第十二章化学新进展

1、化学新进展化学新进展第十二章第十二章第十二章第十二章 化学新进展化学新进展12.1 绿色化学绿色化学12.2 生命中的化学生命中的化学 12.3 新材料与化学新材料与化学 12.4 新能源与化学新能源与化学12.5 纳米技术与化学纳米技术与化学 12.6 核化学与核能核化学与核能 12.1 绿色化学绿色化学 12.1.1 绿色化学的定义绿色化学的定义 12.1.2 绿色化学的特点绿色化学的特点 12.1.3 绿色化学的重要性绿色化学的重要性 12.1.4 绿色化学的研究内容绿色化学的研究内容 12.1.1 绿色化学的定义绿色化学的定义 按照美国按照美国“绿色化学绿色化学”杂志的定义，是杂志的定

2、义，是指在制造和应用化学产品时应有效利用指在制造和应用化学产品时应有效利用(最最好可再生好可再生)原料原料,消除废物和避免使用有毒消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。的和危险的试剂和溶剂。 绿色化学是近十年才产生和发展起来的，绿色化学是近十年才产生和发展起来的，实际上是指能够保护环境的化学技术，它涉实际上是指能够保护环境的化学技术，它涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科学科,内容广泛。世界上很多国家已把内容广泛。世界上很多国家已把“化化学的绿色化学的绿色化”作为新世纪化学进展的主要方作为新世纪化学进展的主要方向之一。向之一。 绿色化学其主要

3、特点有：绿色化学其主要特点有：（1）充分利用资源和能源，采用无毒、无害）充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；的原料；（2）在无毒、无害的条件下进行反应，以减）在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放；少废物向环境排放；（3）提高原子的利用率，力图使所有作为原）提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所消纳，实现料的原子都被产品所消纳，实现“零排放零排放”；（4）生产出有利于环境保护、社区安全和人）生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的产品。体健康的环境友好的产品。 12.1.2 绿色化学的特点绿色化学的特点 近年来，由于化学工业向大气、水和土壤近年来，由

4、于化学工业向大气、水和土壤等排放大量有毒、有害物质，导致各国政府等排放大量有毒、有害物质，导致各国政府用于废物控制、处理和埋放，环保监测、达用于废物控制、处理和埋放，环保监测、达标，事故责任赔偿等费用大大增加。所以，标，事故责任赔偿等费用大大增加。所以，从环保、经济和社会的要求看，化学工业不从环保、经济和社会的要求看，化学工业不能再承担使用和产生有毒、有害物质的角色。能再承担使用和产生有毒、有害物质的角色。需要大力研究与开发从源头上减少和消除污需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。目前，绿色化学的研究已成染的绿色化学。目前，绿色化学的研究已成为国外企业、政府和学术界的重要研究与开

5、为国外企业、政府和学术界的重要研究与开发方向。发方向。 12.1.3 绿色化学的重要性绿色化学的重要性12.1.4 绿色化学的研究内容绿色化学的研究内容12.2 生命中的化学生命中的化学 12.2.1 生命元素生命元素 12.2.2 生物无机化学生物无机化学 12.2.3 生物有机化学生物有机化学 生命必需元素是指具有一定的生物功能或生命必需元素是指具有一定的生物功能或对生物功能具有直接影响，并参与其代谢过对生物功能具有直接影响，并参与其代谢过程，且在生物体内不能由其他元素完全替代程，且在生物体内不能由其他元素完全替代的元素。的元素。 生命元素包括生命元素包括H、Na、K、Mg、Ca、V、Cr

6、、Mn、Mo、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、C、N、O、P、F、Si、S、Cl、Se、Br、I等。等。 按各种元素在人体中所占的比例可分为宏按各种元素在人体中所占的比例可分为宏量元素和微量元素。量元素和微量元素。 12.2.1 生命元素生命元素 宏量元素宏量元素 (常量元素常量元素):指在生命元素中含量都在指在生命元素中含量都在0.01%以上的元素。如以上的元素。如H(10%),Na(0.15%),K(0.35%),Mg(0.05%),Ca(2%),C(18%),N(3%),O(65%),P(1%),S(0.25%),Cl(0.15%)等等11种元素种元素, 共占生共占生命体总质量的命体总质量

7、的99.95%以上以上。 碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素组成蛋白质、脂碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素组成蛋白质、脂肪、碳水化合物和核酸，是地球上生命形成的基础。肪、碳水化合物和核酸，是地球上生命形成的基础。钠、钾和氯的主要功能是调节体液的渗透压，电解钠、钾和氯的主要功能是调节体液的渗透压，电解质的平衡和酸碱平衡。钠、钾离子还参与神经信息质的平衡和酸碱平衡。钠、钾离子还参与神经信息的传递。钙和氟是骨骼、牙齿、指甲等生物矿物形的传递。钙和氟是骨骼、牙齿、指甲等生物矿物形成时的必要结构成分。镁参与体内糖代谢及呼吸酶成时的必要结构成分。镁参与体内糖代谢及呼吸酶的活性，维持肌肉神经系统的兴奋性，含镁的叶绿的

