工程化學(xué)基礎(chǔ)4

1、小節(jié) 化學(xué)鍵化學(xué)鍵(離子鍵、共價鍵離子鍵、共價鍵) 離子鍵本質(zhì)是靜電力離子鍵本質(zhì)是靜電力(電荷越大、距離越小，鍵越強電荷越大、距離越小，鍵越強)，離子鍵沒有方向性；離子鍵沒有飽和性離子鍵沒有方向性；離子鍵沒有飽和性 共價鍵具有飽和性和方向性共價鍵具有飽和性和方向性 共價鍵的類型共價鍵的類型 電子配對理論電子配對理論 雜化軌道理論雜化軌道理論 配位鍵配位鍵 范德華力范德華力(取向力取向力,誘導(dǎo)力誘導(dǎo)力,色散力色散力) 氫鍵氫鍵(具有飽和性和方向性具有飽和性和方向性)第二章第二章物質(zhì)的化學(xué)組成和聚集狀態(tài)物質(zhì)的化學(xué)組成和聚集狀態(tài)本章內(nèi)容提要 物質(zhì)是由原子、離子、分子等原子的結(jié)合態(tài)組成的，根據(jù)組成物質(zhì)

2、的元素的種類的不同，可以將物質(zhì)分為無機物和有機物兩大類。 原子、分子及其結(jié)合態(tài)因其所處條件不同，他們又可分成單質(zhì)、簡單化合物、配合物、高分子化合物、金屬有機化合物等。在一定條件下，他們可以聚集成固體、液體和氣體等宏觀狀態(tài)，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)、功能和用途。 2. 1 物質(zhì)的化學(xué)組成物質(zhì)的化學(xué)組成 學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 要要 求求 1聯(lián)系實例，理解配位化合物、高分子化合物組成中的基本聯(lián)系實例，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。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，了解了解 C60 等團簇等團簇和Si：H，F(xiàn)

3、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，比較 MCC 鍵和 MOC 鍵鍵能大小，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23 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聯(lián)系實例，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)。 物質(zhì)實物場無機物有機物單質(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

4、高分子(合成塑料、橡膠、纖維)復(fù)雜化合物(超分子)金屬有機物質(zhì)的分類 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。處于配合物中心位置的正離子或中性原子稱為配位配位中心中心(中心體或形成體)，也稱中心離子中心離子或中心原子中心原子。按一定空間位置排列在配位中心周圍的負離子或中性分子稱為配位體配位體，簡稱配體。中心離子和配位體之間靠配位鍵配位鍵結(jié)合。 英語中稱做：Coordination Compound，意為“協(xié)同化合物”或 Complex Compound，意為“復(fù)雜化合物”。譯成“配合物”或“絡(luò)合物”定義 一、 配位化合物

5、 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)配位體中心離子配位原子配位體概念說明配位化合物的命名H2 Zn (OH)2 C12二氯.二羥合鋅()酸Na2 Mg Y乙二胺四乙酸合鎂()酸鈉K4 Pt Cl6 六氯合鉑()酸鉀K2 Hg I4 四碘合汞()酸鉀Co (NH3)3 (H2O) C12 Cl 氯化二氯一水三氨合鈷()Cu (NH3)2 (CH3COO) Cl 氯化乙酸根二氨合銅()Cu (en)2 SO4硫酸二乙二胺合銅()Co2 (CO)8八羰合二鈷(0)Cr (C6H6)2二苯合鉻(0)Cu2+H2NH2NNH2NH

6、2CH2CH2CH2CH2CaONCH2COOONOCOCH2CH2CH2COCH2CH2CO2-CaY2 配離子多齒配體與螯合物 復(fù)雜多元有機酸根、多元胺等常常含有兩個或兩個以上的配位原子，它們作為配位體時稱為多多齒配體齒配體。多齒配體與中心離子形成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配合物又稱螯合物螯合物，螯合物的穩(wěn)定性很強。 反式-二氯二氨合鉑()PtH3NClClNH3PtNH3ClClNH3順式-二氯二氨合鉑()例如具有抗癌活性無活性。配合物的結(jié)構(gòu)與性能 螯合物的穩(wěn)定性很強是因為螯合效應(yīng)的結(jié)果。即多齒配體與中心離子形成了環(huán)狀結(jié)構(gòu) 。結(jié)構(gòu)對配合物的性質(zhì)有很大影響。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)

