科学与技术辅导4

《科学与技术辅导4》由会员分享，可在线阅读，更多相关《科学与技术辅导4（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1科学与技术科学与技术辅导辅导 4 4第三章第三章 现代化学与新材料技术现代化学与新材料技术学学习习目目标标： ： 1. 了解：现代化学发展特点和研究内容；几种传统材料的特性和应用；新材料技术的发展趋势和战略。 2. 理解：几种常规的化学分析方法；一些新材料的优异性能和应用。 3. STS：领悟化学科学发展对社会进步和新材料技术发展的作用。材料是人们用来制造有用物品的各种物质。材料是人类生产和生活活动的物质 基础，也是社会生产力的重要因素。早在史前，原始人类在与自然抗争过程中，学 会了使用原始的材料。可以说人类使用材料的历史与人类社会文明史一样地悠悠久 长。自从人类发现了火种以后，化学工艺对材

2、料的发展和应用就起着重要的作用。 随着化学和其他学科的发展，人类使用的材料逐渐发展形成了金属材料，非金属材 料和有机高分子材料等庞大的材料体系。一、一、 现代化学的特点与发展现代化学的特点与发展我们已经知道，化学是一门在分子、原子水平上研究物质组成、结构和性能的 辩证关系，以及物质、能量转化规律的科学。化学也是一门满足社会需要的中心科 学，在现代社会中，化学对材料、能源、农业、资源的开发，满足和改善人民生活， 促进社会生产发展都有着巨大的作用。当然，化学过程产生的化学物质对环境的污 染，也引起了各种各样的社会问题。那么，现代化学是如何发展的呢？（一）现代化学发展的历程现代化学发展的历程化学的发

3、展，经历了很长的历史时期。1、古代化学的产生大约五十万年以前，人类发明了“钻木取火” ，掌握了人工取火的技术。火的利 用是人类最早的一项化学实践活动，也是人类最早知道的一种化学现象，它为人们 以后研究和实现一系列物质的化学变化创造了条件。古代化学是一种实用化学，由 它产生的制陶，金属冶炼，火药制造，染色，酿酒等化学工艺，几乎成为古代社会 生产力发展的最重要的因素。古代人们在实践的基础上，掌握了过滤、溶解、结晶、 升华和熔融等化学技术的同时，对物质也有了总体的认识，产生诸多的物质观点， 如我国战国时期的“五行说” ，古希腊亚里斯多德的“四素说”等，这些化学制作工 艺和学说，积累了大量的操作经验和

4、化学知识，为近代化学的发展奠定了基础。2、近代化学的建立16 世纪末至 17 世纪初，化学理论逐渐建立，英国化学家和物理学家波义耳， 在 1661 年，首次提出了科学的元素新概念，把化学确立为一门实验科学。之后，法2国化学家拉瓦锡在大量的实验基础上，提出氧化说，使化学基本理论和基本研究方 法发生了重大变革。由此，化学走向近代定量科学，一系列有关物质变化定量规律， 如质量守恒定律，当量定律被发现。特别是英国化学家和物理学家道尔顿的科学原 子说，第一次将化学实验总结的规律与物质的原子构成的观点联系起来，使化学进 入了一直持续至今的原子说为主线的新时期。意大利化学家阿佛加德罗的分子假说， 俄国化学家

5、门捷列夫在 1869 年发现的元素周期律，使化学研究从个别的、零散的和 无规律的事实罗列中摆脱出来，奠定了现代化学的基础，近代化学科学逐渐形成了 包括：近代无机化学、近代有机化学、近代分析化学和近代物理化学四大独立的分 支科学体系。3、现代化学的形成、现代化学的形成二十世纪初，物理学科的新发现和新技术特别是相对论和量子力学为现代化学 进一步发展概念和定量描述提供了理论依据，将化学和整个自然科学的研究，推进 到更深的层次上。化学分支不断涌现，化学朝着深、细、精，多学科、综合化的方 向发展。与此同时，现代化学工业的蓬勃发展，化学工业和产品，在人类生活和经 济活动中具有越来越重要的地位和作用，如化肥