8、活性，维持肌肉神经系统的兴奋性，含镁的叶绿素在光合作用中负责捕获光子。素在光合作用中负责捕获光子。 微量元素微量元素: 指在指在生命元素中生命元素中含量都在含量都在0.01%以下的以下的元素，如铁、铜、锌、锰、碘等。元素，如铁、铜、锌、锰、碘等。 它们的含量虽小，但对于生命活动十分重要。它们的含量虽小，但对于生命活动十分重要。(1)铁是人体内含量最多的微量元素铁是人体内含量最多的微量元素, 主要功能是载主要功能是载氧和电子传递氧和电子传递. 哺乳动物血液中的血红蛋白和肌肉哺乳动物血液中的血红蛋白和肌肉组织中的肌红蛋白的活性部位是铁组织中的肌红蛋白的活性部位是铁(II)的卟啉配合的卟啉配合物物;

9、 (2)铜在一些较低等的生物中也起着载氧和电子载体铜在一些较低等的生物中也起着载氧和电子载体作用，铜还可以调节人体内铁的吸收、血红蛋白作用，铜还可以调节人体内铁的吸收、血红蛋白的合成以及黑色素的形成；的合成以及黑色素的形成；(3)锌锌(II)以其强以其强Lewis酸性成为许多水解酶的活性中酸性成为许多水解酶的活性中心，对于食物消化、剧烈运动必不可少，对促进心，对于食物消化、剧烈运动必不可少，对促进儿童的生长和智力发育具有重要的作用；儿童的生长和智力发育具有重要的作用；(4)锰是一些过氧化物岐化酶锰是一些过氧化物岐化酶(SOD)的活性中的活性中心，对于清除体内活性氧物种、延缓衰老具心，对于清除体

10、内活性氧物种、延缓衰老具有重要作用，锰也是植物光合作用中光解水有重要作用，锰也是植物光合作用中光解水的反应中心；的反应中心；(5)碘是甲状腺素的成分之一，是制造甲状腺碘是甲状腺素的成分之一，是制造甲状腺素的原料。碘的缺乏，将导致甲状腺素分泌素的原料。碘的缺乏，将导致甲状腺素分泌不足，从而促使甲状腺增加分泌，导致甲状不足，从而促使甲状腺增加分泌，导致甲状腺代偿性增生、肥大，医学上将此称作腺代偿性增生、肥大，医学上将此称作“甲甲状腺肿状腺肿”。也就是俗称的。也就是俗称的“大脖子病大脖子病”。生命非必需元素生命非必需元素: 除必需元素以外的所有元素除必需元素以外的所有元素都可认为非必需元素。都可认为

11、非必需元素。 非必需元素在生命体内的存在有两种情况：非必需元素在生命体内的存在有两种情况：一是存在于生物体内并阻碍生物机体正常代一是存在于生物体内并阻碍生物机体正常代谢过程和影响生理功能的微量元素。谢过程和影响生理功能的微量元素。 二是一些非生命元素在用作诊断试剂、药物、二是一些非生命元素在用作诊断试剂、药物、饲料、肥料等引入的，在现有的技术和研究饲料、肥料等引入的，在现有的技术和研究水平认为，该类非生命元素具有正面的生物水平认为，该类非生命元素具有正面的生物效应。效应。 12.2.2 生物无机化学生物无机化学1.1.定义定义: : 利用生物学或化学的方法研究无机物质利用生物学或化学的方法研究

12、无机物质(尤其是金属离子及其复合体尤其是金属离子及其复合体)的存在形式、分布、的存在形式、分布、代谢及生理作用的学科叫做生物无机化学。代谢及生理作用的学科叫做生物无机化学。 2.2.研究内容研究内容: : 生物体对化学元素的吸收和释放；生物体对化学元素的吸收和释放；生命有机体对有毒无机物质的响应；金属蛋白等生命有机体对有毒无机物质的响应；金属蛋白等的结构、性质、生物活性和反应机理；基于金属的结构、性质、生物活性和反应机理；基于金属的无机药物功能与代谢；生物功能模型物和仿生的无机药物功能与代谢；生物功能模型物和仿生催化剂的设计合成；基于金属的荧光探针和核磁催化剂的设计合成；基于金属的荧光探针和核

13、磁共振造影剂；生物矿化和生物材料；以及有关理共振造影剂；生物矿化和生物材料；以及有关理论模型的发展等等。论模型的发展等等。金属蛋白结构图金属蛋白结构图铁卟啉配合物铁卟啉配合物1.定义：是将有机化学研究的理论和方法向生命科定义：是将有机化学研究的理论和方法向生命科学渗透的学科，负责在分子水平上研究生物过程的学渗透的学科，负责在分子水平上研究生物过程的化学本质，主要分析生物分子化学本质，主要分析生物分子(如蛋白质、核酸如蛋白质、核酸)的的结构、性质、合成，以及酶和酶促有机反应的具体结构、性质、合成，以及酶和酶促有机反应的具体机理。机理。12.2.3 生物有机化学生物有机化学2.研究内容：研究内容：

14、(1)对具有抗癌、抗炎、抗菌以及神经活性的生物碱、对具有抗癌、抗炎、抗菌以及神经活性的生物碱、环肽、甾体及糖类天然产物进行全合成，结构环肽、甾体及糖类天然产物进行全合成，结构-活活性关系及其与靶分子的作用机制研究。性关系及其与靶分子的作用机制研究。一种草药生物碱的结构一种草药生物碱的结构低聚肽分子结构低聚肽分子结构甾体皂苷甾体皂苷化学结构图化学结构图 (2)针对在细胞内外信号传导过程中的一些关键因子针对在细胞内外信号传导过程中的一些关键因子如如G-蛋白偶联的受体、蛋白激酶以及细胞凋亡过程，蛋白偶联的受体、蛋白激酶以及细胞凋亡过程，发展高活性、高选择性的小分子调节剂并应用于了发展高活性、高选择性

