第十九堂課-工科化學(xué)

利用螯合劑與某些金屬離子生成有色難溶的螯合物，作為檢驗(yàn)這些離子的特征反應(yīng)。例如丁二肟是Ni2＋的特效試劑，它與Ni作用，生成鮮紅色的二(丁二肟)合鎳內(nèi)配鹽。圖6.14二丁二肟合鎳配合物的結(jié)構(gòu)第一頁第二頁，共25頁。2

電鍍工業(yè)方面在電鍍銅工藝中，一般不直接用CuSO4溶液作電鍍液，而常加入配位劑焦磷酸鉀(K2P2O7)，使形成[Cu(P2O7)2]6-配離子。電鍍液中存在下列平衡：

[Cu(P2O7)2]6ˉ=Cu2++2P2O74－Cu2+的濃度降低，在鍍件(陰極)上Cu的析出電勢(shì)代數(shù)值減小，同時(shí)析出速率也可得到控制，從而有利于得到較均勻、較光滑、附著力較好的鍍層。在電鍍工藝中，為了使金屬離子保持恒定的低濃度水平。一般利用配合物的特性使金屬離子形成配離子。第二頁第三頁，共25頁。3冶金工業(yè)方面用合適的配位體溶液直接把金屬從礦物中浸取出來，再用適當(dāng)?shù)倪€原劑將配合物還原為金屬。也稱為濕法冶金。例如鎳的提?。篘iS+6NH3[Ni(NH3)6]2++S2ˉ[Ni(NH3)4]2++H2Ni(粉)+2NH4++4NH3加壓加壓又如廢舊材料中金的回收4Au+8CNˉ+2H2O+O2→4[Au(CN)2]ˉ+4OHˉ2[Au(CN)2]ˉ+Zn→2Au+[Zn(CN)4]2ˉ第三頁第四頁，共25頁。4生物醫(yī)學(xué)方面例如以Mg2+為中心的大環(huán)配合物葉綠素能進(jìn)行光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能。以Fe2＋為中心的卟啉配合物血紅素能輸送O2，而煤氣中毒是因?yàn)檠t素中的Fe2＋與CO生成了更穩(wěn)定的配合物而失去了運(yùn)輸O2的功能。能固定空氣中N2的植物固氮酶是鐵和鉬蛋白質(zhì)配合物。鉛中毒主要損害神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、造血系統(tǒng)和腎臟。我國兒童鉛中毒比例很高。在醫(yī)藥方面，順鉑[Pt(NH3)2Cl2]具有抗癌的作用，EDTA的鈣鈉鹽是排除人體內(nèi)Hg、Pb、Cd等有毒金屬和U、Th、Pu等放射性元素的高效解毒劑等等。Pb2++[Ca(edta)]2-=[Pb(edta)]2-+Ca2+圖6.15順鉑的結(jié)構(gòu)第四頁第五頁，共25頁。6.6

無機(jī)材料材料是人類賴以生存和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料發(fā)展的歷史反映了人類社會(huì)發(fā)展的文明史。新材料的研究和開發(fā)已被認(rèn)為是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的三大支柱之一。材料的品種繁多，材料的分類方法主要有兩種。根據(jù)用途{結(jié)構(gòu)材料：以強(qiáng)度為特征，如建筑、構(gòu)件功能材料：以光、電、磁、熱等性能為特征的材料化學(xué)組成金屬材料無機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料復(fù)合材料第五頁第六頁，共25頁。6.6.1

金屬和合金材料金屬材料的優(yōu)點(diǎn)：良好的導(dǎo)電、傳熱性、高的機(jī)械強(qiáng)度，較為廣泛的溫度使用范圍，良好的機(jī)械加工性能等。金屬材料的缺點(diǎn)：易被腐蝕和難以滿足高新技術(shù)更高溫度的需要。思考：911事件中紐約世貿(mào)大廈坍塌的原因？合金鋼強(qiáng)度經(jīng)得起12級(jí)臺(tái)風(fēng)、各種龍卷風(fēng)的襲擊，也耐得住地震、雷電或爆炸的侵?jǐn)_。但其優(yōu)良的導(dǎo)熱性，使他經(jīng)不起高溫，整體變軟，促成大廈迅速倒塌。第六頁第七頁，共25頁。1

