《无机化学》课件第十章.ppt

无机化学无机化学 第十章第十章 化学与社会化学与社会生物无机化学无机纳米材料环境与化学无机非金属材料能源与化学绿色化学与清洁生产 化学作为自然科学的基础学科，被誉为21世纪的中心科学，其重要性毋庸置疑一方面，它不断借助其他学科，特别是数学、物理学、电子学和计算机技术的进步而得到了快速的发展；另一方面，其本身也不断向其他学科（如生物学、环境科学、材料科学、信息科学）渗透，为这些学科的发展提供理论基础、工艺途径和测试手段化学与化工技术的结合，有力地促进了现代社会的文明进步无机化学作为化学学科的重要分支，在化学学科的发展与应用过程中发挥了举足轻重的作用本章主要介绍无机化学在材料、生物、环境、能源等领域的应用以及发展趋势第十章第十章 化学与社会化学与社会 第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料在近几十年中得到了飞速发展它包括除金属材料和高分子材料以外的几乎所有材料，根据性能和用途的不同，可分为包括陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥和耐火材料等以硅酸盐为主要成分的传统无机材料和由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制成的新型无机材料，如特种陶瓷、激光晶体等无机非金属材料耐高温，硬度高，抗腐蚀，并具有优良的介电、压电、光学、电磁学及其功能转换等特性，品种极多，使用历史最长，近年来又发展很快，不少材料与高新技术的发展密切相关，是十分重要的一类工程材料，已广泛应用于国民经济各个领域中。

陶瓷材料一、一、一般所说的陶瓷，是指以黏土为主要原料，调制成型，经高温煅烧制得的硬而强、耐水、性脆的人工硅酸盐材料陶瓷是人类最早使用的合成材料，我国是最早发明陶瓷的国家，为人类文明做出了巨大贡献第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 陶瓷的主要原料是层状结构的硅酸盐黏土黏土与适量水充分调制后，有较好的可塑性，可制成一定形状的坯体在制造过程中，常需掺入适量的SiO2（石英）粉末，以减少坯体在干燥、烧结时的收缩或变形；加入长石等熔剂性原料，可得到不同致密度的坯体，并降低其烧成温度再经低温干燥、高温烧结、保温处理和冷却等阶段，经历了一系列复杂的物理、化学变化，最终生成以3Al2O32SiO2为主要成分的坚硬固体，即为陶瓷材料第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 用普通黏土为原料，在不高于1000 的温度下烧结得到的多孔烧结体，通常称为陶器用较纯净的黏土，在更高的温度下烧成，并经上釉而得的产品，称带釉陶器以更纯的黏土为原料，掺入大致等量的石英和长石，成型后经1200 左右高温下煅烧，再放入长石细粉和水的糊状混合物中，涂上一层长石涂料，烧至1400 后，可得到带有致密而光亮的半透明制品，称为细瓷。

表10-1中列出了陶瓷的性能和用途第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 从结构上看，陶瓷是组成复杂的多晶体，其中存在各种形状（如粒状、针状、片状和纤维状等）的晶粒、晶粒间的晶界、气孔和不同物质以玻璃态存在的包裹物等，因此可将陶瓷材料看作是晶粒、晶界、气孔和玻璃态包裹物的集合体正因为结构上的这种复杂性，陶瓷材料中主要的化学键（离子键与共价键）未能充分发挥作用陶瓷材料的实际强度比理论强度低约3个数量级减少气孔率、细化晶粒、设置附加能量消耗材料相都能显著地提高陶瓷材料的强度，增加其韧性，即可作为工程结构材料使用第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 和传统的陶瓷相比，新型无机非金属材料具有下述特点：（1）材料的组成已远超出硅酸盐范围，扩大到经高温烧结制成的所有无机材料2）材料的制备突破了传统的工艺，采用了许多新技术制取高纯、超细的原料，保持精确的化学组成，严格控制成型和烧结工艺，以获得尺寸和形状精确，微观结构和所需优良性能确定的新材料3）制品的形态多样化，除传统的材料和烧结体外，还有单晶体、薄膜和纤维等品种4）在应用上，已由主要利用材料固有的静态物理性能发展到利用各种物理、化学效应和微观现象的功能特征。