15、的小分子调节剂并应用于了解生物大分子功能的研究。解生物大分子功能的研究。(3)利用单晶衍射或利用单晶衍射或NMR 技术，研究生物大分子，技术，研究生物大分子，以及活性小分子与生物大分子复合物的结构和构象，以及活性小分子与生物大分子复合物的结构和构象，从而探讨活性小分子如药物分子作用的内在机制。从而探讨活性小分子如药物分子作用的内在机制。(4)研究酶，细胞或微生物催化的新反应，酶催化反研究酶，细胞或微生物催化的新反应，酶催化反应的机理，酶的改性等。研究酶或微生物参与的复应的机理，酶的改性等。研究酶或微生物参与的复杂分子的合成机理。杂分子的合成机理。 12.3 新材料与化学新材料与化学 12.3.

16、1 新金属材料新金属材料 12.3.2 无机非金属材料无机非金属材料 12.3.3 新型有机高分子材料新型有机高分子材料 12.3.4 特殊功能的复合材料特殊功能的复合材料 12.3.5 金属有机骨架多孔材料金属有机骨架多孔材料 金属材料是以金属元素为基础的材料金属材料是以金属元素为基础的材料,它们更多以合它们更多以合金的形式使用。金的形式使用。按其使用性能分为如下几种类型：按其使用性能分为如下几种类型： 12.3.1 新金属材料新金属材料（2）贮氢合金）贮氢合金: 某些过渡金属、合金和金属间化合物某些过渡金属、合金和金属间化合物, 由于其特殊的晶体结构由于其特殊的晶体结构, 使氢原子容易进入

17、其晶格的间使氢原子容易进入其晶格的间隙中并形成金属氢化物隙中并形成金属氢化物, 氢与这些金属的结合力很弱氢与这些金属的结合力很弱, 但贮氢量很大但贮氢量很大, 可以贮存比其本身体积大可以贮存比其本身体积大10001300倍倍的氢的氢, 加热时氢又能从金属中释放出来。加热时氢又能从金属中释放出来。 （1）形状记忆合金）形状记忆合金:指合金材料在一定条件下指合金材料在一定条件下, 变形变形后仍能恢复到变形前原始形状的能力。如后仍能恢复到变形前原始形状的能力。如Au-Cd合金合金有记忆形状的特性有记忆形状的特性,其具有传感和驱动双重功能其具有传感和驱动双重功能, 是一是一种智能材料种智能材料.（3）

18、耐热合金）耐热合金: 能在高于能在高于700oC条件下工作的金属条件下工作的金属合金。合金。“耐热耐热”是指材料在高温下能保持足够强度是指材料在高温下能保持足够强度和良好的抗氧化性。通常是由第和良好的抗氧化性。通常是由第BB和和族高族高熔点金属形成熔点金属形成, 包括铁基包括铁基, 镍基镍基, 钴基钴基,铌基和钨基等铌基和钨基等合金。广泛应用于制造涡轮发电机合金。广泛应用于制造涡轮发电机, 各种燃气轮机各种燃气轮机热端部件等。热端部件等。 （4）耐腐蚀合金）耐腐蚀合金: 抵抗介质侵蚀能力比一般金属材抵抗介质侵蚀能力比一般金属材料更高。料更高。 目前研究的钐钴目前研究的钐钴(SmCo5)合金合金

19、, 镧镧-镍镍(LaNi5)合金合金在常温下具有良好的可逆吸放氢性能在常温下具有良好的可逆吸放氢性能. 已经成功开已经成功开发了镁系发了镁系,稀土系稀土系,钛系钛系,锆系贮氢合金等。锆系贮氢合金等。 镍钛记忆合金镍钛记忆合金 贮氢合金锭贮氢合金锭耐热合金耐热合金 耐腐蚀合金耐腐蚀合金 除金属以外的无机材料统称无机非金属材料或陶瓷除金属以外的无机材料统称无机非金属材料或陶瓷材料。传统的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、材料。传统的无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料四种水泥和耐火材料四种, 化学组成均为硅酸盐类化学组成均为硅酸盐类, 因此因此无机非金属材料亦称硅酸盐材料。无机非金属材料亦

20、称硅酸盐材料。 12.3.2 无机非金属材料无机非金属材料（1）复合材料）复合材料 例如高纯氧化铝加入少量例如高纯氧化铝加入少量Y2O3和和MgO等等, 特殊烧结特殊烧结, 可得透明陶瓷。少量可得透明陶瓷。少量Cr2O3与与Al2O3形成固溶体形成固溶体, 称红宝称红宝石石, 可用作激光材料；氧化锆可用作激光材料；氧化锆ZrO2性脆，但加入少量性脆，但加入少量Y2O3和和CaO等可实现增韧等可实现增韧, 得到得到“陶瓷钢陶瓷钢”；碳化硅；碳化硅 SiC 俗称俗称“金刚砂金刚砂”, 可用于制造无冷却式陶瓷发动机。可用于制造无冷却式陶瓷发动机。 一般按照其使用性能分为如下几种类型：一般按照其使用性

