第三章 現(xiàn)代化學(xué)與新材料技術(shù) 一、內(nèi)容提要 本章有三節(jié)。第一節(jié)是從化學(xué)發(fā)展的歷史說起，介紹現(xiàn)代化學(xué)研究的內(nèi)容和化學(xué)分析基礎(chǔ)知識。第二節(jié)介紹一些傳統(tǒng)材料特性及其應(yīng)用。第三節(jié)介紹新材料技術(shù)。 二、重點(diǎn)與難點(diǎn) 本章學(xué)習(xí)重難點(diǎn)為新材料技術(shù)與現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)。 三、教學(xué)輔導(dǎo) 化學(xué)是一門在分子、原子水平上研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性能的辯證關(guān)系，以及物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)。化學(xué)也是一門滿足社會需要的中心科學(xué)，在現(xiàn)代社會中，化學(xué)對材料、能源、農(nóng)業(yè)、資源的開發(fā)，滿足和改善人民生活，促進(jìn)社會生產(chǎn)發(fā)展都有著巨大的作用。材料是人們用來制造有用物品的各種物質(zhì)。材料是人類生產(chǎn)和生活活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會生產(chǎn)力的重要因素。材料科學(xué)是當(dāng)今科技發(fā)展研究的重點(diǎn)，它的發(fā)展又與現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展密切相關(guān)。我們學(xué)習(xí)本章內(nèi)容時(shí)，分解為以下幾個(gè)問題。 1． 現(xiàn)代化學(xué)是如何發(fā)展起來的？ 化學(xué)的發(fā)展，經(jīng)歷了很長的歷史時(shí)期。 （1）古代化學(xué)的產(chǎn)生 大約五十萬年以前，人類發(fā)明了“鉆木取火”，掌握了人工取火的技術(shù)。火的利用是人類最早的一項(xiàng)化學(xué)實(shí)踐活動，也是人類最早知道的一種化學(xué)現(xiàn)象，它為人們以后研究和實(shí)現(xiàn)一系列物質(zhì)的化學(xué)變化創(chuàng)造了條件。古代化學(xué)是一種實(shí)用化學(xué)，由它產(chǎn)生的制陶，金屬冶煉，火藥制造，染色，釀酒等化學(xué)工藝，幾乎成為古代社會生產(chǎn)力發(fā)展的最重要的因素。古代人們在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，掌握了過濾、溶解、結(jié)晶、升華和熔融等化學(xué)技術(shù)的同時(shí)，對物質(zhì)也有了總體的認(rèn)識，產(chǎn)生諸多的物質(zhì)觀點(diǎn)，如我國戰(zhàn)國時(shí)期的“五行說”，古希臘亞里斯多德的“四素說”等。這些化學(xué)制作工藝和學(xué)說，積累了大量的操作經(jīng)驗(yàn)和化學(xué)知識，為近代化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 （2）近代化學(xué)的建立 16世紀(jì)末至17世紀(jì)初，化學(xué)理論逐漸建立，英國化學(xué)家和物理學(xué)家波義耳，在1661年，首次提出了科學(xué)的元素新概念，把化學(xué)確立為一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。之后，法國化學(xué)家拉瓦錫在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出氧化說，使化學(xué)基本理論和基本研究方法發(fā)生了重大變革。由此，化學(xué)走向近代定量科學(xué)，一系列有關(guān)物質(zhì)變化定量規(guī)律，如質(zhì)量守恒定律，當(dāng)量定律被發(fā)現(xiàn)。