工程化學(xué)基礎(chǔ)課件

1第一章緒論

21.化學(xué)研究的對象

化學(xué)是從原子和分子等原子結(jié)合態(tài)單元層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)，它涉及存在于自然界的物質(zhì)（如礦物、空氣中的氣體、海洋里的水和鹽、動植物體內(nèi)的化學(xué)成分）。1.1化學(xué)與科學(xué)技術(shù)3

化學(xué)的任務(wù)是認識世界、改造世界、創(chuàng)造新物質(zhì)，以滿足人類對物質(zhì)的需求。20世紀(jì)新分子和新材料的增長情況年份已知化合物的數(shù)目190055萬種1945110萬種，大約45年翻一倍197023.7萬種，大約25年翻一倍1975414.8萬種1980593萬種，大約10年翻一倍1985785萬種19901057.6萬種，大約10年翻一倍1999超過2000萬種2.化學(xué)的任務(wù)4

任何自然科學(xué)的最終目標(biāo)都是要為人類造福，使人類生活的更美好。(1)保證人類的生存，(2)提高人類的生活質(zhì)量，(3)延長人類的壽命。（舉例：使糧棉油增產(chǎn)、改善生活、合成藥物）3.研究目的5

化學(xué)的發(fā)展、興盛也離不開其它學(xué)科的發(fā)展和技術(shù)進步。元素周期律的發(fā)現(xiàn)，盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型以及薛定諤方程的建立等等，為化學(xué)的發(fā)展翻開了嶄新的一頁，計算機、微電子、激光等技術(shù)的進步為化學(xué)工作者探究物質(zhì)奧秘、進行分子設(shè)計和合成提供了更有力的技術(shù)支持，化學(xué)也因此獲得了前所未有的發(fā)展。4.化學(xué)與其他學(xué)科之間的關(guān)系6六大分支學(xué)科（即化學(xué)的二級學(xué)科）：

(1)無機化學(xué)：主要研究無機物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和無機化學(xué)反應(yīng)與過程；

(2)有機化學(xué)：主要研究碳氫化合物及其衍生物的化學(xué)，也有人稱之為“碳的化學(xué)”；

(3)高分子化學(xué)：主要研究高分子化合物的結(jié)構(gòu)、性能與反應(yīng)、合成方法、加工成型及應(yīng)用的化學(xué)；

(4)分析化學(xué)：主要是測量和表征物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)；

(5)物理化學(xué)：主要研究所有物質(zhì)系統(tǒng)的化學(xué)行為的原理、規(guī)律和方法；

(6)結(jié)構(gòu)化學(xué)：研究物質(zhì)的原子和分子等結(jié)合態(tài)單元結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系及其應(yīng)用。5.化學(xué)的學(xué)科體系7

與其它學(xué)科之間的交叉與滲透萌發(fā)出許多新的學(xué)科。例如：藥物化學(xué)、地球化學(xué)、環(huán)境化學(xué)、生物化學(xué)、材料化學(xué)等。6.由化學(xué)萌發(fā)出的新興學(xué)科8

化學(xué)不僅是重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一，它在物理、生物、環(huán)境、天文宇宙、地質(zhì)地理、材料等學(xué)科發(fā)展中起著重要的作用。它與我們的日常生活以及社會活動息息相關(guān)。7.化學(xué)是重要的基礎(chǔ)學(xué)科之一98.化學(xué)工業(yè)及化學(xué)品帶來的生態(tài)危機

人類在其創(chuàng)造活動中也帶來了不少人為的危害，如：廢水、廢氣、廢渣和噪聲、輻射的污染，臭氧層的破壞，資源的枯竭等等。

這許多問題的產(chǎn)生，人們都歸罪于化學(xué)。其實化學(xué)不能解決所有科學(xué)問題，也不能承擔(dān)所有的罪過。，要解決這些問題一方面要加強科學(xué)管理，另一方面仍要依賴于化學(xué)科學(xué)和相應(yīng)的技術(shù)進步。101.2“工程化學(xué)基礎(chǔ)”的教學(xué)對象和目的①化學(xué)研究類，②化學(xué)品生產(chǎn)類，③非化學(xué)研究非化學(xué)品生產(chǎn)類。1.“工程化學(xué)基礎(chǔ)”是現(xiàn)實需要的產(chǎn)物大學(xué)本科化學(xué)教學(xué)的分類：11《工程化學(xué)基礎(chǔ)》及其系列教材是為上述第三大類學(xué)生設(shè)計和編寫的。它以化學(xué)原理為經(jīng)線，以化學(xué)在材料、信息、能源、環(huán)境、生命諸領(lǐng)域中的應(yīng)用為緯線編織而成。2.《工程化學(xué)基礎(chǔ)》的編寫特點12使學(xué)生理解以下三個方面內(nèi)容：①物質(zhì)的組成無論多么復(fù)雜，它們最終都是由原子組成的；②原子是運動的、相互作用著的；電子的運動與光子有關(guān)；③物質(zhì)的性質(zhì)與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，化學(xué)變化時能量與質(zhì)量緊密聯(lián)系，不可分割，能量是物質(zhì)存在的又一種表現(xiàn)形式。3.學(xué)習(xí)《工程化學(xué)基礎(chǔ)》的目的13

其次，通過學(xué)習(xí)，加深對辯證唯物主義思想的理解，確立具體情況具體分析的觀點，破除形形色色的迷信觀念。

第三，通過學(xué)習(xí)，要求學(xué)生在碰到相關(guān)的化學(xué)問題時有較好的理解能力，并能達到“簡單的問題自己解決，復(fù)雜的問題知道找誰解決”。141.3教學(xué)中怎樣使用“工程化學(xué)基礎(chǔ)”教材1.抓住關(guān)鍵，突出重點，透析基礎(chǔ)，與時俱進。2.對化學(xué)原理教學(xué)不求深入展開，只求通俗易懂。3.對應(yīng)用實例的教學(xué)不求多，只求精。4.一定要根據(jù)自己認識思維習(xí)慣，未來需要和現(xiàn)在短缺，抓住重點理解難點。151.4一些基本概念一、物質(zhì)的層次

物質(zhì)是客觀實在，是運動的，運動是物質(zhì)的基本屬性和存在形式。就物質(zhì)的構(gòu)造情況來看，其間可分為若干層次如微觀、宏觀和宇觀三個層次。16表1.1有關(guān)物質(zhì)層次的一些情況層次典型尺寸/m過渡尺寸/m實例理論脹觀1040？3×1030

宇觀1021銀河系廣義相對論3×1011太陽系宏觀102籃球場牛頓力學(xué)3×10-10原子，分子微觀10–17基本粒子量子力學(xué)3×10-27渺觀10–36超弦（？）錢學(xué)森17二、系統(tǒng)和環(huán)境研究對象就稱為系統(tǒng)。系統(tǒng)以外與之直接聯(lián)系的部分，稱為環(huán)境。18有質(zhì)量和能量交換開放系統(tǒng)只有能量交換封閉系統(tǒng)無質(zhì)量和能量交換隔離系統(tǒng)三種熱力學(xué)系統(tǒng)系統(tǒng)可分為下述三類：燒杯試劑瓶保溫杯19AgFeN2,H2NH3銀片低熔合金鐵片爐膛支架燒結(jié)爐2NH3(g)N2(g)+3H2(g)絕熱層20三、聚集狀態(tài)和相

物質(zhì)在一定的溫度和壓力條件下所處的相對穩(wěn)定的狀態(tài)，稱物質(zhì)的聚集狀態(tài)，簡稱物態(tài)。

相：系統(tǒng)中任何化學(xué)組成均勻，物理和化學(xué)性質(zhì)都相同的，且可用機械方法分離出來的部分。相與相之間存在明顯的界面。21視頻素材：1，01相-實驗解說水乙醇氯化鈉四氯化碳硝酸銀碘化鉀試劑加入次序22四、質(zhì)量守恒和能量變化一般的化學(xué)反應(yīng)方程式：pP+

qQ＝

yY+

zZ或0=–pP–qQ+

yY+

zZ常用化學(xué)反應(yīng)計量方程表示化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)量守恒關(guān)系，通式：式中∑為加和號，νB