合金的基本結(jié)構(gòu)類型金屬固溶體一種溶質(zhì)元素（金屬或非金屬）原子溶解到另一種溶劑金屬元素（較大量的）的晶體中形成一種均勻的固態(tài)溶液，這類合金稱為金屬固溶體。金屬固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。例如釩、鉻、錳、鎳和鈷等元素與鐵都能形成置換固溶體；而氫、硼、碳和氮與許多副族金屬元素能形成間隙固溶體。純金屬溶質(zhì)金屬溶劑金屬圖6.16金屬固溶體晶格示意圖置換固溶體間隙固溶體第七頁第八頁，共25頁。金屬化合物當(dāng)合金中加入的溶質(zhì)原子數(shù)量超過了溶劑金屬的溶解度時(shí)，除能形成固溶體外,同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)新的相，這第二相可以是另一種組分的固溶體，而更常見的是形成金屬化合物。金屬化合物種類很多，從組成元素來說可以由金屬元素與金屬元素，也可以由金屬元素和非金屬元素組成。前者如Mg2Pb、CuZn等；后者如硼、碳和氮等非金屬元素與d區(qū)金屬元素形成的化合物，分別稱為硼化物、碳化物、氮化物等。第八頁第九頁，共25頁。碳化物碳能和大多數(shù)元素形成化合物。碳與電負(fù)性比碳小的元素形成的二元化合物，除碳?xì)浠衔锿?，稱為碳化物。離子型碳化物指活潑金屬的碳化物，如碳化鈣(CaC2)，熔點(diǎn)較高(2300℃)，工業(yè)產(chǎn)品叫電石。共價(jià)型碳化物非金屬硅和硼的碳化物，如碳化硅(SiC)、碳化硼(B4C)。熔點(diǎn)高(分別為2827℃、2350℃)、硬度大，為原子晶體。金屬型碳化物由碳與鈦、鋯、釩、鈮、鉭、鉬、鎢、錳、鐵等d區(qū)金屬形成，例如WC、Fe3C等。這類碳化物的共同特點(diǎn)是具有金屬光澤，能導(dǎo)電導(dǎo)熱，熔點(diǎn)高，硬度大，但脆性也大。第九頁第十頁，共25頁。2輕質(zhì)合金輕質(zhì)合金是由鎂、鋁、鈦、鋰等輕金屬形成的合金。主要優(yōu)點(diǎn)是密度小，在交通運(yùn)輸、航空航天等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。鋁合金在鋁中加入鎂、銅、鋅、錳形成鋁合金。鋁銅鎂合金稱為硬鋁，鋁鋅鎂銅合金稱為超強(qiáng)硬鋁(其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼)。這些鋁合金相對(duì)密度小、強(qiáng)度高、易成型，廣泛用于飛機(jī)制造業(yè)。鈦合金鈦中加入鋁、釩、鉻、鉬、錳等形成鈦合金。鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、抗磁性、耐高溫、耐海水腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。是制造飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，人造衛(wèi)星外殼，宇宙飛船船艙、潛艇等的重要結(jié)構(gòu)材料。第十頁第十一頁，共25頁。3耐熱合金與低熔合金耐熱合金主要是第V~VII副族元素和VIII族高熔點(diǎn)元素形成的合金。應(yīng)用最多的有鐵基、鎳基和鈷基合金。它們廣泛地用來制造渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、各種燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件，渦輪工作葉片、渦輪盤、燃燒室等。低熔合金常用的低熔金屬及其合金元素有汞、錫、鉛和鉍等。汞常用做溫度計(jì)、氣壓計(jì)中的液柱，也可做恒溫設(shè)備中的電開關(guān)接觸液。汞容易與很多種金屬形成合金。鉍的某些合金可應(yīng)用于自動(dòng)滅火設(shè)備、鍋爐安全裝置以及信號(hào)儀表等，還可用作原子能反應(yīng)堆的冷卻劑。第十一頁第十二頁，共25頁。4

