工程化学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、第二章第二章 物质化学组成和聚集状态物质化学组成和聚集状态工程化学基础1第1页本章内容提要物质是由原子、离子、分子等原子结合态组成,依据组成物质元素种类不一样,能够将物质分为无机物和有机物两大类。原子、分子及其结合态因其所处条件不一样,他们又可分成单质、简单化合物、配合物、高分子化合物、金属有机化合物等。在一定条件下,他们能够聚集成固体、液体和气体等宏观状态,表现出不一样性质、功效和用途。2第2页目录目录2.1 物质化学组成物质化学组成2.2 固固 体体2.3 液体和液晶液体和液晶2.4 气体和等离子体气体和等离子体3第3页2.1 物质化学组成物质化学组成 学学 习习 要要 求求 1联络实例,
2、了解配位化合物、高分子化合物组成中基本概念和命名标准,能写出一些常见配合物和高分子化学式。2认识物质化学组成复杂性,了解C60等团簇和Si:H,Fe3C等非整比化合物、不符合正常化合价规则物质存在及其工程应用。3认识金属有机化合物,比较MCC键和MOC键键能大小,了解其工程应用。4了解蛋白质、核酸等生物大分子化学组成,能分别写出23种碱基、氨基酸化学式,了解DNA、RNA、蛋白质在遗传信息传递过程中作用,了解生物大分子应用和开发前景。5联络实例,了解物质化学组成和结构是决定其性能和应用基础。4第4页物质实物场无机物有机物单质及简单化合物(氧化物、酸、碱、盐)复杂化合物(配合物、团簇、超分子)无
3、机高分子(无机固体材料等)简单化合物(烃及其衍生物、醇、醛、羧酸、酯等)有机高分子天然高分子(糖类、DNA、蛋白质等)合成高分子(合成塑料、橡胶、纤维)复杂化合物(超分子)金属有机物质分类5第5页配合物是以金属正离子(或中性原子)作为中心,有若干个负离子或中性分子按一定空间位置排列在其周围形成复杂化合物。处于配合物中心位置正离子或中性原子称为配位中心配位中心(中心体或形成体),也称中心离子中心离子或中心原子中心原子。按一定空间位置排列在配位中心周围负离子或中性分子称为配位体配位体,简称配体。中心离子和配位体之间靠配位键配位键结合。英语中称做:CoordinationCompound,意为“协同
4、化合物”或ComplexCompound,意为“复杂化合物”。译成“配合物”或“络合物”定义一、配位化合物6第6页Pt(NH3)4(NO2)ClCO3中心离子内界(配离子)外界K4PtCl6外界内界(配离子)配位体中心离子配位原子配位体概念说明7第7页配位化合物命名H2Zn(OH)2C12二氯二羟合锌()酸Na2MgY乙二胺四乙酸合镁()酸钠K4PtCl6六氯合铂()酸钾K2HgI4四碘合汞()酸钾Co(NH3)3(H2O)C12Cl氯化二氯一水三氨合钴()Cu(NH3)2(CH3COO)Cl氯化乙酸根二氨合铜()Cu(en)2SO4硫酸二乙二胺合铜()Co2(CO)8八羰合二钴(0)Cr(C
5、6H6)2二苯合铬(0)8第8页CaY2配离子多齿配体与螯合物 复杂多元有机酸根、多元胺等经常含有两个或两个以上配位原子,它们作为配位体时称为多多齿配体齿配体。多齿配体与中心离子形成含有环状结构配合物又称螯合物螯合物,螯合物稳定性很强。9第9页反式-二氯二氨合铂()顺式-二氯二氨合铂()比如含有抗癌活性无活性。配合物结构与性能螯合物稳定性很强是因为螯合效应结果。即多齿配体与中心离子形成了环状结构。结构对配合物性质有很大影响。含有相同化学组成配合物往往有不一样空间结构,并表现出不一样性能。10第10页团簇是指由几个至上千个原子、分子或其结合态粒子聚集而形成相对稳定介观聚集体。它研究在20世纪80
