1有机和聚合物材料__绪论.

徐伟复旦大学材料科学基础课程1材料结构与性能基础有机材料的结构和性能基础徐伟复旦大学材料科学基础课程2时间：周二3-4地点：H3109联系方式:Email:[e-mail]:13818659517徐伟复旦大学材料科学基础课程3教材及参考书目录1，《有机化学》(第四版)，高鸿宾主编，高等教育出版社，2005。2，《有机化学》，王全瑞主编，化学工业出版社，2011。3，《有机化学基础》，徐积功编，高等教育出版社，1986。4，《基础有机化学》（第3版），邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋，裴坚编，高等教育出版社，2005。5，《高分子化学》，复旦大学高分子科学系编著，复旦大学出版社，1995。6，《高分子物理》，何曼君，陈维孝，董世侠编，复旦大学出版社，1990。徐伟复旦大学材料科学基础课程4什么样的材料,什么样的时代徐伟复旦大学材料科学基础课程5按组成分类：——材料的四大家族(一)金属材料(二)无机非金属材料(三)有机和高分子材料（聚合物）(四)复合材料徐伟复旦大学材料科学基础课程6按使用领域分类：——建筑材料、仪表材料、电子材料、医用材料、能源材料、信息材料、航天材料等按功能分类：——结构材料、功能材料徐伟复旦大学材料科学基础课程7材料结构材料组元排列方式运动方式物质组元，比如:原子、分子和离子、团簇、颗粒…电子的运动、原子和分子的热运动;扩散、重构、形变组元间的结合类型，比如:金属键、离子键、共价键、分子间相互作用;聚集形态结构;界面效应徐伟复旦大学材料科学基础课程8什么样的结构,什么样的性能结构和性能是材料科学的核心问题原料时间、空间能量材料结构性能应用徐伟复旦大学材料科学基础课程9多种因素：（1）原子和分子的结构；（2）原子和分子空间排列和相互作用；（3）聚集形态和微结构：晶体、多晶、非晶；线缺陷、面缺陷、体缺陷、表面缺陷；（4）尺寸效应：体材料：三维方向上尺寸都很大的材料；低维材料：零维、一维、二维或三维方向上尺寸很小的材料（5）界面效应：（6）运动方式：结构和性能的关系徐伟复旦大学材料科学基础课程101.1材料的地位、作用与发展结构决定性能的例子不同结构的材料具有不同的性能(b)magnesium(a)aluminum徐伟复旦大学材料科学基础课程11本课程：有机和聚合物材料性能分子结构聚集形态徐伟复旦大学材料科学基础课程12有机和聚合物材料应用•传统领域化工药物塑料橡胶纤维涂料粘合剂复合材料•新兴领域能源（有机太阳能）环境（检测、治理）纳米技术信息技术柔性电子学分子电子学生物医药靶向药物分子科学和分子工程徐伟复旦大学材料科学基础课程13分子材料结构与性能发光材料电子传输材料空穴传输材料徐伟复旦大学材料科学基础课程14分子玻璃态材料结晶性在许多情况下是缺点追求非晶态才是目标徐伟复旦大学材料科学基础课程15智能药物载体自组装共聚多肽三层囊泡徐伟复旦大学材料科学基础课程16光诱导超分子自组装徐伟复旦大学材料科学基础课程17荧光纳米颗粒徐伟复旦大学材料科学基础课程18可拉伸电子学有机半导体、导电胶徐伟复旦大学材料科学基础课程19单分子电子学需要发展有特定功能的、结构更复杂的分子徐伟复旦大学材料科学基础课程20如何学习有机和聚合物材料徐伟复旦大学材料科学基础课程21•基本的物理和化学等课程•有机化学和高分子聚合物基础•有机材料的结构与性能需要什么样的学科基础徐伟复旦大学材料科学基础课程22传统的化学课《有机化学》：6学时《高分子化学》和《高分子物理》：5学时学习《有机和聚合物材料》2学时可能吗？2003年~2013年,（3学时）《有机化学与聚合物引论》徐伟复旦大学材料科学基础课程23基础课如果变成科普课——只能是失败！怎么办？（1）有所为，有所不为；（2）既是入门课，又要把基础打扎实；（3）采用新的思路，希望能速成；（4）大家共同努力；（5）……徐伟复旦大学材料科学基础课程24本课程教学安排•一方面吸收传统《有机化学》和《聚合物》教学方法，把基础打扎实，为进一步学习和研究做准备。