21、能分为如下几种类型：各种复合材料在空客各种复合材料在空客A380中的应用中的应用（2）结构陶瓷）结构陶瓷 指具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性指具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性好等性能好等性能, 用做机械结构零部件的陶瓷材料。用做机械结构零部件的陶瓷材料。（3）功能陶瓷）功能陶瓷 指以其固有的特性或通过各种物理因素作用而显指以其固有的特性或通过各种物理因素作用而显示某种新性能的陶瓷材料。示某种新性能的陶瓷材料。 （4）压电陶瓷）压电陶瓷 压电效应指晶体受外力作用而形变压电效应指晶体受外力作用而形变, 同时在对应同时在对应两个面上产生电荷两个面上产生电荷, 晶体带电的大小与外力成正

22、比。晶体带电的大小与外力成正比。 具有压电效应的陶瓷材料主要有具有压电效应的陶瓷材料主要有: 钛酸钡系、钛钛酸钡系、钛酸铅系和锆钛酸铅系，用于制造各种换能器和传感酸铅系和锆钛酸铅系，用于制造各种换能器和传感器。器。 高温结构陶瓷高温结构陶瓷压电陶瓷元件压电陶瓷元件用于空气净化的纳米功能陶瓷用于空气净化的纳米功能陶瓷 新型有机高分子材料既有传统高分子材料的机械性新型有机高分子材料既有传统高分子材料的机械性能能,又有某些特殊功能的高分子材料又有某些特殊功能的高分子材料.一般按照其使用一般按照其使用性能分为如下几种类型：性能分为如下几种类型： （1）高分子分离膜）高分子分离膜 高分子分离膜是用具有特

23、殊分离功能的高分子材料高分子分离膜是用具有特殊分离功能的高分子材料制成的薄膜。它的特点是能够让某些物质有选择地通制成的薄膜。它的特点是能够让某些物质有选择地通过，而把另外一些物质分离掉。广泛应用于海水淡化、过，而把另外一些物质分离掉。广泛应用于海水淡化、烧碱生产、乳品加工等方面烧碱生产、乳品加工等方面. （2）医用高分子材料）医用高分子材料 用以制造人体内脏、体外器官、药物剂型及医疗器用以制造人体内脏、体外器官、药物剂型及医疗器械的功能高分子聚合物材料。械的功能高分子聚合物材料。 12.3.3 新型有机高分子材料新型有机高分子材料高分子分离膜高分子分离膜水溶性高分子材料水溶性高分子材料12.3

24、.4 特殊功能的复合材料特殊功能的复合材料 复合材料大多是以连续相存在的基体材料和分复合材料大多是以连续相存在的基体材料和分散于基体中的增强材料组成。散于基体中的增强材料组成。 基体材料作用是使增强材料粘合成型基体材料作用是使增强材料粘合成型, 且对承受且对承受的外力起传导和分散作用；而增强材料的作用是的外力起传导和分散作用；而增强材料的作用是能提高材料基本力学性能能提高材料基本力学性能. 无机纳米粒子具有更高的增强增韧效应无机纳米粒子具有更高的增强增韧效应; 纤维具纤维具有良好的刚性和抗张强度有良好的刚性和抗张强度. 在体系中构成复合材料在体系中构成复合材料的骨架的骨架, 决定材料的刚性和强

25、度。决定材料的刚性和强度。 3k碳纤维布碳纤维布 合金复合材料合金复合材料绝缘复合材料绝缘复合材料 玻璃纤维增强材料玻璃纤维增强材料 12.3.5 金属有机骨架多孔材料金属有机骨架多孔材料 金属有机骨架多孔材料金属有机骨架多孔材料, 是利用金属离子与有机配是利用金属离子与有机配体络合作用而自组装形成的超分子微孔网络结构的体络合作用而自组装形成的超分子微孔网络结构的一种类沸石材料一种类沸石材料. 这种多孔骨架材料这种多孔骨架材料, 通过不同金属离子与各种刚通过不同金属离子与各种刚性桥连有机配体进行络合而设计与合成出不同孔径性桥连有机配体进行络合而设计与合成出不同孔径的金属的金属-有机骨架有机骨架

26、, 从而使得从而使得MOPs的结构变化无穷，的结构变化无穷，并且可以在有机配体上带上诸如并且可以在有机配体上带上诸如-Br, -NH2, -OC3H7等修饰基团等修饰基团, 使其可以在选择性催化、分子识别、可使其可以在选择性催化、分子识别、可逆性主客体分子逆性主客体分子(离子离子)交换、超高纯度分离、生物交换、超高纯度分离、生物传导材料、光电材料、磁性材料和芯片等新材料开传导材料、光电材料、磁性材料和芯片等新材料开发中显示了诱人的应用前景。发中显示了诱人的应用前景。多孔材料多孔材料有机骨架化合物结构示意图有机骨架化合物结构示意图12.4 新能源与化学新能源与化学 12.4.1 新能源的范畴新能

