专升本个人自制-工程化学第二章上.

1第二章物质的化学组成和聚集状态《工程化学基础》2内容提要物质是由原子、离子、分子等原子结合态单元组成的，根据组成物质元素的种类的不同，可以将物质分为无机物和有机物两大类。进一步划分，它们又可分成单质、简单化合物、配合物、高分子化合物、金属有机化合物等。原子、分子及其结合态单元因其所处条件不同，在一定条件下，它们可以聚集成固体、液体和气体等宏观状态，表现出不同的性质、功能和用途。3目录2.1物质的化学组成2.2固体2.3液体和液晶2.4气体和等离子体42.1物质的化学组成学习要求1.理解配位化合物、高分子化合物组成中的基本概念和命名原则，能写出一些常见配合物和高分子的化学式。2.认识物质化学组成的复杂性，了解C60等团簇和α–Si:H，Fe3C等非整比化合物、不符合正常化合价规则的物质的存在及其工程应用。3.认识金属有机化合物，明确M–C–C键和M–O–C键的键能大小，了解其工程应用。4.了解蛋白质、核酸等生物大分子的化学组成，能分别写出2~3种碱基、氨基酸的化学式，理解DNA、RNA、蛋白质在遗传信息传递过程中的作用，了解生物大分子的应用和开发前景。5.理解物质的化学组成和结构是决定其性能和应用的基础。5物质实物场（能量）无机物有机物单质及简单化合物(氧化物、酸、碱、盐)复杂化合物(配合物、团簇、超分子)无机高分子(无机固体材料等)简单化合物(烃及其衍生物、醇、醛、羧酸、酯等)有机高分子天然高分子(糖类、DNA、蛋白质等)合成高分子(合成塑料、橡胶、纤维)复杂化合物(超分子)金属有机物物质的分类可降解塑料6配合物是以金属正离子(或中性原子)作为中心，有若干个负离子或中性分子按一定的空间位置排列在其周围形成的复杂化合物。英语中称做：CoordinationCompound，或ComplexCompound，意为“协同化合物”或“复杂化合物”。译成“配合物”或“络合物”。定义一、配位化合物7[Pt(NH3)4(NO2)Cl]CO3中心离子内界(配离子)外界K4[PtCl6]外界内界(配离子)配体中心离子配位原子配体基本概念8配位化合物的命名H2[Zn(OH)2C12]二氯二羟合锌(Ⅱ)酸Na2[MgY]乙二胺四乙酸合镁(Ⅱ)酸钠K4[PtCl6]六氯合铂(Ⅱ)酸钾K2[HgI4]四碘合汞(Ⅱ)酸钾[Co(NH3)3(H2O)C12]Cl氯化二氯·一水·三氨合钴(Ⅲ)[Cu(NH3)2(CH3COO)]Cl氯化乙酸根·二氨合铜(Ⅱ)[Cu(en)2]SO4硫酸二乙二胺合铜(Ⅱ)Co2(CO)8八羰合二钴(0)Cr(C6H6)2二苯合铬(0)9Cu2+H2NH2NNH2NH2CH2CH2CH2CH2CaONCH2COOONOCOCH2CH2CH2COCH2CH2CO2-[CaY]2–配离子多齿配体与螯合物螯合物的稳定性很强是因为螯合效应的结果。图2-1螯合物作用示意图螯合物的稳定性很强10反式-二氯·二氨合铂(Ⅱ)PtH3NClClNH3PtNH3ClClNH3顺式-二氯·二氨合铂(Ⅱ)例如具有抗癌活性无活性配合物的结构与性能具有相同化学组成的配合物往往有不同的空间结构，并表现出不同的性能。11团簇是指由几个至上千个原子、分子或其结合态粒子聚集而成的相对稳定的介观聚集体。对它们的研究是在20世纪80年代后迅速发展起来的。团簇的空间尺度在纳米(10–9m)量级左右。二、团簇有金属簇，如Lin，Cun，Hgn；非金属簇，如Cn，Nn，Arn；分子簇，如(H2O)n，(NaCl)n等。例如，常规Fe，Co和Ni等是铁磁性的，但它们的团簇可以是超顺磁性的；顺磁性的Na和K等的团簇却是铁磁性的。团簇是许多纳米材料的基础。12图2-2金刚石、石墨、C60的结构示意图(c)C60黄色为双键红色为单键原子数为20，24，28，32，36，50，60，70，84，120…的稳定性较高，其中C60的丰度最高，C70次之。C60是1985年发现的。