化学是实用和创造性的科学课件

化学的今天和明天

任课教师：彭正合教授

武汉大学化学系

化学的今天和明天

任课教师：彭正合教授

武汉大学化学系

1第3章化学是实用和创造性的科学

3.1化学在住房和家庭陈设品方面的作用3.2化学在穿着方面的作用3.3化学与交通运输方面的关系3.4化学与食物方面的关系3.5化学与国防方面的关系3.6化学与执法方面的关系3.7化学生活质量的贡献3.8关于未来第3章化学是实用和创造性的科学3.1化学在住房和家庭陈设2现代生活之所以不同于先前，是因为我们学会了如何取用天然的物质并加以改造，使之更好地为我们服务。3.1化学在住房和日用品方面的作用只有沙、石、木材是天然材料，但它们需要用合成的化学品粘接（如各种粘接剂）和保护（如各种涂料和油漆，各种装饰板）。水泥、玻璃、陶瓷、防漏剂、塑料管材及板材都是化学品。胶合板、铝合金材料，金属材料和钉子及其保护层都大量化学加工。厨房许多设施、餐具、器皿以及饮料瓶都是化学品。现代生活之所以不同于先前，是因为我们学会了如何取用天然的物质3陶瓷、塑料、金属卫生洁具，洗涤剂、洗浴剂、洗发剂等都是化学品。许多地毯、装饰面料和染料都是化学品。家用电器，如空调、冰箱、冷柜、电视机、电脑等骨架材料和功能材料都是化学品。导线及其包皮、照明灯具等绝大多数是化学品。燃料、燃气是化学品，燃烧和烹饪有化学变化。进入住宅的自来水也经过了化学处理。在住房和日用品方面，没有与化学无关的物品。陶瓷、塑料、金属卫生洁具，洗涤剂、洗浴剂、43.2化学在穿着方面的作用服饰的材料都含有合成纤维和合成染料。皮革和毛皮经过了化学品鞣制和化学处理。大量合成皮革和合成橡胶替代了天然品。棉花、亚麻和羊毛都经过了化学处理和染色。在穿着方面，没有与化学无关的物品。3.2化学在穿着方面的作用服饰的材料都含有合成纤维和合成53.3化学与交通运输方面的关系机动车、自行车，以及火车、轮船、飞机中的每件东西都是化学加工业的一种产品。例如金属、塑料、油漆，显然是化学品。轮胎用的橡胶：天然橡胶必须经过硫化处理工艺，才具有坚韧性；大量地采用合成橡胶，如氯丁橡胶。3.3化学与交通运输方面的关系机动车、自行车，以及火车、63.4化学与食物方面的关系人们要了解饮食的化学本性，就必须学些化学知识，以便了解哪些化学品应归入有益于健康的饮食。化学的作用始于食物供应之初的农业。化学肥料为农作物提供了氮、磷、钾，以及其他化学元素。如果没有化肥，就不能为众多的人口提供足够的食物，也不能为牲畜提供足够的食物。除草剂和杀虫剂都是化学品。除草剂能使农作物茂盛，杀虫剂则能保护农作物。3.4化学与食物方面的关系人们要了解饮食的化学本性，就必须73.4化学与食物方面的关系(续）化学的另一贡献，是开发安全的食品防腐剂和符合卫生标准的包装方法。食品冷藏法，建立在合成冷冻剂的基础之上。利用氯气或臭氧的水处理方法，保障了洁净水供应。药物化学家开发了兽药，保障了家畜的健康。各种加工食品的添加剂、发酵粉都是化学品，加工过程都有化学变化。各种饮料和酒类，都有化学家的贡献。我们不可能从食物中除去“化学品”，但是我们必须保证所用化学品是安全和有效的。3.4化学与食物方面的关系(续）化学的另一贡献，是开发安全83.5化学与国防方面的关系战争决不是一种有价值的的人类活动，然而一旦战争爆发，人人都希望取得胜利。各国政府总是号召科学家们制造出更有效的武器或更好的防御物，化学在武器和防御物这种“矛和盾”两方面都发挥着极其重要的作用。有古代中国发明的黑火药，彻底改变了交战状况。现代弹药和炸药只是黑火药的更新而已。3.5化学与国防方面的关系战争决不是一种有价值的的人类活动9黑火药、现代弹药和炸药，都是化学药品机器混合物。它们的爆炸过程实际上是个化学反应过程，反应释放出大量热能和气体，如N2和CO2等，热气体急剧膨胀而产生爆炸。核武器的爆炸，是原子核发生热核反应（核化学过程）的结果，反应产生大量的放射线、冲击波和热能，并使空气急剧膨胀。非化学武器及其防御物本身的各个部件都离不开化学，存储和运载它们的工具同样离不开化学。黑火药、现代弹药和炸药，都是化学药品机器混合物。它们的爆炸过10化学武器及其防御物本身更是化学家的杰作。生物武器及其防御物，至少是利用了微生物释放的化学毒剂。隐身技术靠化学家设计的隐身材料：吸收雷达波、吸收红外光的材料。侦察、探测技术，导弹制导技术，都离不开专门的功能材料，如特种电子材料。化学武器及其防御物本身更是化学家的杰作。113.6化学与执法方面的关系海洛因、可卡因、摇头丸等毒品和违禁药，是不法化学家的作品，禁毒和执法工作正式真正化学家的工作之一。化学家所用到的分析、检测方法，几乎都用于执法。例如法医学家的各种鉴定方法，包括通过DNA鉴定来识别罪犯。警察的装备，像军人的装备一样离不开化学品，包括催泪性毒气、麻醉性子弹。3.6化学与执法方面的关系海洛因、可卡因、摇头丸等毒品和违123.7化学生活质量的贡献教育、文化、艺术、体育、健身、医疗卫生，信息、娱乐等用品，无不有化学的贡献。3.7化学生活质量的贡献教育、文化、艺术、体育、健身、医疗133.8关于未来

