第十二章化學(xué)新進(jìn)展

1、化學(xué)新進(jìn)展化學(xué)新進(jìn)展第十二章第十二章第十二章第十二章 化學(xué)新進(jìn)展化學(xué)新進(jìn)展12.1 綠色化學(xué)綠色化學(xué)12.2 生命中的化學(xué)生命中的化學(xué) 12.3 新材料與化學(xué)新材料與化學(xué) 12.4 新能源與化學(xué)新能源與化學(xué)12.5 納米技術(shù)與化學(xué)納米技術(shù)與化學(xué) 12.6 核化學(xué)與核能核化學(xué)與核能 12.1 綠色化學(xué)綠色化學(xué) 12.1.1 綠色化學(xué)的定義綠色化學(xué)的定義 12.1.2 綠色化學(xué)的特點(diǎn)綠色化學(xué)的特點(diǎn) 12.1.3 綠色化學(xué)的重要性綠色化學(xué)的重要性 12.1.4 綠色化學(xué)的研究?jī)?nèi)容綠色化學(xué)的研究?jī)?nèi)容 12.1.1 綠色化學(xué)的定義綠色化學(xué)的定義 按照美國(guó)按照美國(guó)“綠色化學(xué)綠色化學(xué)”雜志的定義，是雜志的定

2、義，是指在制造和應(yīng)用化學(xué)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)有效利用指在制造和應(yīng)用化學(xué)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)有效利用(最最好可再生好可再生)原料原料,消除廢物和避免使用有毒消除廢物和避免使用有毒的和危險(xiǎn)的試劑和溶劑。的和危險(xiǎn)的試劑和溶劑。 綠色化學(xué)是近十年才產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，綠色化學(xué)是近十年才產(chǎn)生和發(fā)展起來(lái)的，實(shí)際上是指能夠保護(hù)環(huán)境的化學(xué)技術(shù)，它涉實(shí)際上是指能夠保護(hù)環(huán)境的化學(xué)技術(shù)，它涉及有機(jī)合成、催化、生物化學(xué)、分析化學(xué)等及有機(jī)合成、催化、生物化學(xué)、分析化學(xué)等學(xué)科學(xué)科,內(nèi)容廣泛。世界上很多國(guó)家已把內(nèi)容廣泛。世界上很多國(guó)家已把“化化學(xué)的綠色化學(xué)的綠色化”作為新世紀(jì)化學(xué)進(jìn)展的主要方作為新世紀(jì)化學(xué)進(jìn)展的主要方向之一。向之一。 綠色化學(xué)其主要

3、特點(diǎn)有：綠色化學(xué)其主要特點(diǎn)有：（1）充分利用資源和能源，采用無(wú)毒、無(wú)害）充分利用資源和能源，采用無(wú)毒、無(wú)害的原料；的原料；（2）在無(wú)毒、無(wú)害的條件下進(jìn)行反應(yīng)，以減）在無(wú)毒、無(wú)害的條件下進(jìn)行反應(yīng)，以減少?gòu)U物向環(huán)境排放；少?gòu)U物向環(huán)境排放；（3）提高原子的利用率，力圖使所有作為原）提高原子的利用率，力圖使所有作為原料的原子都被產(chǎn)品所消納，實(shí)現(xiàn)料的原子都被產(chǎn)品所消納，實(shí)現(xiàn)“零排放零排放”；（4）生產(chǎn)出有利于環(huán)境保護(hù)、社區(qū)安全和人）生產(chǎn)出有利于環(huán)境保護(hù)、社區(qū)安全和人體健康的環(huán)境友好的產(chǎn)品。體健康的環(huán)境友好的產(chǎn)品。 12.1.2 綠色化學(xué)的特點(diǎn)綠色化學(xué)的特點(diǎn) 近年來(lái)，由于化學(xué)工業(yè)向大氣、水和土壤近年來(lái)，由

4、于化學(xué)工業(yè)向大氣、水和土壤等排放大量有毒、有害物質(zhì)，導(dǎo)致各國(guó)政府等排放大量有毒、有害物質(zhì)，導(dǎo)致各國(guó)政府用于廢物控制、處理和埋放，環(huán)保監(jiān)測(cè)、達(dá)用于廢物控制、處理和埋放，環(huán)保監(jiān)測(cè)、達(dá)標(biāo)，事故責(zé)任賠償?shù)荣M(fèi)用大大增加。所以，標(biāo)，事故責(zé)任賠償?shù)荣M(fèi)用大大增加。所以，從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的要求看，化學(xué)工業(yè)不從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的要求看，化學(xué)工業(yè)不能再承擔(dān)使用和產(chǎn)生有毒、有害物質(zhì)的角色。能再承擔(dān)使用和產(chǎn)生有毒、有害物質(zhì)的角色。需要大力研究與開(kāi)發(fā)從源頭上減少和消除污需要大力研究與開(kāi)發(fā)從源頭上減少和消除污染的綠色化學(xué)。目前，綠色化學(xué)的研究已成染的綠色化學(xué)。目前，綠色化學(xué)的研究已成為國(guó)外企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界的重要研究與開(kāi)

5、為國(guó)外企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)界的重要研究與開(kāi)發(fā)方向。發(fā)方向。 12.1.3 綠色化學(xué)的重要性綠色化學(xué)的重要性12.1.4 綠色化學(xué)的研究?jī)?nèi)容綠色化學(xué)的研究?jī)?nèi)容12.2 生命中的化學(xué)生命中的化學(xué) 12.2.1 生命元素生命元素 12.2.2 生物無(wú)機(jī)化學(xué)生物無(wú)機(jī)化學(xué) 12.2.3 生物有機(jī)化學(xué)生物有機(jī)化學(xué) 生命必需元素是指具有一定的生物功能或生命必需元素是指具有一定的生物功能或?qū)ι锕δ芫哂兄苯佑绊?，并參與其代謝過(guò)對(duì)生物功能具有直接影響，并參與其代謝過(guò)程，且在生物體內(nèi)不能由其他元素完全替代程，且在生物體內(nèi)不能由其他元素完全替代的元素。的元素。 生命元素包括生命元素包括H、Na、K、Mg、Ca、V、Cr

6、、Mn、Mo、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、C、N、O、P、F、Si、S、Cl、Se、Br、I等。等。 按各種元素在人體中所占的比例可分為宏按各種元素在人體中所占的比例可分為宏量元素和微量元素。量元素和微量元素。 12.2.1 生命元素生命元素 宏量元素宏量元素 (常量元素常量元素):指在生命元素中含量都在指在生命元素中含量都在0.01%以上的元素。如以上的元素。如H(10%),Na(0.15%),K(0.35%),Mg(0.05%),Ca(2%),C(18%),N(3%),O(65%),P(1%),S(0.25%),Cl(0.15%)等等11種元素種元素, 共占生共占生命體總質(zhì)量的命體總質(zhì)量

7、的99.95%以上以上。 碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素組成蛋白質(zhì)、脂碳、氫、氧、氮、硫、磷等元素組成蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物和核酸，是地球上生命形成的基礎(chǔ)。肪、碳水化合物和核酸，是地球上生命形成的基礎(chǔ)。鈉、鉀和氯的主要功能是調(diào)節(jié)體液的滲透壓，電解鈉、鉀和氯的主要功能是調(diào)節(jié)體液的滲透壓，電解質(zhì)的平衡和酸堿平衡。鈉、鉀離子還參與神經(jīng)信息質(zhì)的平衡和酸堿平衡。鈉、鉀離子還參與神經(jīng)信息的傳遞。鈣和氟是骨骼、牙齒、指甲等生物礦物形的傳遞。鈣和氟是骨骼、牙齒、指甲等生物礦物形成時(shí)的必要結(jié)構(gòu)成分。鎂參與體內(nèi)糖代謝及呼吸酶成時(shí)的必要結(jié)構(gòu)成分。鎂參與體內(nèi)糖代謝及呼吸酶的活性，維持肌肉神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性，含鎂的葉綠的

