工程化学 课件 第8章 化学与应用工程 工程化学

化学与应用工程EngineeringChemistryPART-08主要内容Contents8.1化学与材料8.2化学与能源8.3化学与土木8.4化学与机械8.5化学与地矿8.6化学与交通8.7化学与环境8.8化学与生活8.1化学与材料

◆

材料定义可经济制造有用器件的固体物质

（天然/人工合成）。◆

典型种类土、石、钢、陶瓷、塑料、橡胶、复合

材料等◆

核心分类方式

★按组成/化学键金属材料、有机高分子材料、无机

非金属材料、复合材料等。

★按用途结构材料、功能材料等。8.1.1新型绿色混凝土◆

概念起源1998年，吴中伟院士首次提出绿色高性能混凝土概念。

◆

核心特性兼具高耐久性、

高工作性、高体

积稳定性，满足

混凝土结构力学性能要求。8.1.1新型绿色混凝土◆

概念起源1998年，吴中伟院士首次提出绿色高性能混凝土概念。

◆

核心特性兼具高耐久性、

高工作性、高体

积稳定性，满足

混凝土结构力学性能要求。1混凝土种类◆

轻骨料混凝土

孔隙率高、抗拉强度低、密度小、吸水率高、

弹性模量低。热膨胀系数小、收缩大，具备优良保温性能。◆

抗冻型、防渗漏型和高强度型混凝土◆

再生骨料混凝土◆

环保型混凝土低碱混凝土多孔及植被混凝土透水混凝土◆

机敏型混凝土—具有感知和修复性能的混凝土2混凝土应用8.1.2高分子复合材料1高分子复合材料的发展历程119世纪发展主要是改良天然高分子材料，如硫化橡胶、硝化纤维。21907年发明巴克兰德发明酚醛塑料，开启合成高分子时代。31920年提出概念斯陶丁格尔提出高分子概念，推动学科发展。41930年代生产聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙相继投入生产。2高分子复合材料的组成◆

定义狭义：高分子与不同组成、形状、性质的物质复合而成的多相材料广义：包含高分子体系，统称高分子合金。◆

两大分类及组成分类核心组成作用与特点典型示例结构复合材料增强剂+基体材料增强剂提供强度、耐温性；基体材料起粘合作用增强剂：玻璃纤维及其织物基体材料：不饱和聚酯树脂、环氧树脂功能复合材料特殊功能材料+树脂类基体材料赋予材料电导、磁性、发光等新功能冰箱磁性密封条◆

性质

力学性能优异、热稳定性强、耐久性突出3高分子复合材料的应用8.1.3纤维复合材料1纤维复合材料的类型和特点材料类型核心构成特点/优势应用领域碳纤维复合材料（主流类型）碳纤维+环氧树脂基体比强度、比模量极高航空航天、赛车车身碳纤维（表面镀金属+低熔点金属/合金基体（铝基、铜基等）具备金属特性，制备工艺复杂低熔点金属/合金复合材料相关领域碳纤维+陶瓷基体提升断裂功、抗热震性，改善脆性；高温下保护碳纤维不氧化、弹性模量优异高温工况相关领域碳纤维/石墨纤维+碳/石墨基体耐极高温度和加热速度航天航空（导弹鼻锥、飞船前缘）普通混凝土+少量碳纤维+超细添加剂抗拉、弯曲、抗冲击性能显著提升；干缩率降低，耐磨性增强建筑结构增强玻璃纤维复合材料（GFRP，玻璃钢）玻璃纤维+不饱和聚酯/环氧树脂/酚醛树脂基体质轻、硬度高、机械强度优异、耐腐蚀；不足：回收利用存在短板各类轻型结构、耐腐蚀构件等2纤维复合材料的应用◆