27、源的范畴12.4.2 太阳能太阳能 12.4.3 生物质能生物质能 12.4.4 氢能氢能 12.4.5 海洋渗透能海洋渗透能 12.4.6 未来的几种与未来的几种与 化学相关的新能源化学相关的新能源 一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大一般地说，常规能源是指技术上比较成熟且已被大规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、规模利用的能源，而新能源通常是指尚未大规模利用、正在积极研究开发的能源。正在积极研究开发的能源。 因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作因此，煤、石油、天然气以及大中型水电都被看作常规能源，而把太阳能、风能、地热能、海洋能、现常规能源，而把太阳能、风能、地

28、热能、海洋能、现代生物质能、氢能、核能以及其它清洁能源等作为新代生物质能、氢能、核能以及其它清洁能源等作为新能源。能源。 当前由于新能源的利用技术尚不成熟，故只占世界当前由于新能源的利用技术尚不成熟，故只占世界所需总能量的很小部分，今后有很大发展前途。所需总能量的很小部分，今后有很大发展前途。 12.4.1 新能源的范畴新能源的范畴 12.4.2 太阳能太阳能 太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。聚变反应过程产生的能量。太阳能的主要利用形式有太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换三种主太阳能的光热转

29、换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。要方式。 利用太阳能的方法主要有：太阳能电池利用太阳能的方法主要有：太阳能电池(把光能转把光能转化为电能化为电能)；太阳能热水器；太阳能热水器(把光能转化为热能把光能转化为热能).美国加州南部的太阳能热电厂美国加州南部的太阳能热电厂 生物质能生物质能(又名生物能源又名生物能源): 是利用有机物质是利用有机物质(例如例如植物等植物等)作为燃料作为燃料, 通过气体收集、气化、燃烧和通过气体收集、气化、燃烧和消化作用等技术产生能量。其主要来源有消化作用等技术产生能量。其主要来源有: 12.4.3 生物质能生物质能 德国云德村沼气发电厂德国云德村沼气发电厂 （1

30、）森林能源）森林能源（2）农作物秸秆）农作物秸秆（3）禽畜粪便）禽畜粪便（4）生活垃圾）生活垃圾 氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能氢能是通过氢气和氧气反应所产生的能量。氢能是氢的化学能，氢在地球上主要以化合态的形式出是氢的化学能，氢在地球上主要以化合态的形式出现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质现，是宇宙中分布最广泛的物质，它构成了宇宙质量的量的75%，因此蕴藏十分丰富，因此蕴藏十分丰富. 氢能属二次能源氢能属二次能源, 也也是一种完全无污染的清洁能源。是一种完全无污染的清洁能源。 工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、工业上生产氢的方式很多，常见的有水电解制氢、煤炭气

31、化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢煤炭气化制氢、重油及天然气水蒸气催化转化制氢等。等。 主要问题主要问题: 不易储存和生产成本太高不易储存和生产成本太高. 12.4.4 氢能氢能 利用浓稀溶液之间形成的渗透压来利用浓稀溶液之间形成的渗透压来推动涡轮机推动涡轮机产生的能量叫渗透能产生的能量叫渗透能. 在江河的入海口在江河的入海口, 于海水与于海水与淡水之间加入渗透膜淡水之间加入渗透膜, 即可产生渗透压即可产生渗透压, 推动涡轮推动涡轮发电机产生电能发电机产生电能. 海水渗透压发电法是一种非常环保的发电方式。海水渗透压发电法是一种非常环保的发电方式。因它是从自然物理过程中获得能源，不会产生任何

32、因它是从自然物理过程中获得能源，不会产生任何污染物。此外，由于海洋与河流是现成的资源，所污染物。此外，由于海洋与河流是现成的资源，所以该法的收集成本相对较低，比较容易获得。以该法的收集成本相对较低，比较容易获得。 12.4.5 海洋渗透能海洋渗透能 缺点缺点: 发电站的建造成本过高发电站的建造成本过高; 高效、高性能而高效、高性能而又廉价的薄膜难以获得又廉价的薄膜难以获得 12.4.6 未来几种与化学相关的新能源未来几种与化学相关的新能源 未来与化学相关的新能源主要集中在以下几个方面未来与化学相关的新能源主要集中在以下几个方面（1）可燃冰：是一种甲烷与水结合在一起的固体化）可燃冰：是一种甲烷与

33、水结合在一起的固体化合物，它的外型与冰相似，故称合物，它的外型与冰相似，故称“可燃冰可燃冰”。（2）煤层气：煤在形成过程中由于温度及压力增加）煤层气：煤在形成过程中由于温度及压力增加, 在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。在产生变质作用的同时也释放出可燃性气体。（3）微生物：利用微生物如甘蔗）微生物：利用微生物如甘蔗, 玉米玉米, 木薯等发木薯等发酵产生酒精，酒精燃烧获得能量酵产生酒精，酒精燃烧获得能量. 这种酒精又被称为这种酒精又被称为“生物汽油生物汽油”. （4）第四代核能源：正反物质的核聚变产生高当量）第四代核能源：正反物质的核聚变产生高当量的冲击波以及光辐射能。利用这种强大的光辐射