8、活性，維持肌肉神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性，含鎂的葉綠素在光合作用中負(fù)責(zé)捕獲光子。素在光合作用中負(fù)責(zé)捕獲光子。 微量元素微量元素: 指在指在生命元素中生命元素中含量都在含量都在0.01%以下的以下的元素，如鐵、銅、鋅、錳、碘等。元素，如鐵、銅、鋅、錳、碘等。 它們的含量雖小，但對(duì)于生命活動(dòng)十分重要。它們的含量雖小，但對(duì)于生命活動(dòng)十分重要。(1)鐵是人體內(nèi)含量最多的微量元素鐵是人體內(nèi)含量最多的微量元素, 主要功能是載主要功能是載氧和電子傳遞氧和電子傳遞. 哺乳動(dòng)物血液中的血紅蛋白和肌肉哺乳動(dòng)物血液中的血紅蛋白和肌肉組織中的肌紅蛋白的活性部位是鐵組織中的肌紅蛋白的活性部位是鐵(II)的卟啉配合的卟啉配合物物;

9、 (2)銅在一些較低等的生物中也起著載氧和電子載體銅在一些較低等的生物中也起著載氧和電子載體作用，銅還可以調(diào)節(jié)人體內(nèi)鐵的吸收、血紅蛋白作用，銅還可以調(diào)節(jié)人體內(nèi)鐵的吸收、血紅蛋白的合成以及黑色素的形成；的合成以及黑色素的形成；(3)鋅鋅(II)以其強(qiáng)以其強(qiáng)Lewis酸性成為許多水解酶的活性中酸性成為許多水解酶的活性中心，對(duì)于食物消化、劇烈運(yùn)動(dòng)必不可少，對(duì)促進(jìn)心，對(duì)于食物消化、劇烈運(yùn)動(dòng)必不可少，對(duì)促進(jìn)兒童的生長(zhǎng)和智力發(fā)育具有重要的作用；兒童的生長(zhǎng)和智力發(fā)育具有重要的作用；(4)錳是一些過(guò)氧化物岐化酶錳是一些過(guò)氧化物岐化酶(SOD)的活性中的活性中心，對(duì)于清除體內(nèi)活性氧物種、延緩衰老具心，對(duì)于清除體

10、內(nèi)活性氧物種、延緩衰老具有重要作用，錳也是植物光合作用中光解水有重要作用，錳也是植物光合作用中光解水的反應(yīng)中心；的反應(yīng)中心；(5)碘是甲狀腺素的成分之一，是制造甲狀腺碘是甲狀腺素的成分之一，是制造甲狀腺素的原料。碘的缺乏，將導(dǎo)致甲狀腺素分泌素的原料。碘的缺乏，將導(dǎo)致甲狀腺素分泌不足，從而促使甲狀腺增加分泌，導(dǎo)致甲狀不足，從而促使甲狀腺增加分泌，導(dǎo)致甲狀腺代償性增生、肥大，醫(yī)學(xué)上將此稱作腺代償性增生、肥大，醫(yī)學(xué)上將此稱作“甲甲狀腺腫狀腺腫”。也就是俗稱的。也就是俗稱的“大脖子病大脖子病”。生命非必需元素生命非必需元素: 除必需元素以外的所有元素除必需元素以外的所有元素都可認(rèn)為非必需元素。都可認(rèn)為

11、非必需元素。 非必需元素在生命體內(nèi)的存在有兩種情況：非必需元素在生命體內(nèi)的存在有兩種情況：一是存在于生物體內(nèi)并阻礙生物機(jī)體正常代一是存在于生物體內(nèi)并阻礙生物機(jī)體正常代謝過(guò)程和影響生理功能的微量元素。謝過(guò)程和影響生理功能的微量元素。 二是一些非生命元素在用作診斷試劑、藥物、二是一些非生命元素在用作診斷試劑、藥物、飼料、肥料等引入的，在現(xiàn)有的技術(shù)和研究飼料、肥料等引入的，在現(xiàn)有的技術(shù)和研究水平認(rèn)為，該類非生命元素具有正面的生物水平認(rèn)為，該類非生命元素具有正面的生物效應(yīng)。效應(yīng)。 12.2.2 生物無(wú)機(jī)化學(xué)生物無(wú)機(jī)化學(xué)1.1.定義定義: : 利用生物學(xué)或化學(xué)的方法研究無(wú)機(jī)物質(zhì)利用生物學(xué)或化學(xué)的方法研究

12、無(wú)機(jī)物質(zhì)(尤其是金屬離子及其復(fù)合體尤其是金屬離子及其復(fù)合體)的存在形式、分布、的存在形式、分布、代謝及生理作用的學(xué)科叫做生物無(wú)機(jī)化學(xué)。代謝及生理作用的學(xué)科叫做生物無(wú)機(jī)化學(xué)。 2.2.研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容: : 生物體對(duì)化學(xué)元素的吸收和釋放；生物體對(duì)化學(xué)元素的吸收和釋放；生命有機(jī)體對(duì)有毒無(wú)機(jī)物質(zhì)的響應(yīng)；金屬蛋白等生命有機(jī)體對(duì)有毒無(wú)機(jī)物質(zhì)的響應(yīng)；金屬蛋白等的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生物活性和反應(yīng)機(jī)理；基于金屬的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、生物活性和反應(yīng)機(jī)理；基于金屬的無(wú)機(jī)藥物功能與代謝；生物功能模型物和仿生的無(wú)機(jī)藥物功能與代謝；生物功能模型物和仿生催化劑的設(shè)計(jì)合成；基于金屬的熒光探針和核磁催化劑的設(shè)計(jì)合成；基于金屬的熒光探針和核

13、磁共振造影劑；生物礦化和生物材料；以及有關(guān)理共振造影劑；生物礦化和生物材料；以及有關(guān)理論模型的發(fā)展等等。論模型的發(fā)展等等。金屬蛋白結(jié)構(gòu)圖金屬蛋白結(jié)構(gòu)圖鐵卟啉配合物鐵卟啉配合物1.定義：是將有機(jī)化學(xué)研究的理論和方法向生命科定義：是將有機(jī)化學(xué)研究的理論和方法向生命科學(xué)滲透的學(xué)科，負(fù)責(zé)在分子水平上研究生物過(guò)程的學(xué)滲透的學(xué)科，負(fù)責(zé)在分子水平上研究生物過(guò)程的化學(xué)本質(zhì)，主要分析生物分子化學(xué)本質(zhì)，主要分析生物分子(如蛋白質(zhì)、核酸如蛋白質(zhì)、核酸)的的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、合成，以及酶和酶促有機(jī)反應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、合成，以及酶和酶促有機(jī)反應(yīng)的具體機(jī)理。機(jī)理。12.2.3 生物有機(jī)化學(xué)生物有機(jī)化學(xué)2.研究?jī)?nèi)容：研究?jī)?nèi)容：

