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1、现代化学概论General Modern Chemistry,第1章 材料化学 Chapter 1 Material Chemistry,我国当前注重发展的十个新领域：,电子与信息技术,生物技术,新型材料技术,新能源与高效节能技术,光-机-电一体化技术,医药与医学工程技术,环境保护技术,航空航天技术,地球、空间及海洋技术,核应用技术,1.1 金属材料（Metalic Material） 1.1.1 金属单质的物理化学性质 1.1.1.1 金属在周期表中的位置与金属性的大小,Pauling电负性表,鲍林（Pauling,L.）1901美国化学家,1.1.1.2 金属的分类,按颜色来分,黑色金属（
2、铁、锰、铬及其合金）,有色金属（金、银、铜、铝，等）,按密度来分,轻金属（d5g/cm3，如铝、钠、钾，等）,重金属（d5g/cm3，铜、铁、锌、铅，等）,按丰度来分,基本金属（铝、铁、钙、钠，等）,稀有金属（含量少,分布散,发现晚,提取难）,按稳定性来分,活泼金属（铁、铝、钠、钙，等）,贵金属（性质稳定,含量少,如金,银,铂,等）,放射性金属（能自发衰变的金属,如镭,等）,1.1.1.3 金属元素的物理性质 导电性与导热性：由于金属原子的价电子的电离能较低，在外界环境（温度梯度、电场，等）的影响下，价电子可脱离原子，在晶格中自由运动，称为自由电子。自由电子是金属导热与导电的基础。 延展性：金
3、属的延展性与金属中化学键的类型与强度有关。金属中的化学键是金属键，属离域键。因此金属具有良好的延展性。 1.1.1.4 金属元素的化学性质 金属元素的化学性质很多。在此只讨论与材料应用有关的化学性质。 金属与空气中氧的作用：金属的还原性越强，越易与氧作用。其与氧反应的剧烈程度与其金属性顺序一致:,mM + (n/2)O2 MmOn 碱金属、碱土金属、Al、Zn、Fe等均易与氧反应；Cr、Cu、Mo等与氧的反应速度较慢；Ti、Ag、Au、Pt等不与空气中的氧反应。 钝化作用：如果所生成的氧化物均匀而致密，则可阻止金属与氧的进一步接触和氧化，对金属起到了保护作用，这个过程叫钝化。如Na、Al、Zn
4、、Cr等的氧化物。 金属与水的作用：许多金属（碱金属、碱土金属、Fe、Al、Zn等）都能与水发生不同程度的作用，生成相应的氢氧化物和氢气：M+nH2O M(OH)n + (n/2)H2(g) 如果所生成的氢氧化物均匀、致密且不溶于水，则可阻止金属与水的进一步接触和反应，对金属起到了保护作用。如Al、Zn等的氧化物。,1.1.2 常用的金属 1.1.2.1 铁与钢铁（Iron and steel） 铁（Iron）是一种有磁性和延展性的银白色金属。在地壳中的含量约为5%，居第4位。在室温下可与水反应；在潮湿空气中容易生锈，氧化物性脆、不致密。掺入杂质可改变其性能。 生铁(铸铁)：含碳量2%的铁-碳
5、合金; 灰口铁：铁水缓慢冷却时，Fe3C分解为铁和石墨，断口为灰色。灰口铁柔软有韧性，可用于切削加工和浇铸成型。 白口铁：铁水骤冷时，Fe3C来不及分解，断口为白色。白口铁质硬性脆，主要用来炼钢。 球墨铸铁：向铁水中加入少量镁或稀土金属，可使生铁中的碳变成球形。球墨铸铁的铸造性能优于灰口铁。,钢：含碳量在0.02%2%之间的铁-碳合金，又称为碳钢。 低碳钢：C = 0.02%0.25% 中碳钢：C = 0.25%0.60% 高碳钢：C = 0.60%2% 熟 铁：C 0.2% (习惯叫法) 纯铁：含碳量0.02%的铁-碳合金; 不锈钢：C0.2%, Cr=1222%, Ni=510%, Mo=
6、04% 1.1.2.2 铝（Aluminium）及其合金 铝为银白色轻金属。在地壳中的含量为8%，仅次于O和Si居第三。密度低、来源广、耐腐蚀、导电导热性好。在干燥空气中易与氧作用生成致密氧化膜 (Al2O3),该膜不溶于水,可吸附染料而着色。,铝是轻质合金的基本成分。加入铜、镁、锌、锂等金属，可大大提高合金的强度，广泛应用于飞机、航天、建筑等领域。 1.1.2.3 铬 (Chromium) 铬为钢灰色金属，在地壳中的含量为0.01%，居第17位。有很强的还原性，在一定的条件下所形成的氧化膜具极高惰性，不溶于酸、碱、王水，因而是不锈钢的基本组分。铬化合物是常用的无机颜料。 1.1.2.4 钛
