大學化學教程10化學與材料

大學化學教程10化學與材料第一頁，共68頁。

第一節(jié)金屬材料?黑色金屬材料?有色金屬材料鐵、錳、鉻以及它們的合金，應用最廣除黑色金屬以外的其他各種金屬及其合金第二頁，共68頁。

金屬材料輕金屬稀土金屬重金屬第三頁，共68頁。

金屬材料的性質(zhì)金屬的一般性質(zhì)與自由電子的存在密切相關。●金屬具有光澤，不透明；●導電性和傳熱性都非常好；●有優(yōu)異的延展性。第四頁，共68頁。

金屬材料的性質(zhì)純金屬的強度較低，工業(yè)上用的大多是合金。★兩種或兩種以上金屬經(jīng)高溫熔融后冷卻得到，也可以由金屬元素和非金屬元素組成，如碳鋼★合金品種繁多，性能各異。如不銹鋼，鋼中加入一定量的鉻；

有色金屬的合金，主要有鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、鎳合金和鋅合金等。第五頁，共68頁。鋁合金制備金屬鋁常用電解法。Al2O3是非常穩(wěn)定的化合物。在高溫下對熔融的氧化鋁進行電解，其反應如下：?金屬鋁的強度和彈性模量較低，硬度和耐磨性較差?鎂、銅、鋅、錳、硅等元素與鋁形成合金后，不但提高了強度，而且還具有良好的塑性和壓力加工性能。?鋁合金強度高、相對密度小、易成型，廣泛用于飛機制造業(yè)、汽車工業(yè)及建筑業(yè)。第六頁，共68頁。形狀記憶合金?將變形的合金加熱到相變溫度時，發(fā)生相轉(zhuǎn)變而完全恢復原來的形狀。?最早研究成功的形狀記憶合金是Ni-Ti合金，可靠性強、功能好，但價格高。?銅基形狀記憶合金加Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni，鐵基形狀記憶合金。第七頁，共68頁。應用航空航天領域：人造衛(wèi)星上龐大的天線可以用記憶合金制作。發(fā)射之前，將拋物面天線折疊起來裝進衛(wèi)星體內(nèi)，火箭升空把人造衛(wèi)星送到預定軌道后，只需加溫自然展開，恢復拋物面形狀。臨床醫(yī)療領域：如人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器等。消防報警裝置及電器設備的保安裝置。當發(fā)生火災時,記憶合金制成的彈簧發(fā)生形變，啟動消防報警裝置。還可以把用記憶合金制成的彈簧放在暖氣的閥門內(nèi)，當溫度過低或過高時，自動開啟或關閉暖氣的閥門。

第八頁，共68頁。貯氫合金?原理：利用合金與氫形成氫化物而把氫貯存起來。?要求貯氫量大；金屬氫化物既容易形成，稍稍加熱又容易分解；室溫下吸、放氫的速度快；使用壽命長和成本低。?目前正在研究開發(fā)的貯氫合金主要有：鎂系貯氫合金如MgH2,Mg2Ni等；稀土系貯氫合金如LaNi5；鈦系貯氫合金如TiH2,TiMn1.5。?應用：氫動力汽車的試驗已獲得成功。在氫的回收、分離、凈化等方面第九頁，共68頁。

第二節(jié)無機非金屬材料?單晶Si、單質(zhì)C?礬土Al2O3?陶瓷第十頁，共68頁。

陶瓷材料?傳統(tǒng)的陶瓷材料是以硅和鋁的氧化物為主的硅酸鹽材料，新近發(fā)展起來的特種陶瓷或稱精細陶瓷，成分擴展到純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，?按使用性能分為：結構陶瓷和功能陶瓷第十一頁，共68頁。