34、能的冲击波以及光辐射能。利用这种强大的光辐射能可转化为热能或电能可转化为热能或电能. 可燃冰分布图可燃冰分布图可燃冰结构可燃冰结构煤层气发电原理图煤层气发电原理图生物燃料生产过程生物燃料生产过程科学家用蓝细菌制造生物燃料科学家用蓝细菌制造生物燃料核聚变发电原理图核聚变发电原理图12.5 纳米技术与化学纳米技术与化学 12.5.1 纳米微粉、超微粒子纳米微粉、超微粒子 和和Q态粒子态粒子 12.5.2 量子尺寸效应量子尺寸效应 12.5.3 表面效应表面效应 12.5.4 纳米材料的制备纳米材料的制备 12.5.5 纳米材料的表征纳米材料的表征 12.5.6 纳米技术的应用纳米技术的应用12.5

35、.1 纳米微粉、超微粒子和纳米微粉、超微粒子和Q Q态粒子态粒子 纳米材料学是在纳米尺寸纳米材料学是在纳米尺寸(0.1100nm)范范围内，研究微细体系的制备、凝聚及其特性围内，研究微细体系的制备、凝聚及其特性等的学科。等的学科。 各种形状的纳米材料各种形状的纳米材料 在宏观与微观领域之间，存在着一个在宏观与微观领域之间，存在着一个“介介观领域观领域”，其三维尺寸大小包括了从微米，其三维尺寸大小包括了从微米(1m)、亚微米、亚微米(0.1-1m)、纳米、纳米(0.1-100nm)到团簇尺寸到团簇尺寸(从几个到几百个原则以上尺寸从几个到几百个原则以上尺寸)的的范围，它们均出现量子相干现象，这类体

36、系范围，它们均出现量子相干现象，这类体系统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系。微米体系。 由于介观物质的非同寻常的性质与其颗粒大由于介观物质的非同寻常的性质与其颗粒大小、尺寸有关，不同的尺寸显现出不同的性能。小、尺寸有关，不同的尺寸显现出不同的性能。所以在研究纳米物质中，按其性质与颗粒尺度所以在研究纳米物质中，按其性质与颗粒尺度之间的相关性，一般分为以下三类。之间的相关性，一般分为以下三类。 纳米微粉纳米微粉(粒度为几十至几百纳米粒度为几十至几百纳米)：当化合物的颗粒：当化合物的颗粒大小为几十至几百纳米之间时，即所谓的微晶状态，大小为几十至几百纳

37、米之间时，即所谓的微晶状态，表面开始出现极化效应。其主要性能还是表现为宏表面开始出现极化效应。其主要性能还是表现为宏观块材性能，只是表现为比普通宏观块分散性要好。观块材性能，只是表现为比普通宏观块分散性要好。这时主要用宏观的理论来描述它们，有时要考虑介这时主要用宏观的理论来描述它们，有时要考虑介观理论。观理论。 超微粒子超微粒子(粒度为十至几十纳米粒度为十至几十纳米)：这种颗粒所含原子：这种颗粒所含原子数为数为103 105，其表面原子占粒子总原子数的，其表面原子占粒子总原子数的20 30%，此时量子尺寸效应越来越明显，而表面能，此时量子尺寸效应越来越明显，而表面能也越来越大，表面原子受外部环

38、境和介质的影响也越也越来越大，表面原子受外部环境和介质的影响也越来越明显，必须结合固体理论和分子轨道理论对其进来越明显，必须结合固体理论和分子轨道理论对其进行研究，还要加上量子尺寸效应和表面效应的介观理行研究，还要加上量子尺寸效应和表面效应的介观理论。论。 Q态粒子态粒子(粒度为粒度为0.1至几个纳米至几个纳米)：这种颗粒所含：这种颗粒所含原子总数为原子总数为102 103，表面原子占粒子总原子数的，表面原子占粒子总原子数的50%，这类粒子有人也称为团簇粒子、量子态粒，这类粒子有人也称为团簇粒子、量子态粒子等等。与外部介质形成了复杂的弱相互作用、子等等。与外部介质形成了复杂的弱相互作用、双电子

39、层、甚至共价键、配位键等。由于其粒度双电子层、甚至共价键、配位键等。由于其粒度在在0.1至几个纳米范围，与至几个纳米范围，与Debroglie波长相近，波长相近，其能级分裂十分明显，显示出尺寸量子化为主的其能级分裂十分明显，显示出尺寸量子化为主的特点，这时主要用介观理论来描述它们。特点，这时主要用介观理论来描述它们。 12.5.2 量子尺寸效应量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准边疆变为离散的现象和纳米半导体的电子能级由准边疆变为离散的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被微粒存在不连续的最高被占

40、据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级、能隙变宽的现象均称为量子占据的分子轨道能级、能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。尺寸效应。 当纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以当纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，达到及电子的德布罗意波长相当时，达到Q态粒子尺寸，态粒子尺寸，量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于表面积态的原子、电子与处于小颗粒内部的使处于表面积态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为产生很大的差异，原子、电子的行为产生很大的差异， 这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学这种表面效应

41、和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同样材质特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体所不具备的新的光学特性。这些特的宏观大块物体所不具备的新的光学特性。这些特性主要表现为宽频带强吸引、蓝移现象、量子限域性主要表现为宽频带强吸引、蓝移现象、量子限域效应以及纳米微粒的发光效应等等。效应以及纳米微粒的发光效应等等。(1)宽频带强吸收宽频带强吸收:当微粒的尺寸减小到纳米级时各当微粒的尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色种金属纳米微粒几乎都呈黑色,它们对可见光的反它们对可见光的反射率射率 极低极低.在红外光场作用下在红外光场作用下,它们对红外吸收