含PP纤维复合材料◆

纳米纤维素增强超高性混凝（UHPC）材料◆

改性PP纤维8.1.4砂浆材料◆

按比例混合，决定基础性能◆

砂浆分类（按用途）

装饰砂浆、砌筑砂浆、抹面砂浆、特种砂浆（如防水砂浆）8.2化学与能源

◆

核心关系

化学助力能源高效利用，能源需求驱动化学创新◆

能源分类

★传统能源（石油、煤炭、天然气，伴随环境问题）

★新能源（太阳能、风能等可再生能源，清洁环保）◆化学的关键作用★优化传统能源利用

如火力发电效率提升、污染治理

★驱动新能源开发

如锂离子/燃料电池

等化学新能源技术8.2.1化学与光能◆

核心领域光合作用、光电化学、光催化反应1光合作用◆

定义植物吸收光能，将

CO2、H2O（或

H2S）合成

富能有机物，并释放O2或S。◆

分类与反应式

★含氧光合作用（植物、藻类）6CO2+6H2O+太阳能→

C6H12O6+6O2★无氧光合作用（细菌）CO2+2H2S+光能→(CH2O)+H2O+2S◆

光反应

H2O+ADP+Pi+NADP+

→

O2+ATP+NADPH+H+

◆

暗反应CO2+ATP+NADPH+H+→

(CH2O)+ADP+Pi+H+NADP+◆

总反应式

CO2+H2O→

(CH2O)+O22光电化学◆

研究对象

分子/离子基态/激发态氧化还原反应的

现象、规律及应用。◆

光照影响电极的核心过程1光发射2溶剂化平衡3捕获反应4后续转化无捕电子光电获剂回电极流=0→→→

→◆

太阳能转换的四类电解质溶液体系体系类型核心原理净变化特点/应用伏打电池光照半导体，载流子经外电路流向对应电极反应光能→电能溶液组成不变，又称再生式光电化学电池光电合成半导体电极产电子-空穴对光能驱动化学反应应用：光解水制氢氧、固氮制氨、还原光伽伐尼电池光敏剂吸光活化，与电解质反应，产物分别在阴阳极反应光能→电能效率低；可加表面活性剂抑制逆反应膜的光电化学模仿生物膜制类脂双分子膜，加入光敏色素光能→化学能/电能模拟生物光合机制3光催化反应◆光催化剂多为半导体材料

TiO₂、ZnO、CdS、WO₃、BiOx、铁酸盐等◆核心原理光子（能量≥

禁带宽度）激发电子跃迁

产生强还原电子(e⁻)

和强氧化空穴(h⁺)，

二者作用于污染物实现降解或杀菌。

◆基本反应过程

吸收光子产生载流子，反应物吸附于

催化剂表面并与载流子作用，通过氧

化还原、表面吸附反应生成产物/副

产物。◆基本反应过程吸收光子产生载流子，反应物吸附于

催化剂表面并与载流子作用，通过氧

化还原、表面吸附反应生成产物/副

产物。◆应用8.2.2化学与电能1太阳能电池2燃料电池◆

本质电解水的逆反应，基于原电池电化学原理，完成

能量转化。◆

核心过程◆

核心过程◆

燃料电池三大核心组成部分★电极，电解质隔膜，外部电路（集电器）隔膜电路电极3电池储能技术

◆

主要是制备电池正负极材料和电解液4电化学合成与能源利用的结合发展趋势◆

开发绿色环保的电极材料和电解液配方，推动绿色环

保技术的发展8.2.3化学与热能

◆

热化学将热力学概念与化学键形式的能量概念结合起来，

基于拉瓦锡和拉普拉斯定律及Hess定律的恒热总和定律。8.2.4化学与其他能源8.3化学与土木◆

土木工程核心材料——水泥基材料（混凝土）和沥青8.3.1胶凝材料与水化反应◆

胶凝材料

通过物理或化学作用（尤其是与水反应）将松散的骨

料（砂石、石子等）胶结为整体、并形成坚硬固体的

材料。

◆

水化反应

“从粉末到强度”的化学核心。1硅酸盐水泥化学混凝土类型技术要点核心优势/修复机制适用场景高性能混凝土（HPC）添加粉煤灰、硅灰等矿物掺合料；配合聚羧酸系高效减水剂（减水率≥30%）；控制水灰比≤0.35降低水化热、提升耐久性；强度达C80~C100高层建筑、大跨度工程自修复混凝土掺入芽孢杆菌等微生物或内含修复剂的胶囊开裂后微生物遇水激活产碳酸钙/修复剂，实现自主愈合地下隧道、海底结构等难以维护工程3D打印混凝土优化配合比，添加触变剂，