第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 玻璃二、广义上说，凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质和结构特征的非晶态物质，都称为玻璃普通的玻璃是指硅酸盐玻璃，它是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体： Na2CO3+CaCO3+6SiO2 Na2OCaO6SiO2+2CO2第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 改变普通玻璃的化学组成或对玻璃进行特殊处理，可得到各种特殊性能的玻璃例如，加入少量金属氧化物可得到各种有色玻璃；向玻璃中加入AgCl和CuCl2可制得光色玻璃，这种玻璃在强光下变暗，在无光照射时复明，原因是AgCl以极小晶体的形式存在，光照射时分解成银原子和氯原子，银使玻璃变暗，光照消除后，银原子和氯原子又结合成AgCl，玻璃又复明第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 此外，还有生化玻璃、激光玻璃、导电玻璃、微晶玻璃、石英光导纤维玻璃等，都已广泛应用于汽车、航空、造船、建筑、化工、通讯等各行业中第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 水泥三、水泥是一种水硬性胶凝材料，加入适量水后成为塑性浆体，可将砂、石、纤维等材料黏结起来，硬化成为有较高强度的整体。

在硬化过程中，水泥与水主要形成氢氧化钙、含水的铝酸钙、硅酸钙和铁酸钙等化合物第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 通常的水泥是硅酸盐水泥，是由黏土和石灰石调匀，放入旋转窑中，于1500 以上温度煅烧成熔块，再混入少量石膏磨粉后制成按总质量计，主要成分是CaO（62%67%）、SiO2（20%24%）、Al2O3（4%7%）和Fe2O3（2%5%）水泥作为胶结材料，有很多优点：水泥与水拌和后，一段时间内具有可塑性，便于成型，再逐渐变硬，在一定时间内具有足够的强度根据我国的标准，将水泥按规定方法制成试样，在一定的温度、湿度下，经28天后所达到的抗压强度（kgcm-2）数值，表示为水泥的标号数第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 水泥的凝结硬化是很复杂的物理化学过程，大致可分为以下三个阶段：（1）溶解期 加水后，水泥颗粒与水反应、溶解，水化生成硅酸盐、铝酸盐的水化物及Ca(OH)2等2）胶化期水化产物在水中溶解达到饱和后，逐渐形成胶凝体，水泥凝结，但还不具有强度3）结晶期凝胶体脱水，氢氧化钙及水化铝酸钙等析出针状晶体伸入硅酸钙凝胶体内，水泥硬化而具有强度除硅酸盐水泥外，还有适应各种不同用途的水泥，如高铝水泥、耐酸水泥等。

第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 耐火材料四四、耐火材料是指能耐1580 以上高温，并在高温下能耐气体、熔融炉渣等物质侵蚀，且具有一定机械强度的无机非金属材料根据耐火程度的高低，可将耐火材料分为普通耐火材料（15801770 ）、高级耐火材料（17702000 ）和特级耐火材料（2000 以上）；还可根据材料的化学性质将其分为酸性、中性和碱性耐火材料常用耐火材料的成分、性能和用途见表10-2第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 新型无机非金属材料五、传统无机非金属材料一般都具有高硬度、高耐热性、抗氧化性、耐腐蚀性等优点，因此得到广泛应用但其不足是有脆性，经不起碰撞和冷、热冲击等随着科学技术的的进步，各种新型无机非金属材料先后问世，其重要代表是特种陶瓷和激光晶体第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 特种陶瓷特种陶瓷1.特种陶瓷具有不同的新型结构，由不同的氧化物、硅化物、碳化物、氮化物、氟化物及硼化物等组成，主要包括耐高温材料、电绝缘材料、铁电材料、压电材料、半导体陶瓷材料等它们用途特殊，产量不大，但价值很高这些材料的制造工艺特点是对原料的纯度要求严格，成分、显微结构以及产品的界面状况需要严格控制，形状精致而复杂，要求精密加工，此类特种陶瓷的制造是建立在高科技基础上的。