42、的频它们对红外吸收的频率存在一个较宽的分布率存在一个较宽的分布, 即吸收带宽化。即吸收带宽化。 (2)蓝移现象：纳米微粒的吸收带普遍存在蓝移现象：纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移蓝移”现象，即吸收带向短波方向移动。现象，即吸收带向短波方向移动。 (3)纳米微粒的发光：当纳米微粒的尺寸小到一定值纳米微粒的发光：当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在一定波长的光激发下发光。时可在一定波长的光激发下发光。 12.5.3 表面效应表面效应 纳米微粒尺寸小纳米微粒尺寸小, 表面能高表面能高, 位于表面的原子占相位于表面的原子占相当大的比例当大的比例. 随着粒径的减小随着粒径的减小,表面原子数迅速增加表面原子数迅

43、速增加.这些原子配位不足这些原子配位不足, 具有高的活性具有高的活性, 极不稳定极不稳定, 很容易很容易与其他原子结合与其他原子结合, 表现出明显的表面效应表现出明显的表面效应. 基于半导体纳米微粒量子尺基于半导体纳米微粒量子尺寸效应和表面效应，半导体纳寸效应和表面效应，半导体纳米粒子在发光材料、非线性光米粒子在发光材料、非线性光学材料、光敏感传感器材料、学材料、光敏感传感器材料、光催化材料等方面也具有广阔光催化材料等方面也具有广阔的应用前景。的应用前景。 ABDCE单一立方结构晶单一立方结构晶粒的二维平面图粒的二维平面图 12.5.4 纳米材料的制备纳米材料的制备 12.5.5 纳米材料的表

44、征纳米材料的表征（1）纳米材料的尺寸评估）纳米材料的尺寸评估 描述纳米微粒尺寸、颗粒度的物理量有晶粒、一次描述纳米微粒尺寸、颗粒度的物理量有晶粒、一次颗粒、团聚体以及二次颗粒。测量纳米颗粒的粒径方颗粒、团聚体以及二次颗粒。测量纳米颗粒的粒径方法常用的有透视电镜观察法、扫描隧道显微镜观察法、法常用的有透视电镜观察法、扫描隧道显微镜观察法、X-射线衍射线线宽法等等。射线衍射线线宽法等等。 （2）元素分析）元素分析 不同化学元素组成的纳米颗粒，通过元素分析可以不同化学元素组成的纳米颗粒，通过元素分析可以确定其组成。确定其组成。 （4）光谱分析：红外光谱）光谱分析：红外光谱, 紫外紫外-可见光谱可见光

45、谱, 荧光光谱荧光光谱 （3）X-射线单晶四圆衍射分析射线单晶四圆衍射分析12.5.6 纳米技术的应用纳米技术的应用（1）纳米技术在陶瓷领域方面的应用）纳米技术在陶瓷领域方面的应用 （2） 纳米技术在微电子学上的应用纳米技术在微电子学上的应用 （3）纳米技术在生物工程上的应用）纳米技术在生物工程上的应用 （4）纳米技术在光电领域的应用）纳米技术在光电领域的应用 （5）纳米技术在化工领域的应用）纳米技术在化工领域的应用 （6）纳米技术在医药上的应用）纳米技术在医药上的应用 用纳米印刷技术形用纳米印刷技术形成的纳米柱结构成的纳米柱结构水溶性纳米陶瓷涂料水溶性纳米陶瓷涂料金属硫化物纳米材料在纳米生物

46、医学、光金属硫化物纳米材料在纳米生物医学、光电器件、催化等前沿领域应用广泛电器件、催化等前沿领域应用广泛 12.6 核化学与核能核化学与核能 12.6.1 核的稳定性核的稳定性 12.6.2 放射性物质放射性物质12.6.3 核反应核反应12.6.4 核反应堆核反应堆12.6.5 核能的应用与特点核能的应用与特点12.6.1 核的稳定性核的稳定性 核化学是用化学或化学与物理相结合的方法研究核化学是用化学或化学与物理相结合的方法研究原子核原子核(稳定性和放射性稳定性和放射性)的反应、性质、结构、分的反应、性质、结构、分离、鉴定等的一门学科。离、鉴定等的一门学科。 不稳定的原子核能自发地发射某种射

47、线而衰变，不稳定的原子核能自发地发射某种射线而衰变，变成稳定的原子核；或者自发地分裂成两个变成稳定的原子核；或者自发地分裂成两个(少数少数情况下可分裂成三个或更多情况下可分裂成三个或更多)质量相近的原子核质量相近的原子核(裂裂变变) 而变成稳定的原子核。而变成稳定的原子核。 原子核的稳定性可用其结合能来衡量原子核的稳定性可用其结合能来衡量. 核子结合成核子结合成原子核时发生了质量亏损原子核时发生了质量亏损,相应的能量即为原子核的相应的能量即为原子核的结合能结合能.原子核的结合能除以组成该原子核的核子总原子核的结合能除以组成该原子核的核子总数数,就得到了每个核子在原子核中的平均结合能就得到了每个