具备“静置固态、搅拌流

体”特性，实现逐层打印大幅缩短施工周期景观雕塑◆

混凝土类型与特性2外加剂化学◆

减水剂类型减水剂适用场景优点缺点萘系减水剂15%-25%普通商品混凝土、桥梁价格适中、适应性强坍落度损失小（1小时内）聚羧酸系减水剂25%-40%高性能混凝土、高铁、超高层减水率高、坍落度损失慢价格较高、对砂石敏感脂肪族减水剂18%-25%冬季施工、有抗冻需求早期强度高、无锈蚀风险颜色较深（影响外观）木质素系减水剂5%-12%低成本混凝土、砂浆价格低廉、缓凝效果好减水率低、强度提升有限对比维度缓凝剂速凝剂核心功能延缓水化，保障施工加速硬化，紧急支护定义显著延缓水泥水化反应速率，大幅延长初凝（失去可塑性）与终凝(完全硬化)时间的化学助剂。急剧加快水泥水化反应速率，并快速产生早期强度的化学助剂。核心成分有机/无机化合物（柠檬酸、葡萄糖酸钠、磷酸盐等）强碱性化合物（铝酸钠、碳酸钠、硫酸铝等）注意事项/需与水泥、骨料充分混合，避免局部速凝不均核心作用解决“施工时间不足”问题解决“快速成型与紧急支护”问题