6、年代后快速发展。团簇空间尺度在纳米(109m)量级左右。有金属簇,如Lin,Cun,Hgn;非金属簇,如Cn,Nn,Arn;分子簇,如(H2O)n,(NaCl)n 等。团簇结构、性能与所含原子、分子或其结合态粒子数亲密相关,它物理和化学性质不一样于单个原子或分子,也不一样于常规固体和液体。比如,常规Fe、Co、Ni等是铁磁性,但它们团簇能够是超顺磁性;常规顺磁性Na、K等团簇却是铁磁性。团簇是许多纳米材料基础。二、团簇二、团簇11第11页图2-2金刚石、石墨、C60结构示意图(c)C60黄色为双键红色为单键在大量团簇中,研究最多是碳团簇,原子数为20,24,28,32,36,50,60,70,
7、84,120稳定性较高,其中C60丰度最高,C70次之。C60是1985年发觉。以C60作为结构基元而形成C60固体是除石墨、金刚石外,碳又一个同素异形体。(a)金刚石(b)石墨碳团簇12第12页球碳团簇及其衍生物在超导电性、半导体、非线性光学等方面含有奇异性能,K3C60、Rb3C60、Rb2CsC60、Rb2.7Tl2.2C60和RbTl2C60超导转变温度分别为18K、30K、31.3K、45K和48K。球碳团簇在高新技术领域含有辽阔应用前景,美国化学家SmalleyR.E.,CurlR.F.和英国化学家KrotoH.W.因对开拓这个新领域贡献荣获1996年诺贝尔化学奖。CsC60H.W
8、.克鲁托HaroldW.KrotoR.E.史沫莱RichardE.SmalleyR.F.柯尔RobertF.Curl图2.发觉C60三位科学家13第13页碳纳米管除球形C60等碳团簇外,还有1991年发觉碳纳米管(如图2-3),也称“布基管”,以及结构类似洋葱“布基葱”。碳纳米管是一个由单层或多层石墨卷成纳米微管,多层碳管各层之间间隔为石墨层间距。碳管两头能够是空,也可被半个C60或更大球碳所封闭。外部直径只有几到几十纳米。这么材料很轻,但很坚固。它密度是钢1/6,而强度却是钢100倍。用这么轻而柔软、又非常坚固材料做防弹背心是最好不过了。假如用碳纳米管做绳索,是唯一能够从月球挂到地球表面,而
9、不被本身重量所拉断绳索。中国科学院纳米科技网图2-3碳纳米管结构示意图14第14页 碳纳米管能够是不一样禁带宽度半导体,也能够是准一维导体。碳纳米管能够用于未来电子工业制造电子器件和超薄导线,使电子芯片集成度更高,体积更小。纳米碳管细尖极易发射电子。用于做电子枪,可做成几厘米厚壁挂式电视屏,这是电视制造业发展方向。碳纳米管潜在应用前景15第15页固体中含有各种原子,其结合态组成和结构十分复杂,如:将其组成约简后,其原子数目不成整数比,这类化合物称为非整比化合物。金属间化合物碳化物Fe3C,Mn7C3氮化物Fe2N,Fe4N等,其中各元素均不符合正常化合价规则。又如:LaH2.76,Fe1x O
10、,Sn1+xO2,PbO1.88等物质三、非整比化合物16第16页其中有阳离子过剩(或阴离子短缺)化合物,如Zn1+x O,NaCl1x;以及由混杂缺点产生非整比化合物,如Na12xCaxCl,Ca1xYx F2+x,Zr1x Ca xO2x,Lix Si1x AlO2等。然而它们是稳定存在物质,在常温下多为固体。究其原因是晶体中存在着缺点。也有阳离子短缺(或阴离子过剩)化合物,如Cd1xS,UO2+x;17第17页非整比化合物等在材料中十分主要,能够控制或改进无机固体材料光、电、声、磁、热、力学等性质。GaAs1x Px是制发光二极管材料,它能够发出从红光到绿光各种颜色光;彩色电视发光材料用
