工程化学教程-第三章-物质的结构和材料的性质.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,3,章,物质的结构和材料的性质,2.1,核外电子运动的状态,学习要求,明确核外电子运动的基本特征，理解微观粒子的基本性质（波粒二象性）；,了解波函数表达的意义，理解原子轨道、电子云的含义；,了解四个量子数的符号和表示的意义；,一,、电子运动的特征,1.,波粒二象性,20,世纪初，爱因斯坦提出了质能转换关系：,E,=,mc,2,由于,E,=,hv,c,=,v,hv,=,mc,2,=,mc,v,所以,=,h,/,mc,=,h,/,p,式中，,c,为光速,h,为普朗克常数，,h,=6.626,10,-34,J/,s,p,为光子的动量,电子的波粒二象性,光的,波、粒二象性揭示了光被人们忽略的另一面，反之，微观粒子是否也具有被忽视的另一面，即波动性质呢？,德,布罗意,(,de Broglie,),提出微观粒子也具有波的性质，并假设：,=,h/,mv,式中，,为粒子波的波长；,v,为粒子的速率，,m,为粒子的质量,1927,年，粒子波的假设被,电子衍射,实验所证实。,图,5.1,电子衍射示意图,定向电子射线,晶片光栅,衍射图象,2.,电子能量分布的不连续性、空间位置的概率性和能量变化的量子化特征,660nm,435nm,487nm,狭缝,电子束,电子束,氢,放电管,棱镜,式中，,为波数（频率的倒数），,R,为,常数，,n,1,、,n,2,必须是正整数且,n,1,诱导力,表,6.8,一些物质的分子间作用能,分子,E,(,取向,),E,(,诱导,),E,(,色散,),E,(,总,),(kJ,mol,-1,),(kJ,mol,-1,),(kJ,mol,-1,),(kJ,mol,-1,),Ar,0.000,0.000,8.49,8.49,CO,0.003,0.008,8.74,8.75,HI,0.025,0.113,25.8,25.9,HBr,0.686,0.502,21.9,23.1,HCl,3.30,1.00,16.8,21.1,NH,3,13.3,1.55,14.9,29.8,H,2,O,363,1.92,8.99,47.2,分子间力对物质物理性质的影响,一般来说,结构相似的同系列物质,相对分子质量越大,分子变形性越大,分子间力越强，熔、沸点越高,表,6.9,稀有气体的溶沸点、溶解度与极化率的关系,10,-40,Cm,2,V,-1,熔点,沸点,溶解度,H,2,O,乙醇,丙酮,He,0.225,-272.2,-268.9,0.137,0.599,0.684,Ne,0.436,-248.67,-245.9,0.174,0.857,1.15,Ar,1.813,-189.2,-185.7,0.414,6.54,8.09,Kr,2.737,-156.0,-152.7,0.888,Xe,4.451,-111.9,-107,1.94,Rn,6.029,-71,-61.8,4.14,211.2,254.9,(10,-40,Cm,2,V,-1,),1.65,5.89,7.33,3,.,氢键,同种分子间的氢键,F F,H H H H,F F F,163pm,140,255pm,不同种分子间的氢键,H H,HN HO,H,或,H H,HNH OH,通式,：,XH,Y,如,分子内的氢键,H O,O N,O,硝酸,O O,N H,O,邻硝基苯酚,分子内氢键由于受环状结构的限制，,XH,Y,往往不在同一直线上,氢键的强度,可用氢键键能表示,即每拆开,1mol H