9第九章化学与材料.ppt

化学工业出版社化学工业出版社课件制作：湖南化工职业技术学院课件制作：湖南化工职业技术学院 胡莉蓉胡莉蓉第九章第九章 化学与材料化学与材料学习目标：学习目标：1了解金属的特性及金属材料的用途，了解合金及超导材料的性能及应用；了解金属的特性及金属材料的用途，了解合金及超导材料的性能及应用；2了解非金属的性质及几种非金属材料的性能；了解非金属的性质及几种非金属材料的性能；3了解高分子化合物的基本概念及高聚物的结构和特性；了解高分子化合物的基本概念及高聚物的结构和特性；4了解塑料、合成橡胶、合成纤维三大有机合成材料的性能和用途。；了解塑料、合成橡胶、合成纤维三大有机合成材料的性能和用途。；学习内容学习内容第一节第一节 金属材料金属材料第二节第二节 非金属材料非金属材料第三节第三节 高分子聚合物与合成材料高分子聚合物与合成材料分类：分类：第一节第一节 金属材料金属材料一、金属的结构和特性一、金属的结构和特性黑色金属与有色金属黑色金属与有色金属重金属与轻金属重金属与轻金属常见金属与稀有金属常见金属与稀有金属（一）金属的结构（一）金属的结构 金属晶体中金属晶体中,存在着金属原子、金属离子和自由电子。自由电子的运动存在着金属原子、金属离子和自由电子。自由电子的运动将金属中的原子、离子联结在一起。将金属中的原子、离子联结在一起。金属中的自由电子，不专属于某个特定的金属原子，而是为许多阳离子金属中的自由电子，不专属于某个特定的金属原子，而是为许多阳离子所共有，它们几乎均匀地分布在整个晶体中。所共有，它们几乎均匀地分布在整个晶体中。（二）金属的特性（二）金属的特性1.物理性质物理性质常温下除汞外都是固体，一般体积质量较大，硬度也较大。金属都不透明，常温下除汞外都是固体，一般体积质量较大，硬度也较大。金属都不透明，有特殊的光泽，易传热、导电，一般都有良好的机械加工性能（延展性）有特殊的光泽，易传热、导电，一般都有良好的机械加工性能（延展性）2.化学性质化学性质金属在化学反应中，一般容易失去外层电子而表现出还原性。金属在化学反应中，一般容易失去外层电子而表现出还原性。例：例：大多数金属容易与氧、硫、卤素等非金属化合；大多数金属容易与氧、硫、卤素等非金属化合；活泼金属能置换水中和某些酸中的氢。活泼金属能置换水中和某些酸中的氢。（三）金属的冶炼（三）金属的冶炼金属冶炼就是由矿石制取金属的过程。金属冶炼就是由矿石制取金属的过程。实质实质是金属离子获得电子从化合物中被还原出来。是金属离子获得电子从化合物中被还原出来。1.热分解法热分解法金属活动顺序在铜以后的不活泼金属，可用加热分解的方法将其冶炼金属活动顺序在铜以后的不活泼金属，可用加热分解的方法将其冶炼出来。出来。例如：汞的冶炼。例如：汞的冶炼。用碳酸盐矿石作原料，它经煅烧后能分解成氧化物，再用碳还原。用碳酸盐矿石作原料，它经煅烧后能分解成氧化物，再用碳还原。2.高温化学还原法高温化学还原法活动顺序在铝与汞之间的金属冶炼是将矿石与加入的还原剂（如碳、一氧化碳、活动顺序在铝与汞之间的金属冶炼是将矿石与加入的还原剂（如碳、一氧化碳、氢气、活泼金属）共热，使金属还原。氢气、活泼金属）共热，使金属还原。例如：锌的冶炼例如：锌的冶炼ZnO+CZnO+C Zn+COZn+CO高温ZnCOZnCO3 3 ZnO+CO ZnO+CO2 2锻烧活泼金属（铝、镁、钙、钠等）的冶炼常用电解法。活泼金属（铝、镁、钙、钠等）的冶炼常用电解法。3.电解还原法电解还原法例如例如：电解熔融的氯化钠制钠；电解熔融氯化镁制镁。：电解熔融的氯化钠制钠；电解熔融氯化镁制镁。二、合金二、合金合金合金也可称为也可称为“合成金属合成金属”，它是由两种或两种以上的金属（或金属与非，它是由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）共熔后而成的具有金属）共熔后而成的具有金属特性金属特性的物质。的物质。例如例如：常用的黄铜是铜锌合金，铸铁和钢是铁碳合金。：常用的黄铜是铜锌合金，铸铁和钢是铁碳合金。