結構陶瓷材料?優(yōu)點：耐高溫、高強度、高硬度、耐磨損、抗腐蝕等?應用：能源技術、宇航技術、超導技術等現(xiàn)代科學技術需要大量特殊性能的新材料?實例：透明陶瓷、耐高溫陶瓷第十二頁，共68頁。高溫陶瓷?優(yōu)點：工作溫度穩(wěn)定在1300℃左右，熱效率大幅度提高；發(fā)動機可減輕汽車的質(zhì)量?應用：汽車發(fā)動機、航天航空?陶瓷發(fā)動機的材料選用氮化硅，它的機械強度高、硬度高、熱膨脹系數(shù)低、導熱性好、化學穩(wěn)定性高第十三頁，共68頁。透明陶瓷?一般陶瓷不透明的原因：內(nèi)部存在有雜質(zhì)和氣孔，前者能吸收光，后者令光產(chǎn)生散射。?選用高純原料，并通過工藝手段排除氣孔?早期透明陶瓷是氧化物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯等?近期研制出非氧化物透明陶瓷：砷化鎵（GaAs）、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅（ZnSe）、氟化鎂(MgF2)等。?強度、硬度都高于普通玻璃，耐磨損、耐劃傷，可制造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。第十四頁，共68頁。

功能陶瓷材料?定義：以聲、光、電、磁、熱和力學性能及其相互轉(zhuǎn)化為主要特征的材料?應用：能源開發(fā)、空間技術、生物技術、計算機技術、電子通訊、信息處理等方面?實例：壓電陶瓷、高溫超導陶瓷、敏感陶瓷、生物功能陶瓷等。第十五頁，共68頁。

高溫超導陶瓷超導電性：1911年發(fā)現(xiàn)汞（水銀）在4.2k附近電阻突然降為零在一定溫度下具有超導電性的物體稱為超導體。

合金Tc/k合金Tc/k合金Tc/kV3Si17.0Nb3Al18.8Nb3(Al0.75Ge0.25)21.0V3Ga16.8Nb3Sn18.1Nb3Ge23.2目前新的超導氧化物系列不斷涌現(xiàn)，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它們的超導轉(zhuǎn)變溫度超過了120K。

第十六頁，共68頁。

高溫超導陶瓷C60與堿金屬作用形成AxC60(A－鉀、銣、銫等)是超導體，轉(zhuǎn)變溫度比金屬合金高。?金屬氧化物超導體屬二維超導。而AxC60則屬三維超導。超導體Tc/k超導體Tc/kK3C60

19Rb2CsC60

30Rb3C60

28RbCs2C60

33Cs3C60

30

（1）超導材料輸電發(fā)電站（2）超導發(fā)電機，線圈不會發(fā)熱，無冷卻難題，而且功率損失可減少50%（3）磁力懸浮高速列車的超導磁體第十七頁，共68頁。

生物功能陶瓷?應用：人體器官和組織的修復或再造氧化鋁陶瓷可做成假牙，還可做人工關節(jié)ZrO2陶瓷的強度、斷裂韌性和耐磨性更好，可用以制造牙根、骨和股關節(jié)等。人工合成羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]與骨的生物相容性好，可用于頜骨、耳聽骨修復等。?陶瓷材料最大的弱點是性脆，韌性不足。第十八頁，共68頁。

第三節(jié)有機高分子材料1.高分子化合物概述2.高分子化合物的結構3.高分子化合物的性能4.重要的高分子化合物第十九頁，共68頁。高分子化合物概述（1）基本概念高分子化合物——相對分子量特別大的一類化合物，簡稱高分子或聚合物

低分子化合物高分子化合物原子數(shù)目：幾個~幾十個幾千~幾萬或幾十萬相對分子質(zhì)量：＜1000104~106?天然高分子，如淀粉、纖維素、棉、麻絲、毛，人體中的蛋白質(zhì)、糖類、核酸等也是天然高分子。?用化學方法合成的高分子稱為合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺（尼龍）等都是常用的合成高分子材料。