14、(1)對(duì)具有抗癌、抗炎、抗菌以及神經(jīng)活性的生物堿、對(duì)具有抗癌、抗炎、抗菌以及神經(jīng)活性的生物堿、環(huán)肽、甾體及糖類天然產(chǎn)物進(jìn)行全合成，結(jié)構(gòu)環(huán)肽、甾體及糖類天然產(chǎn)物進(jìn)行全合成，結(jié)構(gòu)-活活性關(guān)系及其與靶分子的作用機(jī)制研究。性關(guān)系及其與靶分子的作用機(jī)制研究。一種草藥生物堿的結(jié)構(gòu)一種草藥生物堿的結(jié)構(gòu)低聚肽分子結(jié)構(gòu)低聚肽分子結(jié)構(gòu)甾體皂苷甾體皂苷化學(xué)結(jié)構(gòu)圖化學(xué)結(jié)構(gòu)圖 (2)針對(duì)在細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中的一些關(guān)鍵因子針對(duì)在細(xì)胞內(nèi)外信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程中的一些關(guān)鍵因子如如G-蛋白偶聯(lián)的受體、蛋白激酶以及細(xì)胞凋亡過(guò)程，蛋白偶聯(lián)的受體、蛋白激酶以及細(xì)胞凋亡過(guò)程，發(fā)展高活性、高選擇性的小分子調(diào)節(jié)劑并應(yīng)用于了發(fā)展高活性、高選擇性

15、的小分子調(diào)節(jié)劑并應(yīng)用于了解生物大分子功能的研究。解生物大分子功能的研究。(3)利用單晶衍射或利用單晶衍射或NMR 技術(shù)，研究生物大分子，技術(shù)，研究生物大分子，以及活性小分子與生物大分子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，以及活性小分子與生物大分子復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象，從而探討活性小分子如藥物分子作用的內(nèi)在機(jī)制。從而探討活性小分子如藥物分子作用的內(nèi)在機(jī)制。(4)研究酶，細(xì)胞或微生物催化的新反應(yīng)，酶催化反研究酶，細(xì)胞或微生物催化的新反應(yīng)，酶催化反應(yīng)的機(jī)理，酶的改性等。研究酶或微生物參與的復(fù)應(yīng)的機(jī)理，酶的改性等。研究酶或微生物參與的復(fù)雜分子的合成機(jī)理。雜分子的合成機(jī)理。 12.3 新材料與化學(xué)新材料與化學(xué) 12.3.

16、1 新金屬材料新金屬材料 12.3.2 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料 12.3.3 新型有機(jī)高分子材料新型有機(jī)高分子材料 12.3.4 特殊功能的復(fù)合材料特殊功能的復(fù)合材料 12.3.5 金屬有機(jī)骨架多孔材料金屬有機(jī)骨架多孔材料 金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料,它們更多以合它們更多以合金的形式使用。金的形式使用。按其使用性能分為如下幾種類型：按其使用性能分為如下幾種類型： 12.3.1 新金屬材料新金屬材料（2）貯氫合金）貯氫合金: 某些過(guò)渡金屬、合金和金屬間化合物某些過(guò)渡金屬、合金和金屬間化合物, 由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu), 使氫原子容易進(jìn)入

17、其晶格的間使氫原子容易進(jìn)入其晶格的間隙中并形成金屬氫化物隙中并形成金屬氫化物, 氫與這些金屬的結(jié)合力很弱氫與這些金屬的結(jié)合力很弱, 但貯氫量很大但貯氫量很大, 可以貯存比其本身體積大可以貯存比其本身體積大10001300倍倍的氫的氫, 加熱時(shí)氫又能從金屬中釋放出來(lái)。加熱時(shí)氫又能從金屬中釋放出來(lái)。 （1）形狀記憶合金）形狀記憶合金:指合金材料在一定條件下指合金材料在一定條件下, 變形變形后仍能恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。如后仍能恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。如Au-Cd合金合金有記憶形狀的特性有記憶形狀的特性,其具有傳感和驅(qū)動(dòng)雙重功能其具有傳感和驅(qū)動(dòng)雙重功能, 是一是一種智能材料種智能材料.（3）

18、耐熱合金）耐熱合金: 能在高于能在高于700oC條件下工作的金屬條件下工作的金屬合金。合金?！澳蜔崮蜔帷笔侵覆牧显诟邷叵履鼙３肿銐驈?qiáng)度是指材料在高溫下能保持足夠強(qiáng)度和良好的抗氧化性。通常是由第和良好的抗氧化性。通常是由第BB和和族高族高熔點(diǎn)金屬形成熔點(diǎn)金屬形成, 包括鐵基包括鐵基, 鎳基鎳基, 鈷基鈷基,鈮基和鎢基等鈮基和鎢基等合金。廣泛應(yīng)用于制造渦輪發(fā)電機(jī)合金。廣泛應(yīng)用于制造渦輪發(fā)電機(jī), 各種燃?xì)廨啓C(jī)各種燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件等。熱端部件等。 （4）耐腐蝕合金）耐腐蝕合金: 抵抗介質(zhì)侵蝕能力比一般金屬材抵抗介質(zhì)侵蝕能力比一般金屬材料更高。料更高。 目前研究的釤鈷目前研究的釤鈷(SmCo5)合金合金

19、, 鑭鑭-鎳鎳(LaNi5)合金合金在常溫下具有良好的可逆吸放氫性能在常溫下具有良好的可逆吸放氫性能. 已經(jīng)成功開(kāi)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)了鎂系發(fā)了鎂系,稀土系稀土系,鈦系鈦系,鋯系貯氫合金等。鋯系貯氫合金等。 鎳鈦記憶合金鎳鈦記憶合金 貯氫合金錠貯氫合金錠耐熱合金耐熱合金 耐腐蝕合金耐腐蝕合金 除金屬以外的無(wú)機(jī)材料統(tǒng)稱無(wú)機(jī)非金屬材料或陶瓷除金屬以外的無(wú)機(jī)材料統(tǒng)稱無(wú)機(jī)非金屬材料或陶瓷材料。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料主要有陶瓷、玻璃、材料。傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四種水泥和耐火材料四種, 化學(xué)組成均為硅酸鹽類化學(xué)組成均為硅酸鹽類, 因此因此無(wú)機(jī)非金屬材料亦稱硅酸鹽材料。無(wú)機(jī)非金屬材料亦

20、稱硅酸鹽材料。 12.3.2 無(wú)機(jī)非金屬材料無(wú)機(jī)非金屬材料（1）復(fù)合材料）復(fù)合材料 例如高純氧化鋁加入少量例如高純氧化鋁加入少量Y2O3和和MgO等等, 特殊燒結(jié)特殊燒結(jié), 可得透明陶瓷。少量可得透明陶瓷。少量Cr2O3與與Al2O3形成固溶體形成固溶體, 稱紅寶稱紅寶石石, 可用作激光材料；氧化鋯可用作激光材料；氧化鋯ZrO2性脆，但加入少量性脆，但加入少量Y2O3和和CaO等可實(shí)現(xiàn)增韌等可實(shí)現(xiàn)增韌, 得到得到“陶瓷鋼陶瓷鋼”；碳化硅；碳化硅 SiC 俗稱俗稱“金剛砂金剛砂”, 可用于制造無(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)?？捎糜谥圃鞜o(wú)冷卻式陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)。 一般按照其使用性能分為如下幾種類型：一般按照其使用性