•另一方面强调结构和性能的关系，联系学科发展的前沿，揭示分子的结构和聚集形态特点和性质，包括一些前沿问题。徐伟复旦大学材料科学基础课程25学习建议•由于课程大大压缩，内容以上课为主；不要缺课•关于有机物的某些概念和知识需要更新，从零开始•先讲有机物，再讲高分子聚合物•课后，希望有1小时自学和复习徐伟复旦大学材料科学基础课程2626大树模式：从主干到分枝物理学不同学科有不同的学习方法打桩模式：分立的桩，及整合有机化学和有机材料东方明珠和高层建筑徐伟复旦大学材料科学基础课程2727完美不是一个小细节，但注重细节可以成就完美。——米开朗基罗徐伟复旦大学材料科学基础课程28第一章绪论徐伟复旦大学材料科学基础课程29§1.1有机化合物和有机化学•最初，来自动植物;生命力学说•德国化学家魏勒（1824:F.Wöhler）•该反应的重大意义.否定生命力学说•如何看待“机遇”和“贡献”的问题。NH4+NCOheatONH2H2N徐伟复旦大学材料科学基础课程30有机化学做为独立学科出现，取得极大发展：（1）对煤、石油、动植物的深入研究和应用；（2）十九世纪40年代开始，合成高分子；（3）合成技术高度发展，能合成极复杂分子，比如:海葵毒素（4）有机化学走进新时代:绿色有机化学，交叉学科，……徐伟复旦大学材料科学基础课程31有机化学——研究有机化合物的组成、结构、性质以及相互关系和变化规律的科学。有机化合物大多数含C、H，因此叫碳氢化合物。通常还含有其他元素，比如：O、N、S、P等HCNOFPSClBrISiB有机物中常见的元素徐伟复旦大学材料科学基础课程32衍生物——有机物中原子或者原子团被其他原子或者原子团取代后衍生出来的化合物。有机化合物数目极其庞大，据统计：1990年，1000万种；2012年，7000万种。HCHHHClCHHHSiC甲烷氯甲烷四苯基甲烷四苯基硅烷徐伟复旦大学材料科学基础课程33有机化合物的特点和新观念•有机化合物的特征1.数目庞大，结构多样；2.对热不稳定，易燃烧（极少数例外）3.熔点相对较低（一般在250ºC以下）4.难溶于水，而易溶解于有机溶剂5.反应速度慢，副反应多（与无机物比较）•对有机物的新观念1.7000万种有机物的极小数，比如万分之一，就是7000种。2.结构多样，意味着性能的可选择余地大。3.支撑现代文明的无机和金属材料有多少种！4.真正起作用的是数目有限的几种及其复合物和杂化材料。（首先必须改变观念）徐伟复旦大学材料科学基础课程34充分利用各类有机物的特长•有些有机物结构稳定；•有些有机物不仅不燃烧，而且还有阻燃作用，作为阻燃剂；•有些有机物的熔点可以大于300ºC；基数庞大，选择余地大！关键是:把有潜力的材料，做好、做大、做强！徐伟复旦大学材料科学基础课程35有机物的溶解性及其应用•三种溶解现象（1）易溶（2）微溶（3）部分溶解相似相溶徐伟复旦大学材料科学基础课程36部分溶解概念及其应用潜力•真理在全局中！在局部中！也在细节中！•部分溶解现象单分子层自组技术的发展（LB膜技术）宗教里有些表述，其含义类似！徐伟复旦大学材料科学基础课程37全局观：上海市自来水水质评估《上海市2004-2010年全面提高供水水质行动计划评估报告》上海社会科学院经济法律社会咨询中心（限内部参考）上海财经大学出版社，2005年实地参观了许多水厂和水源地（1）上海自来水厂设施很好，工作做得也很好；（2）关键是水源太差。徐伟复旦大学材料科学基础课程38由于水源太差（1）有机污染物含量高，难以达到高水质（2）寻找好的水源。当时，相关部分似乎正在考虑青草沙水源地我在讨论中，认为上海的水源基于青草沙不合适。有咸潮和其他不利因素，只能作为局部水源。徐伟复旦大学材料科学基础课程39上海市为什么不能依靠青草沙？！我口头提过一个建议：江苏省长江沿岸，浏河入口长江上游，由国家划一块地归上海市。