7、，并表現(xiàn)出不同的性能。 團簇是指由幾個至上千個原子、分子或其結(jié)合態(tài)粒子聚集而形成的相對穩(wěn)定的介觀聚集體。它的研究在20世紀80年代后迅速發(fā)展。團簇的空間尺度在納米(109 m)量級左右。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。團簇的結(jié)構(gòu)、性能與所含原子、分子或其結(jié)合態(tài)粒子數(shù)密切相關(guān)，它的物理和化學(xué)性質(zhì)不同于單個原子或分子，也不同于常規(guī)的固體和液體。例如，常規(guī) Fe、Co、Ni 等是鐵磁性的，但它們的團簇可以是超順磁性的；常規(guī)順磁性的 Na、K 等的團簇卻是鐵磁性的。團簇是許多納米材料的基礎(chǔ)。 二、團簇二、團簇圖2-2

8、 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 在大量的團簇中，研究最多的是碳團簇，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。以 C60 作為結(jié)構(gòu)基元而形成的 C60 固體是除石墨、金剛石外，碳的又一種同素異形體。 (a) 金剛石(b) 石墨碳團簇 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 18 K、30 K、31.

9、3 K、45 K 和 48 K。球碳團簇在高新技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，美國化學(xué)家 Smalley R. E.，Curl R. F. 和英國化學(xué)家 Kroto H. W. 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Harold W. KrotoR. E. 史沫萊Richard E. SmalleyR. F. 柯爾Robert F. Curl圖2. 發(fā)現(xiàn)C60的三位科學(xué)家C60的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)美國萊斯大學(xué)：柯爾（Curl）教授 、斯莫利（Smalley）教授英國薩塞克斯大學(xué)：克羅托（ Koroto）教授1984 1985 1996 德國海德堡馬克思.普朗克研

10、究所：克里斯曼(Kratschmer)美國亞利桑那大學(xué)：霍夫曼(huffman) 100mg 19721990?？松荆?984C60的性能及應(yīng)用前景的性能及應(yīng)用前景化學(xué)家、物理學(xué)家、材料學(xué)家是最圓的分子 可能是最對稱的分子通過對富勒烯極其衍生物的研究，人們發(fā)現(xiàn)富勒烯極其衍生物在電子光敏器件、超導(dǎo)、發(fā)光材料、分子磁體、催化、生物醫(yī)學(xué)等方面，都有著很好的應(yīng)用前景 電子性能：不同的化合物形態(tài)體現(xiàn)不同的電學(xué)性能 絕緣體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體碳納米管 除球形的 C60 等碳團簇外，還有1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管（如圖2-3），也稱“布基管”，以及結(jié)構(gòu)類似洋蔥的“布基蔥”。碳納米管是一種由單層或多層石墨

11、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 碳納米管可以是不同禁帶寬度的半導(dǎo)體，也可以是準一維導(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。 納米碳管的細尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾厘

12、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 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。有無機高分子和有機高分子之分，這里討論有機高分子。有機高分子中有纖維素、蛋白質(zhì)、淀粉、木質(zhì)素等天然高分子和有機小分子聚合而成的合成高分子。工程應(yīng)用中多為合成高分子。世界上第一個合成高分子是1907年誕生的酚醛樹脂。 三、高分子化合物n HCHO + nOHOHCH2nn H2O+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)象簡寫：ClCH2CHn聚合物nCH2CHClCH2CHCH2ClCHC

