第三章 現代化學與新材料技術 一、內容提要 本章有三節。第一節是從化學發展的歷史說起，介紹現代化學研究的內容和化學分析基礎知識。第二節介紹一些傳統材料特性及其應用。第三節介紹新材料技術。 二、重點與難點 本章學習重難點為新材料技術與現代化學分析技術。 三、教學輔導 化學是一門在分子、原子水平上研究物質組成、結構和性能的辯證關系，以及物質、能量轉化規律的科學。化學也是一門滿足社會需要的中心科學，在現代社會中，化學對材料、能源、農業、資源的開發，滿足和改善人民生活，促進社會生產發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。材料是人類生產和生活活動的物質基礎，也是社會生產力的重要因素。材料科學是當今科技發展研究的重點，它的發展又與現代化學發展密切相關。我們學習本章內容時，分解為以下幾個問題。 1． 現代化學是如何發展起來的？ 化學的發展，經歷了很長的歷史時期。 （1）古代化學的產生 大約五十萬年以前，人類發明了“鉆木取火”，掌握了人工取火的技術。火的利用是人類最早的一項化學實踐活動，也是人類最早知道的一種化學現象，它為人們以后研究和實現一系列物質的化學變化創造了條件。古代化學是一種實用化學，由它產生的制陶，金屬冶煉，火藥制造，染色，釀酒等化學工藝，幾乎成為古代社會生產力發展的最重要的因素。古代人們在實踐的基礎上，掌握了過濾、溶解、結晶、升華和熔融等化學技術的同時，對物質也有了總體的認識，產生諸多的物質觀點，如我國戰國時期的“五行說”，古希臘亞里斯多德的“四素說”等。這些化學制作工藝和學說，積累了大量的操作經驗和化學知識，為近代化學的發展奠定了基礎。 （2）近代化學的建立 16世紀末至17世紀初，化學理論逐漸建立，英國化學家和物理學家波義耳，在1661年，首次提出了科學的元素新概念，把化學確立為一門實驗科學。之后，法國化學家拉瓦錫在大量的實驗基礎上，提出氧化說，使化學基本理論和基本研究方法發生了重大變革。由此，化學走向近代定量科學，一系列有關物質變化定量規律，如質量守恒定律，當量定律被發現。特別是英國化學家和物理學家道爾頓的科學原子說，第一次將化學實驗總結的規律與物質的原子構成的觀點聯系起來，使化學進入了一直持續至今的原子說為主線的新時期。 意大利化學家阿佛加德羅的分子假說，俄國化學家門捷列夫在1869年發現的元素周期律，使化學研究從個別的、零散的和無規律的事實羅列中擺脫出來，奠定了現代化學的基礎，近代化學科學逐漸形成了包括：近代無機化學、近代有機化學、近代分析化學和近代物理化學四大獨立的分支科學體系。 （3）現代化學的形成 二十世紀初，物理學科的新發現和新技術特別是相對論和量子力學為現代化學進一步發展概念和定量描述提供了理論依據，將化學和整個自然科學的研究，推進到更深的層次上。化學分支不斷涌現，化學朝著深、細、精，多學科、綜合化的方向發展。與此同時，現代化學工業的蓬勃發展，化學工業和產品，在人類生活和經濟活動中具有越來越重要的地位和作用，如化肥增產，使農業豐收；化學工業的發展，使新材料層出不窮。特別是20世紀20年代以后出現的有機合成工業的發展，更加豐富了現代人們的生活。 2． 什么是現代化學研究的特點？ 現代化學有如下特點： ①研究層面由宏觀向微觀發展； ②研究方法由定性向定量發展； ③研究對象由靜態向動態發展； ④研究結果由描述性向推理性發展。 這些特點表明了現代化學總的發展趨勢是既高度分化又高度綜合。現代化學一方面，從自身產生了很多新的學科分支，如：無機固體化學、配合物化學、分子動力學等。另一方面，又與其他自然科學相互滲透交叉，形成一系列新的邊緣學科，如：生物化學、地球化學、環境化學等。 3． 現代化學研究的內容有哪些？ 現代化學研究的內容可以歸納為三個方面：第一是深入研究化學反應理論，開發化學反應過程來揭示化學反應的實質，進而設計最佳的化學反應過程。第二是提高結構力量水平，致力于尋找或設計最需要、最佳的化合物材料或體系。第三，發展分析和測試新方法，依靠計算機技術及多學科綜合，使化學研究信息趨于更高的靈敏性和可靠性，為高科技發展創造新分子，為社會需要合成特定性能的材料和物質。 4．現代化學研究方法的特點是什么？ 現代化學研究不僅要綜合其他自然科學的理論成果，而且還要綜合運用其他自然科學的 究方法。