新型电功能材料材料的电学及电子学性能导电性：以电荷迁移为特征，取决于载流子（电子、空穴、离子）浓度、电荷迁移率。介电性：以电荷偏离（电极化）为特征，取决于电极化率。3.8关于未来

新型电功能材料材料的电学及电子学性能141.导电性相关的材料

（按电导率划分）良导体：>106

Scm–1;(S–1)半导体：106

Scm–110–

6

Scm–1;绝缘体：

<10–

6

Scm–1,与介电性紧密相关。超导体：无限大、电阻为零，与磁性紧密相关，亦属于磁功能材料。1.导电性相关的材料

（按电导率划分）良导体：>152.介电性相关的材料强介电体：无外场下存在由电荷分布而产生的电极化。反强介电体：无外场下存在由正负离子位置变化而产生的电极化。铁氧介电体：无外场下存在由偶极子（或正负离子）自取向而产生的电极化。（通）常介电体：外电场下发生电极化。2.介电性相关的材料强介电体：无外场下存在由电荷分布而产生163.超导材料

超导现象1911年,氦液化器发明人---荷兰科学家Onnes偶然发现，在液氦温度(4.2K)下，汞的电阻突然消失了。这种电阻率为零现象被物理学家称为超导现象。超导现象仅当物质处于临界温度

TC、临界磁场强度

HC和临界电流密度

JC

以下的条件下，才能发生。3.超导材料

超导现象1911年,氦液化器发明人--17超导状态

T-H-J三维图

J

JC

（临界电流密度）

T-H-J

临界面

H

TC

HC

（临界磁场强度）

T临界温度

TC超导状态T-H-J三维图JJC（临界电18高温超导材料直至1986年上半年，人类所发现的最好超导材料仍然是1973年获得的Nb3Ge(TC=23.2K)，只能在液氦温度下使用。氦气稀少、液化困难，液氦保温和使用不便、价格昂贵；氮气丰富、液化容易，液氮保温和使用较方便、价格可以接受（价格仅为液氦的1/1000）。寻求至少能在液氮温度下使用的超导材料。高温超导材料直至1986年上半年，人类所发现的最好超导材料仍19一个热门研究领域高温超导材料：临界温度TC高于液氮温度（–77K）的超导材料的简称。1986年1月，瑞士科学家Müller等发现：

BaxLa5–xCu5O6(3-y)

氧化物陶瓷在30K时出现超导性转变，到13K时电阻为零。同年底，美国、日本科学家宣布：重复了Müller等人的实验结果，引发了全世界的高温超导研究热。理想：实现室温超导。一个热门研究领域高温超导材料：临界温度TC高于液氮温度（20中国高温超导研究独领风骚不久，中科院公布了北大赵忠贤等人的结果：一种镱-钡-铜-氧（YBCO）系陶瓷，TC=93K中国科大的铋-铅-铜-氧系陶瓷，TC=132K已证实，各种YBCO

