人类与自然第四章概况

1、第四章第四章 物质世界的结构层次物质世界的结构层次第二小组成员第二小组成员 朝祥朝祥第一节第一节 物质和物质的组成物质和物质的组成一、原子的组成一、原子的组成 p p175175核电荷数（核电荷数（Z Z）= =核内质子数核内质子数= =核外电子数核外电子数质量数质量数(A)=(A)=质子数质子数(Z)+(Z)+中子数（中子数（N)N)二、基本粒子的研究二、基本粒子的研究 p p1841841 1、奇妙的基本粒子家族、奇妙的基本粒子家族2 2、基本粒子的相互作用、基本粒子的相互作用3 3、强子的内部结构、强子的内部结构三、核外电子的运动和排布三、核外电子的运动和排布 p p180180 4 4

2、个量子数：主量子数个量子数：主量子数n n、角量子数、角量子数l l、磁量子数、磁量子数mm、自旋量子数、自旋量子数mms s四、元素的性质和元素周期律四、元素的性质和元素周期律 p p1821821 1、元素、元素-金属与非金属金属与非金属2 2、元素周期表、元素周期表 3 3、元素性质、元素性质第二节第二节 物质性质和物质结构物质性质和物质结构一、化学键与晶体结构一、化学键与晶体结构p p1851851 1、离子键与离子化合物、离子键与离子化合物2 2、共价键与共价化合物、共价键与共价化合物-（共价键：饱和性、方向性、极性）（共价键：饱和性、方向性、极性）3 3、金属键与金属、金属键与金属

3、二、分子间作用力和氢键二、分子间作用力和氢键p p1911911 1、分子间作用力、分子间作用力-相互作用相互作用2 2、氢键、氢键三、物质的聚集状态三、物质的聚集状态p p1921921 1、几种常见聚集状态、几种常见聚集状态2 2、液晶、液晶-固液之间固液之间3 3、等离子态、等离子态第三节第三节 材料与生活材料与生活一、金属材料一、金属材料p p1971971 1、常见的几种金属、常见的几种金属-铜、铁、铝铜、铁、铝2 2、特殊金属材料、特殊金属材料-钛、记忆合金、储氢合金钛、记忆合金、储氢合金二、无机非金属材料二、无机非金属材料p p2022021 1、传统的非金属材料、传统的非金属材

4、料-水泥、玻璃、陶瓷水泥、玻璃、陶瓷2 2、新型非金属材料、新型非金属材料-新型陶瓷、碳纤维、半导体材新型陶瓷、碳纤维、半导体材料料( (硅硅Si)Si)三、有机高分子材料三、有机高分子材料p p2072071 1、塑料、塑料2 2、橡胶、橡胶3 3、纤维、纤维四、复合材料四、复合材料p p2112111 1、玻璃钢、玻璃钢2 2、碳纤维增强树脂复合材料、碳纤维增强树脂复合材料3 3、聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料、聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料五、创造新材料五、创造新材料1 1、超导材料、超导材料-元素元素/ /合金合金/ /化合物超导化合物超导2 2、纳米材料、纳米材料-当今科技发展的

5、热点之一当今科技发展的热点之一纳米材料的特殊性能：纳米材料的特殊性能：特殊的光学性能、特殊的热学性、特殊的磁学性能、特殊特殊的光学性能、特殊的热学性、特殊的磁学性能、特殊的力学性能、特殊的电学性质的力学性能、特殊的电学性质 金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。 (注:金属氧化物(如氧化铝)不属于金属材料)一、常见的几种金属一、常见的几种金属如：铜、铁、铝、锌等。 金属的种类是丰富的，但自然界中各种金属的含量和分布却是不一样的，因而人类利用的金属大多是容易冶炼且含量较多的。铜铜 铜元素是一种金属化学元素，也是

6、人体所必须的一种微量铜元素是一种金属化学元素，也是人体所必须的一种微量元素，元素， 铜也是人类发现最早的金属之一，是人类广泛使用的一铜也是人类发现最早的金属之一，是人类广泛使用的一种金属，属于重金属。种金属，属于重金属。 铜是人类最早使用的金属。早在史前时代，人们就开始采铜是人类最早使用的金属。早在史前时代，人们就开始采掘露天铜矿，并用获取的铜制造武器、式具和其他器皿，铜的掘露天铜矿，并用获取的铜制造武器、式具和其他器皿，铜的使用对早期人类文明的进步影响深远。铜是一种存在于地壳和使用对早期人类文明的进步影响深远。铜是一种存在于地壳和海洋中的金属。铜在地壳中的含量约为海洋中的金属。铜在地壳中的含