現代化學需要多學科知識的綜合、眾多高深理論作指南、依靠多種專業人員細密 分工和合作，用多種精密儀器設備作檢測的手段。其研究的方法，必要博采眾長，協同多學科合作進行，以整體思維來思考。 5．什么是現代化學分析技術？ 現代化學分析技術包括基礎化學分析技術和儀器分析法。 （1）基礎化學分析技術 在近代建立的分析化學是一門研究物質化學組成的科學，它有兩大任務，一是定性分析，主要是確定被測物質有哪些組分組成的。二是定量分析，主要是確定這些組分的相對含量。 定性分析： 定性分析是應用物質的化學反應將被測組分轉化為有特殊性質的新物質，通過觀察其 生物有無氣體，沉淀或有色物質等特征的產生，來推斷被測物中某種組分的存在。 定量分析： 定量分析有經典化學分析法和儀器分析法兩大類。經典定量分析法是應用沉淀反應，中和反應、氧化還原反應或絡合反應的原理，對已知組分含量進行測定。 （2）儀器分析法 儀器分析是現代發展起來的一種分析方法，它大多要借助一定的儀器設備，根據物質 的物理或物理化學的性質，來測定某種組分的方法。故又稱為物理化學分析法或物理分析法。儀器分析法具有操作簡便、快捷、準確等優點，特別對于含量很低的組分的測定，更有獨特之處。儀器分析法有很多種，常用的有以下5種： 光譜分析法： 它是根據物質發射，吸收電磁輻射，以及物質與電磁輻射的相互作用來進行分析的一種方法。 色譜法： 它是一種分離技術，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。當流動相中的混合物經過固定相時，就會與固定相發生作用，由于試樣的各組分在結構和性質上的差異，它們與固定相作用的大小、強弱也不同。我們根據被測組分在兩相間進行分離作用的差異，進行定性和定量分析。 電化學分析法： 它是利用物質的電學及電化學性質來進行分析的方法。 質譜分析法： 它是現代物理與化學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，形成離子束射入質量分析器。在磁場的作用下，離子作等速圓周運動并分離，然后，由記錄系統得到質譜圖，根據質譜圖上譜線 的位置及相應離子的電荷數進行定性分析，再根據譜線黑度或相應離子流的相對強度，進 行定量分析。 核磁共振波譜分析法： 它也是現代儀器分析的重要方法之一，它的基本原理是在強磁場的激勵下，根據一些具 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構。 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、是熱和電的良導體等性質，很大程度上與金屬晶體結構有自由電子有關。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，這就是金屬導電的原因。自由電子受熱后，能量增大，運動速度也加大，它與金屬離子碰撞而傳遞能量，從而使金屬具有良好的導熱性等。 在冶金工業上，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世紀中葉，金屬材料也一直在材料中 占絕對優勢。因為金屬材料有如下的優勢：（1）幾千年以來有一套成熟的生產技術和龐大的生產能力，如鋼鐵工業。（2）金屬有許多優良的理化性能，形成其他材料不能完全替代的使用優勢，如：比陶瓷高得多的韌性，磁性和導電性等。（3）近、現代高新技術創新，產生出許多新的金屬材料，如優質鋼、高強度鋼、各種合金和新金屬材料等 目前，人們生產和生活應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電子為3―7 個，它們大多在化學反應中傾向于得到電子而顯示氧化性。非金屬元素形成單質主要有兩 種情況，一種是分子晶體，另一種是原子晶體。它們顯示的性質各異，如分子晶體熔沸 較低，而原子晶體熔沸點較高等等。 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、 藝術品。玻璃是建筑業最基本的材料之一，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大量應用的硅酸鹽材料。 （3）陶瓷生產陶瓷的原料有天然礦物原料和通過化學方法制備的化工原料二種。天 然礦物原料主要是粘土，主要化學成分是水合硅酸鋁類。