Y,键所需的能量,通式,：,XHY,氢键键能,一般,42kJ,mol,1,，,远小于正常共价键键能，与分子间力差不多,如,:,H,2,O,氢键键能为,18,.,83 kJ,mol,1,，,OH,键能为,463 kJ,mol,1,氢键具有饱和性和方向性,氢键形成对物质性质的影响,熔、沸点,分子间的氢键存在使熔、沸点升高，如,HF,、,H,2,O,、,NH,3,；,分子内的氢键存在使熔、沸点降低；,表,几种硝基苯酚的熔点,物质,氢键,熔点,邻硝基苯酚,分子内,45,间位硝基苯酚,分子间,96,对位硝基苯酚,分子间,114,溶解度,在极性溶剂中，若溶质和溶剂间存在氢键,则会使溶质的溶解度增大，,如,HF,、,NH,3,在,H,2O,中的溶解度较大；,粘度增大,如甘油、磷酸、浓硫酸均因分子间氢键的存在，为粘稠状液体；,密度,液体分子间的氢键存在，使分子发生缔合现象；,如,nHF,(,HF),n,缔合,1,.,高分子化合物的结构,一级结构,指高分子链的构造和构型，包括分子中所含原子的数目、种类以及各原子互相连接的方式和次序，以及立体化学异构。,三,、高分子材料,立体异构,：有规立构；几何立构；旋光立构。,有规立构：等规立构；间规立构；无规立构,四种共聚物：无规共聚物；交替共聚物；嵌段共聚物；接枝共聚物,线型高分子；支链形高分子；网状（交联）高分子,间同立构高分子,全同立构高分子,无规立构高分子,二级结构,指高分子链由于主链化学键的,内旋转,和,链段的热运动,而产生的分子中各原子或基团在空间的不同排列形式,X,Z,Y,C,1,a,.,碳链上不带有任何其它原子或基团时，,C-C,单键旋转是没有位阻效应，,C-C,单键的内旋转完全是自由的。,b,.,如果我们把,C1-C2,键固定在,Z,轴上，则,（,1,）,的自转（内旋转）将带动,（,2,）,的公转，由于有,C-C,和,C-C,之间键角的限制，所以,（,2,）,的轨迹是个圆锥面，所以,C3,可以出现在这个圆锥面的任何位置上。,c,.,同理,（,2,）,的自转，带动,（,3,）,的公转,，（,3,）,的轨迹也是圆锥面，,C,4,可以出现在圆锥面的任何位置上。,d,事实上,，（,1,）,和,（,2,）,同时自转，所以,（,2,）,和,（,3,）,同时在公转，所以,，（,4,）,的活动余地就更大了。,e,.,一个高分子有许多单键，每个单键都能内旋转，所以高分子在空间的形态有无穷多个。,一个分子链在无外力作用时会有众多的分子空间形态，绝大部分为卷曲状。高分子链这种强烈卷曲的倾向称为（分子）链,的,柔顺性,，它对高聚物的弹性和塑性等有重要影响。,内旋转完全自由的,C-C,单键是不存在的，因为碳键上总要带有其它原子或基团，当这些原子或基团充分接近时，电子云之间将产生斥力使单键的内旋转受到阻力，,所以高分子的形态（构象）也不可能是无穷多的，而是相当多的,三级结构,高分子化合物的聚集状态结构,从结晶状态来看，线型结构的高聚物分为,晶态高聚物和非晶态高聚物,，,或者两者共存。,高聚物中结晶性区域称为,结晶区,，非结晶区域称,非结晶区,，结晶的多少称,结晶度（高聚物含晶体结构的质量百分数）,。,按聚集态的紧密和规整程度，聚合物可分为无定形、介晶（液晶）和结晶三种相态。,2,.,高分子化合物的溶解性,高聚物溶解的两个阶段：,溶胀,溶剂分子渗入高聚物内部，使高分子链间产生松动，并通过溶剂化使高聚物膨胀成凝胶状。,溶解,高分子链从凝胶表面分散进入溶剂中，溶解形成均一的溶液。,一般,线型,（包括带支链）的高聚物，在适当的溶剂中常可以溶解。,如聚苯乙烯（彩色玩具）可溶于苯或甲苯，有机玻璃（绘图直尺）可溶于氯仿或丙酮。,但,体型,高聚时，通常只发生溶胀而不能溶解。