用做上海市在长江的取水口。（北京的水源地已设到长江）2006年中国工程院正式建议：青草沙作为上海市主要水源地！！！徐伟复旦大学材料科学基础课程40§1.2化学基础元素周期表和周期律•电离能•电子亲合能•电负性原子在成键状态时，吸引电子的能力徐伟复旦大学材料科学基础课程41徐伟复旦大学材料科学基础课程42同周期中，起始位置的碱金属的电负性最低，靠近惰性元素的卤素元素的电负性最高。徐伟复旦大学材料科学基础课程43有机化合物中常见元素及电负性H2.2Li1.0Be1.6B1.8C2.5N3.0O3.4F4.0Cl3.2Br3.0I2.7S2.6P2.2Si1.9Al1.6Mg1.3Na0.9K0.8徐伟复旦大学材料科学基础课程4444原子微观结构和化学键基础怎么来的?原子轨道:spdf徐伟复旦大学材料科学基础课程45原子核外电子运动状态的近代描述(x,y,z)核外电子的运动状态用波函数描述(1)薛定谔方程:徐伟复旦大学材料科学基础课程46Ψ——波函数（原子轨道）描述原子核外电子运动状态的一个数学函数式E——体系的总能量V——体系的势能m——电子的质量h——普朗克常数x、y、z——电子的空间坐标rerU024)(徐伟复旦大学材料科学基础课程47为了解方程方便,将直角坐标转换成球坐标(x,y,z)(r,,)利用分离变量法)()()(),,(rRr经向部分(r,,)=R(r)·Y(,)角度部分徐伟复旦大学材料科学基础课程48(2)波函数和原子轨道求特定物理意义的解,需要引入三个参数(n,l,m)量子数主量子数:n=1,2,3,…正整数轨道角动量量子数:l=0,1,2,…,(n-1),共n个数磁量子数:m=0,±1,±2,…,±l,共(2l+1)个数每一个由特定量子数所确定的波函数(x,y,z)称为原子轨道函数,简称原子轨道.徐伟复旦大学材料科学基础课程49(3)概率密度和电子云电子在核外空间某处,单位体积内概率2徐伟复旦大学材料科学基础课程50(4)四个量子数主量子数n:电子出现概率最大的区域离原子核的平均距离n:12345…光谱符号:KLMNO…碳硅徐伟复旦大学材料科学基础课程51角量子数l:l=0,1,2,…,(n-1)电子轨道运动的角动量l:01234光谱符号:spdfg组态符号:例n=1l=01sn=2l=12p徐伟复旦大学材料科学基础课程52磁量子数m:m=0,±1,±2,…,±l,原子轨道和电子云在空间伸展方向(2l+1)s有一个方向:球对称,只有一个轨道p有三个方向:三个原子轨道d有五个方向:五个原子轨道f有七个方向:七个原子轨道自旋量子数s:电子自旋+1/2,-1/2徐伟复旦大学材料科学基础课程53nlm(n,l,m)n相同轨道数100(1,0,0)1s112200(2,0,0)2s1221+1(2,1,1)2p310(2,1,0)2p1-1(2,1,-1)2p300(3,0,0)3s1321+1(3,1,1)3p310(3,1,0)3p1-1(3,1,-1)3p2+2(3,2,2)3d52+1(3,2,1)3d20(3,2,0)3d2-1(3,2,-1)3d2-2(3,2,-2)3d徐伟复旦大学材料科学基础课程54nlm(n,l,m)n相同轨道数400(4,0,0)4s1421+1(4,1,1)4p310(4,1,0)4p1-1(4,1,-1)4p2+2(4,2,2)4d52+1(4,2,1)4d20(4,2,0)4d2-1(4,2,-1)4d2-2(4,2,-2)4d3+3(4,3,3)4f73+2(4,3,2)4f3+1(4,3,1)4f30(4,3,0)4f3-1(4,3,-1)4f3-2(4,3,-24f3-3(4,3,-3)4f徐伟复旦大学材料科学基础课程55(5)原子轨道和电子云形状原子轨道角度分布有正、负号；电子云的角度分布为正,(通常不标出)；电子云角度分布更瘦一些徐伟复旦大学材料科学基础课程56s轨道球形p轨道，亚铃型