13、H2ClCHCl.聚合聚合度加成聚合加成聚合與縮合聚合縮合聚合 n H2N(CH2)6NH2己二酸 己二胺n HOOC(CH2)4COOH+ (2n1) H2O聚酰胺66 或尼龍66n OH+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)6NH CO (CH2)4CO它的聚合度為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)。 碳鏈高分子化合物碳鏈高分子化合物 主鏈中均是 CC 鍵 主鏈中引入了 O，N 等雜元素，不但有 CC 鍵，還有 CO，CN 鍵， 雜鏈高分子化合物

14、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元素有機高分子化合物高分子化合物的分類高分子化合物的分類表表2. 1 一些高分子化合物及其單體一些高分子化合物及其單體 名名 稱稱化化 學(xué)學(xué) 式式 單單 體體聚乙烯CH2CH2聚丙烯CH3 CHCH2 聚氯乙烯ClCHCH2 聚苯乙烯聚四氟乙烯CF2CF2 聚異戊二烯 CH2CH2nCHCH2nCH3CHCH2nClCHCH2nCF2CF2nCH2CH2nCCHCH3CHCH2CH2CCHCH2CH3 名名 稱稱化化 學(xué)學(xué) 式式 單單 體體聚酰胺H2N(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH 聚甲基丙烯

15、酸甲酯聚環(huán)氧乙烷聚丙烯腈CH2CHCNNH(CH2)6NHC (CH2)4COOnOnNH(CH2)5CCH2CnCOOCH3CH3CH2CH2nOCHCH2nCNNH(CH2)5C=O CH2CCOOCH3CH3CH2CH2O名名 稱稱化化 學(xué)學(xué) 式式單單 體體聚丙烯酰胺聚對苯二甲酸乙二(醇)酯 HO CH2 CH2OH 酚醛樹脂HCHO ，聚二甲基硅氧烷 CH2CH2nCOH2NCCOOCH2CH2nOOOHCH2nSiOnCH3CH3SiOHOHCH3CH3OHCOOHCHOOCH2CHCNH2O名名 稱稱ABS化學(xué)式化學(xué)式單單 體體CH2CHCN，CH2CHCHCH2， CHCH2xC

16、NCH2CH2yCH CHCHCH2zCHCH2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)

17、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 (vinyl chloride)PolystyreneAcrylonitrile-butadiene-styrene copolymer PEPPPVCPSABS纖 維 聚對苯二甲酸乙二(醇)酯聚己二酰己二胺

18、 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 (ethylene terephthalate)Poly (hexamethylene adipamide), PolyacrylonitrilePoly (vinyl acetal) 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-styrene rubbercis-1,4-Polybutadiene rubbercis-1,4-Polyisoprene rubberEthylene-propylene rubber S

19、BRBRIREPR 小結(jié)小結(jié) 會命名配位化合物和會寫化學(xué)式會命名配位化合物和會寫化學(xué)式 可以找出配位中心、配體、配位原子和配可以找出配位中心、配體、配位原子和配位數(shù)、螯和物位數(shù)、螯和物 知道高分子的鏈節(jié)、聚合度知道高分子的鏈節(jié)、聚合度 了解按主鏈對高分子分類了解按主鏈對高分子分類 知道一些常見的高分子單體知道一些常見的高分子單體 作業(yè)：P32-P33習(xí)題 1、4、5、6 2. 2 固體固體1了解晶體、非晶體概況，聯(lián)系實際理解各類晶體名稱、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

20、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、粘流化溫度的意義及應(yīng)用，了解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)學(xué) 習(xí)習(xí) 要要 求求 固體是我們把原子及其結(jié)合態(tài)微粒在一定溫度和壓力條件下進行研究的一個系統(tǒng)，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。 晶體非晶體界晶體（準晶體） 晶體如圖2-7(a)，具有較規(guī)則的幾何外形。若把原子及其結(jié)合態(tài)微粒看成幾何學(xué)上的結(jié)點，這些結(jié)點按一定規(guī)則排列所組