11、红粉、绿粉和蓝粉其组成也是非整比化合物。Y2O2S:Eu3+,Y2O2S:Tb3+,(Ca,Sr)10(PO4)6C12:Eu3+“黑漆”古铜镜耐磨是因为其表面形成了一层非整比化合物:Sn1-xCuxO2比如:碳化物、氮化物在钢材中能有效地提升钢材硬度;18第18页依据不一样显示器件对显示技术要求,科润光电推出了阴极射线与投影管(CRT)发光材料、半导体二极管(LED)发光材料、场发射(FED)发光材料、低压荧光屏(VFD)发光材料、等离子体(PDP)发光材料、X射线发光材料等显示器件发光材料,并适应背投电视蓬勃发展市场情况,建设了红、蓝、绿投影管专用发光材料生产线。上述各类材料体系可依据用户
12、不一样用途及要求选择合成,发光颜色主体为红、蓝、绿等过渡色。上海科润光电材料有限企业PhosphorsforDisplay显示器件发光材料19第19页非晶氢化硅SiH是信息、电子工业中经惯用到半导体材料,其中表示非晶态,Si表示硅,“”表示掺人和掺入量不确定,H表示氢。(Co0.90Fe0.06Ni0.02Nb0.02)78Si22x Bx 是用于录音磁头一类合金组成;(GdCo,GdFe)是用于计算机储存元件一个非晶态材料;Yn Ba2Cum O78:La1nLim3是性能很好高温超导体;Ba0.88Pb0.88Ca0.04TiO3陶瓷广泛用于超声加工声纳、水听器等;Pb1x Lax(Zry
13、 Ti1y)1x/4O3是压电陶瓷;Ti50Ni是钛镍形状记忆合金;20第20页 非整比化合物(不定组成)与整比化合物(定组成)(水,二氧化碳等)是一对矛盾,他们代表着物质形成两种方式,各自发挥着自己作用。21第21页由金属原子和有机基团中碳原子键合而成,含金属碳键(MC)化合物称金属有机化合物,如(C2H5)2Zn、C6H5Ti(OC3H7)3、(C2H5)4Pb、RMgX(R为烷基,X为卤素)。金属有机化合物大致分三类:(1)离子型化合物(2)键化合物(3)非经典键化合物如:Cr(C6H6)2、Fe(C5H5)2(二茂铁)、K+(PdCl3CH2=CH2);四、金属有机化合物四、金属有机化
14、合物22第22页(1)离子型化合物。碱金属和碱土金属所形成烃基化合物多为离子型,其通式为RM,R2M,含有离子化合物经典特征,能够看作烃R-H盐类。它们普通不溶于烃类溶剂,含有异乎寻常反应活性,对空气敏感,遇水猛烈水解。(2)键化合物。第IIIAVIIA族和第IB、IIB族元素与有机基团主要以共价键结合形成化合物,如R2Hg,(C2H5)4Pb,(CH3)3SnCl等。含有挥发性,对空气稳定,普通溶于非极性溶剂。(3)非经典键化合物。包含由过渡元素与不饱和基团经过金属轨道和电子之间相互作用而生成配合物,如Cr(C6H6)2、Fe(C5H5)2(二茂铁)、K+(PdCl3CH2=CH2);过渡元
15、素与羰基等配合形成同时含键和键金属有机化合物,如羰基金属M(CO)n。23第23页另外,还有多中心键型金属有机化合物,如含桥连烷基Al(CH3)2C6H52、Be(CH3)2n,多核羰基金属Mx(CO)y等。实际上,周期表中除惰性气体以外绝大多数元素都能够与有机基团中碳以各种方式结合,硼、磷、砷和硅等有机化合物普通也包含在金属有机化合物范围之内;对过渡金属,可形成MO、MS、MP或MN键,如Pd(PPh3)4(Ph指苯基)、Al(OC3H7)3等,也常划为金属有机化合物。所以金属有机范围在不停扩大,也说明科学和人认识都是不停发展。24第24页金属有机化合物是电子、光学、磁性等功效材料、超纯材料