為相應(yīng)指定物化學(xué)式B的計量數(shù)，B為相應(yīng)指定物的化學(xué)式。23反應(yīng)通式表述了化學(xué)反應(yīng)的兩個特征：(1)質(zhì)量守恒(2)能量變化24五、物質(zhì)的量1971年，第14屆國際計量大會（CGPM）選擇了物質(zhì)的量作為7個基本的物理量（長度、質(zhì)量、時間、電流、熱力學(xué)溫度、發(fā)光強度和物質(zhì)的量）之一。用以計量原子、分子、電子等介觀和微觀物質(zhì)的量。n與阿佛加德羅常數(shù)NA

和粒子數(shù)N

的關(guān)系是n=N/NA，其中NA=6.02×1023mol–1。符號記為n，單位為摩爾(mol)。摩爾質(zhì)量（符號為M）：M=m/n，單位為kg·mol–1。25六、反應(yīng)進度nB

為物質(zhì)

B的物質(zhì)的量。定義：一般定義為：

根據(jù)反應(yīng)進度的定義，它只與化學(xué)反應(yīng)的方程式有關(guān)，而與選擇反應(yīng)系統(tǒng)中何種物質(zhì)來表述無關(guān)。例如合成氨反應(yīng)：262.1物質(zhì)的化學(xué)組成

1.理解配位化合物、高分子化合物組成中的基本概念和命名原則，能寫出一些常見配合物和高分子的化學(xué)式。

2.認識物質(zhì)化學(xué)組成的復(fù)雜性，了解C60

等團簇和α–Si:H，F(xiàn)e3C等非整比化合物、不符合正?；蟽r規(guī)則的物質(zhì)的存在及其工程應(yīng)用。

3.認識金屬有機化合物，明確M–C–C鍵和M–O–C鍵的鍵能大小，了解其工程應(yīng)用。

4.了解蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的化學(xué)組成，能分別寫出2~3種堿基、氨基酸的化學(xué)式，理解DNA、RNA、蛋白質(zhì)在遺傳信息傳遞過程中的作用，了解生物大分子的應(yīng)用和開發(fā)前景。

5.理解物質(zhì)的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)是決定其性能和應(yīng)用的基礎(chǔ)。27物質(zhì)實物場（能量）無機物有機物單質(zhì)及簡單化合物(氧化物、酸、堿、鹽)復(fù)雜化合物(配合物、團簇、超分子)無機高分子(無機固體材料等)簡單化合物(烴及其衍生物、醇、醛、羧酸、酯等)有機高分子天然高分子(糖類、DNA、蛋白質(zhì)等)合成高分子(合成塑料、橡膠、纖維)復(fù)雜化合物(超分子)金屬有機物物質(zhì)的分類可降解塑料28

配合物是以金屬正離子(或中性原子)作為中心，有若干個負離子或中性分子按一定的空間位置排列在其周圍形成的復(fù)雜化合物。

英語中稱做：CoordinationCompound，或ComplexCompound，意為“協(xié)同化合物”或“復(fù)雜化合物”。譯成“配合物”或“絡(luò)合物”。定義一、配位化合物29[Pt

(NH3)4(NO2)Cl]CO3中心離子內(nèi)界(配離子)外界K4[Pt

Cl6

]外界內(nèi)界(配離子)配體中心離子配位原子配體基本概念30配位化合物的命名H2[Zn(OH)2C12]二氯二羥合鋅(Ⅱ)酸Na2[MgY]乙二胺四乙酸合鎂(Ⅱ)酸鈉K4[PtCl6]六氯合鉑(Ⅱ)酸鉀K2[HgI4]四碘合汞(Ⅱ)酸鉀[Co(NH3)3(H2O)C12]Cl氯化二氯·一水·三氨合鈷(Ⅲ)[Cu(NH3)2(CH3COO)]Cl氯化乙酸根·二氨合銅(Ⅱ)[Cu(en)2]SO4硫酸二乙二胺合銅(Ⅱ)Co2(CO)8八羰合二鈷(0)Cr(C6H6)2二苯合鉻(0)31[CaY]2–配離子多齒配體與螯合物螯合物的穩(wěn)定性很強是因為螯合效應(yīng)的結(jié)果。圖2-1螯合物作用示意圖螯合物的穩(wěn)定性很強32反式-二氯·二氨合鉑(Ⅱ)順式-二氯·二氨合鉑(Ⅱ)例如具有抗癌活性無活性配合物的結(jié)構(gòu)與性能

具有相同化學(xué)組成的配合物往往有不同的空間結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出不同的性能。33

團簇是指由幾個至上千個原子、分子或其結(jié)合態(tài)粒子聚集而成的相對穩(wěn)定的介觀聚集體。對它們的研究是在20世紀(jì)80年代后迅速發(fā)展起來的。團簇的空間尺度在納米(10–9m)量級左右。二、團簇有金屬簇，如Lin，Cun，Hgn；非金屬簇，如Cn，Nn，Arn；分子簇，如(H2O)n，(NaCl)n

等。例如，常規(guī)Fe，Co和Ni等是鐵磁性的，但它們的團簇可以是超順磁性的；順磁性的Na和K等的團簇卻是鐵磁性的。團簇是許多納米材料的基礎(chǔ)。34圖2-2

金剛石、石墨、C60

的結(jié)構(gòu)示意圖(c)C60黃色為雙鍵紅色為單鍵

原子數(shù)為20，24，28，32，36，50，60，70，84，120…的穩(wěn)定性較高，其中C60

的豐度最高，C70次之。C60

是1985年發(fā)現(xiàn)的。(a)金剛石(b)石墨碳團簇35

球碳團簇及其衍生物在超導(dǎo)電性、半導(dǎo)體、非線性光學(xué)等方面具有奇異性能，K3C60，Rb3C60，Rb2CsC60，Rb2.7Tl2.2C60

和RbTl2C60

的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別為18K，30K，31.3K，45K和48K。美國化學(xué)家R.E.Smalley，R.F.Curl和英國化學(xué)家H.W.Kroto因?qū)﹂_拓這個新領(lǐng)域的貢獻榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎。CsC60H.W.克魯托

HaroldW.KrotoR.E.史沫萊

RichardE.SmalleyR.F.柯爾

RobertF.Curl發(fā)現(xiàn)C60的三位科學(xué)家36碳納米管1991年發(fā)現(xiàn)了碳納米管，也稱“布基管”。碳納米管是一種由單層或多層石墨卷成的納米微管，多層碳管各層之間的間隔為石墨的層間距。碳管兩頭可以是空的，也可被半個C60

或更大的球碳所封閉。外部直徑只有幾到幾十納米。這樣的材料很輕，但很結(jié)實。它的密度是鋼的1/6，而強度卻是鋼的100倍。用這樣輕而柔軟、又非常結(jié)實的材料做防彈背心是最好不過的了。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。中國科學(xué)院納米科技網(wǎng)圖2-3碳納米管的結(jié)構(gòu)示意圖37

碳納米管可以是不同禁帶寬度的半導(dǎo)體，也可以是準(zhǔn)一維導(dǎo)體。碳納米管可以用于未來電子工業(yè)制造電子器件和超薄導(dǎo)線，使電子芯片集成度更高，體積更小。碳納米管的細尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)的發(fā)展方向。碳納米管潛在的應(yīng)用前景38

約簡后，其原子數(shù)目不成整數(shù)比，這類化合物稱為非整比化合物。金屬間化合物碳化物Fe3C，Mn7C3氮化物Fe2N，F(xiàn)e4N等各元素均不符合正?；蟽r規(guī)則又如：LaH2.76，F(xiàn)e1–xO，Sn1+xO2，PbO1.88三、非整比化合物39陽離子過剩（或陰離子短缺）的化合物：