形狀記憶合金形狀記憶合金有一個(gè)特殊的轉(zhuǎn)變溫度，在轉(zhuǎn)變溫度以下，金屬晶體結(jié)構(gòu)處于一種不穩(wěn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，在轉(zhuǎn)變溫度以上，金屬結(jié)構(gòu)是一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)狀態(tài)。一旦把它加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上，不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)就轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定結(jié)構(gòu)，合金就恢復(fù)了原來的形狀。用鎳鈦形狀記憶合金制成管接口，在使用溫度下加工的管接口內(nèi)徑比外管徑略小，安裝時(shí)在低溫下將其機(jī)械擴(kuò)張，套接完畢在室溫下放置，由于接口恢復(fù)原狀而使接口非常緊密。這種管子固定法在F14型戰(zhàn)斗機(jī)油壓系統(tǒng)的接頭及在海底輸送管的接口固接均有很成功的實(shí)例。第十二頁第十三頁，共25頁。5

非晶態(tài)合金熔融狀態(tài)的合金緩慢冷卻得到的是晶態(tài)合金，從熔融的液態(tài)到晶態(tài)需要時(shí)間使原子排列有序化。如果將熔融狀態(tài)的合金以超高速急冷的方法使其凝固，不給原子有序化排列的時(shí)間，瞬間冷凍后其內(nèi)部原子仍然保持著液態(tài)時(shí)的那種基本無序的狀態(tài)，稱為非晶態(tài)合金，也稱金屬玻璃。高強(qiáng)度、高硬度和高韌性可以在非晶態(tài)合金身上達(dá)到較好的統(tǒng)一，因?yàn)榻M成非晶態(tài)合金的兩種原子間有很強(qiáng)的化學(xué)健，使得合金的強(qiáng)度很大。同時(shí)合金中原子犬牙交錯(cuò)不規(guī)則排列使得它具有較好的韌性。第十三頁第十四頁，共25頁。6.6.2

無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料的分類和特點(diǎn)主要有傳統(tǒng)的硅酸鹽材料和新型無機(jī)材料等。前者主要指陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、磚瓦、搪瓷等以天然硅酸鹽為原料的制品(這些制品稱為傳統(tǒng)陶瓷)。新型無機(jī)材料是用人工合成方法制得的材料，包括氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物等化合物(這些材料又稱為精細(xì)陶瓷或特種陶瓷)以及一些非金屬單質(zhì)如碳、硅等。無機(jī)材料的主要特點(diǎn)是耐高溫、抗氧化、耐磨、耐腐蝕和硬度大，而脆性是其不足。第十四頁第十五頁，共25頁。1

耐熱高溫結(jié)構(gòu)材料氮化硅Si3N4組成氮化硅的兩種元素的電負(fù)性相近，屬強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合的原子晶體，所以氮化硅的硬度高（耐磨損）、熔點(diǎn)高（耐高溫）、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、絕緣性能好，故是制造高溫燃?xì)廨啓C(jī)的理想材料。缺陷是抗機(jī)械沖擊強(qiáng)度偏低，容易發(fā)生脆性斷裂。氮化硼B(yǎng)N氮化硼（金剛石型）屬強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合，兼有許多優(yōu)良性能，不但耐高溫，耐腐蝕、高導(dǎo)熱、高絕緣，還可以很容易地進(jìn)行機(jī)械加工，是一種理想的高溫導(dǎo)熱絕緣材料，也是既硬又韌的超硬材料。第十五頁第十六頁，共25頁。2

半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的分類按化學(xué)組成，半導(dǎo)體可以分為單質(zhì)半導(dǎo)體和化合物半導(dǎo)體，按半導(dǎo)體是否含有雜質(zhì)又可分為本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。電子⊕空穴圖6.17半導(dǎo)體兩類載流子示意圖

一個(gè)電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中留下一個(gè)空穴由于半導(dǎo)體禁帶較窄，不要太多的能量就可以使?jié)M帶中的電子激發(fā)躍遷到空帶，并在滿帶留下空穴。滿帶中的其它電子移動(dòng)到空穴又產(chǎn)生新的空穴。在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴都可以定向地移動(dòng)。第十六頁第十七頁，共25頁。3