陶瓷是一種重要的材料，用于工業、建筑、生活等，如室內裝飾墻地磚、衛浴用品、茶具、器皿。據考古發現。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．有機化合物和有機高分子材料 早期，人們認為有機物是從動植物體內獲取的物質，是“有生機之物”，故稱之為“有機化合物”，現在人們已經知道有機物可以由簡單的無機物人工合成制取。組成有機物除了碳元素之外，還有氫、氧、氮、磷、硫和鹵素等非金屬元素，許多有機物還含有金屬元素。從分子結構上看，有機化合物可以看作碳氫化合物及其衍生物。 有機物的種類很多，結構各不同，因而性質也各異，但一般地，有機物具有如下共性： ①通常情況下，有機物的熔、沸點較低，常以氣體，低沸點的液體或低熔點的固體存在 ②大多有機物難溶于水，易溶于有機溶劑，符合化學上“相似相溶”原理。 ③絕大多數有機物具有熱不穩定性，受熱易分解，還較容易燃燒，燃燒后，有機分子中的碳、氫、氧、硫，最終的產物為二氧化碳、水、二氧化硫等。 有機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了。人工方法合成的有機高分子化合物中，人們廣泛應用的是塑料、合成纖維、合成橡膠等。 9．現代新材料技術 20世紀50年代以來，科學技術的突飛猛進，新材料研究異常活躍。新材料技術既是高新技術的一部分，又時刻為高新技術服務。作為新材料技術具有以下的特點：①它是知識密集、資金密集的新興產業。②它與高新技術發展關系密切，相互促進、相互依賴。③新材料是高新技術發展必要的物質基礎，也是當代高新技術革命的先導。④新材料技術還是社會生產力發展水平和技術進步的標志。 現代新材料主要有以下幾種： （1）新金屬材料 超導材料稀土材料形狀記憶合金貯氫合金非晶態合金 （2）無機非金屬材料 新型陶瓷特種無機涂層材料 （3）新型有機高分子材料 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、導電高分子材 料等等。 （4）特殊功能的復合材料 玻璃鋼碳纖維增強樹脂復合材料聚合物基、金屬基和陶瓷基復合材料 （5）納米材料 納米材料是當今材料科學研究中的熱點之一。納米（nm）實際上是一個長度單位， 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，在結構中的鍵態嚴重失配，產生了許多活動中心，因而，納米材 料有很強的吸附能力。小尺寸效應使其理化性能發生改變，并出現與常規材料不同的新的 特征。 納米材料顯示了廣泛的應用前景。例如：利用納米材料制成磁記錄介質材料廣泛應用于 電聲器件、阻尼器件等。納米金屬顆粒還是有機化合物的氫化反應的催化作用一種極好的催化劑。納米材料還可以用于醫學、生物工程。例如：利用納米微粒進行細胞分離、細胞染色體，用納米微粒制成的藥物可更方便地在人體內傳輸，進行局部治療和組織修補。納米探針和納米傳感器應用，也可能帶來診斷技術的革命。未來納米科技的發展，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到幾個細胞大小。二是高密度的信息儲存，會在很小的位置上儲存大量信息。三是開發新的高性能材料，應用于高科技領域。 總之，納米技術的研究和應用不僅能引發一場新的工業革命，而且還會帶來人類認 知革命，產生觀念上的變革，它將對21世紀科學技術的發展產生重大的促進作用。 10．什么是新材料發展的方向？ 隨著社會的進步，人類總是不斷地對材料提出新的要求。當今新材料的發展有以下幾點： （1）結構與功能相結合。即新材料應是結構和功能上較為完美的結合。 （2）智能型材料的開發。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，既具有敏感又有驅動的雙重的功能。 （3）少污染或不污染環境。新材料在開發和使用過程，甚至廢棄后，應盡可能少地對環境產生污染。 （4）能再生。為了保護和充分利用地球上的自然資源，開發可再生材料是首選。 （5）節約能源。對制作過程能耗較少的，或者新材料本身能幫助節能的，或者有利于能源的開發和利用的新材料優先開發。 （6）長壽命。新材料應有較長的壽命，在使用的過程中少維修或盡可能不維修。

標簽：分析化學高新技術當前