多数合金的熔点低于任何一种组分金属的熔点。多数合金的熔点低于任何一种组分金属的熔点。合金的硬度一般都比组成它的纯金属的硬度要大。合金的硬度一般都比组成它的纯金属的硬度要大。合金的化学性质也与组成它的纯金属有些不同。合金的化学性质也与组成它的纯金属有些不同。1.性质性质2.用途用途合金在工业上有重要的用途，如机器制造、飞机制造、宇宙飞船制造等以合金在工业上有重要的用途，如机器制造、飞机制造、宇宙飞船制造等以及化学工业和原子能工业，都离不开各种性能优良的合金。随着近代科学及化学工业和原子能工业，都离不开各种性能优良的合金。随着近代科学的发展，正在不断探索研究和开发具有新特性的合金。的发展，正在不断探索研究和开发具有新特性的合金。三、超导材料三、超导材料超导现象：超导现象：随着温度的降低，金属的导电性逐渐增强。当温度降到某一随着温度的降低，金属的导电性逐渐增强。当温度降到某一温度时，某些导体的电阻急剧下降为零。温度时，某些导体的电阻急剧下降为零。超导材料（超导体）：超导材料（超导体）：具有超导电性的物质。具有超导电性的物质。临界温度：临界温度：电阻突然为零的温度称为转变温度或临界温度。临界温度越电阻突然为零的温度称为转变温度或临界温度。临界温度越高，超导材料就越有应用价值。高，超导材料就越有应用价值。超导现象的发现超导现象的发现：荷兰科学家昂内斯于：荷兰科学家昂内斯于1911年最早发现的。他利用液氨冷却水年最早发现的。他利用液氨冷却水银时，发现电阻完全消失。银时，发现电阻完全消失。应用前景应用前景：做成电缆输电，输电线路上的能量损耗将大大降低。：做成电缆输电，输电线路上的能量损耗将大大降低。作发动机的线圈，根本不会使线圈发热，解决了冷却难题。作发动机的线圈，根本不会使线圈发热，解决了冷却难题。制成磁力悬浮高速列车，就能使车速提高到制成磁力悬浮高速列车，就能使车速提高到500km/h以上。以上。第二节第二节 非金属材料非金属材料无机非金属材料包括各种金属与非金属形成的无机非金属材料包括各种金属与非金属形成的无机化合物材料无机化合物材料和和非金属单质非金属单质材料材料。一、非金属单质的特性一、非金属单质的特性1.物理性质物理性质2.化学性质化学性质呈气态：氢、氟、氯、氧、氮；呈液态：溴；其余是固态。呈气态：氢、氟、氯、氧、氮；呈液态：溴；其余是固态。硼、碳、硅的熔点高、硬度大，其他单质的熔点低、硬度较小。硼、碳、硅的熔点高、硬度大，其他单质的熔点低、硬度较小。石墨能导电，交界线两侧元素的单质大都具有半导体性质，多数非金属单质是石墨能导电，交界线两侧元素的单质大都具有半导体性质，多数非金属单质是非导体。非导体。非金属活泼性与元素周期律一致，氟、氯、氧、溴是活泼的非金属；碘、硫、非金属活泼性与元素周期律一致，氟、氯、氧、溴是活泼的非金属；碘、硫、碳、硼、硅、砷、硒、碲和氢较不活泼，氮气不活泼，在通常条件下很难发生碳、硼、硅、砷、硒、碲和氢较不活泼，氮气不活泼，在通常条件下很难发生化学反应。化学反应。二、非金属材料二、非金属材料（一）半导体材料（一）半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。硅是当前主要的半导体材料。分为元素半导体和化合物半导体。硅是当前主要的半导体材料。硅有硅有4个价电子，晶体结构中，每个原子分别和相邻的个价电子，晶体结构中，每个原子分别和相邻的4个原子形成个原子形成4个共价键，个共价键，价电子被束缚在不能自由运动，导电能力较差。如果受到光或热的作用，部分价电子被束缚在不能自由运动，导电能力较差。如果受到光或热的作用，部分价电子挣脱束缚成为自由电子，从而留下一个空穴（相当于正电荷），可吸引价电子挣脱束缚成为自由电子，从而留下一个空穴（相当于正电荷），可吸引邻近的价电子来补充，这样就产生了电子和空穴的定向移动，形成电流。邻近的价电子来补充，这样就产生了电子和空穴的定向移动，形成电流。原理原理用途用途 主要用于制造电子元器件。主要用于制造电子元器件。