超導(dǎo)材料有些物質(zhì)在某特定的溫度以下，其導(dǎo)電率將突然增至無窮大，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。Bednorz和Müller因發(fā)現(xiàn)La-Ba-Cu-O氧化物（Tc=30K)超導(dǎo)體，榮獲1987年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。J.G.貝德諾茲

JohannesG.BednorzK.A.穆勒

KarlA.Müller目前已發(fā)現(xiàn)30種單質(zhì)，8000余種金屬、合金、化合物具有超導(dǎo)性。20世紀(jì)80年代以來，我國高溫超導(dǎo)材料的研究和應(yīng)用方面一直居世界前列。圖6.18首先報(bào)道超導(dǎo)材料的科學(xué)家第十七頁第十八頁，共25頁。1987年趙忠賢等發(fā)現(xiàn)了組成為YBa2Cu3O7-

的超導(dǎo)材料，相變溫度Tc=93K。1993年，中-瑞合作開發(fā)得到Hg-Ba-Cu-O其相變溫度達(dá)到133.5K。圖6.19YBa2Cu3O7-

的晶體結(jié)構(gòu)人們發(fā)現(xiàn)C60分子與堿金屬K、Rb、Cs等形成的AxC60也具有超導(dǎo)性質(zhì)，AxC60是球形結(jié)構(gòu)，屬三維超導(dǎo)體。而上述的混合金屬氧化物是層狀結(jié)構(gòu)，屬二維超導(dǎo)體。目前已研制出K3C60、Rb3C60、RbCs2C60、RbTl2C60等，其Tc分別為18K、28K、33K、48K。第十八頁第十九頁，共25頁。據(jù)《科技日?qǐng)?bào)》2001年12月3日?qǐng)?bào)道，隨著三條各長1000米的高溫超導(dǎo)線材的出爐，標(biāo)志著我國第一條鉍系高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)線正式建成投產(chǎn)，從而使我國成為世界上為數(shù)不多的具有高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力的國家之一，同時(shí)，也使具有我國自主產(chǎn)權(quán)的超導(dǎo)技術(shù)產(chǎn)品在我國的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。該產(chǎn)品單根線材可通過的電流達(dá)43安培，工程臨界電流密度達(dá)到6000安培每平方厘米以上。該生產(chǎn)線目前年生產(chǎn)能力為200公里。第十九頁第二十頁，共25頁。4

光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維簡稱光纖，以傳光和傳像為目的的一種光波傳導(dǎo)介質(zhì)。光導(dǎo)纖維的最大應(yīng)用是激光通訊，它具有信息容量大、重量輕、抗干擾、保密性好等優(yōu)點(diǎn)。圖6.20光導(dǎo)纖維第二十頁第二十一頁，共25頁。6.6.3

納米材料和納米碳管納米材料納米科技就是在1-100nm范圍內(nèi)研究原子、分子的結(jié)構(gòu)，通過直接操作和安排原子、分子將其組裝成具有特定功能和結(jié)構(gòu)的一門高新技術(shù)。納米材料應(yīng)用廣泛，如美國制成的GaN和ZnO納米導(dǎo)線，能發(fā)出紫外光，這對(duì)制造“單片實(shí)驗(yàn)室”非常有用。它可用于快速和低成本地分析醫(yī)學(xué)、環(huán)境和其他樣品。納米碳管1990年，瑞士科學(xué)家發(fā)現(xiàn)管狀結(jié)構(gòu)的碳分子，稱為碳納米管。它由六元環(huán)形的碳原子組成的管狀大分子，管的直徑為零點(diǎn)幾到幾十納米，管長為幾十納米到1微米。碳納米管由幾個(gè)到幾十個(gè)單層碳管同軸套構(gòu)成，相鄰管徑向間距為0.34nm。碳納米管有許多優(yōu)異性能。如強(qiáng)度比鋼高100倍，具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等。圖6.21納米碳管結(jié)構(gòu)第二十一頁第二十二頁，共25頁。納米材料的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)表面效應(yīng)指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。主要表現(xiàn)：因表面原子所占比例大，吸附能力強(qiáng)，表面反應(yīng)活性高；表面活性中心數(shù)多，催化效率高。體積效應(yīng)指納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的波長相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、光吸收、化學(xué)