21、能分為如下幾種類型：各種復(fù)合材料在空客各種復(fù)合材料在空客A380中的應(yīng)用中的應(yīng)用（2）結(jié)構(gòu)陶瓷）結(jié)構(gòu)陶瓷 指具有高硬、高強(qiáng)、耐磨耐蝕、耐高溫和潤(rùn)滑性指具有高硬、高強(qiáng)、耐磨耐蝕、耐高溫和潤(rùn)滑性好等性能好等性能, 用做機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的陶瓷材料。用做機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的陶瓷材料。（3）功能陶瓷）功能陶瓷 指以其固有的特性或通過(guò)各種物理因素作用而顯指以其固有的特性或通過(guò)各種物理因素作用而顯示某種新性能的陶瓷材料。示某種新性能的陶瓷材料。 （4）壓電陶瓷）壓電陶瓷 壓電效應(yīng)指晶體受外力作用而形變壓電效應(yīng)指晶體受外力作用而形變, 同時(shí)在對(duì)應(yīng)同時(shí)在對(duì)應(yīng)兩個(gè)面上產(chǎn)生電荷兩個(gè)面上產(chǎn)生電荷, 晶體帶電的大小與外力成正

22、比。晶體帶電的大小與外力成正比。 具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料主要有具有壓電效應(yīng)的陶瓷材料主要有: 鈦酸鋇系、鈦鈦酸鋇系、鈦酸鉛系和鋯鈦酸鉛系，用于制造各種換能器和傳感酸鉛系和鋯鈦酸鉛系，用于制造各種換能器和傳感器。器。 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷壓電陶瓷元件壓電陶瓷元件用于空氣凈化的納米功能陶瓷用于空氣凈化的納米功能陶瓷 新型有機(jī)高分子材料既有傳統(tǒng)高分子材料的機(jī)械性新型有機(jī)高分子材料既有傳統(tǒng)高分子材料的機(jī)械性能能,又有某些特殊功能的高分子材料又有某些特殊功能的高分子材料.一般按照其使用一般按照其使用性能分為如下幾種類型：性能分為如下幾種類型： （1）高分子分離膜）高分子分離膜 高分子分離膜是用具有特

23、殊分離功能的高分子材料高分子分離膜是用具有特殊分離功能的高分子材料制成的薄膜。它的特點(diǎn)是能夠讓某些物質(zhì)有選擇地通制成的薄膜。它的特點(diǎn)是能夠讓某些物質(zhì)有選擇地通過(guò)，而把另外一些物質(zhì)分離掉。廣泛應(yīng)用于海水淡化、過(guò)，而把另外一些物質(zhì)分離掉。廣泛應(yīng)用于海水淡化、燒堿生產(chǎn)、乳品加工等方面燒堿生產(chǎn)、乳品加工等方面. （2）醫(yī)用高分子材料）醫(yī)用高分子材料 用以制造人體內(nèi)臟、體外器官、藥物劑型及醫(yī)療器用以制造人體內(nèi)臟、體外器官、藥物劑型及醫(yī)療器械的功能高分子聚合物材料。械的功能高分子聚合物材料。 12.3.3 新型有機(jī)高分子材料新型有機(jī)高分子材料高分子分離膜高分子分離膜水溶性高分子材料水溶性高分子材料12.3

24、.4 特殊功能的復(fù)合材料特殊功能的復(fù)合材料 復(fù)合材料大多是以連續(xù)相存在的基體材料和分復(fù)合材料大多是以連續(xù)相存在的基體材料和分散于基體中的增強(qiáng)材料組成。散于基體中的增強(qiáng)材料組成。 基體材料作用是使增強(qiáng)材料粘合成型基體材料作用是使增強(qiáng)材料粘合成型, 且對(duì)承受且對(duì)承受的外力起傳導(dǎo)和分散作用；而增強(qiáng)材料的作用是的外力起傳導(dǎo)和分散作用；而增強(qiáng)材料的作用是能提高材料基本力學(xué)性能能提高材料基本力學(xué)性能. 無(wú)機(jī)納米粒子具有更高的增強(qiáng)增韌效應(yīng)無(wú)機(jī)納米粒子具有更高的增強(qiáng)增韌效應(yīng); 纖維具纖維具有良好的剛性和抗張強(qiáng)度有良好的剛性和抗張強(qiáng)度. 在體系中構(gòu)成復(fù)合材料在體系中構(gòu)成復(fù)合材料的骨架的骨架, 決定材料的剛性和強(qiáng)

25、度。決定材料的剛性和強(qiáng)度。 3k碳纖維布碳纖維布 合金復(fù)合材料合金復(fù)合材料絕緣復(fù)合材料絕緣復(fù)合材料 玻璃纖維增強(qiáng)材料玻璃纖維增強(qiáng)材料 12.3.5 金屬有機(jī)骨架多孔材料金屬有機(jī)骨架多孔材料 金屬有機(jī)骨架多孔材料金屬有機(jī)骨架多孔材料, 是利用金屬離子與有機(jī)配是利用金屬離子與有機(jī)配體絡(luò)合作用而自組裝形成的超分子微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的體絡(luò)合作用而自組裝形成的超分子微孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種類沸石材料一種類沸石材料. 這種多孔骨架材料這種多孔骨架材料, 通過(guò)不同金屬離子與各種剛通過(guò)不同金屬離子與各種剛性橋連有機(jī)配體進(jìn)行絡(luò)合而設(shè)計(jì)與合成出不同孔徑性橋連有機(jī)配體進(jìn)行絡(luò)合而設(shè)計(jì)與合成出不同孔徑的金屬的金屬-有機(jī)骨架有機(jī)骨架

26、, 從而使得從而使得MOPs的結(jié)構(gòu)變化無(wú)窮，的結(jié)構(gòu)變化無(wú)窮，并且可以在有機(jī)配體上帶上諸如并且可以在有機(jī)配體上帶上諸如-Br, -NH2, -OC3H7等修飾基團(tuán)等修飾基團(tuán), 使其可以在選擇性催化、分子識(shí)別、可使其可以在選擇性催化、分子識(shí)別、可逆性主客體分子逆性主客體分子(離子離子)交換、超高純度分離、生物交換、超高純度分離、生物傳導(dǎo)材料、光電材料、磁性材料和芯片等新材料開(kāi)傳導(dǎo)材料、光電材料、磁性材料和芯片等新材料開(kāi)發(fā)中顯示了誘人的應(yīng)用前景。發(fā)中顯示了誘人的應(yīng)用前景。多孔材料多孔材料有機(jī)骨架化合物結(jié)構(gòu)示意圖有機(jī)骨架化合物結(jié)構(gòu)示意圖12.4 新能源與化學(xué)新能源與化學(xué) 12.4.1 新能源的范疇新能

27、源的范疇12.4.2 太陽(yáng)能太陽(yáng)能 12.4.3 生物質(zhì)能生物質(zhì)能 12.4.4 氫能氫能 12.4.5 海洋滲透能海洋滲透能 12.4.6 未來(lái)的幾種與未來(lái)的幾種與 化學(xué)相關(guān)的新能源化學(xué)相關(guān)的新能源 一般地說(shuō)，常規(guī)能源是指技術(shù)上比較成熟且已被大一般地說(shuō)，常規(guī)能源是指技術(shù)上比較成熟且已被大規(guī)模利用的能源，而新能源通常是指尚未大規(guī)模利用、規(guī)模利用的能源，而新能源通常是指尚未大規(guī)模利用、正在積極研究開(kāi)發(fā)的能源。正在積極研究開(kāi)發(fā)的能源。 因此，煤、石油、天然氣以及大中型水電都被看作因此，煤、石油、天然氣以及大中型水電都被看作常規(guī)能源，而把太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、海洋能、現(xiàn)常規(guī)能源，而把太陽(yáng)能、風(fēng)能、地