第二十頁，共68頁。合成高分子簡寫：—CH2—CH—nCl鏈節(jié)——重復的結構單元聚合度——鏈節(jié)的數(shù)目單體——合成高分子所用的低分子原料組成：聚氯乙烯nCH2=CH→···—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—···ClClClCl第二十一頁，共68頁。（2）高分子化合物的分類及命名

1）分類

按材料的性能和用途分類塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑、功能高分子等。按聚合物分子結構分類碳鏈聚合物：大分子主鏈全部由碳原子組成。如，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。雜鏈聚合物：大分子主鏈上除碳原子外，還有氧、硫、氮等元素。如，聚酯、聚醚、聚酰胺、聚胺酯元素有機聚合物：大分子主鏈上沒有碳原子，由硅、硼、鋁、氧、氮、硫等元素組成，但側基由有機基團組成。如，有機硅橡膠、有機硅樹脂。按聚合物的熱行為分類熱塑性聚合物：加熱變軟，冷卻變硬。熱固性聚合物：加熱時，其化學結構發(fā)生變化，形成不溶解、不熔化的固體。第二十二頁，共68頁。2）聚合物的命名天然高分子，一般按來源和性質(zhì)有專有名詞。如纖維素、蛋白質(zhì)等。合成高分子，是在單體名稱前冠以“聚”字。由兩種單體縮聚而成的聚合物，如果結構比較復雜或不太明確，往往在單體名稱后加上“樹脂”二字來命名。第二十三頁，共68頁。聚合物的通俗名稱、商品名稱及簡寫代號通俗名稱商品名稱簡寫代號聚氯乙烯氯綸PVC聚丙烯丙綸PP

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS樹脂ABS聚對苯二甲酸乙二酯滌綸PET

聚甲基丙烯酸甲酯有機玻璃PMMA聚丙烯腈腈綸PAN

第二十四頁，共68頁。3.2高分子化合物的結構（1）線型長鏈狀（不帶支鏈的、帶支鏈）特點：1）分子鏈柔順，易卷曲。2）彈性好，塑性好，硬度、脆性較小。3）具有溶、熔性，易于加工。如：合成纖維、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。（2）體型：線型或支鏈型之間以化學鍵交聯(lián)而成。特點：1）彈性、塑性差，硬度、脆性較大。2）不具有溶、熔性。如：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、離子交換樹脂等。第二十五頁，共68頁。3.3高分子化合物的特性短程有序

高分子不容易形成完整的晶體。在局部范圍內(nèi)，分子鏈有可能排列整齊，形成結晶態(tài)。不均一性不同聚合度的高分子的混合物，無法確定高分子的分子量。只是統(tǒng)計平均結果。第二十六頁，共68頁。具有熱塑性、熱固性、絕緣性、相對密度小、比強度高等特殊的性能。特點第二十七頁，共68頁。化學穩(wěn)定性與老化老化——高聚物及其材料在加工、貯存和使用過程中，長期受化學和物理(熱、光、電、機械等)以及生物(霉菌)因素的綜合影響，發(fā)生裂解或交聯(lián)，導致性能變壞的現(xiàn)象。例如，塑料制品變脆、橡膠龜裂、油漆發(fā)粘等。1）交聯(lián)反應——在分子鏈之間形成化學鍵，使大分子從線型結構轉(zhuǎn)變成體型結構的過程。2）裂解反應（降解反應）——指大分子斷鏈變?yōu)樾》肿拥倪^程。例：橡膠氧化裂解第二十八頁，共68頁。重要的高分子材料?通用高分子塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑?功能高分子第二十九頁，共68頁。塑料

?塑料是在一定的溫度和壓力下可塑制成型的合成高分子材料。?分為熱塑性塑料和熱固性塑料。第三十頁，共68頁。聚乙烯

?不同的反應條件下可得到不同性能的聚乙烯。?若選擇0.2~1.5MPa低壓聚合，用Ziegler-Natta催化劑，得到的產(chǎn)品是線型高分子，排列比較規(guī)整、緊密，可做桶、瓶、管、棒等塑料制品，。?若在150MPa高壓下用自由基引發(fā)聚合，得到的產(chǎn)品支鏈化程度較高，結晶度、密度降低，又稱低密度聚乙烯?？勺鍪称钒b袋、奶瓶等軟塑料制品。第三十一頁，共68頁。工程塑料