21、成的幾何圖形叫作晶格或點陣，如圖2-7(b)。晶體三維點陣中存在一個能夠完全代表晶格特征的最小單元叫作晶胞，如圖2-7(c)表示的是立方晶系的一個晶胞。 一、晶體圖2-7 晶格及晶胞(a)(b)(c)等徑圓球密堆積晶格或點陣晶胞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，這個晶體又叫單晶體。如自然界存在的金剛石、人工制備的單晶硅、鍺等。單晶體 當?shù)貢r間 2003 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，這枚鉆石將會在下月 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 萬-1 000 萬美元)

22、之間人民網(wǎng) 2003年10月08日天價鉆石天價鉆石硅單晶 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1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。NaCl離子晶體如圖2-8所示。 離子晶體一般具有較高的熔點和較大的硬度，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)時離子限制在晶格的一定位置上振動，所以幾乎不導(dǎo)電。 Na+Cl-圖2-8 NaCl 離子晶體 離子間作用力：F=k(q+q-)/(r+r-)2 離子間作用力隨離子電荷的增加而增大，隨離子半徑的增離子間作用力隨離子電荷的增加而增大，隨離子半徑的增大而減小。離子大而減小。離子晶體

23、的熔點和硬度的變化與離子間作用力的變化相同晶體的熔點和硬度的變化與離子間作用力的變化相同電荷數(shù)起主要作用電荷數(shù)起主要作用在電荷數(shù)相同的情況下參考半徑大小在電荷數(shù)相同的情況下參考半徑大小表2. 5 KF、NaF和CaO晶體離子間作用力及其熔點變化規(guī)律物質(zhì) KFNaF CaF2CaO離子的電荷+1 1+1 12 1 2 2 離子半徑nm0. 133 0. 1330. 097 0. 1330.099 0.1330. 099 0. 132 離子半徑之和nm 0. 2660. 230 0.2320. 231離子間的作用增大 熔點85799213922570硫酸銅紫外光濾光片Copper Sulfate

24、UV FilterNickel Sulfate UV Filter硫酸鎳紫外光濾光片 2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 2-9 所示。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。 O=C=O圖2-9 CO2分子晶體(干冰) C60 的溶液A

25、 students view of the discovery of Buckminsterfullerene(adapted from Jonathan Hares PhD thesis, Sussex University, 1993.) C60 的晶體結(jié)構(gòu).uk 3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。CCCCCCCCC圖2

26、-10 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。4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)。金屬晶體堆積方式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 金屬晶體單質(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 (1 857 ) 的金屬，集中在副族，其中熔點最高的是鎢(3 410 ) 和錸 (3 180 )，它們用作測高溫的熱電偶材料。 金屬

27、材料重要的物理性質(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。 5過渡型晶體 將晶體分成上述四個基本類型，給研究和使用帶來很多方便，但僅僅是簡單的概括。更多晶體的晶格結(jié)點粒子間作用發(fā)生了變異，很難劃定為上述任一典型晶體，而屬于過渡型晶體。例如，利用二碘化鎢 (W I2) 熔點低，易揮發(fā)的特性，在燈管中加入少量 I2 可制得碘鎢燈。當鎢絲受熱，溫度維持 250 650 時，W 升華到燈管壁與 I2 生成 W I

28、2；W I2 在整個燈管內(nèi)擴散，碰到高溫鎢燈絲便重新分解，并把鎢留在燈絲上；這樣循環(huán)不息，可以大大提高燈的發(fā)光效率和壽命。 6混合鍵型晶體 實際晶體中還有晶格粒子間同時存在幾種作用力的混合鍵型晶體。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。如圖2-11所示，石墨晶體中同層粒子間以共價鍵結(jié)合，平面結(jié)構(gòu)的層與層之間則以分子間力結(jié)合。由于層間的結(jié)合力較弱，容易滑動，所以常被用作滑潤油和滑潤脂的添加劑，以膠粒的形式分散在油或脂中。六方型氮化硼（熔點 2 983 ），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。 圖2-11