7、(Titanium) 一种低密度、质软、有延展性金属，在地壳中的含量为0.6%，居第9位。钛易被氧化而在表面形成极致密氧化膜，该氧化膜具有优异的耐腐蚀性能，不受湿空气、湿氯气、海水、稀酸碱、硝酸、王水等的侵蚀。是高强度、低密度、耐腐蚀合金的基本成分。二氧化钛（钛白粉）是传统的白色无机颜料。,1.1.2.5 锰 (Manganese) 锰是钢灰色硬脆性金属，在地壳中的含量为0.085%。在空气中易被氧化。与铁形成的锰铁合金（锰钢）具有很高的硬度，可用做设备的耐磨部件。 1.1.3 合金（Alloys） 1.1.3.1 合金的定义 一种金属元素与其它一种或数种金属元素或非金属元素融合在一起所得到的
8、具有金属特性的物质称为合金。如： 铁-碳合金（钢）；铝-铜-镁合金（建筑铝合金）； 铜-锌合金（黄铜）； 铝-锂合金（航空铝合金）； 锡-铅合金（焊锡）； 铜-锡、铜-铅合金（青铜）； ,1.1.3.2 几种特殊的合金材料 高硬低密合金：如铝锂合金，等； 形状记忆合金：如镍-钛合金，铜-锌-铝合金，铁-铂合金； 高温抗氧化合金：如 (铁、钴、镍)基体+其它高熔点金属； 低温防脆合金：如镍-铁合金，等； 贮氢合金：如镧-镍（LaNi5）合金，钛-铁（TiFe）合金；,1.1.4 金属结构材料 从力学的角度出发，在不增加材料耗量的情况下改变材料的结构，以提高材料的力学性能是材料科学与工程领域的一个
9、重要研究内容。因此，人们根据不同的实际需要，设计出了不同的材料结构。,1.2 无机非金属材料 1.2.1 水泥（Cement） 1.2.1.1 水泥的组成 水泥是一种人造硅铝酸盐粉末，其主要成分为Ca3SiO5、Ca2SiO4、Ca(AlO2)2和Ca3(AlO3)2等。 1.2.1.2 水泥的固化作用 水泥遇水反应并凝结成硬块，其反应方程式主要有： Ca3SiO5 + 5H2O Ca2SiO44H2O + Ca(OH)2 Ca2SiO4 + 4H2O Ca2SiO44H2O 2Ca(AlO2)2 + 10H2O Ca2Al2O57H2O + 2Al(OH)3 Ca3(AlO3)2 + 6H2
10、O Ca3(AlO3)26H2O 反应产物为大小不等、形状不一、交错形式的固形物（硅铝酸钙）。,1.2.1.3 水泥的制备(水泥厂) 把磨碎的石灰石（CaCO3）和高二氧化硅（SiO2）含量、高氧化铝（Al2O3）含量的黏土按比例混合，在回转窑内加热到1500，生成铝酸钙与硅酸钙。出窑后冷却并加入少量石膏(CaSO4)，一起研磨成细粉即得成品水泥。 1.2.2 陶瓷材料 陶瓷材料是天然硅酸盐、铝酸盐矿物的烧结体。它们是一种各向同性的无晶态无机物。陶瓷材料的特点是： 硬度高、耐磨性好； 耐高温，耐骤冷急热； 耐酸碱腐蚀；绝缘性好。 1.2.2.1 陶、瓷的烧制 将黏土加水成型、凉干，然后升温烧结
11、。当炉窑温度较低时，形成结构疏松的陶；当炉窑温度较高时，形成结构致密的瓷。（问题：当黏土的质量较差时，情况会怎样？）,1.2.2.1 结构陶瓷材料 具有高硬度、高强度、耐磨蚀、耐高温，通常用作机械结构的零部件。 以氧化铝（-Al2O3，刚玉）为主体的陶瓷：高硬、性脆，耐高温，耐骤冷急热。 以氧化锆（ZrO2）为主体的陶瓷：高强度、高韧性、耐撞击、不易碎。 以氮化硅（Si3N4，硬度为9）为主体的陶瓷：硬度高，耐骤冷急热，用作切削工具、汽轮机部件，等。 以碳化硅（SiC，金刚砂）为主体的陶瓷：硬度高（9.2），熔点高（2450 ），用作磨料。 陶瓷膜材料。,1.2.2.2 功能陶瓷材料 具特定的