6、增产，使农业丰收；化学工业的发 展，使新材料层出不穷。特别是 20 世纪 20 年代以后出现的有机合成工业的发展， 更加丰富了现代人们的生活。（二）现代化学研究的特点和内容（二）现代化学研究的特点和内容1、现代化学的特点、现代化学的特点现代化学有如下特点： 研究层面由宏观向微观发展。 研究方法由定性向定量发展。 研究对象由静态向动态发展 研究结果由描述性向推理性发展。这些特点表明了现代化学总的发展趋势是既高度 分化又高度综合。现代化学一方面，从自身产生了很多新的学科分支，如：无机固体化学、配合 物化 学、分子动力学等。另一方面，又与其他自然科学相互渗透交叉，形成一系列新的边 缘 学科，如：生物

7、化学、和化学、地球化学、环境化学等。2、现代化学研究的内容、现代化学研究的内容现代化学研究的内容可以归纳为三个方面：第一是深入研究化学反应理论，开发 化学反应过程来揭示化学反应的实质，进而设计最佳的化学反应过程。第二是提高结 构力量水平，致力于寻找或设计最需要、最佳的化合物材料或体系。第三，发展分析 和测试新方法，依靠计算机技术及多学科综合，使化学研究信息趋于更高的灵敏性和 可靠性，为高科技发展创造新分子，为社会需要合成特定性能的材料和物质。3、现代化学研究的方法、现代化学研究的方法现代化学研究不仅要综合其他自然科学的理论成果，而且还要综合运用其他自3然科学的研究方法。现代化学需要多学科知识的

8、综合、众多高深理论作指南、依靠 多种专业人员细密分工和合作，用多种精密仪器设备作检测的手段。其研究的方法， 必要博采众长，协同多学科合作进行，以整体思维来思考。（三）现代化学分析技术（三）现代化学分析技术1、基础化学分析技术、基础化学分析技术在近代建立的分析化学是一门研究物质化学组成的科学，它有两大任务，一是定 性 分析，主要是确定被测物质有哪些组分组成的。二是定量分析，主要是确定这些组分 相对含量。定性分析：定性分析：定性分析是应用物质的化学反应将被测组分转化为有特殊性质的新 物 质，通过观察其生成物有无气体，沉淀或有色物质等特征的产生，来推断被测物中某 种 组分的存在。主要的分析步骤： 对

9、试样进行外表观察。如兰色液体，可能含有二价铜离子。 样品准备。有取样、研磨、缩分，最后配成溶液。 阳离子检验。常见阳离子有 23 种，通过不同的化学反应来坚定。 阴离子检验。常见阴离子有 12 种，用特殊的化学反应来推断。定量分析定量分析定量分析有经典化学分析法和仪器分析法两大类。经典定量分析法是应用沉淀反 应，中和反应、氧化还原反应或络合反应的原理，对已知组分含量进行测定。应用 沉淀反应原理的分析方法，称为重量分析法，它是将被分析物质转化为一定的称量形 式，然后根据物质的量的关系来推算被分析物质某组分的含量。应用中和反应，氧 化还原反应或络合反应原理的方法，可统称为容量分析法或滴定分析法。它

10、是用一种 已知准确浓度的试液，滴加到被测物质的溶液中，直到完全定量反应为止。根据试剂 溶液的浓度和用量，来推算被测物质的含量。通常我们把这种已知准确浓度的试液叫 滴定剂，将滴定剂用滴定管滴加到被测物质溶液中的过程叫滴定。在滴定过程中，常 需要选择一种指示剂，用指示剂的变色点（也叫滴定终点）来确定是否达到完全定量 化学反应。因为滴定终点不一定恰好就是反应的等物质的量点，因此，容量分析的误 差很大程度上与指示剂的选择有关。2、仪器分析法、仪器分析法仪器分析是现代发展起来的一种分析方法，它大多要借助一定的仪器设备，根据 物质的物理或物理化学的性质，来测定某种组分的方法。故又称为物理化学分析法或 物理

11、分析法。仪器分析法具有操作简便、快捷、准确等优点，特别对于含量很低的组 分的测定，更有独特之处。仪器分析法有很多种，常用的有以下 5 种：光谱分析法光谱分析法，它是根据物质发射，吸收电磁辐射，以及物质与电磁辐射的相互作 用来进行分析的一种方法。根据电磁辐射的本质，光谱分析法可分为分子光谱和原子 光谱。4根据辐射能量传递的方式不同，光谱分析法又可分为发射光谱、吸收光谱、荧光光谱 和 拉曼光谱等。色谱法，色谱法，它是一种分离技术，它的分离原理是使混合物中各组分在固定相和流动 相两相中分配。当流动相中的混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于试 样的各组分在结构和性质上的差异，它们与固定相作用