29、 石墨的層狀結(jié)構(gòu)氧原子硅原子SiO44 四面體圖2-12 硅酸鹽結(jié)構(gòu)示意圖 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)和粘流態(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. 5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。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)。(1

30、) 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：粘流態(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表2. 6 幾種高分子化合物的玻璃化溫度、粘流化溫度和分解溫度高分子化合物 Tg TfTd 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66 48 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 小節(jié) 離子晶體(活潑金屬的含氧酸鹽、鹵化物、氧化物) 離子間作用力離

31、子間作用力 可比較離子晶體的熔點高低可比較離子晶體的熔點高低 分子晶體(非金屬元素組成的共價化合物) 分子間作用力與分子量有關(guān)分子間作用力與分子量有關(guān) 原子晶體(金剛石、Si、SiC、BN等) 非晶態(tài)高分子(玻璃態(tài)、高彈態(tài)、黏流態(tài)；玻璃化溫度Tg、黏流化溫度Tf) 作業(yè)：P43 1、2、3、4、7 2. 3 液體和液晶液體和液晶 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概念及其應(yīng)用，理解熔化熱、氣化熱、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、

32、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 WO，OW 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)學(xué) 習(xí)習(xí) 要要 求求 液體中的原子及其結(jié)合態(tài)微粒不像晶體中那樣有序排列，而只在局部范圍內(nèi)保持一定程度的有序排列，即遠程無序，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。 一、一、水的性質(zhì)和應(yīng)用 水分子中，氫、氧

33、原子以共價鍵相結(jié)合，OH 鍵長為 0. 09572 nm，HOH 為104. 52。氣相水的結(jié)構(gòu)四面體形電荷分布體系OH- - -+ + +296 pm55o水的氣態(tài)二聚體 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圖2-15 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，如圖2-15所示。水的團簇結(jié)構(gòu)O-H氫鍵 水在4時密度最大。晶體水冰具有如圖2-16的穩(wěn)定六方晶型結(jié)構(gòu)，氧原子相距0. 276 nm，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)。

34、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2-16 冰的結(jié)構(gòu)水的密度 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”。表2. 7 不同水樣的電導(dǎo)率水樣 電導(dǎo)率Sm1 自來水 5. 0101 5. 3102 一般實驗室用水 5. 0103 1.

35、 0104 去離子水 4. 0104 8. 0105 蒸餾水 2. 8104 6. 0106 超純水 5. 5106 純水幾乎是不導(dǎo)電的。實際應(yīng)用的水中常含有可溶性電解質(zhì)使其導(dǎo)電能力增大?？捎秒妼?dǎo)率儀測定水樣的電導(dǎo)率，可從電導(dǎo)率數(shù)值確定水的純度。表2. 7列出了常見水樣的電導(dǎo)率，其單位為西門子米1（Sm1）水的導(dǎo)電性升華熱 51 kJmol1mp，0bp，100熔化熱小6 kJmol1比熱大76 J mol1 K1蒸發(fā)熱大40.6 kJmol1熱學(xué)性質(zhì)冰水汽地表水汽化，帶去大量汽化熱水（M=18）比空氣（M=28）輕，上升高空在高空，水汽云、霧、雨、雪 放出凝結(jié)熱冰比水輕，浮在表面：易熔、參加

36、循環(huán)；保護物種水的生態(tài)價值 純水中的 H 濃度很小，在 107 moldm3 左右。當水溶液中c(H+) KOH 濃H2SO4 NaOH CaCl2 常見干燥劑的干燥能力上式也稱拉烏爾定律(法國物理學(xué)家)*AB*AB pxpnnp(2.3) 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)系的定量關(guān)系 圖2-17中 aa，ac，bb 線分別表示水、冰和溶液的蒸氣壓與溫度的關(guān)系?？梢姡篴 點 (0. 01，0. 611 kPa)純水和冰的蒸氣壓相等，此時達到冰、水和水蒸氣三相平衡，0. 0