28、熱能、海洋能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、氫能、核能以及其它清潔能源等作為新代生物質(zhì)能、氫能、核能以及其它清潔能源等作為新能源。能源。 當(dāng)前由于新能源的利用技術(shù)尚不成熟，故只占世界當(dāng)前由于新能源的利用技術(shù)尚不成熟，故只占世界所需總能量的很小部分，今后有很大發(fā)展前途。所需總能量的很小部分，今后有很大發(fā)展前途。 12.4.1 新能源的范疇新能源的范疇 12.4.2 太陽(yáng)能太陽(yáng)能 太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部或者表面的黑子連續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。聚變反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的能量。太陽(yáng)能的主要利用形式有太陽(yáng)能的主要利用形式有太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換以及光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種主太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)

29、換、光電轉(zhuǎn)換以及光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種主要方式。要方式。 利用太陽(yáng)能的方法主要有：太陽(yáng)能電池利用太陽(yáng)能的方法主要有：太陽(yáng)能電池(把光能轉(zhuǎn)把光能轉(zhuǎn)化為電能化為電能)；太陽(yáng)能熱水器；太陽(yáng)能熱水器(把光能轉(zhuǎn)化為熱能把光能轉(zhuǎn)化為熱能).美國(guó)加州南部的太陽(yáng)能熱電廠美國(guó)加州南部的太陽(yáng)能熱電廠 生物質(zhì)能生物質(zhì)能(又名生物能源又名生物能源): 是利用有機(jī)物質(zhì)是利用有機(jī)物質(zhì)(例如例如植物等植物等)作為燃料作為燃料, 通過(guò)氣體收集、氣化、燃燒和通過(guò)氣體收集、氣化、燃燒和消化作用等技術(shù)產(chǎn)生能量。其主要來(lái)源有消化作用等技術(shù)產(chǎn)生能量。其主要來(lái)源有: 12.4.3 生物質(zhì)能生物質(zhì)能 德國(guó)云德村沼氣發(fā)電廠德國(guó)云德村沼氣發(fā)電廠 （1

30、）森林能源）森林能源（2）農(nóng)作物秸稈）農(nóng)作物秸稈（3）禽畜糞便）禽畜糞便（4）生活垃圾）生活垃圾 氫能是通過(guò)氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。氫能氫能是通過(guò)氫氣和氧氣反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。氫能是氫的化學(xué)能，氫在地球上主要以化合態(tài)的形式出是氫的化學(xué)能，氫在地球上主要以化合態(tài)的形式出現(xiàn)，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)現(xiàn)，是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，它構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的量的75%，因此蘊(yùn)藏十分豐富，因此蘊(yùn)藏十分豐富. 氫能屬二次能源氫能屬二次能源, 也也是一種完全無(wú)污染的清潔能源。是一種完全無(wú)污染的清潔能源。 工業(yè)上生產(chǎn)氫的方式很多，常見(jiàn)的有水電解制氫、工業(yè)上生產(chǎn)氫的方式很多，常見(jiàn)的有水電解制氫、煤炭氣

31、化制氫、重油及天然氣水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制氫煤炭氣化制氫、重油及天然氣水蒸氣催化轉(zhuǎn)化制氫等。等。 主要問(wèn)題主要問(wèn)題: 不易儲(chǔ)存和生產(chǎn)成本太高不易儲(chǔ)存和生產(chǎn)成本太高. 12.4.4 氫能氫能 利用濃稀溶液之間形成的滲透壓來(lái)利用濃稀溶液之間形成的滲透壓來(lái)推動(dòng)渦輪機(jī)推動(dòng)渦輪機(jī)產(chǎn)生的能量叫滲透能產(chǎn)生的能量叫滲透能. 在江河的入?？谠诮拥娜牒？? 于海水與于海水與淡水之間加入滲透膜淡水之間加入滲透膜, 即可產(chǎn)生滲透壓即可產(chǎn)生滲透壓, 推動(dòng)渦輪推動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能. 海水滲透壓發(fā)電法是一種非常環(huán)保的發(fā)電方式。海水滲透壓發(fā)電法是一種非常環(huán)保的發(fā)電方式。因它是從自然物理過(guò)程中獲得能源，不會(huì)產(chǎn)生任何

32、因它是從自然物理過(guò)程中獲得能源，不會(huì)產(chǎn)生任何污染物。此外，由于海洋與河流是現(xiàn)成的資源，所污染物。此外，由于海洋與河流是現(xiàn)成的資源，所以該法的收集成本相對(duì)較低，比較容易獲得。以該法的收集成本相對(duì)較低，比較容易獲得。 12.4.5 海洋滲透能海洋滲透能 缺點(diǎn)缺點(diǎn): 發(fā)電站的建造成本過(guò)高發(fā)電站的建造成本過(guò)高; 高效、高性能而高效、高性能而又廉價(jià)的薄膜難以獲得又廉價(jià)的薄膜難以獲得 12.4.6 未來(lái)幾種與化學(xué)相關(guān)的新能源未來(lái)幾種與化學(xué)相關(guān)的新能源 未來(lái)與化學(xué)相關(guān)的新能源主要集中在以下幾個(gè)方面未來(lái)與化學(xué)相關(guān)的新能源主要集中在以下幾個(gè)方面（1）可燃冰：是一種甲烷與水結(jié)合在一起的固體化）可燃冰：是一種甲烷與

33、水結(jié)合在一起的固體化合物，它的外型與冰相似，故稱合物，它的外型與冰相似，故稱“可燃冰可燃冰”。（2）煤層氣：煤在形成過(guò)程中由于溫度及壓力增加）煤層氣：煤在形成過(guò)程中由于溫度及壓力增加, 在產(chǎn)生變質(zhì)作用的同時(shí)也釋放出可燃性氣體。在產(chǎn)生變質(zhì)作用的同時(shí)也釋放出可燃性氣體。（3）微生物：利用微生物如甘蔗）微生物：利用微生物如甘蔗, 玉米玉米, 木薯等發(fā)木薯等發(fā)酵產(chǎn)生酒精，酒精燃燒獲得能量酵產(chǎn)生酒精，酒精燃燒獲得能量. 這種酒精又被稱為這種酒精又被稱為“生物汽油生物汽油”. （4）第四代核能源：正反物質(zhì)的核聚變產(chǎn)生高當(dāng)量）第四代核能源：正反物質(zhì)的核聚變產(chǎn)生高當(dāng)量的沖擊波以及光輻射能。利用這種強(qiáng)大的光輻射

34、能的沖擊波以及光輻射能。利用這種強(qiáng)大的光輻射能可轉(zhuǎn)化為熱能或電能可轉(zhuǎn)化為熱能或電能. 可燃冰分布圖可燃冰分布圖可燃冰結(jié)構(gòu)可燃冰結(jié)構(gòu)煤層氣發(fā)電原理圖煤層氣發(fā)電原理圖生物燃料生產(chǎn)過(guò)程生物燃料生產(chǎn)過(guò)程科學(xué)家用藍(lán)細(xì)菌制造生物燃料科學(xué)家用藍(lán)細(xì)菌制造生物燃料核聚變發(fā)電原理圖核聚變發(fā)電原理圖12.5 納米技術(shù)與化學(xué)納米技術(shù)與化學(xué) 12.5.1 納米微粉、超微粒子納米微粉、超微粒子 和和Q態(tài)粒子態(tài)粒子 12.5.2 量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 12.5.3 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 12.5.4 納米材料的制備納米材料的制備 12.5.5 納米材料的表征納米材料的表征 12.5.6 納米技術(shù)的應(yīng)用納米技術(shù)的應(yīng)用12.5