,溶剂选择的原则是,“,相似相溶,”,，极性大的高聚物选用极性大的溶剂；极性小的高聚物先用极性小的溶剂。,例如，未硫化的天然橡胶是弱极性的，可溶于汽油、苯、甲苯等非极性或弱极性溶剂中。,晶态高聚物一般需将其加热至熔点附近，待,晶态转变为非晶态,后，溶剂分子才能渗入，使高聚物逐渐溶解。,相对分子质量大的高聚物，链间作用力大，不利于其溶解。,3,.,高分子材料的机械性能、电性能,机械性能：,拉伸强度,、,压缩强度、弯曲强度、抗冲击强度等,。,主要影响因素：,(1),平均分子质量,（或平均聚合度）的增大，有利于增加分子链间的作用力，可使拉伸强度与冲击强度等有所提高。,强度,：天然橡胶（,M,r,=20,万）,丁苯橡胶（,M,r,=45,万）,(2),极性取代基或链间能形成氢键时,，能增加分子链之间的作用力而提高其强度。,拉伸强度,:,聚氯乙烯,(,含极性基团,-,Cl,),聚乙烯,(3),适度交联,有利于增加分子链之间的作用力。,如聚乙烯交联后，冲击强度可提高,34,倍。,(4),在,结晶,区内分子链,排列紧密有序,，可使分子链之间的作用力增大，机械强度也随之增高。,机械强度,:,高结晶聚乙烯 低结晶聚乙烯,(5),主链含苯环或侧链引入芳环、杂环取代基,等的高聚物，其强度和刚性比含脂肪族主链的高聚物的要高。,强度,：芳香尼龙,(,如芳纶,-1313),普通尼龙,电绝缘性和抗静电性,高分子化合物通常以共价键结合，一般不存在自由电子和离子，因此,高聚物通常是很好的绝缘体,，可作为绝缘材料。,高聚物的极性越小，其绝缘性越好。,极性高聚物,分子链节结构不对称的高聚物，如聚氯乙烯，聚酰胺等。,非极性高聚物,分子链节结构对称的高聚物，如聚乙烯，聚四氟乙烯等。,例：,试比较下列高聚物的电绝缘性：,聚四氟乙烯,聚氯乙烯,聚甲基丙烯酸甲酯,分子的极性可用相对介电常数,衡量，通常非极性高聚物的,2,，,弱极性或中等极性高聚物的,24,，,强极性高聚物的,4,。,表,7.2,常见高聚物的相对介电常数高聚物,高聚物,聚四氟乙烯,2.0,聚氯乙烯,3.23.6,聚丙烯,2.2,聚甲基丙烯酸甲酯,3.33.9,低密度聚乙烯,2.252.35,硅树脂,2.754.20,高密度聚乙烯,2.302.35,尼龙,66,4.0,聚苯乙烯,2.453.10,酚醛树脂,5.0 6.5,电绝缘材料的高聚物可分为：,（,1,）,链节结构对称且无极性基团,的高聚物，如聚乙烯，聚四氟乙烯，对直流电和交流电都绝缘，可用作高频电绝缘材料。,（,2,）,无极性基团，但链节结构不对称的高聚物,，如聚苯乙烯，天然橡胶等，可用做中频电绝缘材料。,（,3,）,链节结构不对称且有极性基团的高聚物,，如聚氯乙烯，聚酰胺，酚醛树指等可用做低频或中频电绝缘材料。,4.,高分子材料分类,多种分类方法，按性能分为：,塑料、橡胶和纤维,三大类；按结构分：,碳链、杂链和元素有机高分子,；,按功能分：,通用高分子、特殊高分子、功能高分子、仿生高分子、医用高分子,等；各种材料间无严格的界限。,塑料组成：合成树脂（,40-100%,）、填料、增塑剂、稳定剂、着色剂、发泡剂等,六大通用塑料：,PE,PP,PVC,PS,酚醛树脂，氨基塑料,塑料特点：热缩性（加热软化成粘稠流体，可塑制成型，再,加热又可软化重塑），,与热固性（加热不软化，不熔融不溶解）,塑 料,橡胶,橡胶是高弹性的轻度交联的线型高分子化合物，在宽氛围内处于高弹态,天然橡胶：聚异戊二烯，人工合成橡胶可赋予耐酸、耐碱、耐油和耐辐射等性能。