还用于制造晶体管，集成电路，硅光电池，数码管、热电耦等还用于制造晶体管，集成电路，硅光电池，数码管、热电耦等也可利用非晶态硅，即半导体玻璃制成太阳能电池瓦。也可利用非晶态硅，即半导体玻璃制成太阳能电池瓦。（二）特种陶瓷（二）特种陶瓷1.导电陶瓷导电陶瓷 通常陶瓷不导电，是良好的绝缘体。有些氧化物陶瓷加热时，处于原子通常陶瓷不导电，是良好的绝缘体。有些氧化物陶瓷加热时，处于原子外层的电子可以获得足够的能量，克服原子核的吸引力，成为自由电子，这外层的电子可以获得足够的能量，克服原子核的吸引力，成为自由电子，这种陶瓷就变成了导电陶瓷。种陶瓷就变成了导电陶瓷。2.透明陶瓷透明陶瓷 传统的陶瓷是一种不透明的材料。传统的陶瓷是一种不透明的材料。1957年美国科学家科尔在一次实验中年美国科学家科尔在一次实验中偶然发现，在氧化铝原料中加入少量氧化镁，可以促进材料内气孔的消除，偶然发现，在氧化铝原料中加入少量氧化镁，可以促进材料内气孔的消除，终于制得透明氧化铝陶瓷。终于制得透明氧化铝陶瓷。透明陶瓷可制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和透明陶瓷可制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。高级防护眼镜等。3.压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷结构上没有对称中心，因而具有压电效应，当在某个方向施加压压电陶瓷结构上没有对称中心，因而具有压电效应，当在某个方向施加压力时，此表面会产生电压差，称为正压电效应；反之在电压作用下，则会力时，此表面会产生电压差，称为正压电效应；反之在电压作用下，则会发生变形，称为逆电压效应。这就是压电陶瓷所具有的机械能与电能之间发生变形，称为逆电压效应。这就是压电陶瓷所具有的机械能与电能之间的转换和逆转换功能。的转换和逆转换功能。主要用于换能、传感、驱动和频率控制。如水下探测用的水声换能器，遥主要用于换能、传感、驱动和频率控制。如水下探测用的水声换能器，遥测用的超声换能器，扬声器及压电点火器等。测用的超声换能器，扬声器及压电点火器等。4.生物陶瓷生物陶瓷 应用于生物医学及生物化学工程的各种陶瓷材料。以氧化铝为主。生物陶瓷应用于生物医学及生物化学工程的各种陶瓷材料。以氧化铝为主。生物陶瓷和骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，植入体内后不会引起人体组和骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，植入体内后不会引起人体组织的发炎和不适应，弥补了不锈钢在植入人体内三五年出现腐蚀斑的缺陷。织的发炎和不适应，弥补了不锈钢在植入人体内三五年出现腐蚀斑的缺陷。5.纳米陶瓷纳米陶瓷 我国在我国在20世纪世纪90年代初开始研制纳米陶瓷。即选用的原料和制成的陶瓷晶粒年代初开始研制纳米陶瓷。即选用的原料和制成的陶瓷晶粒达到纳米尺度。达到纳米尺度。（三）人工晶体和特种玻璃（三）人工晶体和特种玻璃人工晶体人工晶体是一种单晶材料，由于它具有压电、热电、磁光转换和红外遥感是一种单晶材料，由于它具有压电、热电、磁光转换和红外遥感等多种方面的功能，因此是发展激光、电子、红外和光信息处理等高新技等多种方面的功能，因此是发展激光、电子、红外和光信息处理等高新技术所必需的材料。术所必需的材料。特种玻璃特种玻璃是一类非晶态材料，它具有高强度、耐高温、耐腐蚀、可切削等特是一类非晶态材料，它具有高强度、耐高温、耐腐蚀、可切削等特点，并具有光、电、磁、热等功能，是发展光学、光电技术、生物工程、宇点，并具有光、电、磁、热等功能，是发展光学、光电技术、生物工程、宇航事业、汽车及新能源等领域中的基础材料。航事业、汽车及新能源等领域中的基础材料。第三节第三节 高分子聚合物与合成材料高分子聚合物与合成材料一、聚合物的基本概念一、聚合物的基本概念高聚物虽然相对分子质量较大，但化学组成比较简单，都是由重复的结高聚物虽然相对分子质量较大，但化学组成比较简单，都是由重复的结构单元构成。