35、.1 納米微粉、超微粒子和納米微粉、超微粒子和Q Q態(tài)粒子態(tài)粒子 納米材料學(xué)是在納米尺寸納米材料學(xué)是在納米尺寸(0.1100nm)范范圍內(nèi)，研究微細(xì)體系的制備、凝聚及其特性圍內(nèi)，研究微細(xì)體系的制備、凝聚及其特性等的學(xué)科。等的學(xué)科。 各種形狀的納米材料各種形狀的納米材料 在宏觀與微觀領(lǐng)域之間，存在著一個(gè)在宏觀與微觀領(lǐng)域之間，存在著一個(gè)“介介觀領(lǐng)域觀領(lǐng)域”，其三維尺寸大小包括了從微米，其三維尺寸大小包括了從微米(1m)、亞微米、亞微米(0.1-1m)、納米、納米(0.1-100nm)到團(tuán)簇尺寸到團(tuán)簇尺寸(從幾個(gè)到幾百個(gè)原則以上尺寸從幾個(gè)到幾百個(gè)原則以上尺寸)的的范圍，它們均出現(xiàn)量子相干現(xiàn)象，這類體

36、系范圍，它們均出現(xiàn)量子相干現(xiàn)象，這類體系統(tǒng)稱為介觀體系，包括團(tuán)簇、納米體系和亞統(tǒng)稱為介觀體系，包括團(tuán)簇、納米體系和亞微米體系。微米體系。 由于介觀物質(zhì)的非同尋常的性質(zhì)與其顆粒大由于介觀物質(zhì)的非同尋常的性質(zhì)與其顆粒大小、尺寸有關(guān)，不同的尺寸顯現(xiàn)出不同的性能。小、尺寸有關(guān)，不同的尺寸顯現(xiàn)出不同的性能。所以在研究納米物質(zhì)中，按其性質(zhì)與顆粒尺度所以在研究納米物質(zhì)中，按其性質(zhì)與顆粒尺度之間的相關(guān)性，一般分為以下三類。之間的相關(guān)性，一般分為以下三類。 納米微粉納米微粉(粒度為幾十至幾百納米粒度為幾十至幾百納米)：當(dāng)化合物的顆粒：當(dāng)化合物的顆粒大小為幾十至幾百納米之間時(shí)，即所謂的微晶狀態(tài)，大小為幾十至幾百納

37、米之間時(shí)，即所謂的微晶狀態(tài)，表面開(kāi)始出現(xiàn)極化效應(yīng)。其主要性能還是表現(xiàn)為宏表面開(kāi)始出現(xiàn)極化效應(yīng)。其主要性能還是表現(xiàn)為宏觀塊材性能，只是表現(xiàn)為比普通宏觀塊分散性要好。觀塊材性能，只是表現(xiàn)為比普通宏觀塊分散性要好。這時(shí)主要用宏觀的理論來(lái)描述它們，有時(shí)要考慮介這時(shí)主要用宏觀的理論來(lái)描述它們，有時(shí)要考慮介觀理論。觀理論。 超微粒子超微粒子(粒度為十至幾十納米粒度為十至幾十納米)：這種顆粒所含原子：這種顆粒所含原子數(shù)為數(shù)為103 105，其表面原子占粒子總原子數(shù)的，其表面原子占粒子總原子數(shù)的20 30%，此時(shí)量子尺寸效應(yīng)越來(lái)越明顯，而表面能，此時(shí)量子尺寸效應(yīng)越來(lái)越明顯，而表面能也越來(lái)越大，表面原子受外部環(huán)

38、境和介質(zhì)的影響也越也越來(lái)越大，表面原子受外部環(huán)境和介質(zhì)的影響也越來(lái)越明顯，必須結(jié)合固體理論和分子軌道理論對(duì)其進(jìn)來(lái)越明顯，必須結(jié)合固體理論和分子軌道理論對(duì)其進(jìn)行研究，還要加上量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)的介觀理行研究，還要加上量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)的介觀理論。論。 Q態(tài)粒子態(tài)粒子(粒度為粒度為0.1至幾個(gè)納米至幾個(gè)納米)：這種顆粒所含：這種顆粒所含原子總數(shù)為原子總數(shù)為102 103，表面原子占粒子總原子數(shù)的，表面原子占粒子總原子數(shù)的50%，這類粒子有人也稱為團(tuán)簇粒子、量子態(tài)粒，這類粒子有人也稱為團(tuán)簇粒子、量子態(tài)粒子等等。與外部介質(zhì)形成了復(fù)雜的弱相互作用、子等等。與外部介質(zhì)形成了復(fù)雜的弱相互作用、雙電子

39、層、甚至共價(jià)鍵、配位鍵等。由于其粒度雙電子層、甚至共價(jià)鍵、配位鍵等。由于其粒度在在0.1至幾個(gè)納米范圍，與至幾個(gè)納米范圍，與Debroglie波長(zhǎng)相近，波長(zhǎng)相近，其能級(jí)分裂十分明顯，顯示出尺寸量子化為主的其能級(jí)分裂十分明顯，顯示出尺寸量子化為主的特點(diǎn)，這時(shí)主要用介觀理論來(lái)描述它們。特點(diǎn)，這時(shí)主要用介觀理論來(lái)描述它們。 12.5.2 量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)邊疆變?yōu)殡x散的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體的電子能級(jí)由準(zhǔn)邊疆變?yōu)殡x散的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被微粒存在不連續(xù)的最高被占

40、據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)、能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子占據(jù)的分子軌道能級(jí)、能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。尺寸效應(yīng)。 當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長(zhǎng)、玻爾半徑以當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長(zhǎng)、玻爾半徑以及電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，達(dá)到及電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，達(dá)到Q態(tài)粒子尺寸，態(tài)粒子尺寸，量子尺寸效應(yīng)十分顯著。與此同時(shí)，大的比表面積量子尺寸效應(yīng)十分顯著。與此同時(shí)，大的比表面積使處于表面積態(tài)的原子、電子與處于小顆粒內(nèi)部的使處于表面積態(tài)的原子、電子與處于小顆粒內(nèi)部的原子、電子的行為產(chǎn)生很大的差異，原子、電子的行為產(chǎn)生很大的差異， 這種表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對(duì)納米微粒的光學(xué)這種表面效應(yīng)

41、和量子尺寸效應(yīng)對(duì)納米微粒的光學(xué)特性有很大的影響，甚至使納米微粒具有同樣材質(zhì)特性有很大的影響，甚至使納米微粒具有同樣材質(zhì)的宏觀大塊物體所不具備的新的光學(xué)特性。這些特的宏觀大塊物體所不具備的新的光學(xué)特性。這些特性主要表現(xiàn)為寬頻帶強(qiáng)吸引、藍(lán)移現(xiàn)象、量子限域性主要表現(xiàn)為寬頻帶強(qiáng)吸引、藍(lán)移現(xiàn)象、量子限域效應(yīng)以及納米微粒的發(fā)光效應(yīng)等等。效應(yīng)以及納米微粒的發(fā)光效應(yīng)等等。(1)寬頻帶強(qiáng)吸收寬頻帶強(qiáng)吸收:當(dāng)微粒的尺寸減小到納米級(jí)時(shí)各當(dāng)微粒的尺寸減小到納米級(jí)時(shí)各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色種金屬納米微粒幾乎都呈黑色,它們對(duì)可見(jiàn)光的反它們對(duì)可見(jiàn)光的反射率射率 極低極低.在紅外光場(chǎng)作用下在紅外光場(chǎng)作用下,它們對(duì)紅外吸收