◆

缓凝剂/速凝剂

◆

缓凝剂/速凝剂

◆

引气剂

★定义

混凝土重要外加剂，核心是通过化学作用在

拌合物中引入直径

0.02~0.2mm、均匀分布

的微小封闭气泡。

★核心作用机理

引气剂多为表面活性物质，促进气泡生成；其亲水

基团会与水泥颗粒、骨料表面结合，在气泡周围形

成“保护膜”；同时气泡间的电荷斥力可防止其合

并变大，最终让气泡均匀分布在硬化混凝土内部，

形成“蜂窝状”封闭结构。

◆

引气剂★

核心功能与优势大幅提升混凝

土抗冻融循环能力，降低内部拉

应力，提升混凝土结构完整性。8.3.2材料的耐久性与腐蚀防护◆

钢筋锈蚀的电化学◆

防护措施★

阻锈剂★

涂层防护◆

土体加固与稳定（岩土工程）★

化学灌浆★

土壤稳定剂◆

土体加固与稳定（岩土工程）8.3.3防水、密封与粘结材料◆

防水材料◆

结构胶一类具有高强度粘接性能、优异力学稳定性及耐久性的胶粘剂。◆

密封胶是一类具备填充间隙、阻隔介质（如气体、液体、灰尘）及一定粘接能力的功能性胶粘剂，核心作用是在构件接缝或缝隙处形成连续、柔韧的密封层。◆

密封胶◆

粘结材料8.4化学与机械8.4.1工程材料类型1金属材料（1）度与韧性平衡（2）功能化改性2高分子材料（1）工程塑料的

精准设计（2）弹性体的

弹性调控3复合材料（1）纤维增强树脂基复合材料（2）金属基复合材料8.4.2表面工程与腐蚀控制1表面涂层◆

表面涂层物理气相沉积(PVD)/化学气相沉积(CVD)◆

化学镀转化膜通过化学浸泡，使金属表面与溶液发生原位反应，生成致密的氧化膜或磷酸盐膜，实现防腐蚀与增强附着力。

◆

电镀与化学镀通过电解或化学还原反应，在零件表

面沉积一层金属以增强耐腐蚀和耐磨性。★

镀锌防护：在钢铁零件表面电镀锌（通过Zn²⁺+2e⁻==Zn

的电解反应），锌优先氧化（牺牲阳极）保护钢铁。★

化学镀镍：在无外接电源下，通过Ni2+与次磷酸钠(还原剂)的反应，在表面沉积Ni-P合金镀层，用于液压泵的阀芯。

◆

电镀与化学镀通过电解或化学还原反应，在零件表

面沉积一层金属以增强耐腐蚀和耐磨性。2腐蚀防护◆

阴极保护★

牺牲阳极法在船体表面焊接Zn或Mg合金块（阳极），阳极优先氧化，船体作为阴极被保护，适用于海洋船舶。◆

阴极保护★

外加电流法在输油管道上连接负极，正极接惰性电极，通入直流电流，使管道电位低于腐蚀电位，抑制Fe的氧化，适用于长距离输油管道。◆

缓蚀剂缓蚀剂通过吸附或络合作用，覆盖金属表面的活性位点，阻断腐蚀反应。8.4.3摩擦润滑◆

机械运动中，摩擦磨损会导致能量损耗（占机械能耗

的30%）与零件失效，通过润滑剂设计与摩擦化学作

用，实现“减摩抗磨”。1润滑油◆

润滑油是由基础油

和添加剂两大部分

组成的，添加剂通

过吸附或化学反应

调控摩擦行为。10-30%1固体润滑剂◆

固体润滑剂依赖层状晶体结构或低表面能，适用于高

温、真空等极端环境。MoS28.4.4连接技术1化学在“可拆卸连接”中的防松与密封◆

螺纹防松◆

管螺纹密封2化学在“可拆卸连接”中的强度与兼容性◆

脱氧与

合金化◆

抗腐蚀

焊接8.4.5化学加工与制造1化学加工与制造的关键技术特点◆

性能调控的精准性可通过调整化学反应参数（如温度、浓度、催化剂）精

准控制材料性能。◆

复杂结构的适应性对“深孔、薄壁、微纳结构”或“大型曲面”零件，化

学加工（如蚀刻、化学镀）可实现“无死角”处理，避

免机械加工的“工具可达性”问题。◆

规模化与低成本多数化学加工（如高分子聚合、电镀）可实现连续化

生产，成本远低于精密机械加工。◆

环保与可持续挑战部分工艺会产生废水、废气，需配套环保处理技术。2化学加工典型工艺与应用◆

化学蚀刻

利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理，对高强度、

高硬度等难加工材料进行成型加工，是“反电镀”过程

◆

化学铣切（CHM）利用化学蚀刻液对零件暴露部分进行腐蚀溶解，从而

加工出特定形状。◆

电泳成型利用电场使胶体粒子（如陶瓷颗粒、高分子树脂）在

模具内定向沉积，形成致密的坯体，再烧结成型。3化学加工与制造的发展趋势◆地矿行业困境

资源短缺、环境约束8.5化学与地矿◆化学技术

分析矿石成分，到调控矿物加工生产，再

修复地质环境。

◆

地矿资源的分类

★

存在

状态

固态、液态、气态

性质与用途

金属、非金属、燃料（能源）矿产8.5.1

地矿资源的分类1固态矿物的化学成分与性质

◆

元素的种类、含量

及存在状态