37、1 即為水的凝固點；水溶液中由于加入了溶質(zhì)而蒸氣壓降低，溶液蒸氣壓曲線與冰的蒸氣壓曲線相交于 b 點，這是溶液的凝固點。顯然，溶液的凝固點比純?nèi)軇┑哪厅c下降了。難揮發(fā)物質(zhì)溶液的凝固點總是低于純?nèi)軇┑哪厅c。 2、溶液的凝固點下降實驗證明：在稀溶液中，凝固點下降凝固點下降(Tf )為 Bff*ffbKTTT式中Tf 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molkg1，例如 l kg水中溶解了 62 g 乙二醇 C2H4(OH)2，其質(zhì)量摩爾濃度是 1 molkg1；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

38、定量關(guān)系凝固點下降的定量關(guān)系表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 / Kkg mol1沸點Kb / Kkg mol1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. 513溶液的沸點升高 當液體的蒸氣壓等于外界壓力時，液體就沸騰，這時的溫度稱為該壓力下的沸點沸點。純水在100時的蒸氣壓等于101. 325 kPa (常壓)，故水的常壓沸點是100。水中加入難揮發(fā)性溶質(zhì)后，由于溶液的蒸氣壓降低，只有在更高的溫度下才能使它的蒸氣壓達到1

39、01. 325 kPa 而沸騰。于是出現(xiàn)了沸點升高沸點升高的現(xiàn)象。難揮發(fā)物質(zhì)溶液的沸點總是高于純?nèi)軇┑姆悬c。實驗證明：在稀溶液中，沸點升高沸點升高(Tb )為Bbb*bbbKTTT式中Tb 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molkg1，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4溶液的滲透壓圖2. 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= cBRT溶液 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體積摩爾濃度及熱力學(xué)溫度成正比

40、。RTVncRTnRTV 或(2. 6)滲透壓的定量關(guān)系定量關(guān)系 1887年，荷蘭物理學(xué)化學(xué)家范特霍夫(J. H. van t Hoff)，提出了稀溶液的滲透壓與溫度和溶質(zhì)濃度的關(guān)系式： 滲透壓具有重要的生物學(xué)意義，它是引起水在生物體中運動的重要推動力。按式（2.6）計算，298. 15 K時 0. 1 moldm3溶液的滲透壓為 248 kPa，數(shù)值相當可觀。一般植物細胞汁的滲透壓可達 2 000 kPa（相當于200 m水柱），所以水分可以籍滲透作用從植物的跟部運送到數(shù)十米高的頂端，以供植物白天進行光合作用的需要。人體血液平均的滲透壓約為 760 kPa，臨床上使用 0. 90% 的生理鹽

41、水和 5% 葡萄糖溶液等等滲溶液，就是為了保持人體處于正常的滲透壓范圍，否則會導(dǎo)致溶血等嚴重后果。 滲透壓的生物學(xué)意義等滲液高滲液低滲液 如果在溶液的一側(cè)施加一個大于滲透壓的外壓力，則溶劑由溶液一側(cè)通過半透膜向純?nèi)軇┗虻蜐舛确较驖B透，這種現(xiàn)象稱為反滲透反滲透。它為海水淡化和環(huán)境保護中的廢水處理提供了一個重要方法。 反滲透反滲透海水淡化示意圖純水溶液液相 三、表面活性物質(zhì) 液體表面質(zhì)點受內(nèi)部質(zhì)點拉力的影響，有向液體內(nèi)部遷移，使液相表面積自動縮小的趨勢。水滴呈圓球形就是這個道理。液體表面的收縮張力，稱為表面張力表面張力。從能量觀點來看，要將液體內(nèi)部的質(zhì)點移到表面，需要克服表面張力而做功，使系統(tǒng)能量