42、的頻它們對(duì)紅外吸收的頻率存在一個(gè)較寬的分布率存在一個(gè)較寬的分布, 即吸收帶寬化。即吸收帶寬化。 (2)藍(lán)移現(xiàn)象：納米微粒的吸收帶普遍存在藍(lán)移現(xiàn)象：納米微粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移藍(lán)移”現(xiàn)象，即吸收帶向短波方向移動(dòng)?，F(xiàn)象，即吸收帶向短波方向移動(dòng)。 (3)納米微粒的發(fā)光：當(dāng)納米微粒的尺寸小到一定值納米微粒的發(fā)光：當(dāng)納米微粒的尺寸小到一定值時(shí)可在一定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)光。時(shí)可在一定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)光。 12.5.3 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 納米微粒尺寸小納米微粒尺寸小, 表面能高表面能高, 位于表面的原子占相位于表面的原子占相當(dāng)大的比例當(dāng)大的比例. 隨著粒徑的減小隨著粒徑的減小,表面原子數(shù)迅速增加表面原子數(shù)迅

43、速增加.這些原子配位不足這些原子配位不足, 具有高的活性具有高的活性, 極不穩(wěn)定極不穩(wěn)定, 很容易很容易與其他原子結(jié)合與其他原子結(jié)合, 表現(xiàn)出明顯的表面效應(yīng)表現(xiàn)出明顯的表面效應(yīng). 基于半導(dǎo)體納米微粒量子尺基于半導(dǎo)體納米微粒量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，半導(dǎo)體納寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，半導(dǎo)體納米粒子在發(fā)光材料、非線性光米粒子在發(fā)光材料、非線性光學(xué)材料、光敏感傳感器材料、學(xué)材料、光敏感傳感器材料、光催化材料等方面也具有廣闊光催化材料等方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。的應(yīng)用前景。 ABDCE單一立方結(jié)構(gòu)晶單一立方結(jié)構(gòu)晶粒的二維平面圖粒的二維平面圖 12.5.4 納米材料的制備納米材料的制備 12.5.5 納米材料的表

44、征納米材料的表征（1）納米材料的尺寸評(píng)估）納米材料的尺寸評(píng)估 描述納米微粒尺寸、顆粒度的物理量有晶粒、一次描述納米微粒尺寸、顆粒度的物理量有晶粒、一次顆粒、團(tuán)聚體以及二次顆粒。測(cè)量納米顆粒的粒徑方顆粒、團(tuán)聚體以及二次顆粒。測(cè)量納米顆粒的粒徑方法常用的有透視電鏡觀察法、掃描隧道顯微鏡觀察法、法常用的有透視電鏡觀察法、掃描隧道顯微鏡觀察法、X-射線衍射線線寬法等等。射線衍射線線寬法等等。 （2）元素分析）元素分析 不同化學(xué)元素組成的納米顆粒，通過(guò)元素分析可以不同化學(xué)元素組成的納米顆粒，通過(guò)元素分析可以確定其組成。確定其組成。 （4）光譜分析：紅外光譜）光譜分析：紅外光譜, 紫外紫外-可見(jiàn)光譜可見(jiàn)光

45、譜, 熒光光譜熒光光譜 （3）X-射線單晶四圓衍射分析射線單晶四圓衍射分析12.5.6 納米技術(shù)的應(yīng)用納米技術(shù)的應(yīng)用（1）納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用）納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用 （2） 納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用 （3）納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用）納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用 （4）納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用）納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用 （5）納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用）納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用 （6）納米技術(shù)在醫(yī)藥上的應(yīng)用）納米技術(shù)在醫(yī)藥上的應(yīng)用 用納米印刷技術(shù)形用納米印刷技術(shù)形成的納米柱結(jié)構(gòu)成的納米柱結(jié)構(gòu)水溶性納米陶瓷涂料水溶性納米陶瓷涂料金屬硫化物納米材料在納米生物

46、醫(yī)學(xué)、光金屬硫化物納米材料在納米生物醫(yī)學(xué)、光電器件、催化等前沿領(lǐng)域應(yīng)用廣泛電器件、催化等前沿領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 12.6 核化學(xué)與核能核化學(xué)與核能 12.6.1 核的穩(wěn)定性核的穩(wěn)定性 12.6.2 放射性物質(zhì)放射性物質(zhì)12.6.3 核反應(yīng)核反應(yīng)12.6.4 核反應(yīng)堆核反應(yīng)堆12.6.5 核能的應(yīng)用與特點(diǎn)核能的應(yīng)用與特點(diǎn)12.6.1 核的穩(wěn)定性核的穩(wěn)定性 核化學(xué)是用化學(xué)或化學(xué)與物理相結(jié)合的方法研究核化學(xué)是用化學(xué)或化學(xué)與物理相結(jié)合的方法研究原子核原子核(穩(wěn)定性和放射性穩(wěn)定性和放射性)的反應(yīng)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、分的反應(yīng)、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、分離、鑒定等的一門(mén)學(xué)科。離、鑒定等的一門(mén)學(xué)科。 不穩(wěn)定的原子核能自發(fā)地發(fā)射某種射

47、線而衰變，不穩(wěn)定的原子核能自發(fā)地發(fā)射某種射線而衰變，變成穩(wěn)定的原子核；或者自發(fā)地分裂成兩個(gè)變成穩(wěn)定的原子核；或者自發(fā)地分裂成兩個(gè)(少數(shù)少數(shù)情況下可分裂成三個(gè)或更多情況下可分裂成三個(gè)或更多)質(zhì)量相近的原子核質(zhì)量相近的原子核(裂裂變變) 而變成穩(wěn)定的原子核。而變成穩(wěn)定的原子核。 原子核的穩(wěn)定性可用其結(jié)合能來(lái)衡量原子核的穩(wěn)定性可用其結(jié)合能來(lái)衡量. 核子結(jié)合成核子結(jié)合成原子核時(shí)發(fā)生了質(zhì)量虧損原子核時(shí)發(fā)生了質(zhì)量虧損,相應(yīng)的能量即為原子核的相應(yīng)的能量即為原子核的結(jié)合能結(jié)合能.原子核的結(jié)合能除以組成該原子核的核子總原子核的結(jié)合能除以組成該原子核的核子總數(shù)數(shù),就得到了每個(gè)核子在原子核中的平均結(jié)合能就得到了每個(gè)

48、核子在原子核中的平均結(jié)合能. 按原子核是否穩(wěn)定，可把核素分為穩(wěn)定性核素和按原子核是否穩(wěn)定，可把核素分為穩(wěn)定性核素和放射性核素兩類。一種元素的原子核自發(fā)地放出某放射性核素兩類。一種元素的原子核自發(fā)地放出某種射線而轉(zhuǎn)變成別種元素的原子核的現(xiàn)象，稱作放種射線而轉(zhuǎn)變成別種元素的原子核的現(xiàn)象，稱作放射性衰變。射性衰變。 平均結(jié)合能越大，核的穩(wěn)定性越強(qiáng)。原子核越難平均結(jié)合能越大，核的穩(wěn)定性越強(qiáng)。原子核越難被分解成單個(gè)的粒子。被分解成單個(gè)的粒子。 原子能的釋放就是使平均結(jié)合能低的核素轉(zhuǎn)變?yōu)樵幽艿尼尫啪褪鞘蛊骄Y(jié)合能低的核素轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄Y(jié)合能高的核素平均結(jié)合能高的核素. 在轉(zhuǎn)變過(guò)程中在轉(zhuǎn)變過(guò)程中,增加的結(jié)合能