决定矿产的利用价值

与开发方向。黄铁矿蓝宝石红宝石2石油的化学成分与性质◆

石油是一种重要的不可再生能源，其化学成分复杂，

主要由碳（C）和

氢（H）组成的烃类物质构成。柴油、机油等沥青8.5.2

天然气的化学成分与性质

◆

天然气以甲烷

为主，含乙烷、丙烷等重烃及少量杂质

气体。无色无味，易燃但爆炸极限范围有限，环保优势

显著。8.5.3化学技术在地矿勘探中的应用

◆

地矿勘探

是矿产资源开发的基础，目标是识别矿产类型、

确定储量与分布，化学技术为其提供核心支撑。如今化学

分析技术

已从传统实验室分析发展到现场快速检测和微观结构解析，推动勘探从“经验驱动”转向“数据驱动”。1矿物的分析

◆

矿石的物质组成是判断矿产类型、评估资源价值

的关键，

化学分析技术可实现对矿石中常量元素（如Si、Al、Fe、Ca等）与微量元素（如Au、Ag、Cu、Ni等）的精准测

定，为矿产勘探提供基础数据。原子吸收光谱与原子发射光谱电感耦合等离子体质谱法X射线荧光光谱

◆

矿物的仪器分析方法2现场快速检测技术

◆

基于化学原理的现场快速检测技术不断取得突破，

成功实现了勘探数据的实时

采集与获取。

★激光诱导击穿光谱技术

无需样品预处理，单次检测仅需几秒至几十秒，

可检测元素范围覆盖从Li到U的大部分元素。

★试纸法与试剂盒检测

操作简便、成本低廉8.5.4化学技术在矿产加工中的应用1选矿过程中的化学调控

◆

选矿的核心是利用矿物间物理化学性质的差异，实现

目的矿物与脉石矿物的分离。化学药剂（捕收剂、抑

制剂、起泡剂）的选择与调控是提高选矿效率的关键。抑制剂起泡剂2冶炼过程中的化学工艺应用

◆

湿法冶炼提取工艺湿法冶炼通过利用化学试剂（酸、

碱、盐溶液）与精矿反应，将金属元素溶解进入溶液，

再通过分离、提纯得到金属产品，具有能耗低、污染

小的优势。◆

生物冶炼提取工艺生物冶炼利用微生物（如氧化亚

铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌）的代谢，将矿物中的金属

元素转化为离子形态，适用于低品位、复杂难处理矿

的冶炼。◆

冶炼废水的化学处理技术化学沉淀法、螯合树脂吸

附技术8.5.5化学技术在地质环境治理中的应用

◆

传统大规模的矿产开发模式对生态环境造成了严重的

破坏，如土地塌陷、水体污染、大气污染等。1绿色开采2资源综合利用

◆

资源综合利用是地矿行业可持续发展的重要环节，

化学发挥关键作用。

◆

有色金属选矿中新型选矿药剂研发、工艺优化及

化学浸出技术，能提高矿石选矿回收率、分离效率

与纯度，实现低品位矿石的有效利用。

◆

尾矿处理方面化学深度处理可提取残留有价成分，

无害化处理能降低生态破坏，处理后的尾矿还可用于

制备水泥等材料，助力地矿行业循环经济体系构建。8.6化学与交通1金属材料8.6.1化学在交通工具制造中的应用

◆

化学不仅为交通提供了核心动力，还在材料革新、维修

养护、安全保障和环保升级

等领域发挥着不可替代的作

用，成为推动交通不断向前发展的隐形保障。​钢铁-火车轨道铝合金-航空材料2非金属材料碳纤维复合材料-飞机部件碳纤维复合材料-汽车轻量化橡胶3零部件材料

◆

发动机零部件的表面处理工艺，有效提高零部件的

表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性，延长零

部件的使用寿命。

1制动系统中的化学奥秘8.6.2化学在交通中的安全保障醇型制动液-蓖麻油和低碳醇矿物油型制动液-柴油馏分和稠化剂合成型制动液2安全防护材料的化学特性◆

阻燃材料的阻燃原理

隔绝氧气、冷却降温、中断链式反应和稀释可燃气体◆

阻燃材料的阻燃原理

隔绝氧气、冷却降温、中断链式反应和稀释可燃气体3防腐蚀技术中的化学应用腐蚀

◆

交通工具金属部件因长期暴露于复杂环境易受腐蚀，会

影响部件性能、使用寿命及交通工具的安全性和可靠性保护涂层1汽车尾气排放与净化8.6.3交通中的化学挑战与应对

◆汽车行业带来尾气污染问题，三元催化转化器作为

汽车排气系统的核心机外净化装置，通过

氧化还原反

应将尾气中有害气体转化为二氧化碳、水和氮气，

实

现尾气净化。尾气三元催化转化器-局部结构三元催化转化器-原理2电池回收与环保难题

◆

电动汽车电池回收的现状

缺乏统一的标准、回收渠道分散

◆

化学回收法核心原理

借助特定化学试剂的作用，将电池内部的有价成分(如

金属元素)从电极材料中溶解分离，通过化学反应和分

离过程，提取出金属元素。★