特別是英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓的科學(xué)原子說，第一次將化學(xué)實(shí)驗(yàn)總結(jié)的規(guī)律與物質(zhì)的原子構(gòu)成的觀點(diǎn)聯(lián)系起來，使化學(xué)進(jìn)入了一直持續(xù)至今的原子說為主線的新時(shí)期。 意大利化學(xué)家阿佛加德羅的分子假說，俄國化學(xué)家門捷列夫在1869年發(fā)現(xiàn)的元素周期律，使化學(xué)研究從個(gè)別的、零散的和無規(guī)律的事實(shí)羅列中擺脫出來，奠定了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)，近代化學(xué)科學(xué)逐漸形成了包括：近代無機(jī)化學(xué)、近代有機(jī)化學(xué)、近代分析化學(xué)和近代物理化學(xué)四大獨(dú)立的分支科學(xué)體系。 （3）現(xiàn)代化學(xué)的形成 二十世紀(jì)初，物理學(xué)科的新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)特別是相對論和量子力學(xué)為現(xiàn)代化學(xué)進(jìn)一步發(fā)展概念和定量描述提供了理論依據(jù)，將化學(xué)和整個(gè)自然科學(xué)的研究，推進(jìn)到更深的層次上。化學(xué)分支不斷涌現(xiàn)，化學(xué)朝著深、細(xì)、精，多學(xué)科、綜合化的方向發(fā)展。與此同時(shí)，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，化學(xué)工業(yè)和產(chǎn)品，在人類生活和經(jīng)濟(jì)活動中具有越來越重要的地位和作用，如化肥增產(chǎn)，使農(nóng)業(yè)豐收；化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，使新材料層出不窮。特別是20世紀(jì)20年代以后出現(xiàn)的有機(jī)合成工業(yè)的發(fā)展，更加豐富了現(xiàn)代人們的生活。 2． 什么是現(xiàn)代化學(xué)研究的特點(diǎn)？ 現(xiàn)代化學(xué)有如下特點(diǎn)： ①研究層面由宏觀向微觀發(fā)展； ②研究方法由定性向定量發(fā)展； ③研究對象由靜態(tài)向動態(tài)發(fā)展； ④研究結(jié)果由描述性向推理性發(fā)展。 這些特點(diǎn)表明了現(xiàn)代化學(xué)總的發(fā)展趨勢是既高度分化又高度綜合。現(xiàn)代化學(xué)一方面，從自身產(chǎn)生了很多新的學(xué)科分支，如：無機(jī)固體化學(xué)、配合物化學(xué)、分子動力學(xué)等。另一方面，又與其他自然科學(xué)相互滲透交叉，形成一系列新的邊緣學(xué)科，如：生物化學(xué)、地球化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等。 3． 現(xiàn)代化學(xué)研究的內(nèi)容有哪些？ 現(xiàn)代化學(xué)研究的內(nèi)容可以歸納為三個(gè)方面：第一是深入研究化學(xué)反應(yīng)理論，開發(fā)化學(xué)反應(yīng)過程來揭示化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，進(jìn)而設(shè)計(jì)最佳的化學(xué)反應(yīng)過程。第二是提高結(jié)構(gòu)力量水平，致力于尋找或設(shè)計(jì)最需要、最佳的化合物材料或體系。第三，發(fā)展分析和測試新方法，依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)及多學(xué)科綜合，使化學(xué)研究信息趨于更高的靈敏性和可靠性，為高科技發(fā)展創(chuàng)造新分子，為社會需要合成特定性能的材料和物質(zhì)。 4．現(xiàn)代化學(xué)研究方法的特點(diǎn)是什么？ 現(xiàn)代化學(xué)研究不僅要綜合其他自然科學(xué)的理論成果，而且還要綜合運(yùn)用其他自然科學(xué)的 究方法。現(xiàn)代化學(xué)需要多學(xué)科知識的綜合、眾多高深理論作指南、依靠多種專業(yè)人員細(xì)密 分工和合作，用多種精密儀器設(shè)備作檢測的手段。