(a)金刚石(b)石墨碳团簇13球碳团簇及其衍生物在超导电性、半导体、非线性光学等方面具有奇异性能，K3C60，Rb3C60，Rb2CsC60，Rb2.7Tl2.2C60和RbTl2C60的超导转变温度分别为18K，30K，31.3K，45K和48K。美国化学家R.E.Smalley，R.F.Curl和英国化学家H.W.Kroto因对开拓这个新领域的贡献荣获1996年诺贝尔化学奖。CsC60H.W.克鲁托HaroldW.KrotoR.E.史沫莱RichardE.SmalleyR.F.柯尔RobertF.Curl发现C60的三位科学家14碳纳米管1991年发现了碳纳米管，也称“布基管”。碳纳米管是一种由单层或多层石墨卷成的纳米微管，多层碳管各层之间的间隔为石墨的层间距。碳管两头可以是空的，也可被半个C60或更大的球碳所封闭。外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。中国科学院纳米科技网图2-3碳纳米管的结构示意图15碳纳米管可以是不同禁带宽度的半导体，也可以是准一维导体。碳纳米管可以用于未来电子工业制造电子器件和超薄导线，使电子芯片集成度更高，体积更小。碳纳米管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。碳纳米管潜在的应用前景16约简后，其原子数目不成整数比，这类化合物称为非整比化合物。金属间化合物SnNb3，ZnCu5碳化物Fe3C，Mn7C3氮化物Fe2N，Fe4N等各元素均不符合正常化合价规则又如：LaH2.76，Fe1–xO，Sn1+xO2，PbO1.88三、非整比化合物17阳离子过剩（或阴离子短缺）的化合物：Zn1+xO，NaCl1–x；由混杂缺陷产生的非整比化合物，如Na1–2xCaxCl，Ca1–xYxF2+x，Zr1–xCaxO2–x，LixSi1–xAlO2等。晶体缺陷是形成非整比化合物的重要原因阳离子短缺（或阴离子过剩）的化合物：Cd1–xS，UO2+x；18非整比化合物等在材料中十分重要，可以控制或改善无机固体材料的光、电、声、磁、热、力学等性质。发光二极管材料：GaAs1–xPx，它可以发出从红光到绿光的各种颜色的光。彩色电视发光材料用的红粉、绿粉和蓝粉：Y2O2S:Eu3+，Y2O2S:Tb3+，(Ca,Sr)10(PO4)6C12:Eu3+。“黑漆”古铜镜表面耐磨物质：Sn1-xCuxO2。例如：碳化物、氮化物在钢材中能有效地提高钢材的硬度。19根据不同的显示器件对显示技术的要求，科润光电推出了阴极射线与投影管（CRT）发光材料、半导体二极管（LED）发光材料、场发射（FED）发光材料、低压荧光屏（VFD）发光材料、等离子体（PDP）发光材料、X射线发光材料等显示器件发光材料，并适应背投电视蓬勃发展的市场状况，建设了红、蓝、绿投影管专用发光材料生产线。上述各类材料体系可根据用户不同用途及要求选择合成，发光颜色主体为红、蓝、绿等过渡色。上海科润光电材料有限公司发光材料样品20非晶氢化硅α–Si∶H是信息、电子工业中经常用到的半导体材料录音磁头合金：(Co0.90Fe0.06Ni0.02Nb0.02)78Si22–xBx计算机储存元件：(GdCo，GdFe)，一种非晶态材料高温超导体：YnBa2CumO7~8∶La1–nLim–3Ba0.88Pb0.88Ca0.04TiO3陶瓷广泛用于超声加工声纳、水听器等压电陶瓷：Pb1–xLax(ZryTi1–y)1–x/4O3形状记忆合金：Ti50Ni21非整比化合物（不定组成）与整比化合物(定组成)（水，二氧化碳等）是一对矛盾，它们代表着物质形成的两种方式，各自发挥着自己的作用。22由金属原子和有机基团中碳原子键合而成，含金属–碳键（M–C）的化合物称金属有机化合物，如(C2H5)2Zn，C6H5Ti(OC3H7)3，(C2H5)4Pb，RMgX（R为烷基，X为卤素）。