优势回收效率高、能够实现金属的高纯度回收​

不足成本增加、有二次污染风险8.6.4化学视角下的未来交通畅想

◆

氢能源汽车和太阳能汽车均展现出广阔的发展空间，

成为备受行业与社会关注的重点领域。​氢能源汽车太阳能汽车

◆

未来交通的绿色发展方向

持续加大对化学与交通

交叉领域的研究投入，鼓励创新，积极探索新的材

料、技术和应用。通过多学科的协同合作，推动交

通行业向绿色、智能、安全的方向持续发展。​8.7化学与环境8.7.1大气污染物◆

大气污染物按其存在形式可分为颗粒物质和气态物质

◆

环境问题大气污染、水体恶化、土壤退化、固体废

物堆积

◆

化学揭示污染物本质、开发治理技术，推动可持续

发展。通过分子层面的解析与反应机制研究，化学

为环境污染的源头控制、过程阻断和末端治理提供了

理论基础与技术路径。1硫氧化物

◆

SO2

可通过V2O5

催化氧化、与羟基自由基的光化学氧

化反应转化为SO3，SO3

再与水蒸气、氨气结合形成

硫酸盐气溶胶，成为PM2.5

的主要成分之一。◆

针对SOx

污染，工程控制技术已形成多维度治理体系

★以内蒙古为例，当地燃煤电厂SO2排放强度高达3.2g·(kWh)-1，包头钢铁集团采用氨法脱硫技术，

每年副产12万吨硫酸铵化肥，实现了硫资源的循

环利用。

然而，中小型燃煤锅炉的脱硫设施覆盖率

不足

40%，仍是区域污染治理的难点。

◆未来需进一步推广低成本、高效率

的

脱硫技术，并

强化多污染物协同控制策略。2氮氧化物NOx

◆

NOx

是大气污染的关键组分，主要包括NO

和NO2，

其生成、转化及环境影响与能源利用和工业活动紧密

相关。这类污染物主要来源于高温燃烧过程、工业生

产和机动车尾气排放。2氮氧化物NOx

◆

NOx

是大气污染的关键组分，主要包括NO

和NO2

2氮氧化物NOx

◆

NOx

是大气污染的关键组分，主要包括NO

和NO2

3大气中的综合性污染物-光化学烟雾

◆

光化学烟雾由氮氧化物

和

挥发性有机物(VOCs)

在

太阳紫外线作用下发生链式反应

形成的二次污染现象，

其标志性污染物为臭氧(O3

)、过氧乙酰硝酸酯（PAN）

及

醛类化合物。3大气中的综合性污染物-光化学烟雾

◆

光化学烟雾由氮氧化物

和

挥发性有机物(VOCs)

在

太阳紫外线作用下发生链式反应

形成的二次污染现象，

其标志性污染物为臭氧(O3

)、过氧乙酰硝酸酯（PAN）

及

醛类化合物。8.7.2水污染物

◆

水体污染物是由自然或人为活动引入水环境的化学、

生物或物理物质，其种类繁多且对生态系统和人类健

康构成多维威胁。

◆

根据污染物的化学性质与作用机制，可将水体污染物

分为：有机污染物、重金属、营养盐、病原体及新兴

污染物等类别。

★

各类污染物在环境中的迁移转化、

毒性效应及

控制技术

具有显著差异。1有机污染物

◆

微塑料通过塑料破碎、洗涤废水等途径进入水体，

全球海洋表层水微塑料丰度达1~10particles·m-3。2重金属污染

◆

水中无机重金属污染物（如Hg2+、Pb2+）通过配位

作

用破坏生物分子功能，其毒性机制与化学形态、迁移转

化特性密切相关。

◆

重金属污染防控技术未来发展方向3营养盐污染4病原体污染5新兴污染物8.7.3土壤污染物

◆

土壤污染物

指进入土壤后使土壤的正常功能遭到

破坏、土壤质量下降的物质。

★

农药残留

是现代农业带来的重大环境问题，其来

源包括杀虫剂、除草剂、杀菌剂

等化学品的过

量使用与不当处置。

◆

土壤污染物

农业残留——现代农业重大环境问题

8.8化学与生活◆

化学

作为一门基础科学，深刻渗透于人类日常生活

的各个层面。从牙膏到护肤品，从食物的保鲜到疾

病的治疗，化学无处不在，无声地提升着我们的生

生活质量和健康水平。合成洗涤剂塑料制品食品工业日用品医用行业食品包装：发育毒素、生殖毒素、

肝肾毒素

◆

建立

化学品

全生命周期管理体系，推广绿色化学合

成技术，成为平衡生活便利性与健康安全的关键路径。从设计阶段就避免使用危险物质，减少废物产生，提

高资源效率，实现

化学品的可持续管理。

8.8.1家居环境中的化学工程革命

◆

在家居环境化学工程

革命进程中，新型功能材料的

创新应用正重塑生活空间。

◆

智能调温相变材料（PCM）通过其独特的储热与释

热能力，在建筑节能领域展现出显著优势。这类材料

在相变过程中（如固态与液态的转换）吸收或释放

大量潜热