42、增加，這一能量稱為表面能表面能。表面張力或表面能的大小取決于液體質(zhì)點間作用力的大小。在20時，水的表面張力為72. 9 mNm1，大多數(shù)有機液體的表面張力較小，僅 2030 mNm1。氣相圖2-18 液體表面和液體內(nèi)部分子受力情況 純水中加入溶質(zhì)形成溶液時，表面張力隨之改變。例如，加入無機鹽（如NaCl），不揮發(fā)的酸（如H2SO4）、堿（如KOH）等，由于這些物質(zhì)的質(zhì)點對表面水分子的吸引，增大了表面張力。加入有機物，由于碳鏈的疏水性，降低了水溶液的表面張力。凡能顯著降低水溶液表面張力的物質(zhì)叫表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)。 表面活性物質(zhì)表面活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)：雙親分子 amphiphilic molecu

43、le表面活性劑結(jié)構(gòu)CH3-CH2-CH2-.-CH2-COO-Na+親水基親油基簡化為：疏水基憎水基憎油基圖2-18 表面活性劑在兩相界面的排列水相空氣 表面活性劑通常采用按化學(xué)結(jié)構(gòu)來分類，分為離子型和非離子型兩大類，離子型中又可分為陽離子型、陰離子型和兩性型表面活性劑。1.離 子 型2.非離子型陽離子型陰離子型兩 性 型表面活性劑 顯然：陽離子型和陰離子型的表面活性劑不能混用，否則可能會發(fā)生沉淀而失去活性作用。表面活性劑的分類季銨鹽RN+CH3CH3CH3Cl-CH3CH3RNH+ Cl-叔銨鹽RNH3+ Cl-伯銨鹽RNH2+ Cl-CH3仲銨鹽陽離子表面活性劑陰離子表面活性劑RCOONa

44、羧 酸 鹽R-OSO3Na硫酸酯鹽R-SO3Na磺 酸 鹽R-OPO3Na2磷酸酯鹽兩性表面活性劑R-NHCH2-CH2COOH 氨基酸型 CH3 |R-N+-CH2COO- 甜菜堿型 | CH3R-(C6H4)-O(C2H4O)n H烷基酚聚氧乙烯醚非離子表面活性劑R2N-(C2H4O)n H聚氧乙烯烷基胺R-CONH(C2H4O)n H聚氧乙烯烷基酰胺R-COOCH2(CHOH)3H多元醇型R-O-(CH2CH2O)n H脂肪醇聚氧乙烯醚洗滌作用織物污漬洗滌劑污漬圖2. 洗滌劑的去污作用親油基親水基(a) O/W 型乳狀液(b) W/O 型乳狀液圖2. 表面活性劑穩(wěn)定乳狀液示意圖水油油水乳

45、化作用 水空氣液體膜圖2-19 氣泡 表面活性物質(zhì)的種類繁多，應(yīng)用廣泛。那么，在實際應(yīng)用中如何選擇呢?這是一個十分實際的問題。目前已有多種方法，其中HLB值法有較大的參考價值。HLB(HydrophileLipophile Balance，親水親油平衡)值表示表面活性物質(zhì)親水基的親水能力和憎水基的憎水能力的平衡關(guān)系，也叫親水值。HLB值愈大，表示該表面活性物質(zhì)的親水性愈強。從HLB值的大小大體可以判斷其用途。表面活性物質(zhì)的HLB值與應(yīng)用的對應(yīng)關(guān)系如表2. 12所示。 表面活性物質(zhì)的選擇表2. 12 表面活性物質(zhì)的 HLB 值與應(yīng)用的對應(yīng)關(guān)系在水中的溶解情況 HLB值 應(yīng)用不分散 0246消泡劑