Zn1+xO，NaCl1–x；

由混雜缺陷產(chǎn)生的非整比化合物，如Na1–2xCaxCl，Ca1–xYxF2+x，Zr1–xCaxO2–x，LixSi1–xAlO2等。晶體缺陷是形成非整比化合物的重要原因陽離子短缺（或陰離子過剩）的化合物：

Cd1–xS，UO2+x；40

非整比化合物等在材料中十分重要，可以控制或改善無機固體材料的光、電、聲、磁、熱、力學(xué)等性質(zhì)。

發(fā)光二極管材料：GaAs1–xPx，它可以發(fā)出從紅光到綠光的各種顏色的光。彩色電視發(fā)光材料用的紅粉、綠粉和藍粉：Y2O2S:Eu3+，Y2O2S:Tb3+，(Ca,Sr)10(PO4)6C12:Eu3+?！昂谄帷惫陪~鏡表面耐磨物質(zhì)：Sn1-xCuxO2

。例如：碳化物、氮化物在鋼材中能有效地提高鋼材的硬度。41

根據(jù)不同的顯示器件對顯示技術(shù)的要求，科潤光電推出了陰極射線與投影管（CRT）發(fā)光材料、半導(dǎo)體二極管（LED）發(fā)光材料、場發(fā)射（FED）發(fā)光材料、低壓熒光屏（VFD）發(fā)光材料、等離子體（PDP）發(fā)光材料、X射線發(fā)光材料等顯示器件發(fā)光材料，并適應(yīng)背投電視蓬勃發(fā)展的市場狀況，建設(shè)了紅、藍、綠投影管專用發(fā)光材料生產(chǎn)線。上述各類材料體系可根據(jù)用戶不同用途及要求選擇合成，發(fā)光顏色主體為紅、藍、綠等過渡色。上海科潤光電材料有限公司發(fā)光材料樣品42

非晶氫化硅α–Si∶H是信息、電子工業(yè)中經(jīng)常用到的半導(dǎo)體材料錄音磁頭合金：(Co0.90Fe0.06Ni0.02Nb0.02)78Si22–xBx

計算機儲存元件：(GdCo，GdFe)，一種非晶態(tài)材料高溫超導(dǎo)體：YnBa2CumO7~8∶La1–nLim–3Ba0.88Pb0.88Ca0.04TiO3

陶瓷廣泛用于超聲加工聲納、水聽器等壓電陶瓷：Pb1–xLax(ZryTi1–y)1–x/4O3形狀記憶合金：Ti50Ni43

非整比化合物（不定組成）與整比化合物(定組成)（水，二氧化碳等）是一對矛盾，它們代表著物質(zhì)形成的兩種方式，各自發(fā)揮著自己的作用。44

由金屬原子和有機基團中碳原子鍵合而成，含金屬–碳鍵（M–C）的化合物稱金屬有機化合物，如(C2H5)2Zn，C6H5Ti(OC3H7)3，(C2H5)4Pb，RMgX（R為烷基，X為鹵素）。金屬有機化合物大體分三類：(1)離子型化合物(2)σ鍵化合物(3)非經(jīng)典鍵化合物如：Cr(C6H6)2，F(xiàn)e(C5H5)2（二茂鐵），

[K+(PdCl3CH2=CH2)–]四、金屬有機化合物45(1)離子型化合物。堿金屬和堿土金屬所形成的烴基化合物多為離子型，其通式為RM，R2M，具有離子化合物的典型特征，可以看作烴R-H的鹽類。它們一般不溶于烴類溶劑，具有異乎尋常的反應(yīng)活性，對空氣敏感，遇水劇烈水解。(2)σ鍵化合物。第IIIA~VIIA族和第IB，IIB族元素與有機基團主要以σ共價鍵結(jié)合形成化合物，如R2Hg，(C2H5)4Pb，(CH3)3SnCl等。具有揮發(fā)性，對空氣穩(wěn)定，一般溶于非極性溶劑。(3)非經(jīng)典鍵化合物。包括由過渡元素與不飽和基團通過金屬軌道和π電子之間相互作用而生成的π配合物，如Cr(C6H6)2，F(xiàn)e(C5H5)2（二茂鐵），[K+(PdCl3CH2=CH2)–]；過渡元素與羰基等配合形成同時含σ鍵和π鍵的金屬有機化合物，如羰基金屬M(CO)n

等。46

另外，還有多中心鍵型金屬有機化合物，如含橋連烷基的[Al(CH3)2C6H5]2，[Be(CH3)2]n，多核羰基金屬化合物[Mx(CO)y]等。事實上，周期表中除惰性氣體以外的絕大多數(shù)元素都可以與有機基團中的碳以各種方式結(jié)合，硼、磷、砷和硅等的有機化合物一般也包括在金屬有機化合物范圍之內(nèi)；對過渡金屬，可形成M–O，M–S，M–P或M–N鍵，如Pd(PPh3)4（Ph指苯基），Al(OC3H7)3

等，也常劃為金屬有機化合物。所以金屬有機的范圍在不斷擴大，也說明科學(xué)和人的認識都是不斷發(fā)展的。47

金屬有機化合物是電子、光學(xué)、磁性等功能材料、超純材料和精細陶瓷等許多工業(yè)加工中的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。金屬鎳粉與CO反應(yīng)得到液態(tài)Ni(CO)4，在稍高溫度下分解便得到純鎳。金屬有機化合物應(yīng)用實例48M–C鍵能<C–C鍵能，容易在M–C處斷裂。能沉積成高附著性的金屬膜。例如三丁基鋁Al(C4H9)3

和三異丙基苯鉻Cr[C6H4CH(CH3)2]3

熱分解，分別得到金屬鋁膜和鉻膜。C–O鍵能<M–O鍵能，因此易在C–O鍵處斷裂，沉積出金屬的氧化物：2Al(OC3H7)3Al2O3

＋

6C3H6

＋

3H2O

420℃Si(OC2H5)4SiO2

＋

H2O＋

[C–H](碳氫化合物)700℃化學(xué)氣相沉積（ChemicalVaporDeposition，CVD）49

高分子化合物，簡稱高分子，又稱高聚物，它的相對分子質(zhì)量高達幾千甚至幾百萬。五、高分子化合物世界上第一個合成高分子是1907年誕生的酚醛樹脂。無機高分子有機高分子天然高分子纖維素、蛋白質(zhì)、淀粉、木質(zhì)素合成高分子可降解塑料50例如：聚氯乙烯的分子是由許多氯乙烯加聚結(jié)合而成：單體鏈節(jié)多分散性：高分子化合物相對分子質(zhì)量大小不等的現(xiàn)象聚合物聚合度加成聚合與縮合聚合

簡寫：聚合51nH2N(CH2)6NH2己二酸己二胺nHOOC(CH2)4COOH+(2n–1)H2O聚酰胺–66或尼龍–66]nOH+又如，聚酰胺–66（尼龍–66）由己二胺和己二酸為單體經(jīng)過縮聚反應(yīng)制得：H[NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO聚合度為2n

聚合度是以鏈節(jié)數(shù)來計量的在聚酰胺化學(xué)式中，名稱后的第一個數(shù)字“6”指二元胺的碳原子數(shù)，第二個數(shù)字“6”指二元酸的碳原子數(shù)。52碳鏈高分子化合物

主鏈中均是C–C鍵。主鏈中引入了O，N等雜元素，不但有C–C鍵，還有C–O，C–N鍵。雜鏈高分子化合物

主鏈中僅含有Si，P，O等元素而沒有C原子。元素有機高分子化合物高分子化合物的分類53表2.1一些高分子化合物及其單體

名稱化學(xué)式

單體聚乙烯CH2＝CH2聚丙烯CH3CH＝CH2

聚氯乙烯ClCH＝CH2

聚苯乙烯聚四氟乙烯CF2＝CF2

聚異戊二烯

CH2＝C—CH＝CH2CH3

54名稱化學(xué)式

單體聚酰胺H2N(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH

聚甲基丙烯酸甲酯聚環(huán)氧乙烷聚丙烯腈CH2＝CHCNNH(CH2)5C=OCH2＝C—COOCH3CH3CH2—CH2O55名稱化學(xué)式單體聚丙烯酰胺聚對苯二甲酸乙二(醇)酯HOCH2CH2OH