金属有机化合物大体分三类：(1)离子型化合物(2)σ键化合物(3)非经典键化合物如：Cr(C6H6)2，Fe(C5H5)2（二茂铁），[K+(PdCl3CH2=CH2)–]四、金属有机化合物23(1)离子型化合物。碱金属和碱土金属所形成的烃基化合物多为离子型，其通式为RM，R2M，具有离子化合物的典型特征，可以看作烃R-H的盐类。它们一般不溶于烃类溶剂，具有异乎寻常的反应活性，对空气敏感，遇水剧烈水解。(2)σ键化合物。第IIIA~VIIA族和第IB，IIB族元素与有机基团主要以σ共价键结合形成化合物，如R2Hg，(C2H5)4Pb，(CH3)3SnCl等。具有挥发性，对空气稳定，一般溶于非极性溶剂。(3)非经典键化合物。包括由过渡元素与不饱和基团通过金属轨道和π电子之间相互作用而生成的π配合物，如Cr(C6H6)2，Fe(C5H5)2（二茂铁），[K+(PdCl3CH2=CH2)–]；过渡元素与羰基等配合形成同时含σ键和π键的金属有机化合物，如羰基金属M(CO)n等。24另外，还有多中心键型金属有机化合物，如含桥连烷基的[Al(CH3)2C6H5]2，[Be(CH3)2]n，多核羰基金属化合物[Mx(CO)y]等。事实上，周期表中除惰性气体以外的绝大多数元素都可以与有机基团中的碳以各种方式结合，硼、磷、砷和硅等的有机化合物一般也包括在金属有机化合物范围之内；对过渡金属，可形成M–O，M–S，M–P或M–N键，如Pd(PPh3)4（Ph指苯基），Al(OC3H7)3等，也常划为金属有机化合物。所以金属有机的范围在不断扩大，也说明科学和人的认识都是不断发展的。25金属有机化合物是电子、光学、磁性等功能材料、超纯材料和精细陶瓷等许多工业加工中的重要物质基础。金属镍粉与CO反应得到液态Ni(CO)4，在稍高温度下分解便得到纯镍。Ni(s)+4CONi(CO)4(l)43oC50oC金属有机化合物应用实例26M–C键能C–C键能，容易在M–C处断裂。能沉积成高附着性的金属膜。例如三丁基铝Al(C4H9)3和三异丙基苯铬Cr[C6H4CH(CH3)2]3热分解，分别得到金属铝膜和铬膜。C–O键能M–O键能，因此易在C–O键处断裂，沉积出金属的氧化物：2Al(OC3H7)3Al2O3＋6C3H6＋3H2O420℃Si(OC2H5)4SiO2＋H2O＋[C–H](碳氢化合物)700℃化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）27高分子化合物，简称高分子，又称高聚物，它的相对分子质量高达几千甚至几百万。五、高分子化合物nHCHO+nOHOHCH2nnH2O+世界上第一个合成高分子是1907年诞生的酚醛树脂。无机高分子有机高分子天然高分子纤维素、蛋白质、淀粉、木质素合成高分子可降解塑料28例如：聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯加聚结合而成：单体链节多分散性：高分子化合物相对分子质量大小不等的现象聚合物聚合度加成聚合与缩合聚合简写：ClCH2CHn聚合nCH2CHClCH2CHCH2ClCHCH2ClCHCl............29nH2N(CH2)6NH2己二酸己二胺nHOOC(CH2)4COOH+(2n–1)H2O聚酰胺–66或尼龙–66]nOH+又如，聚酰胺–66（尼龙–66）由己二胺和己二酸为单体经过缩聚反应制得：H[NH(CH2)6NHCO(CH2)4CO聚合度为2n聚合度是以链节数来计量的在聚酰胺化学式中，名称后的第一个数字“6”指二元胺的碳原子数，第二个数字“6”指二元酸的碳原子数。30碳链高分子化合物主链中均是C–C键。主链中引入了O，N等杂元素，不但有C–C键，还有C–O，C–N键。杂链高分子化合物主链中仅含有Si，P，O等元素而没有C原子。元素有机高分子化合物高分子化合物的分类31表2.1一些高分子化合物及其单体名称化学式单体聚乙烯CH2＝CH2聚丙烯CH3CH＝CH2聚氯乙烯ClCH＝CH2聚苯乙