其研究的方法，必要博采眾長，協(xié)同多學(xué)科合作進(jìn)行，以整體思維來思考。 5．什么是現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)？ 現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)包括基礎(chǔ)化學(xué)分析技術(shù)和儀器分析法。 （1）基礎(chǔ)化學(xué)分析技術(shù) 在近代建立的分析化學(xué)是一門研究物質(zhì)化學(xué)組成的科學(xué)，它有兩大任務(wù)，一是定性分析，主要是確定被測物質(zhì)有哪些組分組成的。二是定量分析，主要是確定這些組分的相對含量。 定性分析： 定性分析是應(yīng)用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)將被測組分轉(zhuǎn)化為有特殊性質(zhì)的新物質(zhì)，通過觀察其 生物有無氣體，沉淀或有色物質(zhì)等特征的產(chǎn)生，來推斷被測物中某種組分的存在。 定量分析： 定量分析有經(jīng)典化學(xué)分析法和儀器分析法兩大類。經(jīng)典定量分析法是應(yīng)用沉淀反應(yīng)，中和反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)或絡(luò)合反應(yīng)的原理，對已知組分含量進(jìn)行測定。 （2）儀器分析法 儀器分析是現(xiàn)代發(fā)展起來的一種分析方法，它大多要借助一定的儀器設(shè)備，根據(jù)物質(zhì) 的物理或物理化學(xué)的性質(zhì)，來測定某種組分的方法。故又稱為物理化學(xué)分析法或物理分析法。儀器分析法具有操作簡便、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，特別對于含量很低的組分的測定，更有獨(dú)特之處。儀器分析法有很多種，常用的有以下5種： 光譜分析法： 它是根據(jù)物質(zhì)發(fā)射，吸收電磁輻射，以及物質(zhì)與電磁輻射的相互作用來進(jìn)行分析的一種方法。 色譜法： 它是一種分離技術(shù)，它的分離原理是使混合物中各組分在固定相和流動相兩相中分配。當(dāng)流動相中的混合物經(jīng)過固定相時(shí)，就會與固定相發(fā)生作用，由于試樣的各組分在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異，它們與固定相作用的大小、強(qiáng)弱也不同。我們根據(jù)被測組分在兩相間進(jìn)行分離作用的差異，進(jìn)行定性和定量分析。 電化學(xué)分析法： 它是利用物質(zhì)的電學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)來進(jìn)行分析的方法。 質(zhì)譜分析法： 它是現(xiàn)代物理與化學(xué)使用的極為重要的工具。它的基本原理是試樣在離子源中電離后，生成各種帶正電荷的離子，它們在加速電場的作用下，形成離子束射入質(zhì)量分析器。在磁場的作用下，離子作等速圓周運(yùn)動并分離，然后，由記錄系統(tǒng)得到質(zhì)譜圖，根據(jù)質(zhì)譜圖上譜線 的位置及相應(yīng)離子的電荷數(shù)進(jìn)行定性分析，再根據(jù)譜線黑度或相應(yīng)離子流的相對強(qiáng)度，進(jìn) 行定量分析。 核磁共振波譜分析法： 它也是現(xiàn)代儀器分析的重要方法之一，它的基本原理是在強(qiáng)磁場的激勵(lì)下，根據(jù)一些具 有某些磁性的原子核對高頻無線電電波的共振吸收，來推斷被測物的分子結(jié)構(gòu)。 6．金屬與金屬材料有哪些特性？ 目前，我們已知的元素有109種，其中金屬有87種。除汞以外，所有金屬都是固體 金屬具有“自由電子”，它在金屬晶體中能自由流動。我們熟知的金屬具有特殊的金屬光澤、是熱和電的良導(dǎo)體等性質(zhì)，很大程度上與金屬晶體結(jié)構(gòu)有自由電子有關(guān)。如：自由電子能吸收可見光，然后又反射出大部分頻率的光，使金屬顯示特有光澤。自由電子在外電場的作用下，作定向流動，形成電流，這就是金屬導(dǎo)電的原因。