第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 20世纪30年代以来，不断开发出了一些可应用于高技术领域的高性能陶瓷，为了区别于传统陶瓷，人们称之为先进陶瓷或高技术陶瓷，有时也称之为精细陶瓷；因其显微结构非常精细，制备技术也非常精细，也有人称其为工程陶瓷先进陶瓷按其使用性能，大体上可以分为先进结构陶瓷和先进功能陶瓷两大类前者主要是利用材料本身具有的优异力学性质，后者则是利用陶瓷的其他各种特殊功能第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 先进功能陶瓷主要是指利用材料的电、磁、声、光、热、弹等方面直接的或耦合的效应以实现某种使用功能的陶瓷功能陶瓷与电子技术有着很密切的关系，如图10-1所示先进功能陶瓷的特点是品种繁多、应用广泛，如电容器陶瓷、磁性陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、半导体陶瓷、导电陶瓷、透明和电光陶瓷等第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 图10-1 先进功能陶瓷的树结构第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 先进陶瓷为人类提供了许多其他材料难以提供的高性能目前，世界各国几乎都集中了大批最优秀的陶瓷科学家，进行着范围广泛而深入的研究。

从先进陶瓷发展到纳米陶瓷将是陶瓷发展进程中的第三次飞跃，近年来高分辨电镜和分析电镜技术的发展，使人们有可能进入到纳米量级线度上来研究材料的组成和结构，从而为纳米结构的形成和控制研究提供了保证第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 原子核原子核2.1960年第一台实际运行的红宝石激光器的出现给人以启示：总有一天光信号可以代替电信号作为信息交换的公共载体第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 固体、液体和气体都能受激发光，利用材料的这种性质制成的激光器分别称为固体激光器、液体激光器和气体激光器固体激光器的工作物质主要有激光晶体和激光玻璃，性能较好的激光晶体新近研制开发的许多复合功能激光晶体，由于其本身具有非线性光学性质，因而在受激发射的同时也可实现自信频、自锁模等多种功能，可用于制成紧凑、高效率、低成本的微小型激光器第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 随着科学技术的发展，各学科之间相互渗透，促进了新的科学分支不断产生，生物无机化学就是近30年来在生物化学与无机化学之间发展起来的一门新兴的边缘学科生物无机化学与医学有着密切的关系，涉及生物化学、药理学、免疫学、临床医学、环境保护等许多方面，本节主要从无机化学的观点出发对生物无机化学的一些基本知识作一简要介绍。

第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 生物无机化学简介一、生物体内广泛参与生命活动的蛋白质、核酸、脂类和糖类都是含有碳、氢、氧、氮、磷、硫等元素的有机化合物因此，有机化学与生物学及医学的关系为大家所熟知然而，无机化学所研究的是有机化合物以外的所有元素及其化合物，它们与生命体之间的关系长期以来被人们所忽视随着X射线衍射、核磁共振及各种光谱技术等各种近代物理方法在化学中广泛应用，以及以分子轨道理论、配位场理论为代表的物质结构理论的发展第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 因此，可以认为生物无机化学是将无机化学的方法和理论应用于生物学问题，在分子水平研究无机元素（特别是生命元素）及其化合物在生物体中的作用和机理，以探讨生命活动规律的学科它研究的主要对象是生命金属元素与生物配位体的相互作用及这些生命元素所形成的生物配合物的结构、性质及其生理功能之间的关系第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 生命元素二、生命元素的分类生命元素的分类1.生物机体是由化学元素组成的，在地球上发现的九十多种稳定元素中，绝大多数在生物体内都有发现到目前为止，人体内已知含有六十多种化学元素，若按其在体内的含量多少，包括必需微量元素(生命元素)Fe、I、Zn、Cu、Co、Cr、Mn、Mo、Se、Ni、Sn、Si、F、V等，非必需微量元素Rb、As、B、Ti、Al、Ba、Nb、Zr等，有毒微量元素Bi、Sb、Be、Cd、Hg、Pb等。

第一节第一节 无机非金属材料无机非金属材料 。