7、量约为0.01%，在个别铜矿床，在个别铜矿床中，铜的含量可以达到中，铜的含量可以达到3%5%。自然界中的铜，多数以化合物。自然界中的铜，多数以化合物即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的即铜矿物存在。铜矿物与其他矿物聚合成铜矿石，开采出来的铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。是唯一的能铜矿石，经过选矿而成为含铜品位较高的铜精矿。是唯一的能大量天然产出的金属，也存在于各种矿石大量天然产出的金属，也存在于各种矿石(例如黄铜矿、辉铜矿、例如黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿、赤铜矿和孔雀石斑铜矿、赤铜矿和孔雀石)中，能以单质金属状态及黄铜、青铜中，能以单质金属状态及黄铜、青铜和其他合金的

8、形态用于工业、工程技术和工艺上。和其他合金的形态用于工业、工程技术和工艺上。铁铁 铁是一种化学元素，为晶体，它的化学符号是铁是一种化学元素，为晶体，它的化学符号是Fe，原子序数，原子序数是是26，在化学元素周期表中位于第，在化学元素周期表中位于第4周期、第周期、第VIII族，是铁族元素族，是铁族元素的代表。是最常用的金属。它是过渡金属的一种，是地壳含量第的代表。是最常用的金属。它是过渡金属的一种，是地壳含量第二高的金属元素。铁制物件发现于公元前二高的金属元素。铁制物件发现于公元前3500年的古埃及。它们年的古埃及。它们包含包含7.5%的镍，表明它们来自流星。古代小亚细亚半岛的镍，表明它们来自流

9、星。古代小亚细亚半岛(也就是现也就是现今的土耳其今的土耳其)的赫梯人在的赫梯人在3500年前年前(公元前公元前1500年前年前)是第一个从铁是第一个从铁矿石中熔炼铁的，这种新的、坚硬的金属给了他们经济和政治上矿石中熔炼铁的，这种新的、坚硬的金属给了他们经济和政治上的力量，铁器时代开始了。中国也是最早发现和掌握炼铁技术的的力量，铁器时代开始了。中国也是最早发现和掌握炼铁技术的国家之一。国家之一。1973年在中国河北省出土了一件商代铁刃青铜钺，表年在中国河北省出土了一件商代铁刃青铜钺，表明明3300多年以前中国人认识了铁，熟悉了铁的锻造性能，识别了多年以前中国人认识了铁，熟悉了铁的锻造性能，识别了

10、铁与青铜在性质上的差别，把铁铸在铜兵器的刃部，加强铜的坚铁与青铜在性质上的差别，把铁铸在铜兵器的刃部，加强铜的坚韧性。经科学鉴定，证明铁刃是用陨铁锻成的。随着青铜熔炼技韧性。经科学鉴定，证明铁刃是用陨铁锻成的。随着青铜熔炼技术的成熟，逐渐为铁的冶炼技术的发展创造了条件。另外人体中术的成熟，逐渐为铁的冶炼技术的发展创造了条件。另外人体中也含有铁元素。血红蛋白的成分，帮助氧气运输。也含有铁元素。血红蛋白的成分，帮助氧气运输。铝铝银白色轻金属。有延展性。商品常制成棒状、片状、箔状、银白色轻金属。有延展性。商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀粉状、带状和丝状

11、。在潮湿空气中能形成一层防止金属腐蚀的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩的氧化膜。铝粉和铝箔在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠和氢目的白色火焰。易溶于稀硫酸、硝酸、盐酸、氢氧化钠和氢氧化钾溶液，难溶于水。相对密度氧化钾溶液，难溶于水。相对密度2.70。熔点。熔点660。沸点。沸点2327。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。航空、建筑、汽车三大重是地壳中含量最丰富的金属元素。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，要

12、工业的发展，要求材料特性具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用这就大大有利于这种新金属铝的生产和应用,而且而且 应用极为应用极为广泛。广泛。二、特殊金属材料二、特殊金属材料 人类对金属材料的应用有着不断寻找新材料并不人类对金属材料的应用有着不断寻找新材料并不断改进原有材料的趋势。人们根据自己的需要，不断开断改进原有材料的趋势。人们根据自己的需要，不断开发各种有着特殊性能的金属材料，且称之为特种金属。发各种有着特殊性能的金属材料，且称之为特种金属。钛钛 钛是一种化学元素，化学符号钛是一种化学元素，化学符号Ti，原子序数，原子序数22，在化学元素，在化学元素周期表中位于第