系超导陶瓷中，实际产生超导作用的是Y1Ba2Cu3O7~8

相（A相）。中科院上海硅酸盐所确定了Y1Ba2Cu3O7~8

相的晶体结构，对称性C2v

.中国高温超导研究独领风骚不久，中科院公布了北大赵忠贤等人的结21超导材料的应用前景尽管超导的理论研究落后，但其实验成果喜人、应用前景诱人。重要应用的6个方面：能量的产生、传输和储存如超导线圈可使发电机的能量损失减少80%，超导磁体用于核电站，超导体导线的电力传输损耗仅为铜线的10%左右。交通运输磁悬浮列车，磁悬浮汽车等。前者如：日本1979年（液氦下超导磁体）时速517km。我国新近在上海又建成了磁悬浮列车线。超导材料的应用前景尽管超导的理论研究落后，但其实验成果喜人、22电子技术领域超导电路极少或不发热，可使芯片小而功能强大，超导开关管可在弱磁场下获得强电流变化。分析检测仪器和传感器超导磁体磁共振成相仪，用于医疗诊断；超导量子干涉器件可检测人体的极微弱磁场。航天和军事技术领域超导体磁屏蔽、天线、电磁炮。基础科学超导磁体用于加速器等。电子技术领域超导电路极少或不发热，可使芯片小而功能强大，23

4.生物功能材料生物功能材料：与生物组织相容性好，可供植入生物活体内的生物活性或惰性材料。聚合物、陶瓷和金属。医用聚合物：用于制造人工组织、人造器官及内植辅助装置，医药制剂，医疗器具的聚合物；通常不计后者。聚四氟乙烯：人工脑硬膜、瓣膜、肺、喉头、食道、胆道、尿道等器官。有机硅橡胶：(同上)，气管、耳、鼻、关节等器官。聚乙烯：同上“逗号”后。氨酯橡胶：人工心脏、瓣膜、血管等器官。4.生物功能材料生物功能材料：与生物组织相容性好24医用合金及陶瓷医用合金：铁铬镍、钴铬、钴镍铬及钛合金等不锈钢材料，用于硬组织器官或体内植辅助装置。医用陶瓷：比金属、聚合物材料更稳定，组织相容性好，亲水性良好。用于硬组织器官或体内植辅助装置。刚玉Al2O3用于人造牙齿、骨骼、关节等；羟基磷灰石Ca5(PO4)3(OH)烧结体、珊瑚礁与骨质成分相似而生物相容性好，可替代新生骨。医用合金及陶瓷医用合金：铁铬镍、钴铬、钴镍铬及钛合金等不锈钢255.功能转换材料

1994年4月,法国《科学与生活》月刊文章“智能材料革命”摘要:局限于计算机软件中的人工智能正在进入一个更加广阔的应用新领域—材料领域。今天，所有工业大国都有“智能材料”研究的重大计划。例如，一些研究所正在秘密研制“贴”在机翼上的“智能皮”，以取代起飞、转向、降落所必须的尾翼和各种襟翼。这些覆盖层可以根据飞行员的指令改变外形，起到与飞机尾翼和襟翼相同的作用。

5.功能转换材料26智能材料的基础，是对自然或诱发的外力、外场作出反应，自动适应环境。用制成的元、器件，还可以接收信息，按指令行动。化学是实用和创造性的科学课件27三大类智能材料形状记忆材料：具备形状记忆功能的铜镍基合金，可以“学会”一种形状并且随意复原，经低温变形后受热即可恢复原形。电致伸缩和磁致伸缩材料：由陶瓷或合成材料制成，具有在电场或磁场作用下变形的能力。更重要的是，其变形程度随电场或磁场强度而变化。这种明确的因果关系，具有很大的实用价值。压电材料：将是2000年的最新冶金材料，具有能与人类神经系统相比的特性和运作方式。它既有条件反射的速度，又有执行大脑指令前的分析能力。三大类智能材料28功能转换及其材料功能转换：指光、电、磁、声、热、力、化学、生物学等功能之间的转化与变换。例如功能转换及其材料29

6.压电与电致伸缩材料压电效应：在外界压力(或张力)作用下，无对称中心的晶体因弹性形变而沿一定方向产生电极化的现象。在无外电场存在下，有时称为正压电效应。电致伸缩效应：外力为零时，在外电场作用下晶体线度发生变化的现象，逆压电效应。凯迪(Cady)法则：对于同一晶体，由外力引起的极化强度(正效应)，由外电场引起的(逆效应)应变，二者的方向一致。因此，压电效应和电致伸缩效应有一致性的表达式.6.压电与电致伸缩材料30压电材料/电致伸缩材料