12、的大小、强弱也不同。我们根 据被测组分在两相间进行分离作用的差异，进行定性和定量分析。色谱分析法按流动 相的物态不同，可分为气相色谱和液相色谱。电化学分析法，电化学分析法，它是利用物质的电学及电化学性质来进行分析的方法。电化学分 析法可分为三种类型：一是在特定的实验条件下，通过被测溶液浓度与物理量的关系 来测定的，如离子选择性电极分析法和伏安分析法。二是在溶液中，根据一些物理量 的突变来作为滴定终点指示的电容量法。如：电位滴定、电流滴定、电导滴定。三是 将被测组分通过电极反应转化固态的金属或金属氧化物，并根据析出金属或氧化物的 质量来确定该组分的方法，如：电解分析法。质谱分析法，质谱分析法，它

13、是现代物理与化学使用的极为重要的工具。它的基本原理是试样 在离子源中电离后，产生各种带正电荷的离子，它们在加速电场的作用下，形成离子 束射入质量分析器。在磁场的作用下，离子作等速圆周运动并分离，然后，由记录系 统得到质谱图，根据质谱图上谱线的位置及相应离子的电荷数进行定性分析，再根据 谱线黑度或相应离子流的相对强度，进行定量分析。核磁共振波谱分析法，核磁共振波谱分析法，它也是现代仪器分析的重要方法之一，它的基本原理是在 强磁场的激励下，根据一些具有某些磁性的原子核对高频无线电电波的共振吸收，来 推断被测物的分子结构。 二、二、化学与材料化学与材料在现代社会中，化学是一门中心学科，它与社会多方面

14、需求相关，人们的衣食住 行、健康生活，工农业生产、国防建设、环境保护都与化学有关。化学又是一门创造性的科学，创造新药物、合成新材料和进行分子设计，都是现 代化学最富有创造力的工作。化学还是一门实用科学，人类社会使用的物质和材料，大多是通过化学过程来获 得的，化学对材料的使用和发展有着重大的贡献。我们介绍几种常用的材料以及它们的一些性质和应用。（一）金属与金属材料一）金属与金属材料1、金属、金属目前，我们已知的元素有 109 种，其中金属有 87 种。除汞以外，所有金属都是 固体。金属具有“自由电子” ，它在金属晶体中能自由流动。我们熟知的金属具有特殊 的金属光泽、是热和电的良导体等性质，很大程

15、度上与金属晶体结构有自由电子有关。 如：自由电子能吸收可见光，然后又反射出大部分频率的光，使金属显示特有光泽。 自由电子在外电场的作用下，作定向流动，形成电流，这就是金属导电的原因。自由 电子受热后，能量增大，运动速度也加大，它与金属离子碰撞而传递能量，从而使金5属具有良好的导热性等。自由电子把金属原子或离子结合在一起，这种结合力叫金属 键，金属原子、离子和自由电子组成金属晶体。金属在形成晶体时，最常见的有三种： 体心立方晶格、面心立方紧堆晶格和六方紧堆晶格。在冶金工业上，我们把金属分为两大类。一类为黑色金属，指铁、铬、锰及其合 金。另一类为有色金属，除去黑色金属之外其他金属都是有色金属。有色

16、金属又可分 为四类：重金属，密度大于 5g/cm3的金属，如：铜（Cu） 、铅（Pb） 、镍（Ni）等。 轻金属，密度小于 5g/cm3的金属，如：钾（K） 、钠（Na） 、镁（Mg）等。贵金属， 指地壳中含量少，价格贵的，指金（Au） 、银（Ag）和铂（Pt）和铂系。稀有金属， 指在自然界含量少，分布稀散的金属。如：铍（Be） 、钒（V） 、铬（Cr）等。大多金属元素的原子最外层只有 3 个以下的电子，在反应时，它们倾向于失去电 子，因而，显示出还原性。但是，不同金属原子失去电子难易程度是不相同的。活泼 金属如：钠在常温下就能与水反应放出氢气。2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2 而镁却只能在热水（或水蒸气）中才能反应Mg + 2 H2O（g） = Mg（OH）2 + H2 活泼金属能与稀硫酸和盐酸反应，产生氢气，如Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 不活泼金属则不能反应，但却能与硝酸和浓硫酸反应，反应的结果不产生氢气，如4 HNO3（浓）+ Cu = Cu（NO3）2+ 2 H2O + 2 NO2在常温下， 钾、纳、钙