16、和精细陶瓷等许多工业加工中主要物质基础。金属镍粉与CO反应得到液态Ni(CO)4,在稍高温度下分解便得到纯镍。金属有机化合物应用实例25第25页过渡金属有机化合物中,MC键不是经典离子键,键能普通小于CC键,轻易在MC处断裂。这广泛用于化学气相沉积(ChemicalVaporDeposit,CVD),能沉积成高附着性金属膜。比如三丁基铝A1(C4H9)3和三异丙基苯铬CrC6H4CH(CH3)23热分解,分别得到金属铝膜和铬膜。在金属烷氧基化合物中,试验证实CO键较MO键要弱,所以易在CO键处断裂,沉积出金属氧化物:2Al(OC3H7)3Al2O36C3H63H2O420Si(OC2H5)4S
17、iO2H2OCH(碳氢化合物)700化学气相沉积26第26页现有没有机物现有没有机物 金属有机化合物桥梁作用27第27页高分子化合物,简称高分子,又称高聚物,它相对分子质量高达几千甚至几百万。有没有机高分子和有机高分子之分,这里讨论有机高分子。有机高分子中有纤维素、蛋白质、淀粉、木质素等天然高分子和有机小分子聚合而成合成高分子。工程应用中多为合成高分子。世界上第一个合成高分子是19诞生酚醛树脂。五、高分子化合物28第28页比如:聚氯乙烯分子是由许多氯乙烯加聚结合而成:单体链节多分散性:高分子化合物相对分子质量大小不等现象简写:聚合物聚合聚合度加成聚合加成聚合与缩合聚合缩合聚合29第29页n H
18、2N(CH2)6NH2己二酸己二胺n HOOC(CH2)4COOH+(2n1)H2O聚酰胺66或尼龙66nOH+又如,聚酰胺66(尼龙66)由己二胺和己二酸为单体经过缩聚反应制得:H NH(CH2)6NH CO(CH2)4CO它聚合度为2n聚合度是以链节数来计量在聚酰胺化学式中,名称后第一个数字“6”指二元胺碳原子数,第二个数字“6”指二元酸碳原子数。30第30页碳链高分子化合物碳链高分子化合物主链中均是CC键主链中引入了O,N等杂元素,不但有CC键,还有CO,CN键,杂链高分子化合物杂链高分子化合物主链中仅含有Si,P,O等元素而没有C原子元素有机高分子化合物元素有机高分子化合物高分子化合物
19、分类高分子化合物分类31第31页表表2.1 一些高分子化合物及其单体一些高分子化合物及其单体名名 称称化化 学学 式式单单 体体聚乙烯CH2CH2聚丙烯CH3CHCH2聚氯乙烯ClCHCH2聚苯乙烯聚四氟乙烯CF2CF2聚异戊二烯CH2CCHCH2CH332第32页名名 称称化化 学学 式式单单 体体聚酰胺H2N(CH2)6NH2HOOC(CH2)4COOH聚甲基丙烯酸甲酯聚环氧乙烷聚丙烯腈CH2CHCNNH(CH2)5C=OCH2CCOOCH3CH3CH2CH2O33第33页名名 称称化化 学学 式式单单 体体聚丙烯酰胺聚对苯二甲酸乙二(醇)酯HOCH2CH2OH酚醛树脂HCHO,聚二甲基硅
20、氧烷34第34页名名 称称ABS化学式化学式单单 体体CH2CHCN,CH2CHCHCH2,35第35页高分子化合物命名(4)有时还以高分子化合物主要用途或最初用途表示命名,属习惯名称或商品名称,如乙烯-丙烯共聚物称乙丙橡胶,聚酰胺高聚物称尼龙或锦纶。归纳起来普通有以下几个情况:(1)在单体或组成特征前面加“聚”(Po1y-),表示高分子化合物是经过聚合反应得到,如聚乙烯、聚酰胺等。(2)在单体后面加“树脂”,曾表示树上流出脂,多为天然高分子化合物,现在也将一些合成高分子化合物称作“树脂”,如酚醛树脂,脲醛树脂,环氧树脂,聚氯乙烯树脂等。(3)英文缩写,如ABS是以其单体丙烯腈(Acrylon