压电与电致伸缩材料：主要是无机晶体(单晶)和陶瓷(多晶)，及具有闪锌矿型、纤锌矿型结构的半导体，近年来已发现一些有机聚合物(如聚氟乙烯)；热释电材料和铁电材料都是优良的压电材料。典型的压电材料：晶体石英、酒石酸钾钠、酒石酸二钾、磷酸二氢钾；晶体或陶瓷钛酸钡、锆钛酸铅；LiNbO3,LiCaO3等。例子BaTiO3(C2v或C4v):陶瓷相d31=79,d33=191;单晶d15=392,d31=34.5,d33=85.6(1012库仑/牛顿),Q33=0.41,Q32=0.16,Q66=0.22(1016库仑/牛顿).压电材料/电致伸缩材料压电与电致伸缩材料：主要是无机晶体(31压电材料的应用压电材料的应用32

6.热电与热释电材料

热电效应及材料热电效应：塞贝克(Seebeck)效应、珀耳帖(Peltier)效应、汤姆逊(Thomson)效应。见教材p359.热电合金：合金热电偶材料；低温温差发电、制冷材料,如

Bi2Te3,Bi2Se3,Sb2Te3等合金。热电陶瓷：氧(碳,氮,硼,硅)化物，可用于热电转换。热电聚合物：如聚偏氟乙烯及其共聚物。6.热电与热释电材料

热电效应及材料热电效应：33

7.热释电材料热释电效应：宏观对称性属于第Ⅲ类点群的晶体，存在自发电极化Ps，当有温度变化T时，由Ps产生的表面束缚电荷因来不及被大气中的自由电荷所屏蔽，致使相对应的二表面显示出电位差V。

Ps=1·

T+2·

T,

V=ARs(dPs/dT)(dT/dt

)

一级热释电系数：1=dPs/dT

，体积变化无关；二级热释电系数：

2，体积变化有关。2·

T：次级热释电效应，由引起热应变所产生的电极化，与压电效应类似。A为电极面积，Rs为负载电阻，(dT/dt

)为变温速率。7.热释电材料热释电效应：宏观对称性属于第Ⅲ34

热释电材料及其应用热释电材料：对称性属于第Ⅲ类点群的压电材料，而铁电材料都是优良的热释电材料;主要是单晶和陶瓷，通常被做成10~50

m厚膜。例如热释电晶体铌酸钡锶(Sr,Ba)Nb2O6厚膜，La3+:(Sr,Ba)Nb2O6，钽酸锂LiTaO3等。有机晶体，如聚偏二氟乙烯等。热释电器件通常用光调制，故对热释电材料的电性能、光性能的具体要求因器件及其应用而异。主要用于热释电探测器：检测红外激光，非接触测温，火车轴测温，森林放火，无损探伤等。热释电材料及其应用热释电材料：对称性属于第Ⅲ类35

8.铁电材料（体）铁电效应：晶体内电偶极子可随外电场方向改变而转向，并有滞后的现象。Pr:剩余极化强度。Ec:矫顽电场强度。居里温度：材料从非铁电相转变为铁电相的温度。

铁电效应的电滞回线图8.铁电材料（体）369.铁磁(体)材料铁磁效应：晶体内磁偶极子可随外电场方向改变而转向，并有滞后的现象。B:磁感应强度Br:剩余磁化强度。Hc:矫顽磁场强度。居里温度：材料从非铁磁相转变为铁磁相的温度。

铁磁效应的磁滞回线图9.铁磁(体)材料37重要结论

非热释电体(Ⅱ类点群)压电体非铁电体(Ps不随E转向)

热释电体(Ⅲ类点群)

铁电体(Ps随E转向,滞后)铁电体必为热释电体和压电体，热释电体必为压电体。反之不成立。对称性属于第Ⅲ类点群的材料，功能优异。

重要结论389.光电转换材料

光电效应光电效应：电磁辐射与物质相互作用导致物质中的电子吸收光子能量而被激发的过程，亦即在光照射下介质产生光电子、电动势或光电导的现象。从能量守恒定律和动量守恒定律可知：自由电子不可能吸收光子，只有原子、分子、离子中的束缚电子和晶体中的电子才能实现光电效应。9.光电转换材料