酚醛樹脂HCHO

，聚二甲基硅氧烷56名稱ABS化學(xué)式單體CH2＝CHCN，CH2＝CH—CH＝CH2，

57高分子化合物的命名(4)有時還以高分子化合物的主要用途或最初用途表示命名，屬習(xí)慣名稱或商品名稱，如乙烯-丙烯共聚物稱乙丙橡膠，聚酰胺高聚物稱尼龍或錦綸。歸納起來一般有以下幾種情況：(1)在單體或組成特征前面加“聚”(Po1y-)，表示高分子化合物是通過聚合反應(yīng)得到的，如聚乙烯、聚酰胺等。(2)在單體后面加“樹脂”，曾表示樹上流出的脂，多為天然高分子化合物，現(xiàn)在也將某些合成高分子化合物稱作“樹脂”，如酚醛樹脂，脲醛樹脂，環(huán)氧樹脂，聚氯乙烯樹脂等。(3)英文縮寫，如ABS是以其單體丙烯腈(Acrylonitrile)、丁二烯(Butadiene)和苯乙烯(Styrene)英文名稱的第一個字母大寫組合來表示；PE是聚乙烯(Polyethylene)的英文縮寫。58表2.2一些常見高分子化合物的名稱高分子材料化學(xué)名稱習(xí)慣名稱或商品名稱英文名稱英文縮寫塑料聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚苯乙烯丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物聚乙烯，乙綸聚丙烯，丙綸聚氯乙烯，氯綸聚苯乙烯腈丁苯共聚物PolyethylenePolypropylenePoly(vinylchloride)PolystyreneAcrylonitrile-butadiene-styrenecopolymerPEPPPVCPSABS纖維聚對苯二甲酸乙二(醇)酯聚己二酰己二胺

聚丙烯腈聚乙烯醇縮乙醛滌綸，的確良錦綸—66或尼龍—66腈綸維綸Poly(ethyleneterephthalate)Poly(hexamethyleneadipamide),

PolyacrylonitrilePoly(vinylacetal)PETPPA

PANPVA橡膠丁二烯—苯乙烯共聚物順聚丁二烯順聚異戊二烯乙烯—丙烯共聚物丁苯橡膠順丁橡膠異戊橡膠乙丙橡膠Butadiene-styrenerubbercis-1,4-Polybutadienerubbercis-1,4-PolyisoprenerubberEthylene-propylenerubberSBRBRIREPR59

構(gòu)成生命體的物質(zhì)種類很多，有脂、維生素、激素、血紅素、葉綠素等生物小分子，有蛋白質(zhì)、核酸、糖類等生物大分子。六、自由基和生物大分子60原子分子離子自由基H2O21.自由基61

蛋白質(zhì)分子是一條或多條多肽鏈構(gòu)成的生物大分子，相對分子質(zhì)量可從一萬到數(shù)百萬。多肽鏈由氨基酸通過肽鍵（酰胺鍵，—CO—NH—）共價連接而成，各種多肽鏈都有自己特定的氨基酸順序。2.蛋白質(zhì)62

人體細胞含有3000至10000種以上的蛋白質(zhì)，人體蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成。除脯氨酸外，其它19種均是α-碳上有一個氨基(–NH2)的有機羧酸（α-氨基酸）。氨基酸結(jié)構(gòu)通式：R–CH(NH2)COOH最簡單的氨基酸是甘氨酸氨基酸可分為脂肪族、芳香族和雜環(huán)族三類63序號中文名英文名

R基團的結(jié)構(gòu)1甘氨酸Gly2丙氨酸Ala3絲氨酸Ser

4半胱氨酸Cys5蘇氨酸*Thr—CH(OH)CH36纈氨酸*Val

—CH(CH3)27亮氨酸*Leu—CH2CH(CH3)28異亮氨酸*Ile—CH(CH3)CH2CH39蛋氨酸*Met—CH2CH2SCH310賴氨酸*Lys—CH2CH2CH2CH2NH2表2.320種氨基酸的名稱和結(jié)構(gòu)64序號中文名英文名

R基團的結(jié)構(gòu)11色氨酸*Trp12酪氨酸Tyr13天冬氨酸Asp14天冬酰胺Asn15苯丙氨酸*Phe16

精氨酸*Arg17谷氨酸Glu18谷氨酰胺Gln19組氨酸*His20脯氨酸PrO續(xù)表表中帶*者為人體必需氨基酸65圖2-4L-和D-構(gòu)型的α-氨基酸L-構(gòu)型D-構(gòu)型66

除甘氨酸外，其余19種氨基酸的α-碳原子都與4個不相同的基團相連。這種結(jié)構(gòu)的的化合物在空間有兩種不同的排布：

這兩種不同的排布化合物不能重疊，它們之間的關(guān)系就像實物和鏡像、左手和右手的關(guān)系。手性分子67

生物界1010～1012

數(shù)量級的蛋白質(zhì)種類中，有些完全由氨基酸組成，這是簡單蛋白質(zhì)；有些除蛋白質(zhì)外，還有被稱為輔基或配基的非蛋白質(zhì)成分，這是結(jié)合蛋白質(zhì)。68蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)又叫蛋白質(zhì)的構(gòu)象、高級結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)等，指的是蛋白質(zhì)分子中所有原子在三維空間中的排布。

維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的化學(xué)鍵有：氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、vanderWaals力和二硫鍵。

蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)主要包括蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。69在α-螺

旋結(jié)構(gòu)中，

多肽鏈中各肽鍵平面通過

α-碳原子的旋轉(zhuǎn)，圍繞中心軸形成一種緊密螺旋盤曲構(gòu)象。絕大多數(shù)蛋白質(zhì)分子中所存在的α-螺旋幾乎都是右手螺旋。70α-螺旋的四種表示方法因解釋困難，圖片已被刪除。71蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

纖維狀蛋白質(zhì)一般只有一類二級結(jié)構(gòu)構(gòu)象單元，而球狀蛋白質(zhì)可能在同一分子內(nèi)有幾類二級結(jié)構(gòu)構(gòu)象單元。

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructuer）是指蛋白質(zhì)（主要指球狀蛋白）分子在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進一步卷曲、折疊而構(gòu)成的一種不規(guī)則的、特定的、更復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。無規(guī)卷曲α-螺旋β-折疊β-轉(zhuǎn)角723.核酸

核酸因首先發(fā)現(xiàn)于細胞核并且具有酸性而得名。核酸是信息分子，擔(dān)負著遺傳信息的儲存、傳遞及功能表達。核酸分為脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)兩類。DNA主要集中在細胞核內(nèi)，RNA主要分布在細胞質(zhì)中。它們由磷酸、脫氧核糖或核糖、有機堿組成。DNA和RNA之間主要是戊醛糖和嘧啶堿有區(qū)別。73

核酸組成DNARNA酸H3PO4H3PO4戊醛糖含氮有機堿嘌呤堿嘧啶堿腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)脫氧核糖

核糖DNA和RNA的組成單元74在DNA分子中存在

4種脫氧核糖核苷，其結(jié)構(gòu)如下：(脫氧胞苷)(脫氧胸苷)(脫氧腺苷)(脫氧鳥苷)胞嘧啶脫氧核苷胸腺嘧啶脫氧核苷腺嘌呤脫氧核苷鳥嘌呤脫氧核苷75蛋白質(zhì)反轉(zhuǎn)錄(酶)轉(zhuǎn)錄(酶)(酶)復(fù)制(酶)復(fù)制轉(zhuǎn)譯(酶)圖2-7