21、itrile)、丁二烯(Butadiene)和苯乙烯(Styrene)英文名称第一个字母大写组合来表示;PE是聚乙烯(Polyethylene)英文缩写36第36页表2.2一些常见高分子化合物名称高分子材料化学名称习惯名称或商品名称英文名称英文缩写塑料聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯聚苯乙烯丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物聚乙烯,乙纶聚丙烯,丙纶聚氯乙烯,氯纶聚苯乙烯腈丁苯共聚物PolyethylenePolypropylenePoly(vinylchloride)PolystyreneAcrylonitrile-butadiene-styrenecopolymerPEPPPVCPSABS纤维聚对苯二甲酸乙二(醇
22、)酯聚己二酰己二胺聚丙烯腈聚乙烯醇缩乙醛涤纶,确实良锦纶66或尼龙66腈纶维纶Poly(ethyleneterephthalate)Poly(hexamethyleneadipamide),PolyacrylonitrilePoly(vinylacetal)PETPPAPANPVA橡胶丁二烯苯乙烯共聚物顺聚丁二烯顺聚异戊二烯乙烯丙烯共聚物丁苯橡胶顺丁橡胶异戊橡胶乙丙橡胶Butadiene-styrenerubbercis-1,4-Polybutadienerubbercis-1,4-PolyisoprenerubberEthylene-propylenerubberSBRBRIREPR37第3
23、7页 组成生命物质种类很多,有脂、维生素、激素、血红素、叶绿素等生物小分子,有蛋白质、核酸、糖类等生物大分子。蛋白质分子是一条或多条多肽链组成生物大分子,相对分子质量可从一万到数百万。多肽链由氨基酸经过肽键(酰胺键,CONH)共价连接而成,各种多肽链都有自己特定氨基酸次序。1蛋白质六、生物大分子38第38页图2-4L-和D-构型-氨基酸L-构型D-构型人体细胞含有3000至10000种以上蛋白质,人体蛋白质由20种氨基酸组成。除脯氨酸外,其它19种均是-碳上有一个氨基(NH2)有机羧酸(-氨基酸),结构通式为RCH(NH2)COOH,R是每种氨基酸特征基团。最简单氨基酸是甘氨酸,其中R基是一个
24、H原子。按R基组成不一样,氨基酸可分为脂肪族、芳香族和杂环族三类;按R基极性不一样,氨基酸又可分为非极性R基氨基酸和极性R基氨基酸。氨基酸39第39页序号汉字名称英文缩写R基团结构1甘氨酸Gly(G)2丙氨酸Ala(A)3丝氨酸Ser(S)4半胱氨酸Cys5苏氨酸*Thr(T)CH(OH)CH36缬氨酸*Val(V)CH(CH3)27亮氨酸*Leu(L)CH2CH(CH3)28异亮氨酸*Ile(I)CH(CH3)CH2CH39蛋氨酸*MetCH2CH2SCH310赖氨酸*LysCH2CH2CH2CH2NH2表表2.3 20 种氨基酸种氨基酸名称和结构名称和结构40第40页序号汉字名称英文缩写R
25、基团结构11色氨酸*Trp12酪氨酸Tyr13天冬氨酸Asp14天冬酰胺Asn15苯丙氨酸*Phe(F)16精氨酸*Arg17谷氨酸Glu18谷氨酰胺Gln19组氨酸*His20脯氨酸PrO(P)续表表中带*者为人体必需氨基酸41第41页除甘氨酸外,其余19种氨基酸-碳原子都与4个不相同基团相连。这种结构化合物在空间有两种不一样排布:这两种不一样排布化合物不能重合,它们之间关系就象实物和镜像、左手和右手关系:手性分子42第42页生物界10101012数量级蛋白质种类中,有些完全由氨基酸组成,这是简单蛋白质简单蛋白质;有些除蛋白质外,还有被称为辅基或配基非蛋白质成份,这是结合蛋白质结合蛋白质。4
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