9第九章化學(xué)與材料

普通化學(xué)化學(xué)工業(yè)出版社課件制作：湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院胡莉蓉第九章化學(xué)與材料學(xué)習(xí)目標(biāo)：1．了解金屬的特性及金屬材料的用途，了解合金及超導(dǎo)材料的性能及應(yīng)用；2．了解非金屬的性質(zhì)及幾種非金屬材料的性能；3．了解高分子化合物的基本概念及高聚物的結(jié)構(gòu)和特性；4．了解塑料、合成橡膠、合成纖維三大有機(jī)合成材料的性能和用途。；學(xué)習(xí)內(nèi)容第一節(jié)金屬材料第二節(jié)非金屬材料第三節(jié)高分子聚合物與合成材料分類(lèi)：第一節(jié)金屬材料一、金屬的結(jié)構(gòu)和特性黑色金屬與有色金屬重金屬與輕金屬常見(jiàn)金屬與稀有金屬（一）金屬的結(jié)構(gòu)金屬晶體中,存在著金屬原子、金屬離子和自由電子。自由電子的運(yùn)動(dòng)將金屬中的原子、離子聯(lián)結(jié)在一起。金屬中的自由電子，不專(zhuān)屬于某個(gè)特定的金屬原子，而是為許多陽(yáng)離子所共有，它們幾乎均勻地分布在整個(gè)晶體中。（二）金屬的特性1.物理性質(zhì)常溫下除汞外都是固體，一般體積質(zhì)量較大，硬度也較大。金屬都不透明，有特殊的光澤，易傳熱、導(dǎo)電，一般都有良好的機(jī)械加工性能（延展性）2.化學(xué)性質(zhì)金屬在化學(xué)反應(yīng)中，一般容易失去外層電子而表現(xiàn)出還原性。例：大多數(shù)金屬容易與氧、硫、鹵素等非金屬化合；活潑金屬能置換水中和某些酸中的氫。（三）金屬的冶煉金屬冶煉就是由礦石制取金屬的過(guò)程。實(shí)質(zhì)是金屬離子獲得電子從化合物中被還原出來(lái)。1.熱分解法金屬活動(dòng)順序在銅以后的不活潑金屬，可用加熱分解的方法將其冶煉出來(lái)。例如：汞的冶煉。用碳酸鹽礦石作原料，它經(jīng)煅燒后能分解成氧化物，再用碳還原。2.高溫化學(xué)還原法活動(dòng)順序在鋁與汞之間的金屬冶煉是將礦石與加入的還原劑（如碳、一氧化碳、氫氣、活潑金屬）共熱，使金屬還原。例如：鋅的冶煉ZnO+C