48、核子在原子核中的平均结合能. 按原子核是否稳定，可把核素分为稳定性核素和按原子核是否稳定，可把核素分为稳定性核素和放射性核素两类。一种元素的原子核自发地放出某放射性核素两类。一种元素的原子核自发地放出某种射线而转变成别种元素的原子核的现象，称作放种射线而转变成别种元素的原子核的现象，称作放射性衰变。射性衰变。 平均结合能越大，核的稳定性越强。原子核越难平均结合能越大，核的稳定性越强。原子核越难被分解成单个的粒子。被分解成单个的粒子。 原子能的释放就是使平均结合能低的核素转变为原子能的释放就是使平均结合能低的核素转变为平均结合能高的核素平均结合能高的核素. 在转变过程中在转变过程中,增加的结合能

49、增加的结合能被释放了出来被释放了出来. 有两种方法能达到这一目的：第一有两种方法能达到这一目的：第一种方法是利用重核分裂成两个质量相等的核种方法是利用重核分裂成两个质量相等的核, 例如例如,铀或钚反应堆能量的获得就属于此类铀或钚反应堆能量的获得就属于此类; 另一类方法另一类方法是将两个或数个轻的核聚合成一个较重的核是将两个或数个轻的核聚合成一个较重的核,如如21H和和31H相互作用产生相互作用产生42He和中子并释放出能量。和中子并释放出能量。 12.6.2 放射性物质放射性物质 放射性物质是指由能发生放射性衰变放射性物质是指由能发生放射性衰变的核素的核素(称放射性同位素称放射性同位素)组成的

50、物质。其组成的物质。其国际通用标志见图国际通用标志见图 天然放射性是指天然存在的某些物质所具有的能自天然放射性是指天然存在的某些物质所具有的能自发地放射出发地放射出或或或或射线的性质。射线的性质。 人工放射性是指利用反应堆的中子流和加速器的人工放射性是指利用反应堆的中子流和加速器的高能带电粒子流，人为制备的放射性核素。高能带电粒子流，人为制备的放射性核素。 放射性物质有放射性物质有3个特点：个特点：（1）放射性）放射性 （2）不稳定性）不稳定性 （3）低浓度和微量）低浓度和微量 12.6.3 核反应核反应 核反应是指入射粒子核反应是指入射粒子(或原子核或原子核)与原子核与原子核(称靶核称靶核)

51、碰撞导致原子核状态发生变化或形成新核的过程碰撞导致原子核状态发生变化或形成新核的过程. 反反应前后的能量、动量、角动量、质量、电荷与宇称应前后的能量、动量、角动量、质量、电荷与宇称都必须守恒。都必须守恒。 对于稳定的原子核来说对于稳定的原子核来说, 通常导致其发生化学和通常导致其发生化学和物理变化的能量不足以引发核反应物理变化的能量不足以引发核反应, 而要使稳定的而要使稳定的原子核发生核反应原子核发生核反应, 需要有极高的能量输入需要有极高的能量输入, 如高能如高能粒子轰击等粒子轰击等. 核反应是宇宙中早已普遍存在的极为重要的自然核反应是宇宙中早已普遍存在的极为重要的自然现象现象, 宇宙射线每

52、时每刻都在地球上引起核反应宇宙射线每时每刻都在地球上引起核反应. 现现今存在的化学元素除氢以外都是通过天然核反应合今存在的化学元素除氢以外都是通过天然核反应合成的成的. 12.6.3.1 核反应的原理核反应的原理 在核反应中，用于轰击原子核的粒子称为入射粒子在核反应中，用于轰击原子核的粒子称为入射粒子或轰击粒子，被轰击的原子核称为靶核，核反应发或轰击粒子，被轰击的原子核称为靶核，核反应发射的粒子称为出射粒子，反应生成的原子核称为剩射的粒子称为出射粒子，反应生成的原子核称为剩余核或产物核。入射粒子余核或产物核。入射粒子a轰击靶核轰击靶核A，发射出射粒，发射出射粒子子b并生成剩余核并生成剩余核B的

53、核反应可用以下方程式表示：的核反应可用以下方程式表示： A+aB+b 或简写为：或简写为： A(a,b)B 只有满足质量数、电荷、能量、动量、角动量和宇只有满足质量数、电荷、能量、动量、角动量和宇称等守恒条件，核反应才能发生。核反应过程总是称等守恒条件，核反应才能发生。核反应过程总是伴随着能量的吸收或释放，前者称为吸能反应，反伴随着能量的吸收或释放，前者称为吸能反应，反者称为放能反应。者称为放能反应。 12.6.3.2 核反应的分类核反应的分类 核反应通常可分为四类：衰变、粒子轰击、裂变核反应通常可分为四类：衰变、粒子轰击、裂变和聚变。前者为自发发生的核转变，后三种为人工和聚变。前者为自发发生的核转变，后三种为人工核反应核反应(即用人工方法进行的非自发核反应即用人工方法进行的非自发核反应)。 （1）衰变）衰变: 衰变亦称衰变亦称“蜕蜕变变”, 指放射性元素放射出指放射性元素放射出粒子而转变为另一种元素粒子而转变为另一种元素的过程的过程. 由不稳定原子核发由不稳定原子核发射出来的辐射可以是射出来的辐射可以是粒子、粒子、粒子、粒子、射线或中子。射线或中子。 离子离子-介子介子-电子衰变链实电子衰变链实验验（2）粒子轰击）粒子轰击: 粒子轰击是指用粒子轰击是指用高速的粒子高速的粒子(如质子、中