?要求有優(yōu)良的機械性能、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性。?聚甲醛的力學、機械性能與銅、鋅相似，用它做汽車上的軸承，使用壽命比金屬的長一倍。?聚碳酸酯不但可以代替某些金屬，還可代替玻璃、木材和合金等，做各種儀器的外殼、自行車車架、飛機的擋風玻璃和高級家具等。第三十二頁，共68頁。特種塑料

?是在高溫、腐蝕或高輻射等特殊條件下使用的塑料，它們主要用在尖端技術設備上。?例如聚四氟乙烯具有優(yōu)異的絕緣性能，抗腐蝕性好，能耐高溫和低溫，可在-200~250℃范圍內(nèi)長期使用，在宇航、冷凍、化工、電器、醫(yī)療器械等工業(yè)部門都有廣泛的應用。第三十三頁，共68頁。合成纖維

?合成高分子為原料，通過拉絲工藝獲得。?聚酯（滌綸）、聚酰胺（尼龍、錦綸）、聚丙烯腈（腈綸），占世界合成纖維總產(chǎn)量度90%以上。?聚乙烯醇縮甲醛（維綸）、聚丙烯（丙綸）、聚氯乙烯（氯綸）等。?天然高分子纖維素或蛋白質(zhì)為原料?粘膠纖維（人造棉）、醋酸纖維（人造絲）等棉、麻、絲、毛人造纖維合成纖維纖維天然纖維化學纖維第三十四頁，共68頁。聚酯纖維?主要用于織衣料，也可做運輸帶、輪胎簾子線、過濾布、纜繩、漁網(wǎng)等。?滌綸的分子鏈結構中含有酯基，這類剛性基團的存在，使分子排列規(guī)整、緊密，不易變形，受力形變后也易恢復，這是滌綸抗皺性好的原因。第三十五頁，共68頁。聚酰胺纖維

?最常見的是尼龍-6和尼龍-66。?主要用于制做漁網(wǎng)、降落傘、宇航飛行服、絲襪及針織內(nèi)衣等。?特點是強度大，彈性好，耐磨性好。聚酰胺分子鏈中存在酰胺基，分子鏈間的酰胺基可以通過氫鍵作用，使分子鏈之間的作用力大為加強，保證了織物的強度。第三十六頁，共68頁。合成橡膠?橡膠分天然橡膠和合成橡膠。?天然橡膠僅占15%左右，其余都是合成橡膠。?合成橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。第三十七頁，共68頁。通用橡膠

第三十八頁，共68頁。特種橡膠?特殊的性質(zhì)，如耐高溫、耐低溫、耐油、耐化學腐蝕和具有高彈性等。?硅橡膠是以硅氧原子取代主鏈中的碳原子，它柔軟、光滑，能耐高溫，適宜做醫(yī)用制品。?氟硅橡膠是將氟原子引入硅橡膠中，是一種耐高、低溫的高彈性材料。丁腈橡膠和聚硫橡膠耐油性好。?許多合成橡膠是線型高分子，具有可塑性，但強度低，回彈力差，容易產(chǎn)生永久變形。若加入硫磺與橡膠分子作用，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結構，使橡膠失去塑性，同時獲得高彈性。反應如下：第三十九頁，共68頁。功能高分子