Zn+CO高溫ZnCO3ZnO+CO2鍛燒活潑金屬（鋁、鎂、鈣、鈉等）的冶煉常用電解法。3.電解還原法例如：電解熔融的氯化鈉制鈉；電解熔融氯化鎂制鎂。二、合金合金也可稱(chēng)為“合成金屬”，它是由兩種或兩種以上的金屬（或金屬與非金屬）共熔后而成的具有金屬特性的物質(zhì)。例如：常用的黃銅是銅鋅合金，鑄鐵和鋼是鐵碳合金。①多數(shù)合金的熔點(diǎn)低于任何一種組分金屬的熔點(diǎn)。②合金的硬度一般都比組成它的純金屬的硬度要大。③合金的化學(xué)性質(zhì)也與組成它的純金屬有些不同。1.性質(zhì)2.用途合金在工業(yè)上有重要的用途，如機(jī)器制造、飛機(jī)制造、宇宙飛船制造等以及化學(xué)工業(yè)和原子能工業(yè)，都離不開(kāi)各種性能優(yōu)良的合金。隨著近代科學(xué)的發(fā)展，正在不斷探索研究和開(kāi)發(fā)具有新特性的合金。三、超導(dǎo)材料超導(dǎo)現(xiàn)象：隨著溫度的降低，金屬的導(dǎo)電性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)溫度降到某一溫度時(shí)，某些導(dǎo)體的電阻急劇下降為零。超導(dǎo)材料（超導(dǎo)體）：具有超導(dǎo)電性的物質(zhì)。臨界溫度：電阻突然為零的溫度稱(chēng)為轉(zhuǎn)變溫度或臨界溫度。臨界溫度越高，超導(dǎo)材料就越有應(yīng)用價(jià)值。超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)：荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯于1911年最早發(fā)現(xiàn)的。他利用液氨冷卻水銀時(shí)，發(fā)現(xiàn)電阻完全消失。應(yīng)用前景：做成電纜輸電，輸電線路上的能量損耗將大大降低。作發(fā)動(dòng)機(jī)的線圈，根本不會(huì)使線圈發(fā)熱，解決了冷卻難題。制成磁力懸浮高速列車(chē)，就能使車(chē)速提高到500km/h以上。第二節(jié)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料包括各種金屬與非金屬形成的無(wú)機(jī)化合物材料和非金屬單質(zhì)材料。一、非金屬單質(zhì)的特性1.物理性質(zhì)2.化學(xué)性質(zhì)呈氣態(tài)：氫、氟、氯、氧、氮；呈液態(tài)：溴；其余是固態(tài)。硼、碳、硅的熔點(diǎn)高、硬度大，其他單質(zhì)的熔點(diǎn)低、硬度較小。石墨能導(dǎo)電，交界線兩側(cè)元素的單質(zhì)大都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，多數(shù)非金屬單質(zhì)是非導(dǎo)體。非金屬活潑性與元素周期律一致，氟、氯、氧、溴是活潑的非金屬；碘、硫、碳、硼、硅、砷、硒、碲和氫較不活潑，氮?dú)獠换顫?，在通常條件下很難發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。二、非金屬材料（一）半導(dǎo)體材料分為元素半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體。硅是當(dāng)前主要的半導(dǎo)體材料。硅有4個(gè)價(jià)電子，晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)原子分別和相鄰的4個(gè)原子形成4個(gè)共價(jià)鍵，價(jià)電子被束縛在不能自由運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)電能力較差。如果受到光或熱的作用，部分價(jià)電子掙脫束縛成為自由電子，從而留下一個(gè)空穴（相當(dāng)于正電荷），可吸引鄰近的價(jià)電子來(lái)補(bǔ)充，這樣就產(chǎn)生了電子和空穴的定向移動(dòng)，形成電流。原理用途主要用于制造電子元器件。還用于制造晶體管，集成電路，硅光電池，數(shù)碼管、熱電耦等也可利用非晶態(tài)硅，即半導(dǎo)體玻璃制成太陽(yáng)能電池瓦。（二）特種陶瓷1.導(dǎo)電陶瓷通常陶瓷不導(dǎo)電，是良好的絕緣體。有些氧化物陶瓷加熱時(shí)，處于原子外層的電子可以獲得足夠的能量，克服原子核的吸引力，成為自由電子，這種陶瓷就變成了導(dǎo)電陶瓷。2.透明陶瓷傳統(tǒng)的陶瓷是一種不透明的材料。1957年美國(guó)科學(xué)家科爾在一次實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)，在氧化鋁原料中加入少量氧化鎂，可以促進(jìn)材料內(nèi)氣孔的消除，終于制得透明氧化鋁陶瓷。透明陶瓷可制造防彈汽車(chē)的窗、坦克的觀察窗、轟炸機(jī)的轟炸瞄準(zhǔn)器和高級(jí)防護(hù)眼鏡等。3.壓電陶瓷壓電陶瓷結(jié)構(gòu)上沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心，因而具有壓電效應(yīng)，當(dāng)在某個(gè)方向施加壓力時(shí)，此表面會(huì)產(chǎn)生電壓差，稱(chēng)為正壓電效應(yīng)；反之在電壓作用下，則會(huì)發(fā)生變形，稱(chēng)為逆電壓效應(yīng)。這就是壓電陶瓷所具有的機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換功能。主要用于換能、傳感、驅(qū)動(dòng)和頻率控制。如水下探測(cè)用的水聲換能器，遙測(cè)用的超聲換能器，揚(yáng)聲器及壓電點(diǎn)火器等。。4.生物陶瓷應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)及生物化學(xué)工程的各種陶瓷材料。以氧化鋁為主。生物陶瓷和骨組織的化學(xué)組成比較接近，生物相容性好，植入體內(nèi)后不會(huì)引起人體組織的發(fā)炎和不適應(yīng)，彌補(bǔ)了不銹鋼在植入人體內(nèi)三五年出現(xiàn)腐蝕斑的缺陷。5.納米陶瓷我國(guó)在20世紀(jì)90年代初開(kāi)始研制納米陶瓷。即選用的原料和制成的陶瓷晶粒達(dá)到納米尺度。（三）人工晶體和特種玻璃人工晶體是一種單晶材料，由于它具有壓電、熱電、磁光轉(zhuǎn)換和紅外遙感等多種方面的功能，因此是發(fā)展激光、電子、紅外和光信息處理等高新技術(shù)所必需的材料。特種玻璃是一類(lèi)非晶態(tài)材料，它具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、可切削等特點(diǎn)，并具有光、電、磁、熱等功能，是發(fā)展光學(xué)、光電技術(shù)、生物工程、宇航事業(yè)、汽車(chē)及新能源等領(lǐng)域中的基礎(chǔ)材料。第三節(jié)高分子聚合物與合成材料一、聚合物的基本概念高聚物雖然相對(duì)分子質(zhì)量較大，但化學(xué)組成比較簡(jiǎn)單，都是由重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。