光电效应光电效应：电磁辐射与物质相互作用39光电效应（续）

外光电效应，内光电效应，光生伏特效应外光电效应(光电发射)：凝聚体(固体、液体)吸收光子能量后逸出(发射)电子(光电子)的现象。利用光电发射的器件：真空光电管、真空光电池、光电倍增管、光电摄像管。内光电效应(光电导)：在光照射下介质(半导体和电介质)的载流子（电子、空穴）浓度增大而电阻减小的现象。光子能量

h0纯物质的电导活化能

(能隙)Wa，电子吸收能量后从价带跃迁到导带，从而产生传导电子和空穴。0称为光导红限。光电效应（续）

外光电效应，内光电效应，光生伏特效应外光电效40光电效应（续）

内光电效应，光生伏特效应

内光电效应(光电导)的特性：n-型半导体的光电导具有纯电子性，

p-型半导体的光电导具有纯空穴性。物质的光电导与入射的单色光光强呈正比。但是由于光子加速电子和空穴的复合过程而降低邻区的电子浓度，因此光的强吸收使半导体的电导率减小。光生伏特效应(阻挡层光电效应)：金属与半导体接触面附近由内光电效应而产生一定方向电动势的现象。该接触呈单向导电性，使得紧靠接触面的半导体层内载流子贫化。典型接触p-n结.光电效应（续）

内光电效应，光生伏特效应内41光电动势与光电池材料光电动势：半导体的内光电效应破坏了接触区内载流子的均衡分布，使接触电位差偏离平衡值，即产生光电动势。阻挡层光电效应的红限取决于能隙Wa。单色光引起的光电动势与光强成比例。太阳光(能)电池：理想的光电池光源是太阳光，故受到普遍重视的是太阳光电池的研究。光电池光电转换效率取决于材料对入射光的吸收率和光能

-电能转换率。禁带宽度(能隙)

Wa是关键。Wa

在0.9~1.5eV范围内的半导体太阳光电池，光能

-电能转换率可达50%。光电动势与光电池材料光电动势：半导体的内光电效应破坏了接触区42光电动势与光电池材料(续)光电池材料：主要是无机半导体材料，实际应用的是单晶体材和薄膜，其中单晶硅(Wa=1.07eV)占第一位。目前研究较多的是GaAs,InP,CdTe,GaAsP等化合物半导体。多晶硅、非晶硅、硫化镉陶瓷，以及超晶格半导体等材料受到重视。有机、金属有机化合物半导体的研究工作很活跃。光电动势与光电池材料(续)光电池材料：主要是无机半导体材料，43二维聚金属四氮杂卟啉优化CdS的例子二维聚金属四氮杂卟啉优化CdS的例子44电光效应与电光材料电光效应：在外电场作用下，介质的折射率发生变化的现象。实质：在强电场作用下，介质内部发生电极化而引起折射率变化，并出现双折射现象(电致双折射)。有效电致双折射(率)的公式：式中，为垂直于电场强度E方向的折射率；第一项(线性部分)为一级电光效应(Pockels效应),c为一次电光系数；第二项(非线性部分)为二级电光效应(Kerr效应)，R为二次电光系数。透明铁电体，随组成和外加电场的不同，可呈现出一次电光效应、二次电光效应和电光记忆效应。电光效应与电光材料电光效应：在外电场作用下，介质的折射率发生45电光材料及其举例电光材料的品质要求：在使用波长范围内，光吸收率小(透明度高)和散射率小，折射率大但受温度影响小，介电损耗角小，电光系数大，电阻率大。典型的透明铁电陶瓷：锆钛酸镧铅，组成为Pb1xLax(ZryTi1y)1(x/4)O3。例如,对于入射光波长546nm，PLZT(7/62/38):一次电光系数c=4.431010m

/V

.PLZT(9/65/35):二次电光系数R

=9.1161016m2/V2.压电晶体可能具有一次电光效应，铁电晶体可能具有一次和二次电光效应。欲在可见光范围内使用，必须视觉透明。电光材料及其举例电光材料的品质要求：在使用波长范围内，光吸收4610.半导体材料

半导体是一大类很重要的功能材料，是信息、能源、空间、军事、电子和微电子技术领域的关键基础材料，属于生命力强大、发展迅速的科技与产业领域。半导体的导电特征：载流子是电子（n型半导体）、空穴（p

型半导体）、离子，电导率随温度升高而增大、随压力增大而增大