“中心法則”示意圖

核酸是遺傳信息的攜帶者與傳遞者。生物體的遺傳信息以特定的核苷酸排列順序，似密碼的形式排列在DNA分子上，并通過DNA的復(fù)制由親代傳遞給子代。在后代的生長發(fā)育過程中，遺傳信息自DNA轉(zhuǎn)錄給RNA，然后翻譯成特異的蛋白質(zhì)，以執(zhí)行各種生命功能。這就是所謂的遺傳信息傳遞的中心法則。中心法則76

基因是一個特定的DNA片段，通常有1000~5000個堿基對，一個DNA分子可以含有多達上萬個基因，人體的46條染色體大約含100萬個基因。人類基因組計劃的核心就是要測定人類基因組的全部DNA序列，從而獲得人類全面認識自我的最重要的生物信息。基因77

基因芯片的檢測速度之所以這么快，主要是因為基因芯片上有成千上萬個微凝膠，可進行并行檢測；同時，由于微凝膠是三維立體的，它相當(dāng)于提供了一個三維檢測平臺，能固定住蛋白質(zhì)和DNA并進行分析。內(nèi)嵌基因芯片的基因檢測裝置

基因芯片，又稱DNA芯片，與計算機芯片非常相似，只是高度集成的不是半導(dǎo)體管，而是成千上萬的網(wǎng)格狀密集排列的基因探針。每個基因探針包含著由若干個核苷酸組成的DNA片段。目前已經(jīng)可以在一枚郵票大小的基因芯片上布滿40~100萬種基因探針，根據(jù)堿基互補配對原則捕捉相應(yīng)的DNA，從而對遺傳物質(zhì)進行分子檢測。這是一種革命性的新方法、新工具?；蛐酒?8

基因工程從狹義上理解就是指DNA重組技術(shù)，即提取或合成不同生物的遺傳物質(zhì)(DNA)，在體外切割、拼接和重新組合，然后通過載體將重組的DNA分子引入受體細胞，使重組DNA在受體細胞中得以復(fù)制與表達?；蚬こ?/p>

例如，作為人類主要食物的谷類作物含有大量糖類，而人體所必需的蛋白質(zhì)、氨基酸與維生素的含量卻很少。有些微生物可以產(chǎn)生這些物質(zhì)，用大規(guī)模發(fā)酵的方法培養(yǎng)微生物，進而提取這些物質(zhì)，就可以進行工業(yè)化生產(chǎn)。采用DNA重組及細胞融合等技術(shù)改造了蘇氨酸、色氨酸、賴氨酸等氨基酸的生產(chǎn)菌，與原始菌株相比，氨基酸的含量提高了幾十倍，且生產(chǎn)成本下降?；蚬こ痰闹苯幽康木褪歉脑焐?。794.糖類

糖類主要由C，H和O三種元素組成，大多具有通式Cn(H2O)n，故又稱碳水化合物。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，糖類物質(zhì)是含多羥基的醛或酮及其衍生物。這類物質(zhì)是生物體基本營養(yǎng)物質(zhì)的重要成分。糖類物質(zhì)由植物光合作用合成：nH2O+nCO2Cn(H2O)n

+nO2光葉綠素

糖類通過生物氧化釋放出能量，以滿足生命活動的能量需要。如葡萄糖的氧化反應(yīng)：C6H12O6

＋6O2→6H2O＋6CO280糖類常分三類：(1)單糖(2)低聚糖或寡糖(3)多糖糖的分類81(1)單糖D-己醛糖的構(gòu)型阿洛糖阿卓糖葡萄糖甘露糖古羅糖艾杜糖半乳糖塔羅糖82果糖單體葡萄糖單體(2)低聚糖或寡糖蔗糖(雙糖)果糖單體能水解成2~10個單糖。蔗糖、乳糖和麥芽糖都是二糖。83

淀粉是麥芽糖的高聚體，徹底水解后得到葡萄糖。淀粉是植物體中儲存的養(yǎng)分，主要存在于種子和塊莖中，是食物的重要組成部分。大米中含有淀粉62%~86%，麥子中含57%~75%，玉米中含65%~72%，馬鈴薯中含12%~14%。淀粉遇水可水解成為糊精的混合物。糊精可用作食品添加劑、膠水、漿糊，并用于藥品、紙張和紡織品的制造等。淀粉等加以改性可代替合成高分子，制成不污染環(huán)境的可降解塑料制品。(3)多糖

能水解成10個以上的單糖。如植物體內(nèi)的淀粉、纖維素，動物體內(nèi)的糖原、甲殼素等。多糖廣泛存在于自然界，是一類聚合度不同的天然高分子化合物。多糖沒有甜味，一般不溶于水。與生物體關(guān)系最密切的多糖是淀粉、糖原和纖維素。84

糖原又稱動物淀粉，是動物的能量儲存庫。糖原呈無定型無色粉末，較易溶于熱水形成膠體溶液。糖原在動物的肝臟和肌肉中含量最大。當(dāng)動物血液中葡萄糖含量較高時，就會結(jié)合成糖原儲存于肝臟中，當(dāng)葡萄糖含量降低時，糖原就分解成葡萄糖而供給機體能量。糖原85

纖維素是自然界中最豐富的多糖。棉花中纖維素含量為97%~99%，木材中為50%，亞麻中為80%，玉米莖中為30%。由于纖維素分子間氫鍵的作用，使分子鏈平行排列、緊密結(jié)合，形成纖維束，每一束有100~200條分子鏈。這些纖維束擰在一起形成繩狀結(jié)構(gòu)，具有良好的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性。纖維素不僅不溶于水，甚至不溶于稀的酸或堿，但能在濃酸的水解作用下而生成葡萄糖，與濃堿作用生成纖維素堿。人體中由于缺乏具有分解纖維素所必需的酶，因此纖維素一般不能為人體所利用，不能成為人類的主要食品。纖維素是植物支撐組織的基礎(chǔ)，是植物細胞壁的主要成分；是制造人造絲、人造棉、玻璃紙、火棉膠等的主要原料；在制備復(fù)合材料中也有較多應(yīng)用。纖維素86α

式β

式淀粉纖維872.2固體1.了解晶體、非晶體概況，理解各類晶體名稱、晶格結(jié)點上粒子及其作用力、熔點、硬度、延展性、導(dǎo)電性的不同。

2.了解耐高溫、易熔金屬實例及應(yīng)用，理解過渡元素、稀土元素及碘化物，氮化硼、硅酸鹽組成元素間的作用力及應(yīng)用。

3.理解非晶態(tài)高分子化合物的三種物理狀態(tài)及成因，理解玻璃化溫度、黏流化溫度的意義及應(yīng)用，了解α–Si:H的應(yīng)用。

4.聯(lián)系活性炭、分子篩等實例，理解固體吸附劑的表面組成特點及功用。

5.了解固體廢棄物的產(chǎn)生、危害和資源化途徑。學(xué)習(xí)要求88

固體即固態(tài)系統(tǒng)。習(xí)慣上稱系統(tǒng)為體系，故有固體這個術(shù)語。固體中的原子及其結(jié)合態(tài)粒子在空間的排布，如果長程有序便稱為晶體，如果短程無序就稱為非晶體。晶體非晶體89圖2-8晶格及晶胞(a)(b)(c)等徑圓球密堆積晶格或點陣晶胞一、晶體90視頻素材：2，10原子排列91十二面體鉆石晶體鉆石及其母巖

如果能用一個空間點陣圖形貫穿整個晶體，則這個晶體就叫單晶體。如自然界存在的金剛石、人工制備的單晶硅、鍺等。單晶體922003年10月7日，在倫敦索思比拍賣行，一名工作人員在展示一顆大D色級的鉆石，這枚鉆石將會在2003年11月20日在日內(nèi)瓦進行拍賣，預(yù)計起拍價會在500和600萬英磅(800萬-1000萬美元)