HHHHHHHH—C—C—C—C—C—C—C—C—HClHClHClHCl例如：聚氯乙烯PVC縮寫(xiě)成：其中[CH2-CHCl]是重復(fù)結(jié)構(gòu)單元——鏈節(jié)；形成結(jié)構(gòu)單元的化合物(如氯乙烯)——單體；n是重復(fù)結(jié)構(gòu)單元數(shù)——聚合度。

nCH2＝CHCl[CH2-CHCl]

n單體鏈節(jié)聚合度[CH2-CHCl]n

-HH-—C—C—-HCl-n或線型結(jié)構(gòu)是許多鏈節(jié)連成一個(gè)長(zhǎng)鏈(包括有支鍍的)，它是卷曲呈不規(guī)則的線團(tuán)狀。體型結(jié)構(gòu)是帶有支鏈的線型高分子之間互相交聯(lián)成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。“線型”和“體型”高分子①在單體前加“聚”字：如聚乙烯、聚氯乙烯；②在簡(jiǎn)化的單體名稱(chēng)后面加上“樹(shù)脂”二字：如酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、脲醛樹(shù)脂等。③代號(hào)：如聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）；酚醛樹(shù)脂（PF），脲醛樹(shù)脂（UF）等命名二、聚合物的特性1.彈性和塑性2.電絕緣性3.化學(xué)穩(wěn)定性4.機(jī)械性能缺點(diǎn)：一般不耐高溫，容易燃燒；不易分解（廢棄的快餐盒和塑料袋對(duì)環(huán)境構(gòu)成特殊污染，稱(chēng)“白色污染”；易老化，三、合成材料1.塑料塑料是指在一定的溫度和壓力下可塑制成型的合成高分子材料。工業(yè)上以合成樹(shù)脂為基本原料，加上適量的添加劑和填充料以改善某些性能，在一定的溫度、壓力下加工處理可獲得各種塑料制品。2.合成纖維纖維是一類(lèi)具有相當(dāng)長(zhǎng)度、強(qiáng)度、彈性和吸濕性的柔韌、纖細(xì)的絲狀高分子化合物。化學(xué)纖維天然纖維人造纖維合成纖維纖維天然纖維是天然高分子化合物（棉、麻、羊毛、蠶絲）不能直接紡織的天然纖維（木材、棉短線）作原料經(jīng)化學(xué)處理制成用石油、煤、天然氣等為原料，經(jīng)過(guò)化學(xué)合成和機(jī)械物理加工制成3.合成橡膠橡膠是一類(lèi)具