自由電子受熱后，能量增大，運(yùn)動速度也加大，它與金屬離子碰撞而傳遞能量，從而使金屬具有良好的導(dǎo)熱性等。 在冶金工業(yè)上，我們把金屬分為兩大類。一類為黑色金屬，指鐵、鉻、錳及其合金。另一類為有色金屬，除去黑色金屬之外其他金屬都是有色金屬。 金屬是人類歷史上使用最早的材料之一，直到20世紀(jì)中葉，金屬材料也一直在材料中 占絕對優(yōu)勢。因?yàn)榻饘俨牧嫌腥缦碌膬?yōu)勢：（1）幾千年以來有一套成熟的生產(chǎn)技術(shù)和龐大的生產(chǎn)能力，如鋼鐵工業(yè)。（2）金屬有許多優(yōu)良的理化性能，形成其他材料不能完全替代的使用優(yōu)勢，如：比陶瓷高得多的韌性，磁性和導(dǎo)電性等。（3）近、現(xiàn)代高新技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)生出許多新的金屬材料，如優(yōu)質(zhì)鋼、高強(qiáng)度鋼、各種合金和新金屬材料等 目前，人們生產(chǎn)和生活應(yīng)用最多的金屬材料仍是鋼鐵、銅和鋁。 7．非金屬與非金屬材料有哪些特性？ 目前，我們已知的非金屬元素，共22種。除氫以外，它們的原子最外層的價(jià)電子為3―7 個(gè)，它們大多在化學(xué)反應(yīng)中傾向于得到電子而顯示氧化性。非金屬元素形成單質(zhì)主要有兩 種情況，一種是分子晶體，另一種是原子晶體。它們顯示的性質(zhì)各異，如分子晶體熔沸 較低，而原子晶體熔沸點(diǎn)較高等等。 非金屬材料有： （1）玻璃玻璃是一種無定型硅酸鹽混合物。人們利用玻璃制造成各種各樣的器皿、 藝術(shù)品。玻璃是建筑業(yè)最基本的材料之一，它不僅可以用于采光、隔熱，而且也可用于裝飾。 （2）水泥水泥是建筑行業(yè)大量應(yīng)用的硅酸鹽材料。 （3）陶瓷生產(chǎn)陶瓷的原料有天然礦物原料和通過化學(xué)方法制備的化工原料二種。天 然礦物原料主要是粘土，主要化學(xué)成分是水合硅酸鋁類。陶瓷是一種重要的材料，用于工業(yè)、建筑、生活等，如室內(nèi)裝飾墻地磚、衛(wèi)浴用品、茶具、器皿。據(jù)考古發(fā)現(xiàn)。我國10000年前已有陶器，3000年前商代已有原始瓷器，我國古代陶瓷制品是我國燦爛文化的一部分。 8．有機(jī)化合物和有機(jī)高分子材料 早期，人們認(rèn)為有機(jī)物是從動植物體內(nèi)獲取的物質(zhì)，是“有生機(jī)之物”，故稱之為“有機(jī)化合物”，現(xiàn)在人們已經(jīng)知道有機(jī)物可以由簡單的無機(jī)物人工合成制取。組成有機(jī)物除了碳元素之外，還有氫、氧、氮、磷、硫和鹵素等非金屬元素，許多有機(jī)物還含有金屬元素。從分子結(jié)構(gòu)上看，有機(jī)化合物可以看作碳?xì)浠衔锛捌溲苌铩? 有機(jī)物的種類很多，結(jié)構(gòu)各不同，因而性質(zhì)也各異，但一般地，有機(jī)物具有如下共性： ①通常情況下，有機(jī)物的熔、沸點(diǎn)較低，常以氣體，低沸點(diǎn)的液體或低熔點(diǎn)的固體存在 ②大多有機(jī)物難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，符合化學(xué)上“相似相溶”原理。 ③絕大多數(shù)有機(jī)物具有熱不穩(wěn)定性，受熱易分解，還較容易燃燒，燃燒后，有機(jī)分子中的碳、氫、氧、硫，最終的產(chǎn)物為二氧化碳、水、二氧化硫等。 有機(jī)化高分子化合物的平均分子量比一般的化合物大很多，它們的分子量大約在幾萬到 幾十萬之間。天然存在的有機(jī)高分子化合物有蠶絲、羊毛、纖維素等，它們很早就在為人類服務(wù)了。人工方法合成的有機(jī)高分子化合物中，人們廣泛應(yīng)用的是塑料、合成纖維、合成橡膠等。 9．現(xiàn)代新材料技術(shù) 20世紀(jì)50年代以來，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，新材料研究異常活躍。新材料技術(shù)既是高新技術(shù)的一部分，又時(shí)刻為高新技術(shù)服務(wù)。作為新材料技術(shù)具有以下的特點(diǎn)：①它是知識密集、資金密集的新興產(chǎn)業(yè)。②它與高新技術(shù)發(fā)展關(guān)系密切，相互促進(jìn)、相互依賴。