之間。人民網(wǎng)2003年10月08日天價鉆石93硅單晶94

一般的固體材料不能用一個空間點陣圖形貫穿，它們稱為多晶體。多晶體95

按晶格結(jié)點上微粒的種類、組成及其粒子間相互作用力的不同，晶體可分為：離子晶體分子晶體原子晶體金屬晶體過渡型晶體混合型晶體961.離子晶體

離子晶體的晶格結(jié)點上交替排列著正、負離子，靠離子鍵結(jié)合。

離子晶體有較高的熔點、較大的硬度、較脆。在熔融狀態(tài)或在水溶液中具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，但在固體狀態(tài)時幾乎不導(dǎo)電。Na+Cl-圖2-9NaCl離子晶體97視頻素材：2，14-NaCl晶體結(jié)構(gòu)98表2.5KF、NaF、CaF2和CaO晶體離子間作用力及其熔點變化規(guī)律物質(zhì)KFNaFCaF2CaO離子的電荷+1－1≈+1－1<＋2－1<＋2－2

離子半徑/nm0.1330.1330.0970.1330.0990.1330.0990.132

離子半徑之和/nm0.266>0.230≈0.232≈0.231離子間的作用

增大熔點/℃8579921392257099硫酸銅紫外光濾光片硫酸鎳紫外光濾光片1002.分子晶體

分子晶體的晶格結(jié)點上排列著極性分子或非極性分子，分子間以范德華力(分子間力)或氫鍵相結(jié)合。屬于分子晶體的物質(zhì)一般為非金屬元素組成的共價化合物，如SiF4，SiCl4，SiBr4，SiI4，H2O，CO2，I2

等。CO2

分子晶體(干冰)如圖2-10

所示。101圖2-10CO2分子晶體(干冰)102C60

的溶液C60

的晶體結(jié)構(gòu)(adaptedfromJonathanHare'sPhDthesis,SussexUniversity,1993.).uk

103

對于無氫鍵的相同類型分子晶體，分子間力隨相對分子質(zhì)量增大而增大，熔點、沸點也隨之增高。由于分子間力較弱，分子晶體的硬度較小，熔點一般低于400℃，并有較大的揮發(fā)性，如碘片、萘等。分子晶體的物理性質(zhì)1043.原子晶體

原子晶體的晶格結(jié)點上排列著中性原子，原子間由共價鍵結(jié)合。由非金屬元素組成的共價化合物多為分子晶體，但有少部分形成原子晶體，如常見的C(金剛石，立方型)，Si，Ge，As，SiC(俗稱金剛砂)，SiO2，B4C，BN(立方型)，GaAs等。105圖2-11金剛石(C)的晶體結(jié)構(gòu)金剛石藍色球和紅色球都是碳原子，用紅色球凸顯四個位置特殊的碳原子。106視頻素材：2，15金剛石(C)的晶體結(jié)構(gòu)1074.金屬晶體

金屬晶體的晶格結(jié)點上排列著原子或正離子。原子或正離子通過自由電子結(jié)合，這種結(jié)合力是金屬鍵。金屬鍵的強弱與構(gòu)成金屬晶體原子的原子半徑、有效核電荷、外層電子組態(tài)等因素有關(guān)。108圖2-12金屬晶格示意圖A1型密堆積ABCABCA3型密堆積ABABA2型密堆積ABAB體心立方六方面心立方109視頻素材：2，11晶胞-體心立方110視頻素材：2，12面心立方晶格111視頻素材：2，13密排六方晶格112

金屬晶體其單質(zhì)多數(shù)具有較高的熔點和較大的硬度，通常所說的耐高溫金屬就是指熔點高于鉻的熔點

(1857℃)的金屬，它們多集中在副族，其中熔點最高的是鎢(3410℃)和錸(3180℃)，它們常用作測高溫的熱電偶材料。金屬晶體的物理性質(zhì)

與離子晶體、分子晶體和原子晶體相比，金屬晶體具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，尤其是第IB族的Cu，Ag，Au。金屬晶體還有良好的延展性等機械加工性能，有金屬光澤、對光不透明等特性。純金屬及其合金構(gòu)成的金屬材料是最重要的結(jié)構(gòu)材料之一。1135.過渡型晶體例如，二碘化鎢(WI2)W+I2WI2250~650℃高溫1146.混合鍵型晶體例如，層狀結(jié)構(gòu)的石墨、二硫化鉬、氮化硼等屬于混合鍵型晶體。

六方型氮化硼（熔點2983℃），又稱白色石墨，比石墨更能耐高溫，化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定，可用來制作熔化金屬用的容器、耐高溫實驗儀器及耐高溫固體潤滑劑。115圖2-13石墨的層狀結(jié)構(gòu)氧原子硅原子SiO44–

四面體圖2-14硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖116

與晶體晶格結(jié)點上微粒長程有序排列不同，非晶體中微粒呈短程無序排列。非晶體的熔化，經(jīng)歷由固態(tài)逐漸變軟，最后變?yōu)榱鲃尤垠w的一個過程，所以無確定的熔點。在不同溫度區(qū)間，呈現(xiàn)出玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)等三種不同的物理狀態(tài)。二、非晶體非晶態(tài)——琥珀C10H16O，硬度2.5117非晶體材料的形成途徑(2)用液相或氣相沉積制備非晶體薄膜，其結(jié)構(gòu)與相應(yīng)液態(tài)結(jié)構(gòu)完全不同，可有多種非晶體結(jié)構(gòu)，不存在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度。它們在半導(dǎo)體材料中經(jīng)常用到。(1)從液相急劇冷卻獲得玻璃體材料，其結(jié)構(gòu)與相應(yīng)液態(tài)在轉(zhuǎn)變溫度時的結(jié)構(gòu)相同。通常有兩種：118目前廣泛應(yīng)用的非晶體固體有四類：玻璃非晶態(tài)高分子化合物非晶態(tài)薄膜非晶態(tài)合金(也稱金屬玻璃)119黏流態(tài)高彈態(tài)玻璃態(tài)1.非晶態(tài)高分子化合物形變溫度TgTf圖2-15高分子化合物的形變與溫度的關(guān)系120視頻素材：2，01玻璃態(tài)

隨著溫度的升高，高分子鏈節(jié)的振動幅度越來越大，使得高分子材料由玻璃態(tài)逐步轉(zhuǎn)變成高彈態(tài)直至黏流態(tài)，如果繼續(xù)升溫，則高分子鏈斷裂成一系列碎片。121表2.6幾種高分子化合物的玻璃化溫度、黏流化溫度和分解溫度高分子化合物Tg／℃

Tf／℃Td／℃

聚苯乙烯80~100

有機玻璃57~68

聚氯乙烯75

聚乙烯醇85

聚丙烯腈＞100

尼龍–6648

天然橡膠－73

丁苯橡膠–63~–75

氯丁橡膠–40~–50

硅橡膠–109

低壓聚乙烯100–

130

≥300

聚苯乙烯112~146

＞300

聚碳酸酯220~230

300~310

尼龍–66264

270

1222.非晶態(tài)薄膜

最具代表性的是具有極高信息密度的光存貯盤，還有全息攝影、薄的柔性襯底生長的廉價光電池、激光書寫和復(fù)印機上的長壽命感光滾筒以及用于大屏幕顯示的電子電路等。它們使用的半導(dǎo)體物質(zhì)是Ge，Si，α–Si:H，GaAs等材料。1233.非晶態(tài)合金

非晶態(tài)合金可以是二元、三元或多元合金，二元合金中加入適當(dāng)?shù)钠渌爻３Ｄ軌蛱岣吆辖鸬姆蔷Щ芰Α?0世紀(jì)60年代后由液態(tài)金屬快速凝固而成（冷卻速率為103~105K/s）。124例如：Pd82Si18

形成臨界冷卻速率約為105K/s，加入Cu后Pd77Cu6Si17

約在102K/s冷卻速率下就可以形成幾毫米粗的非晶絲。

Pd40Cu30Ni10P20可以在0.1K/s的冷卻速率下形成厚度約為100mm的大體積非晶態(tài)合金。

非晶態(tài)合金在力、電、磁等性能方面優(yōu)于同類晶態(tài)材料，具有高強度、高韌性、高硬度、高光潔度和抗腐蝕、抗輻射、抗沖擊等特點。

原子半徑小的元素如Be，P，B，C及VI~VIII族過渡金屬元素等是大體積非晶態(tài)合金的重要組成部分。1254.石英光導(dǎo)纖維

石英光導(dǎo)纖維也是非晶體材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)光性。光導(dǎo)纖維利用光脈沖傳輸信息，具有傳輸信號容量大、損耗小、中繼站少等優(yōu)點，是發(fā)展現(xiàn)代通信的關(guān)鍵性材料。光導(dǎo)纖維除以SiO2