49、增加的結(jié)合能被釋放了出來(lái)被釋放了出來(lái). 有兩種方法能達(dá)到這一目的：第一有兩種方法能達(dá)到這一目的：第一種方法是利用重核分裂成兩個(gè)質(zhì)量相等的核種方法是利用重核分裂成兩個(gè)質(zhì)量相等的核, 例如例如,鈾或钚反應(yīng)堆能量的獲得就屬于此類鈾或钚反應(yīng)堆能量的獲得就屬于此類; 另一類方法另一類方法是將兩個(gè)或數(shù)個(gè)輕的核聚合成一個(gè)較重的核是將兩個(gè)或數(shù)個(gè)輕的核聚合成一個(gè)較重的核,如如21H和和31H相互作用產(chǎn)生相互作用產(chǎn)生42He和中子并釋放出能量。和中子并釋放出能量。 12.6.2 放射性物質(zhì)放射性物質(zhì) 放射性物質(zhì)是指由能發(fā)生放射性衰變放射性物質(zhì)是指由能發(fā)生放射性衰變的核素的核素(稱放射性同位素稱放射性同位素)組成的

50、物質(zhì)。其組成的物質(zhì)。其國(guó)際通用標(biāo)志見(jiàn)圖國(guó)際通用標(biāo)志見(jiàn)圖 天然放射性是指天然存在的某些物質(zhì)所具有的能自天然放射性是指天然存在的某些物質(zhì)所具有的能自發(fā)地放射出發(fā)地放射出或或或或射線的性質(zhì)。射線的性質(zhì)。 人工放射性是指利用反應(yīng)堆的中子流和加速器的人工放射性是指利用反應(yīng)堆的中子流和加速器的高能帶電粒子流，人為制備的放射性核素。高能帶電粒子流，人為制備的放射性核素。 放射性物質(zhì)有放射性物質(zhì)有3個(gè)特點(diǎn)：個(gè)特點(diǎn)：（1）放射性）放射性 （2）不穩(wěn)定性）不穩(wěn)定性 （3）低濃度和微量）低濃度和微量 12.6.3 核反應(yīng)核反應(yīng) 核反應(yīng)是指入射粒子核反應(yīng)是指入射粒子(或原子核或原子核)與原子核與原子核(稱靶核稱靶核)

51、碰撞導(dǎo)致原子核狀態(tài)發(fā)生變化或形成新核的過(guò)程碰撞導(dǎo)致原子核狀態(tài)發(fā)生變化或形成新核的過(guò)程. 反反應(yīng)前后的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、質(zhì)量、電荷與宇稱應(yīng)前后的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量、質(zhì)量、電荷與宇稱都必須守恒。都必須守恒。 對(duì)于穩(wěn)定的原子核來(lái)說(shuō)對(duì)于穩(wěn)定的原子核來(lái)說(shuō), 通常導(dǎo)致其發(fā)生化學(xué)和通常導(dǎo)致其發(fā)生化學(xué)和物理變化的能量不足以引發(fā)核反應(yīng)物理變化的能量不足以引發(fā)核反應(yīng), 而要使穩(wěn)定的而要使穩(wěn)定的原子核發(fā)生核反應(yīng)原子核發(fā)生核反應(yīng), 需要有極高的能量輸入需要有極高的能量輸入, 如高能如高能粒子轟擊等粒子轟擊等. 核反應(yīng)是宇宙中早已普遍存在的極為重要的自然核反應(yīng)是宇宙中早已普遍存在的極為重要的自然現(xiàn)象現(xiàn)象, 宇宙射線每

52、時(shí)每刻都在地球上引起核反應(yīng)宇宙射線每時(shí)每刻都在地球上引起核反應(yīng). 現(xiàn)現(xiàn)今存在的化學(xué)元素除氫以外都是通過(guò)天然核反應(yīng)合今存在的化學(xué)元素除氫以外都是通過(guò)天然核反應(yīng)合成的成的. 12.6.3.1 核反應(yīng)的原理核反應(yīng)的原理 在核反應(yīng)中，用于轟擊原子核的粒子稱為入射粒子在核反應(yīng)中，用于轟擊原子核的粒子稱為入射粒子或轟擊粒子，被轟擊的原子核稱為靶核，核反應(yīng)發(fā)或轟擊粒子，被轟擊的原子核稱為靶核，核反應(yīng)發(fā)射的粒子稱為出射粒子，反應(yīng)生成的原子核稱為剩射的粒子稱為出射粒子，反應(yīng)生成的原子核稱為剩余核或產(chǎn)物核。入射粒子余核或產(chǎn)物核。入射粒子a轟擊靶核轟擊靶核A，發(fā)射出射粒，發(fā)射出射粒子子b并生成剩余核并生成剩余核B的

53、核反應(yīng)可用以下方程式表示：的核反應(yīng)可用以下方程式表示： A+aB+b 或簡(jiǎn)寫(xiě)為：或簡(jiǎn)寫(xiě)為： A(a,b)B 只有滿足質(zhì)量數(shù)、電荷、能量、動(dòng)量、角動(dòng)量和宇只有滿足質(zhì)量數(shù)、電荷、能量、動(dòng)量、角動(dòng)量和宇稱等守恒條件，核反應(yīng)才能發(fā)生。核反應(yīng)過(guò)程總是稱等守恒條件，核反應(yīng)才能發(fā)生。核反應(yīng)過(guò)程總是伴隨著能量的吸收或釋放，前者稱為吸能反應(yīng)，反伴隨著能量的吸收或釋放，前者稱為吸能反應(yīng)，反者稱為放能反應(yīng)。者稱為放能反應(yīng)。 12.6.3.2 核反應(yīng)的分類核反應(yīng)的分類 核反應(yīng)通?？煞譃樗念悾核プ?、粒子轟擊、裂變核反應(yīng)通?？煞譃樗念悾核プ儭⒘Ｗ愚Z擊、裂變和聚變。前者為自發(fā)發(fā)生的核轉(zhuǎn)變，后三種為人工和聚變。前者為自發(fā)發(fā)生的核轉(zhuǎn)變，后三種為人工核反應(yīng)核反應(yīng)(即用人工方法進(jìn)行的非自發(fā)核反應(yīng)即用人工方法進(jìn)行的非自發(fā)核反應(yīng))。 （1）衰變）衰變: 衰變亦稱衰變亦稱“蛻蛻變變”, 指放射性元素放射出指放射性元素放射出粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素粒子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的過(guò)程的過(guò)程. 由不穩(wěn)定原子核發(fā)由不穩(wěn)定原子核發(fā)射出來(lái)的輻射可以是射出來(lái)的輻射可以是粒子、粒子、粒子、粒子、射線或中子。射線或中子。 離子離子-介子介子-電子衰變鏈實(shí)電子衰變鏈實(shí)驗(yàn)驗(yàn)（2）粒子轟擊）粒子轟擊: 粒子轟擊是指用粒子轟擊是指用高速的粒子高速的粒子(如質(zhì)子、中