?具有光、電、磁、化學、生物、醫(yī)學等方面的功能的高分子第四十頁，共68頁。導電高分子

?70年代人們合成了聚乙炔，發(fā)現(xiàn)它有導電性能。?聚乙炔是一種雙鍵、單鍵間隔連接的線型高分子，分子中存在共軛π鍵體系，π電子可以在整個共軛體系中自由流動，因此可以導電。若將碘摻雜到聚乙炔中，導電率會大幅度提高。?聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有導電性，導電高分子材料引起人們的重視。?用導電塑料做成的電池已進入市場，硬幣大小，一個電極是金屬鋰，另一個電極是聚苯胺導電塑料，電池可多次重復充電使用，工作壽命長。第四十一頁，共68頁。導電高分子

?由于固態(tài)電容采用導電性高分子產(chǎn)品作為介電材料，通電后不致于發(fā)生爆炸的現(xiàn)象；同時它為固態(tài)產(chǎn)品，不存在由于受熱膨脹導致爆裂的情況。第四十二頁，共68頁。醫(yī)用高分子

某些合成高分子與人體器官組織的天然高分子有著極其相似的化學結構和物理性能，因此用高分子材料做成的人工器官具有很好的生物相容性，不會因與人體接觸而產(chǎn)生排斥和其他作用。

第四十三頁，共68頁。第四節(jié)復合材料?合成高分子材料、金屬材料和無機非金屬材料各有其長處和短處，如果將這三類不同的材料通過復合工藝組成新的復合材料，它既能保持原來材料的長處，又能彌補短處。?按增體的形狀分類，復合材料可分為：顆粒增強復合材料、夾層增強復合材料和纖維增強復合材料。?目前發(fā)展較快、應用較廣的是纖維增強復合材料

第四十四頁，共68頁。碳纖維增強塑料

?目前制備碳纖維的方法是將聚丙烯腈合成纖維在200~300℃的空氣中使其氧化，然后在1000~1500℃的惰性氣體中碳化，即可得到強度很高的碳纖維。?碳纖維增強塑料可以根據(jù)使用溫度的不同選擇不同的樹脂基體。如環(huán)氧樹脂使用溫度150~200℃；聚雙馬來酰亞胺為200~250℃；而聚酰亞胺在300℃以上。?應用于制造航天飛行器外殼或火箭噴管的耐燒蝕材料、新一代的運動器材如羽毛球拍、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、滑雪杖、滑雪板等第四十五頁，共68頁。碳纖維增強塑料

?除了碳纖維外，作為纖維增強材料還有玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和芳綸纖維等。

纖維增強復合聚烯烴材料第四十六頁，共68頁。碳纖維增強金屬?碳纖維增強鋁具有耐高溫、耐熱疲勞、耐紫外線和耐潮濕等性能，適合于在航空、航天領域中做飛機的結構材料。?硼纖維增強鋁也用于空間技術和軍事方面。?碳化硅纖維增強鋁比鋁輕10%，強度高10%，剛性高一倍，具有更好的化學穩(wěn)定性、耐熱性和高溫抗氧化性。主要用于汽車工業(yè)和飛機制造業(yè)。用碳化硅纖維增強鈦做成的板材和管材已用來制造飛機垂尾、導彈殼體和空間部件。第四十七頁，共68頁。碳纖維增強陶瓷?隨著對高溫高強材料的要求愈來愈高，人們轉(zhuǎn)向研制陶瓷基復合材料。纖維增強陶瓷可以增強陶瓷的韌性，這是解決陶瓷脆性的途徑之一。?基體陶瓷大體有Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，Si3N4，SiC等。增強材料有碳纖維、碳化硅纖維和碳化硅晶須。?纖維增強陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接劑貼在航天飛機機身上，使航飛機能安全地穿越大氣層回到地球上。第四十八頁，共68頁。第五節(jié)納米材料納米與納米技術用什么儀器看納米碳納米球納米技術的應用第四十九頁，共68頁。納米與納米技術納米是一種計量單位，1nm=10-9m，人的一根頭發(fā)絲直徑約為6萬個納米納米技術是指在納米尺度范圍內(nèi)，通過直接操縱分子、原子來組裝、創(chuàng)造具有特定功能的新物質(zhì)。納米材料：顆粒小到納米數(shù)量級的物質(zhì)同一種物質(zhì)，因為構造上以納米為單位的變化時，其物理性能和化學性質(zhì)會發(fā)生意想不到的巨變。第五十頁，共68頁?；ǚ凼羌{米級的粒子