為主、添加少量GeO2

等的石英氧化物光纖外，還有SiO2–CaO–Na2O，SiO2–B2O3–Na2O等氧化物光導(dǎo)纖維，

以及ZrF4–LaF3–BaF4

等氟化物光導(dǎo)纖維等。126天津電子材料研究所性能各異的光纖樣品127

固體表面層粒子受力不均勻，有剩余的吸引力，這使固體表面具有吸附能力。三、固體吸附劑

固體物質(zhì)顆粒越小，表面積越大，吸附能力也越大。在工業(yè)廢水、廢氣的處理中，常常利用固體表面的吸附性能，選用吸附能力很強的固體吸附劑來吸附污染物。例如，鋼鐵放在大氣中，其表面就會吸附一層H2O和CO2

等分子。128

活性炭有很多的微孔和巨大的比表面積。比表面積有500～1500m2/g，具有很強的物理吸附能力?；钚蕴吭诨罨^程中，能在表面非結(jié)晶部分形成一些含氧官能團，如羧基(－COOH)、羥基(－OH)、羰基(－CO－)。這些基團使它具有化學(xué)吸附的能力和良好的催化活性，能加速表面的一些化學(xué)反應(yīng)，有效地吸附并除去廢水、廢氣中的有害物質(zhì)?；钚蕴?/p>

活性炭纖維是近年發(fā)展起來的新型固體吸附劑，比活性炭有更大的比表面積，常做成毛氈形，可操作性更好，它在工業(yè)溶劑回收、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生等方面應(yīng)用效果很好。129煤質(zhì)顆粒活性炭系列產(chǎn)品130

分子篩是指人工合成的沸石型不溶性硅鋁酸鹽，因能篩選大小不同的分子而得名。其組成通式可表示為Mx/n[(AlO2)x(SiO2)y]·mH2O，M通常是指Na+，K+，Ca2+等；分子篩的骨架一般由SiO4和A1O4

四面體結(jié)構(gòu)單元所構(gòu)成，再以不同方式連接成立體的網(wǎng)狀骨架。圖2-16分子篩（A型）結(jié)構(gòu)分子篩131分子篩產(chǎn)品4A分子篩是一種堿金屬硅鋁酸鹽，能吸附臨界直徑不大于4?的分子。它可吸附H2O，NH3，H2S，SO2，CO2，C2H5OH，C2H6，C2H4，C3H6

等。廣泛應(yīng)用于氣體、液體的干燥，也可用于某些氣體或液體的精制或提純，如氬氣的制取。

應(yīng)用領(lǐng)域：石油化工、藥品包裝、電子工業(yè)家用冷凍系統(tǒng)涂料及塑料系統(tǒng)。例如：4A分子篩淄博迅達化工有限公司132

人類在一系列社會活動中產(chǎn)生了不再具有原使用價值而被丟棄的固態(tài)物質(zhì)稱為固體廢棄物。四、固體廢棄物全世界每年產(chǎn)生的廢棄物超過100億噸。工業(yè)廢棄材料，城鎮(zhèn)渣土，礦山殘渣，生活垃圾和生物質(zhì)（Biomass）等。它包括133

它占用大面積土地；重金屬滲入土壤被植物吸收，再通過食物鏈富集進入人體內(nèi)引起中毒；有機固體廢棄物腐爛滋生病菌，成為疾病感染源。固體廢棄物的危害134廣東省潮陽市的貴嶼鎮(zhèn)（中國網(wǎng)）堆積如山的電子垃圾（2001年12月

)用王水浸泡過的線路版135

對廢舊金屬材料、玻璃、紙張、橡膠、塑料等可以回收利用，成為二次資源。對于量大、面廣的生活垃圾和生物質(zhì)，有的采用衛(wèi)生填埋處理，大部分可通過化學(xué)或生物技術(shù)處理，使其轉(zhuǎn)化成有用物質(zhì)。比如，隔絕氧氣加熱分解生物質(zhì)制成液體燃料，代替部分石油產(chǎn)品；利用酶技術(shù)轉(zhuǎn)化為乙醇，成為清潔燃料；通過厭氧細菌進行發(fā)酵，產(chǎn)生CO和CH4

等氣體；通過好氧細菌進行氧化、分解，變成腐殖質(zhì)、CO2

和水。CH4

等氣體可用作能源，腐殖質(zhì)是改善土質(zhì)的必需物質(zhì)。

對固體廢棄物的再生化、資源化或高附加值化等合理處置和綜合利用是改善人類生存環(huán)境的重要內(nèi)容之一。固體廢棄物的再生化、資源化136投料焚燒鍋爐焚燒垃圾發(fā)電137

近年來，對難降解的塑料等合成高分子固體廢棄物（如廢舊輪胎）進行熱分解的研究進展很快。在無氧或低氧條件下高溫加熱，使高分子裂解，產(chǎn)生氣體、油狀液體和焦炭等，其組成隨原料類型及熱裂解溫度、加熱時間的不同而有區(qū)別。產(chǎn)物可以制成液體燃料、活性炭等而被利用，達到變廢為寶的目的。高分子裂解1382.3液體和液晶1.掌握水的重要物理性質(zhì)，氫鍵的產(chǎn)生及對水性質(zhì)的影響，水的電導(dǎo)率和pH及其應(yīng)用，理解熔化熱、汽化熱、摩爾熱容、質(zhì)量摩爾濃度等概念。

2.理解溶液的蒸氣壓降低、凝固點下降、沸點上升和產(chǎn)生滲透壓的原因，了解稀溶液依數(shù)性定量計算公式的適用條件和應(yīng)用實例。

3.了解液體燃料的來源、開發(fā)、規(guī)格和應(yīng)用。

4.能聯(lián)系實例指出表面活性物質(zhì)的類型及親水基團、憎水基團的組成，掌握十二烷基苯磺酸鈉、硬脂酸鈉、平平加型和OP型等表面活性物質(zhì)的化學(xué)式，理解潤濕、滲透、增溶、膠束、發(fā)泡、消泡等概念，了解W／O，O／W表示的意義，了解HLB值的概念及應(yīng)用。

5.理解液晶的分子排列特征及其性質(zhì)。了解液晶材料的應(yīng)用。學(xué)習(xí)要求139

液體遠程無序，近程有序。液體沒有固定的形狀，具有流動性。

介于晶體與液體之間的一種介晶狀態(tài)，稱為液晶態(tài)，液晶不同于一般的固體和液體。140一、水的性質(zhì)和應(yīng)用

水分子中，氫、氧原子以共價鍵相結(jié)合，O–H鍵長為0.09572nm，∠HOH為104.52°。氣相水的結(jié)構(gòu)四面體形

電荷分布體系δ-δ-δ+δ+水的氣態(tài)二聚體141

水分子的結(jié)構(gòu)和水分子間的氫鍵作用決定了水具有許多特殊性質(zhì)。雪花據(jù)有關(guān)研究，每1億片雪花中，很難找到兩片外形相同的雪花142圖2-17水團簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

水分子間存在氫鍵而發(fā)生締合，形成水的團簇結(jié)構(gòu)(H2O)n。水的團簇結(jié)構(gòu)氫鍵143

水在4℃時密度最大。冰具有穩(wěn)定六方晶型結(jié)構(gòu)，氧原子相距0.276nm，中心的水分子以氫鍵和其4個相鄰水分子相聯(lián)構(gòu)成四面體，三維伸展形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著溫度升高，冰熔化，這種“冰山”結(jié)構(gòu)塌陷，水分子排列變得更緊密，在4℃時達到極值，此時密度最大，出現(xiàn)所謂的“冷脹熱縮”現(xiàn)象。圖2-18冰的結(jié)構(gòu)水的密度144