③新材料是高新技術(shù)發(fā)展必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)代高新技術(shù)革命的先導(dǎo)。④新材料技術(shù)還是社會生產(chǎn)力發(fā)展水平和技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志。 現(xiàn)代新材料主要有以下幾種： （1）新金屬材料 超導(dǎo)材料稀土材料形狀記憶合金貯氫合金非晶態(tài)合金 （2）無機(jī)非金屬材料 新型陶瓷特種無機(jī)涂層材料 （3）新型有機(jī)高分子材料 高性能塑料 特種纖維特種橡膠，其它功能高分子材料如高分子分離膜、導(dǎo)電高分子材 料等等。 （4）特殊功能的復(fù)合材料 玻璃鋼碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料聚合物基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料 （5）納米材料 納米材料是當(dāng)今材料科學(xué)研究中的熱點(diǎn)之一。納米（nm）實(shí)際上是一個(gè)長度單位， 納米是1米的十億分之一，即1納米=10-9米。納米是一個(gè)非常小的空間尺度。納米材料就是用特殊的方法將材料顆粒加工到納米級（10-9米），再用這種超細(xì)微粒子制造人們需要的材料。 目前，納米材料有四種類型：納米顆粒、納米碳管和納米線、納米薄膜和納米塊材。納 米材料具有較大的比表面，在結(jié)構(gòu)中的鍵態(tài)嚴(yán)重失配，產(chǎn)生了許多活動中心，因而，納米材 料有很強(qiáng)的吸附能力。小尺寸效應(yīng)使其理化性能發(fā)生改變，并出現(xiàn)與常規(guī)材料不同的新的 特征。 納米材料顯示了廣泛的應(yīng)用前景。例如：利用納米材料制成磁記錄介質(zhì)材料廣泛應(yīng)用于 電聲器件、阻尼器件等。納米金屬顆粒還是有機(jī)化合物的氫化反應(yīng)的催化作用一種極好的催化劑。納米材料還可以用于醫(yī)學(xué)、生物工程。例如：利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離、細(xì)胞染色體，用納米微粒制成的藥物可更方便地在人體內(nèi)傳輸，進(jìn)行局部治療和組織修補(bǔ)。納米探針和納米傳感器應(yīng)用，也可能帶來診斷技術(shù)的革命。未來納米科技的發(fā)展，有三方面的意義，一是疾病的早期診斷，例如癌癥的檢出可達(dá)到幾個(gè)細(xì)胞大小。二是高密度的信息儲存，會在很小的位置上儲存大量信息。三是開發(fā)新的高性能材料，應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。 總之，納米技術(shù)的研究和應(yīng)用不僅能引發(fā)一場新的工業(yè)革命，而且還會帶來人類認(rèn) 知革命，產(chǎn)生觀念上的變革，它將對21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大的促進(jìn)作用。 10．什么是新材料發(fā)展的方向？ 隨著社會的進(jìn)步，人類總是不斷地對材料提出新的要求。當(dāng)今新材料的發(fā)展有以下幾點(diǎn)： （1）結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合。即新材料應(yīng)是結(jié)構(gòu)和功能上較為完美的結(jié)合。 （2）智能型材料的開發(fā)。所謂智能型是要求材料本身具有一定的模仿生命體系的作用，既具有敏感又有驅(qū)動的雙重的功能。 （3）少污染或不污染環(huán)境。新材料在開發(fā)和使用過程，甚至廢棄后，應(yīng)盡可能少地對環(huán)境產(chǎn)生污染。 （4）能再生。為了保護(hù)和充分利用地球上的自然資源，開發(fā)可再生材料是首選。 （5）節(jié)約能源。對制作過程能耗較少的，或者新材料本身能幫助節(jié)能的，或者有利于能源的開發(fā)和利用的新材料優(yōu)先開發(fā)。 （6）長壽命。新材料應(yīng)有較長的壽命，在使用的過程中少維修或盡可能不維修。

標(biāo)簽：分析化學(xué)高新技術(shù)當(dāng)前