重復(fù)單元重復(fù)單元鏈節(jié)鏈節(jié) 連鎖聚合反應(yīng)連鎖聚合反應(yīng)鏈引發(fā)（鏈引發(fā)（initiation）鏈增長（鏈增長（propagation）rch2ch2+ch2=ch2rch2ch2ch2ch2，rch2ch2ch2ch2+ ch2=ch2rch2ch2ch2ch2

44、ch2鏈終止（鏈終止（termination）r(ch2ch2)mch2ch2r(ch2ch2)nch2ch2r(ch2ch2)mch2ch2ch2ch2(ch2ch2)nrcoo o co惰性溶劑40100 occoo22co2過氧化二苯甲酰（引發(fā)劑）苯甲酰自由基（r ）苯自由基（r ）h2n-r-coohhhn r conh r coohmhhn r conh r coohnhhn r conh r coohm+n 以單體名稱為基礎(chǔ)，在前面加以單體名稱為基礎(chǔ)，在前面加“聚聚”字字 取單體簡名，在后面加取單體簡名，在后面加“樹脂樹脂” 、“橡膠橡膠”二字二字 苯苯酚酚 甲甲醛醛 酚醛酚醛樹脂

45、樹脂 丁丁二烯二烯 苯苯乙烯乙烯 丁苯丁苯橡膠橡膠n 以高分子鏈的以高分子鏈的結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征命名命名o - c - o - n h - c - o -oo - c - n h - - o - 商品名商品名 滌滌綸綸 聚對苯二甲酸乙二醇酯（聚酯）聚對苯二甲酸乙二醇酯（聚酯） 錦錦綸綸 聚酰胺（尼龍），后面加數(shù)字區(qū)別聚酰胺（尼龍），后面加數(shù)字區(qū)別 重要的碳鏈聚合物：重要的碳鏈聚合物：*ch2ch2*n*ch2ch*ncooh聚乙烯聚丙烯酸*ch2ch*nch3*ch2ch*ncooch3*ch2ch*ncl*ch2ch*nococh3*ch2hc*n*ch2ch*noh聚丙烯聚甲基丙烯酸甲酯聚氯

46、乙烯聚醋酸乙烯酯聚苯乙烯聚乙烯醇重要的雜鏈聚合物重要的雜鏈聚合物：nohch2ch2oochooc 聚 對 苯 二 甲 酸 乙 二 酯 （ 滌 綸 樹 脂 ）hoocco(ch2)6nh2n(ch2)4nh聚 己 二 酰 己 二 胺 （ 尼 龍 66）hn(ch2)6noch2n (ch2)6cooh聚 氨 基 己 酸 酯 （ 尼 龍 6）聚 氨 酯ohocncon(ch2)6nho(ch2)4hocoo ohncch3ch3o聚 碳 酸 酯分類分類塑料塑料晶態(tài)高聚物：晶態(tài)高聚物：部分結(jié)晶態(tài)，部分結(jié)晶態(tài)，tf是使用的上限溫度是使用的上限溫度非晶態(tài)高聚物：非晶態(tài)高聚物：玻璃態(tài)，玻璃態(tài)，tg是使用

47、的上限溫度是使用的上限溫度纖維纖維大部分是大部分是晶態(tài)高聚物晶態(tài)高聚物，tf應(yīng)高于室溫應(yīng)高于室溫150以上。以上。 也有也有非晶態(tài)高聚物非晶態(tài)高聚物，分子排列有一定規(guī)則。，分子排列有一定規(guī)則。 橡膠橡膠只能只能是非晶態(tài)高聚物是非晶態(tài)高聚物，處于處于高彈態(tài)高彈態(tài). tg是使用的下是使用的下限溫度，限溫度，tg應(yīng)低于室溫應(yīng)低于室溫70以上以上; tf是使用的上限溫度是使用的上限溫度 綠色化：可降解塑料綠色化：可降解塑料 仿生化：仿生化：例如防彈材料的發(fā)展例如防彈材料的發(fā)展 雜原子化：雜原子化： 高度支化：高度支化：（引發(fā)核、反應(yīng)官能團(tuán)、終止官能團(tuán)）（引發(fā)核、反應(yīng)官能團(tuán)、終止官能團(tuán)） 功能化功能化：

48、導(dǎo)電高分子、光電活性高分子、：導(dǎo)電高分子、光電活性高分子、高分子催化劑、液晶高分子、高分子分離高分子催化劑、液晶高分子、高分子分離膜、光敏高分子、醫(yī)藥高分子、高分子吸膜、光敏高分子、醫(yī)藥高分子、高分子吸水?dāng)?shù)值、離子交換樹脂、磁性高分子等。水?dāng)?shù)值、離子交換樹脂、磁性高分子等。共軛卟啉共軛卟啉聚聚醚醚酰酰胺胺高度支化材料高度支化材料 19771977年聚乙炔年聚乙炔 19981998年，聚對苯撐、聚對苯撐乙烯等年，聚對苯撐、聚對苯撐乙烯等 聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯聚噻吩、聚苯胺、聚吡咯s*ss*n聚噻吩聚噻吩nono*n反式聚雙苯并噁唑苯主鏈液晶高分子反式聚雙苯并噁唑苯主鏈液晶高分子多糖生物相容性高分子多糖生物相容性高分子ohoohohch2o ch2ohoohoho*n電致發(fā)光材料電致發(fā)光材料 分子印跡技術(shù)分子印跡技術(shù)：