构单元构成。H H H H H H H HCCCCCCCC H Cl H Cl H Cl H Cl例如：聚氯乙烯例如：聚氯乙烯PVC缩写成：缩写成：其中其中 CHCH2 2-CHCl-CHCl 是重复结构单元是重复结构单元链节；链节；形成结构单元的化合物形成结构单元的化合物(如氯乙烯如氯乙烯)单体；单体；n n是重复结构单元数是重复结构单元数聚合度。聚合度。nCH2CHCl CH2-CHCl n单体单体 链节链节 聚合度聚合度CH2-CHCln-H H-CC -H Cl-n或或线型结构是许多链节连成一个长链线型结构是许多链节连成一个长链(包括有支镀的包括有支镀的)，它是卷曲呈不规则的线，它是卷曲呈不规则的线团状。团状。体型结构是带有支链的线型高分子之间互相交联成立体网状结构。体型结构是带有支链的线型高分子之间互相交联成立体网状结构。“线型线型”和和“体型体型”高高分子分子在单体前加在单体前加“聚聚”字：如聚乙烯、聚氯乙烯；字：如聚乙烯、聚氯乙烯；在简化的单体名称后面加上在简化的单体名称后面加上“树脂树脂”二字：如酚醛树脂、环氧树二字：如酚醛树脂、环氧树脂、脲醛树脂等。脂、脲醛树脂等。代号：如聚氯乙烯（代号：如聚氯乙烯（PVCPVC）、聚乙烯（）、聚乙烯（PEPE）；酚醛树脂（）；酚醛树脂（PFPF），），脲醛树脂（脲醛树脂（UFUF）等）等命名命名二、聚合物的特性二、聚合物的特性1.弹性和塑性弹性和塑性2.电绝缘性电绝缘性3.化学稳定性化学稳定性4.机械性能机械性能缺点：一般不耐高温，容易燃烧；不易分解（废弃的快餐盒和塑料袋对缺点：一般不耐高温，容易燃烧；不易分解（废弃的快餐盒和塑料袋对环境构成特殊污染，称环境构成特殊污染，称“白色污染白色污染”；易老化，；易老化，三、合成材料三、合成材料1.塑料塑料塑料是指在一定的温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料。塑料是指在一定的温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料。工业上以合成树脂为基本原料，加上适量的添加剂和填充料以改善某些性能，工业上以合成树脂为基本原料，加上适量的添加剂和填充料以改善某些性能，在一定的温度、压力下加工处理可获得各种塑料制品。在一定的温度、压力下加工处理可获得各种塑料制品。2.合成纤维合成纤维纤维是一类具有相当长度、强度、弹性和吸湿性的柔韧、纤细的丝状高分子纤维是一类具有相当长度、强度、弹性和吸湿性的柔韧、纤细的丝状高分子化合物。化合物。化学纤维化学纤维 天然纤维天然纤维人造纤维人造纤维 合成纤维合成纤维 纤维纤维天然纤维是天然高分子化合物（棉、麻、羊毛、蚕丝）天然纤维是天然高分子化合物（棉、麻、羊毛、蚕丝）不能直接纺织的天然纤维不能直接纺织的天然纤维（木材、棉短线）作原料经化学处理制成（木材、棉短线）作原料经化学处理制成 用石油、煤、天然气等为原料，用石油、煤、天然气等为原料，经过化学合成和机械物理加工制成经过化学合成和机械物理加工制成 3.合成橡胶合成橡胶橡胶是一类具有高弹性能的高分子化合物。橡胶是一类具有高弹性能的高分子化合物。具有高度的弹性、电绝缘性、不易传热、不渗水及不不透气等优良性能，具有高度的弹性、电绝缘性、不易传热、不渗水及不不透气等优良性能，应用很广泛应用很广泛 以石油、天然气或煤等为原料生产出的单体二烯烃和以石油、天然气或煤等为原料生产出的单体二烯烃和烯烃在一定条件下聚合而成的。烯烃在一定条件下聚合而成的。天然橡胶天然橡胶以橡胶树或橡胶草中的胶乳，经过凝固处理压制成生胶，以橡胶树或橡胶草中的胶乳，经过凝固处理压制成生胶，再加入防老剂、硫化剂和各种填料，并经碾压、硫化加工再加入防老剂、硫化剂和各种填料，并经碾压、硫化加工后制成的橡胶制品。后制成的橡胶制品。合成橡胶合成橡胶Thanks for your attention!