水締合程度大，活性喪失嚴重，因而變成了“死水”。但水分子間的氫鍵在加熱、磁場等條件下將被破壞，從而降低了締合度。

水是最常見的液體和工程上應(yīng)用最多的溶劑。物質(zhì)一般在熱水中的溶解度大，熱水洗滌效果好；熱茶較冷水解渴等都與水的締合度降低或被解除有關(guān)。用磁化水做溶劑，可增大礦物質(zhì)的溶解度，因此常飲磁化水能降低人體“結(jié)石病”。145

純水中的H+濃度很小，在10–7mol·dm–3

左右。當(dāng)水溶液中c(H+)<1.0mol·dm–3

時，水會發(fā)生解離：其標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)（俗稱離子積）式中cθ

為標(biāo)準(zhǔn)濃度cθ=1.00mol·dm–3。25℃時水的Kwθ=1.00×10–14Kwθ

值隨溫度的升高而增大，在0℃，35℃，50℃時，分別為1.14×10–15，2.06×10–14

和5.35×10–14。通常用H+

濃度的負對數(shù)來表示，稱為pH。水的解離146例2.1

求純水在50℃時的pH。50℃時，水的Kwθ

=5.35×10–14，由于c(H+)=c(OH–)所以c(H+)=(5.35×10–14)1/2·cθ

mol·dm–3

=2.31×10–7mol·dm–3=–lg[2.31×10–7mol·dm–3／1.00mol·dm–3]=6.64解：147表2.7不同水樣的電導(dǎo)率水樣電導(dǎo)率／S·m–1

自來水5.0×10–1~5.3×10–2

一般實驗室用水5.0×10–3~1.0×10–4

去離子水4.0×10–4~8.0×10–5

蒸餾水2.8×10–4~6.0×10–6

超純水~5.5×10–6

純水幾乎是不導(dǎo)電的。通常因水中常含有可溶性電解質(zhì)致使其導(dǎo)電能力增大。用電導(dǎo)率儀測定水樣的電導(dǎo)率，再根據(jù)電導(dǎo)率數(shù)值即可確定水的純度。水的導(dǎo)電性148升華熱51kJ·mol–1mp，0℃bp，100℃熔化熱小6

kJ·mol–1比熱大76

J·mol–1·K–1蒸發(fā)熱大40.6

kJ·mol–1熱學(xué)性質(zhì)冰水汽149視頻素材：2，02結(jié)冰水快速冷卻結(jié)成冰，造成體積膨脹，玻璃杯被脹破（或稱“物理爆炸”）。150地表水汽化，帶去大量汽化熱；水（Mr=18）比空氣（Mr=28）輕，易升至高空；在高空，水汽凝結(jié)成云、霧、雨、雪放出凝結(jié)熱。冰比水輕，浮在表面：易熔、參加循環(huán)；保護物種。水的生態(tài)價值151二、溶液的蒸氣壓、凝固點、沸點和滲透壓

一定溫度下，液相（固相）與其氣相達到平衡時的壓力稱為液體（固體）在該溫度的飽和蒸氣壓，簡稱蒸氣壓。1.溶液的蒸氣壓降低152表2.8不同溫度時水和冰的飽和蒸氣壓水冰溫度／℃飽和蒸氣壓／kPa溫度／℃

飽和蒸氣壓／kPa溫度／℃

飽和蒸氣壓／kPa–15

0.191202.339–300.038–100.286253.167–250.064–50.421304.242–200.1040.010.611355.624–150.16650.872100101.325–100.260101.22837422040–50.402151.7050.010.611153

當(dāng)一種難揮發(fā)的溶質(zhì)溶解于溶劑后，溶液表面的溶劑分子數(shù)目由于溶質(zhì)質(zhì)點的存在而減少，使相同溫度下溶液蒸發(fā)出的溶劑分子數(shù)目比純?nèi)軇┮?，即溶液的蒸氣壓比純?nèi)軇┑恼魵鈮旱汀Ｈ芤旱恼魵鈮航档偷脑?54圖2-19水、冰和水溶液的蒸氣壓隨溫度的變化液固氣溶液ΔT

fΔT

b101.325t

/℃

t沸100p(H2O)/kPa0.6110.01ab’a’cbt凝155

氯化鈣(CaCl2)、五氧化二磷(P2O5)等，常被用作干燥劑。這是由于它們的強吸水性使其在空氣中易潮解成飽和水溶液，因其蒸氣壓比空氣中水蒸氣的壓力低，從而使空氣中的水蒸氣不斷凝結(jié)進入溶液。P2O5>KOH>濃H2SO4>NaOH>CaCl2

常見干燥劑的干燥能力156上式也稱拉烏爾定律(法國物理學(xué)家)。

實驗證明，在一定溫度下，稀溶液的蒸氣壓降低值等于該稀溶液中難揮發(fā)溶質(zhì)的物質(zhì)的量分數(shù)(摩爾分數(shù))與純?nèi)軇┱魵鈮旱某朔e，而與溶質(zhì)的性質(zhì)無關(guān)：蒸氣壓下降的定量關(guān)系157實驗證明：在稀溶液中，凝固點下降(ΔTf)為式中ΔTf

表示溶液的凝固點下降，Tf*、Tf

分別表示純?nèi)軇┖腿芤旱哪厅c，bB是質(zhì)量摩爾濃度，單位為mol·kg–1。例如lkg水中溶解了62g乙二醇[C2H4(OH)2]，其質(zhì)量摩爾濃度是1mol·kg–1；Kf

為凝固點下降常數(shù)，它取決于純?nèi)軇┑奶匦远c溶質(zhì)特性無關(guān)。凝固點下降的定量關(guān)系2.溶液的凝固點下降158表2.9一些溶劑的凝固點下降常數(shù)和沸點升高常數(shù)溶劑凝固點/℃Kf

/(K·kg·mol–1)沸點/℃Kb

/(K·kg·mol–1)醋酸173.9118.12.93苯5.45.1280.22.53氯仿–63.54.6861.23.63萘80.06.8//水0.011.86100.00.51159實驗證明：在稀溶液中，沸點升高(ΔTb)為式中ΔTb

表示溶液的沸點升高，Tb*、Tb

分別表示純?nèi)軇┖腿芤旱姆悬c，bB是質(zhì)量摩爾濃度，單位為mol·kg–1。Kb

為沸點升高常數(shù)，它取決于純?nèi)軇┑奶匦远c溶質(zhì)特性無關(guān)。沸點升高的定量關(guān)系3.溶液的沸點升高1604.溶液的滲透壓顯示滲透壓現(xiàn)象的簡單裝置

滲透壓是為維持被半透膜所隔開的溶液與純?nèi)軇┲g的滲透平衡而需要的額外壓力。純水半透膜П=cB×R×T溶液161

實驗發(fā)現(xiàn)，難揮發(fā)的非電解質(zhì)稀溶液的滲透壓與溶液的物質(zhì)的量濃度及熱力學(xué)溫度成正比。或滲透壓的定量關(guān)系1887年，荷蘭物理學(xué)化學(xué)家范特霍夫(J.H.van‘tHoff)提出了稀溶液的滲透壓與溫度以及溶質(zhì)濃度的關(guān)系式：162298.15K時0.1mol·dm–3

溶液的滲透壓為248kPa，數(shù)值相當(dāng)可觀。一般植物細胞汁的滲透壓可達2000kPa（相當(dāng)于200m水柱）。滲透壓的生物學(xué)意義滲透壓是引起水在生物體中運動的重要推動力。

人體血液平均的滲透壓約為760kPa，臨床上使用0.90%的生理鹽水或5%葡萄糖溶液作為等滲溶液，就是為了保持靜脈注射液處于人體正常的滲透壓范圍，否則會導(dǎo)致溶血等嚴重后果。163等滲液高滲液低滲