12、性能，在一定的条件下显示出独特功能的材料称为功能材料。 高温超导材料 压电陶瓷：压电陶瓷是一种可将电能与机械能相互转换的功能材料。物质在压力的作用下发生形变，某些物质晶胞中正负离子的相对位移使得正负离子的电荷中心出现不相等的移动，导致晶体发生宏观极化，最后在晶体两端表面间出现电位差的现象。常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）陶瓷和锆钛酸铅（PbTiO3PbZrO3)等。 磁性陶瓷：将含铁氧体的磁性物质用制造陶瓷的工艺方法制成的非金属磁性材料。它同时具有磁性和陶瓷的耐高温、高强度、耐腐蚀性能。,1.2.3 玻璃、石英与水晶 玻璃、石英与水晶的主要成分均为SiO2，在空间为硅氧四面体结构。 杂质
13、含量高的小颗粒SiO2称为砂子； 排列规则有周期性的SiO2称为石英,为晶体； 排列杂乱无周期性的SiO2与Na2CO3 或K2CO3的共融物称为玻璃,非晶体； 且高SiO2的含量的玻璃称为石英玻璃。 大而透明的石英称为水晶； 含紫色杂质者为紫水晶； 含黑色杂质者为墨水晶； 微晶+杂质者为玛瑙、碧玉。,1.2.4 珠宝玉石 1.2.4.1 有关珠宝玉石的几个定义 珠宝玉石的三要素：美观 (颜色艳丽纯正，透明无瑕又光泽灿烂，或呈变彩、变色、显光或猫眼等特殊光学效应)、耐久 (坚硬、耐磨并具有良好的化学稳定性 )、稀有。 美丽、稀少的石头称为宝石。宝石是由一种或多种矿物组成的具有特殊光学效应的集合
14、体，绝大多数都是某种矿物的单晶体，如钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿、猫眼石、碧玺、紫牙乌等。 符合珠宝玉石三要素的石头称为玉石，是指单矿物或多矿物所组成的集合体的多晶质的岩石，其成品称为玉。玉有软玉和硬玉之分。硬玉又称翡翠。,1.2.4.2 常见的珠宝玉石 石：绿松石、青金石、芙蓉石、木变石 (又名虎皮石)、桃花石 (又称京粉翠)、孔雀石、兰纹石、羊肝石、虎睛石、东陵石等。 玉：主要成分是硅酸纳铝。中国四大名玉，是指新疆的和田玉、辽宁岫岩县的岫玉、河南南阳的独山玉、湖北郧县等地的绿松石 。 钻石：一种C的单质，又称金刚石。 晶：水晶、紫水晶、黄水晶、墨晶、茶晶（烟水晶）、软水晶、鬃晶、发晶。 玛
15、瑙：玛瑙是指具有纹带构造的玉，它是一种胶状矿物，其主要成分为二氧化硅。 珊瑚：是一种海底腔肠动物化石，分红、白两色。,荀丽多彩的宝石,1.3 纳米材料 纳米（nanometer, 10-9m）材料是指材料的显微结构尺寸均小于100nm，且具有某些特殊功能的材料。 纳米材料的特性主要表现在表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应。 1.4 有机高分子材料 1.4.1 有机高分子化合物（聚合物）的定义 由一个或若干个简单的结构单元重复连接而成的化合物称为聚合物。分子量大于104的化合物称为高分子化合物。 如聚乙烯：-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2- 可简写为 -CH2CH2n-。
16、其中-CH2CH2-称为链节，聚合物中所含的链节数n称为聚合度，聚乙烯的原料乙烯（CH2=CH2)称为单体。,1.4.2 有机高分子化合物的合成 1.4.2.1 均聚反应 由一种具有不饱和键（重键）的单体经加成反应生成产物的反应成为均聚反应。产物称为均聚物。如由乙烯生成聚乙烯，丙稀生成聚丙稀，等。 1.4.2.2 共聚反应 由两种或两种以上的单体（其中至少一种具有不饱和键）经加成反应生成产物的反应称为共聚反应。产物称为共聚物。 如：n CH2=CH-CH=CH2 + n CH2=CHCN -CH2-CH=CH-CH2-CH(CN)-CH2-n 1,3 丁二烯 丙烯腈 丁腈橡胶,1.4.2.3 缩聚反应 缩聚反应是指单体在聚合过程中，同时缩减掉一部分低分子化合物的聚合反应。如己二胺与己二酸缩聚成尼龙-66的反应： n NH2-(CH2)6-NHH + HOCO-(CH2)4-COOH NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO n + (2n-1)H2O 1.4.3 有机高分子化合物的结构与性能 1.4.3.1 有机高