13、周期表中位于第4周期、第周期、第IVB族。是一种银白色的过渡金属，其族。是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，耐湿氯气腐蚀和高温，表特征为重量轻、强度高、具金属光泽，耐湿氯气腐蚀和高温，表面有氧化钛保护膜，不易于其他物质反应。面有氧化钛保护膜，不易于其他物质反应。钛被认为是一种稀有金属，这是由于在自然界中其存在分散并难钛被认为是一种稀有金属，这是由于在自然界中其存在分散并难于提取。但其相对丰富，在所有元素中居第十位。于提取。但其相对丰富，在所有元素中居第十位。 钛的矿石主钛的矿石主要有钛铁矿及金红石，广布于地壳及岩石圈之中。钛亦同时存在要有钛铁矿及金红石，广布于地壳及岩石

14、圈之中。钛亦同时存在于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。从主要矿石中萃取出钛于几乎所有生物、岩石、水体及土壤中。从主要矿石中萃取出钛需要用到克罗尔法需要用到克罗尔法 或亨特法。钛最常见的化合物是二氧化钛，或亨特法。钛最常见的化合物是二氧化钛，可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛可用于制造白色颜料。其他化合物还包括四氯化钛(TiCl4)(作催作催化剂及用于制造烟幕或空中文字化剂及用于制造烟幕或空中文字)及三氯化钛及三氯化钛(TiCl3)(用于催化聚用于催化聚丙烯的生产丙烯的生产)。 钛的强度大，纯钛抗拉强度最高可达钛的强度大，纯钛抗拉强度最高可达180kg/mm。有些钢。有些钢的强度高于

15、钛合金，但钛合金的比强度（抗拉强度和密度之比）的强度高于钛合金，但钛合金的比强度（抗拉强度和密度之比）却超过优质钢。钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，却超过优质钢。钛合金有好的耐热强度、低温韧性和断裂韧性，故多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。钛合金还可作故多用作飞机发动机零件和火箭、导弹结构件。钛合金还可作燃料和氧化剂的储箱以及高压容器。现在已有用钛合金制造自燃料和氧化剂的储箱以及高压容器。现在已有用钛合金制造自动步枪，迫击炮座板及无后座力炮的发射管。在石油工业上主动步枪，迫击炮座板及无后座力炮的发射管。在石油工业上主要作各种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等。要作各

16、种容器、反应器、热交换器、蒸馏塔、管道、泵和阀等。钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。钛镍钛可用作电极和发电站的冷凝器以及环境污染控制装置。钛镍形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。在医疗中，钛可作人形状记忆合金在仪器仪表上已广泛应用。在医疗中，钛可作人造骨头和各种器具。钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢造骨头和各种器具。钛还是炼钢的脱氧剂和不锈钢以及合金钢的组元。钛白粉是颜料和油漆的良好原料。碳化钛，碳（氢）的组元。钛白粉是颜料和油漆的良好原料。碳化钛，碳（氢）化钛是新型硬质合金材料。氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面化钛是新型硬质合金材料。氮化钛颜色近于黄金，在装饰方面应用广泛。

17、钛和钛的合金大量用于航空工业，有应用广泛。钛和钛的合金大量用于航空工业，有空间金属空间金属之之称；另外，在造船工业、化学工业、制造机械部件、电讯器材、称；另外，在造船工业、化学工业、制造机械部件、电讯器材、硬质合金等方面有着日益广泛的应用。硬质合金等方面有着日益广泛的应用。此外，由于钛合金还与人体有很好的相容性，所以钛合金还可此外，由于钛合金还与人体有很好的相容性，所以钛合金还可以作人造骨。以作人造骨。记忆合金记忆合金 记忆合金记忆合金，即拥有，即拥有记忆记忆效应的合金，在航空航天领域效应的合金，在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以内的应用有很多成功的范例。人造卫星

18、上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有只需加温，折叠的卫星天线因具有记忆记忆功能而自然展开，功能而自然展开，恢复抛物面形状。恢复抛物面形状。形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。日常生活等多个领域。 形状记忆合金形状记忆合金(shape memory alloy)在临床医疗领域在临床医疗领域内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙内有着广泛的应用，例如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过科正畸器、各类腔内支架、栓塞器、心脏修补器、血栓过滤器、介入导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗滤器、介入导丝和手术缝合线等等，记忆合金在现代医疗中正扮演着不可替代的角色。记忆合金同我们的日常生活中正扮演着不可替代的角色。记忆合金同我们的日常生活也同样休戚相关。也同样休戚相关。储氢合金储氢合金 一种