46、 WO乳化劑 分散得不好 不穩(wěn)定乳狀分散體 81012潤濕劑 穩(wěn)定乳狀分散體 半透明至透明分散體 透明溶液141618洗滌劑 OW乳化劑 增溶劑 2. 4 氣體氣體學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求1從能量角度認識物質(zhì)由固態(tài)液態(tài)氣態(tài)等離子態(tài)的轉(zhuǎn)變。了解等離子態(tài)的形成和組成，了解等離子體的應(yīng)用。2掌握理想氣體狀態(tài)方程及其用于實際氣體的條件；了解常用氣體鋼瓶的規(guī)定和使用。3掌握大氣濕度概念和相對濕度的計算。4了解酸雨的成因；掌握酸雨的 pH 值范圍；理解溫室氣體和溫室效應(yīng)；理解臭氧層出現(xiàn)空洞的原因、危害和預(yù)防措施。 5理解氣溶膠概念，了解其造成的危害。 氣體沒有固定形狀，但可用壓力(p)、體積(V)和溫度(T)來衡

47、量氣體所處的狀態(tài)。氣體的p、V、T和物質(zhì)的量n之間的定量關(guān)系式稱為狀態(tài)方程狀態(tài)方程，在工程計算中很常用。理想氣體狀態(tài)方程表示為：pVnRT 一、理想氣體和實際氣體(2. 7)理想氣體理想氣體在微觀上具有兩個特征：分子本身不占體積；分子間沒有相互作用力，其系統(tǒng)的勢能可忽略。 理想氣體是一種理想的假設(shè)，在自然界不可能存在，但它是一切實際氣體在極限情況下（p0）具有的共性。溫度較高、壓力較低的實際氣體，可以近似為理想氣體，用式(2. 7) 所算得的結(jié)果與實際測量值相差不大。例如，在400時，1. 0 mol水蒸氣占據(jù) 22. 4 dm3時的實際壓力為 248 kPa，式(2. 7) 算得 249 k

48、Pa，兩者十分接近。實際氣體BBBB)/(VRTnppBBBB)/(pRTnVV 在工程應(yīng)用中遇到的通常是氣體混合物。某一組分B的物質(zhì)的量分數(shù)（yB）與混合氣體總壓力（p）的乘積稱為該組分在混合氣體中的分壓力分壓力（pB= yB p），簡稱分壓分壓。 組分B單獨存在于混合氣體的溫度、總壓力條件下占有的體積稱為該組分在混合氣體中的分體積分體積（VB）。 分壓與分體積 工業(yè)和實驗室中，實際氣體一般用壓力鋼瓶貯運。如果貯存氫氣的鋼瓶體積 40 dm3，壓力為 14. 7 MPa，則它相當于常溫（25）、常壓（101. 325 kPa）下的5. 88 m3。鋼瓶中的高壓氣體不能用理想氣體狀態(tài)方程計算，

49、需用更復(fù)雜的實際氣體狀態(tài)方程計算。鋼瓶用無縫合金鋼或碳素鋼制成。高壓氣體鋼瓶的外表顏色和字樣顏色都有專門規(guī)定。 工業(yè)用氣表2. 13 高壓氣體鋼瓶的顏色氣 體 鋼瓶外表顏色 字樣顏色 氧氣 天藍黑氫氣 綠紅氮氣 黑黃氨氣 黃黑壓縮空氣 黑白氯氣 黃白二氧化碳 灰黃氬氣 灰綠乙炔 白紅石油氣 灰紅 水蒸氣是由液態(tài)水蒸發(fā)或固態(tài)冰升華而成的氣態(tài)水。地球上的海洋、江、湖充滿了水及冰，水蒸氣是大氣中不可忽視的組成成分。水蒸氣在大氣中的含量多少，表達了大氣的干濕程度，簡稱濕度。單位體積空氣中所含水蒸氣的質(zhì)量稱為絕對濕度。 二、大氣相對濕度例如，20空氣中的水蒸氣達到飽和時，每立方米的空氣中含有的水蒸氣質(zhì)量為： g 28 17.K 15 298.KmolJ 314 8.molg 01 18.m 1Pa 339 2)OH(11132RTpVMm絕對濕度 大氣中水蒸氣的分壓力和同溫度下水的飽和蒸氣壓的百分比值稱為相對濕度。 相對濕度%100*OHOH22pp相對濕度 大氣溫度和相對濕度對于植物生長、文物保護、儀器儀表使用、建