,几种橡胶：氟橡胶、硅橡胶、顺丁橡胶,纤维,分为：天然纤维、化学纤维（人造纤维和合成纤维）,合成纤维主要品种：锦纶、涤纶、晴纶、维纶、丙纶等,胶粘剂和涂料,（,P106,）,5,.,几种重要的高分子化合物,塑料,聚氯乙烯,结构式,:,性能：,强极性，绝缘性好，耐酸碱，难燃，具有自熄性。缺点是介电性能差，在,100 120,即可分解出氯化氢，热稳定性差,用途：,制造水槽，下水管；制造箱、包、沙发、桌布、窗帘、雨伞、包装袋；还可做凉鞋、拖鞋及布鞋的塑料底等,结构式,:,聚四氟乙烯,性能：,耐酸碱，耐腐蚀，化学稳定性好，耐寒，绝缘性好，耐磨。缺点是刚性差,用途：,可用作高温环境中化工设备的密封零件，无油润滑条件下作轴承、活塞等，还可做电容器、电缆绝缘材料,结构式,:,性能：,坚硬、耐高温、良好的机械性能、电绝缘性好、韧性好、抗冲击性好、透明度高,用途：,制造继电器盒盖，计算机和磁盘的壳体、荧光灯罩、汽车及透明窗的玻璃等,聚碳酸酯（透明金属）,ABS,塑料,结构式,:,性能：,无毒、无味，易溶于酮、醛、酯等有机溶剂。耐磨性、抗冲击性能好,用途：,用于家用电器、箱包、装饰板材、汽车收音机等零部件,橡胶,天然橡胶,天然橡胶其化学组成是,聚异戊二烯,有,顺式,与,反式,两种构型，它们的结构简式分别为：,顺式,反式,顺式,-1,4-,聚异戊二烯,适合做橡胶，其分子结构具有三个特点：,（,1,）分子链的,柔顺性,较好,（,2,）分子链间仅有较,弱,的作用力,（,3,）分子链中一般含有容易进行,交联,的基团（如含不饱和双键）,丁苯橡胶,结构式,:,性能：,耐水，耐老化性能，特别是耐磨性和气密性好。缺点是不耐油和有机溶剂，抗撕强度小,用途：,为合成橡胶中最大的品种（约占,50%,），广泛用于制造汽车轮胎，皮带等；与天然橡胶共混可作密封材料和电绝缘材料,氯丁橡胶,结构式,:,性能：,耐油，耐氧化，耐燃，耐酸碱，耐老化，耐曲挠性及气密性都很好；缺点是密度较大，耐寒和弹性较差,用途：,制造运输带、防毒面具，电缆外皮、轮胎、胶粘剂等,顺丁橡胶,结构式,:,性能：,弹性、耐老化性和耐低温性、耐磨性，都超过天然橡胶；缺点是抗撕裂能力差，易出现裂纹,用途：,为合成橡胶的第二大品种（约占,15%,），大约,60%,以上用于制造轮胎,纤维,合成纤维,具有优良的性能，例如强度大、弹性好、耐磨、耐腐蚀、不怕虫蛀等。因而广泛地用于工农业生产和人们日常生活中。,天然纤维,合成纤维的条件：,1.,高聚物必须是,线型结构,，且相对分子质量大小要适当。,2.,必须能够拉伸，这就要求高分子链应具有,极性或链间能有氢键结合，或有极性基团间的相互作用,聚对苯二甲酸乙二醇酯,(,涤纶、的确凉,),结构式,:,性能：,显著优点是：抗皱、保型、挺括、美观。对热、光稳定性好。润湿时强度不降低，经洗耐穿，可与其他纤维混纺。年久不会变黄。缺点是不吸汗，而且需要高温染色,用途：,是产量最大的合成纤维，大约,90%,作为衣料用（纺织品为,75%,，纺织物为,15%,）。用于工业生产的只占总量的,6%,左右,聚丙烯腈纤维,(,腈纶、人造羊毛,),结构式,:,性能：,具有与羊毛相似的特性，质轻，保温性和体积膨大性优良。强韧（与棉花相同）而富有弹性，软化温度高。吸水率低，不适宜作贴身内衣。缺点是强度不如尼龙和涤纶,用途：,大约,70%,作衣料用（纺织物占,60%,左右），用于工业生产的只占,5%,左右,聚乙烯醇纤维（维纶、维尼纶）,结构式,:,性能：,亲水性好，吸湿率可达,5%,，和尼龙相等，与棉花（,7%,）相近。强度与聚酯或尼龙相近，拉伸弹性比羊毛差，比棉花好,用途：,70%,用于工业生产，其中以布和绳索居多。可代替棉花作衣料用,聚氯乙烯（氯纶）,结构式,:,性能：,它的抗张强度与蚕丝、棉花相当，润湿时也完全不变。