粉塵是約300nm的粒子

病毒也是納米級粒子，約30~100nm第五十一頁，共68頁。用什么儀器看納米如果把一個納米粒子放在乒乓球上，相當于把乒乓球放在地球上。掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope）透射電鏡（transmissionelectronmicroscope）掃描電鏡（scanningelectronmicroscope）驚人的分辨率，水平分辨率可達0.1nm第五十二頁，共68頁。移動原子－－世界上最小的廣告

1990年IBM的科學家展示了一項另世人瞠目結舌的成果STM不僅可以得到原子圖像，而且可以將原子在一個位置吸住，再搬運到另一個位置這意味著人類可以操控原子在金屬鎳的表面操控惰性氣體氙原子第五十三頁，共68頁。碳納米球（富勒烯fullerenes）

1996年諾貝爾化學獎，美國Rice大學的Kroto等人在激光汽化石墨實驗中首次發(fā)現(xiàn)，C60和C70，均具有籠形結構。C60中20個正六邊形和12個正五邊形構成圓球形結構，60個頂點分別由60個碳原子所占有又相繼發(fā)現(xiàn)了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94、C120、C180、C540等富勒烯家族成員，C60的豐度約為50%,由于特殊的結構和性質(zhì)，在超導、磁性、光學、催化、材料及生物等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，得到廣泛的應用。第五十四頁，共68頁。富勒烯的應用

超導體有機軟鐵磁體C60(TDAE)0.86四二氨基乙烯軟鐵磁性材料在磁性記憶材料中有重要應用，成本低光學材料C60分子中的電子共軛結構使得它具有良好的光學及非線性光學性能，有望在光計算、光記憶、光信號處理及控制等方面有所應用功能高分子材料生物活性材料利用C60分子的抗輻射性能，將放射性元素置于碳籠內(nèi)注射到癌變部位，能提高放射治療的效力并減少副作用。其它將鋰原子嵌人碳籠內(nèi)有望制成高效能鋰電池。水溶性釓的C60衍生物有望做為新型核磁造影劑．第五十五頁，共68頁。納米材料的妙用

銅是導電的金屬，當尺寸小到幾個納米時，就不導電了；而絕緣的二氧化硅在尺寸減小到幾個到十幾個納米時，電阻大大下降，變得可以導電通常情況下，陶瓷是脆性材料，因而限制了應用，但納米陶瓷卻是韌性材料，在室溫下能彎曲，堅固無比第五十六頁，共68頁。納米材料在環(huán)境中的應用

納米二氧化鈦光催化降解有機物水處理技術具有明顯的優(yōu)勢，無二次污染，除凈度高。具有巨大的比表面積，可將有機物最大限度地吸附在它的表面；具有更強的紫外光吸收能力，因而具有更強的光催化降解能力，快速涂料中加入空氣觸媒，可分解空氣中的有害物質(zhì)自潔玻璃和自潔瓷磚第五十七頁，共68頁。檢測環(huán)境中的鉛納米金與納米銀第五十八頁，共68頁。納米材料在生活中的應用

納米阻燃材料自潔服裝抗菌冰箱第五十九頁，共68頁。納米材料在生物醫(yī)學中的應用

納米機器人是納米生物學中最具有誘惑力的內(nèi)容第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體，可注入人體血管內(nèi)，進行健康檢查和疾病治療。還可以用來進行人體器官的修復工作、作整容手術、從基因中除去有害的ＤＮＡ，或把正常的ＤＮＡ安裝在基因中，使機體正常運行。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置第三代納米機器人將包含有納米計算