最大的优点是难燃性和自熄性。缺点是耐热性低、染色不好,用途：,几乎都不作衣料用，作过滤网等工业产品约占,50%,，室内装饰用占,40%,2.4,晶体缺陷 陶瓷和复合材料,学习要求,掌握能带理论及对导体、半导体和绝缘体的区分及应用；,了解晶体缺陷概念，明确晶体缺陷是无机材料产生结构敏感性的原因；,了解陶瓷的结构，了解几类功能陶瓷及它们的应用；了解复合材料的性质和应用；,一,、固体能带理论,1.,金属键和固体能带理论,图,1mol,钠原子的,3s,轨道能带,充满电子的能带称为,满带,，,能量最高的满带称为,价带,，,没有电子的能带,称为,空带,，,能量最低的空带,称为,导带,。,从满带顶到导带底(,或空带底,)的能量间隔很大,，,电子跃迁困难，这个能,量间隔称为,禁带,一些基本概念,能带理论可以用来说明金属的一些物理性质：如金属光泽、导热性、延展性，绝缘体的绝缘性和半导体的导电性等；,导体、半导体、绝缘体的能带示意图,本征半导体,：价带中极少数能量较高的电子能够越过禁带而进入导带中，而显出有限的导电能力。,本征半导体掺杂后可以在禁带范围内形成有限的局部能级。,掺杂半导体,：,P,型半导体；,n,型半导体,n,型半导体,：掺杂的是富电子杂质，多余电子将填入离导带底部很近的能级中，很容易被激发到导带中而增加半导体的导电能力，这种局部能级叫,施主能级,。,p,型半导体,：掺杂的是缺电子杂质，会在离价带顶部很近的局部能级中留下一些空穴，因此价带电子容易迁入而增加导电能力，这种局部能级叫,受主能级,。,几个术语：,二,、晶体缺陷和晶体材料,1.,晶体缺陷,孔穴缺陷,置换缺陷,间充缺陷,图：几种不同的晶体缺陷,晶体缺陷对物质物理化学性质的影响,对力学性质的影响,对电学性质的影响,对光学性质的影响,对催化剂性能的影响,人工晶体,光学晶体；压电晶体；激光晶体,三、陶瓷材料,陶瓷,：经过高温热处理（烧结）而成的所有无机非金属材料。分为,传统陶瓷和特种陶瓷,。,传统陶瓷,：以粘土、长石、石英等无机非金属矿物为主要原料烧成的硅酸盐制品。,特种陶瓷（精细陶瓷）,：以精细的高纯天然无机物或人工合成无机化合物为原料，采用精密控制的工艺进行烧结的制品。分为：,结构陶瓷和功能陶瓷,。,结构陶瓷,：具有机械功能、热功能和部分化学功能的陶瓷,功能陶瓷,：具有光、电、磁、化学和生物特性，且具有相互转换功能的陶瓷列为功能陶瓷。包括：,导电陶瓷、超导陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、电子陶瓷、磁性陶瓷,等,陶瓷的组成和结构,晶相,：因烧结温度低于原料的熔点，而使粉体内部基本保持原有的组成和晶体结构。决定了陶瓷的刚性、导热性等物理性质。,玻璃相,：一种非晶态的低熔点固相，是烧结过程中添加剂与主料之间或者主料和粉体之间形成的新相。对制品起粘结作用、填充气孔以及降低烧结温度等，同时也提供一定的韧性。,晶界相,：为多晶体中晶粒分解处，尺寸为纳米级，其结构对陶瓷材料性能影响很大。,气相,：陶瓷材料中残余的气孔，可以提高绝热性能，抗冲击能力下降。适当的控制孔的大小、形态和分布可以制成各种陶瓷材料。,陶瓷的性能：,耐高温、良好的绝缘性、可赋予功能性；不易变形，但脆；韧性低,四、复合材料,复合材料,：将两种两种以上性质截然不同的物质加以优化组合而成的一种多相固体新材料。分,基体和增强体,两组分,微晶玻璃,：加晶核剂的特定组成的玻璃，在控制条件下进行晶化处理，形成微晶均匀分散在玻璃相的复合材料。,金属陶瓷,：金属或者合金与陶瓷组成的复合材料,玻璃钢：,玻璃纤维和树脂复合而成的复合材料。,