《科学与技术》第三章重点内容 第三章现代化学与新材料技术 一、内容提要 本章第一节是从化学发展的历史说起，介绍现代化学研究的内容和化学分析基础知识： 第二节介绍一些传统材料特性及其应用：第三节介绍新材料技术。 二，重点内容 1、现代化学的形成 16世纪末至17世纪初，化学理论逐渐建这，英国化学家和物理学家被义耳，提出了科 学的元素新概多，把化学确立为一门实验科学。法国化学家拉瓦锡的氧化说，英国化学家和 物理学家道尔领的科学原子说，意大利化学家阿佛加德罗的分子假说，俄国化学家门捷列夫 在1奶9年发现的元素周期律，以及一系列有关物质变化定量规律，如质量守恒定律，当量 定律被发现，使化学研究从个别的，零散的和无规律的事实罗列中摆脱出米，近代化学科学 逐渐形成了包括：近代无机化学、近代有机化学、近代分析化学和近代物理化学四大塑立的 分支科学体系。 二十世纪初，物理学科的新发现和新技术特别是相对论和量子力学为现代化学进一步发 展概念和定量描述提供了理论依据。将化孕和整个白然科学的研究，挫进到更深的层次上： 化学分支不断涌现，化学朝着深、细、精，多学料、综合化的方向发展。与此月时，现代化 学工业的篷替发展，化学工业和产品，在人类生活和经济活动中具有越来越重要的地位和作 用，如化肥增产，使农业丰收：化学工业的发展，使新材料层出不另。特别是20世纪20 年代以后出现的有机合成工业的发展，更加丰富了现代人们的生活。 2,什么是现代化学研究的特点？ 现代化学有如下特点： ①研究层面由宏观向微观发展： ②研究方法由定性向定量发展：
《科学与技术》第三章重点内容 第三章 现代化学与新材料技术 一、内容提要 本章第一节是从化学发展的历史说起，介绍现代化学研究的内容和化学分析基础知识； 第二节介绍一些传统材料特性及其应用；第三节介绍新材料技术。 二、重点内容 1、 现代化学的形成 16 世纪末至 17 世纪初，化学理论逐渐建立，英国化学家和物理学家波义耳，提出了科 学的元素新概念，把化学确立为一门实验科学。法国化学家拉瓦锡的氧化说，英国化学家和 物理学家道尔顿的科学原子说，意大利化学家阿佛加德罗的分子假说，俄国化学家门捷列夫 在 1869 年发现的元素周期律，以及一系列有关物质变化定量规律，如质量守恒定律，当量 定律被发现，使化学研究从个别的、零散的和无规律的事实罗列中摆脱出来，近代化学科学 逐渐形成了包括：近代无机化学、近代有机化学、近代分析化学和近代物理化学四大独立的 分支科学体系。 二十世纪初，物理学科的新发现和新技术特别是相对论和量子力学为现代化学进一步发 展概念和定量描述提供了理论依据，将化学和整个自然科学的研究，推进到更深的层次上。 化学分支不断涌现，化学朝着深、细、精，多学科、综合化的方向发展。与此同时，现代化 学工业的蓬勃发展，化学工业和产品，在人类生活和经济活动中具有越来越重要的地位和作 用，如化肥增产，使农业丰收；化学工业的发展，使新材料层出不穷。特别是 20 世纪 20 年代以后出现的有机合成工业的发展，更加丰富了现代人们的生活。 2、什么是现代化学研究的特点？ 现代化学有如下特点： ①研究层面由宏观向微观发展； ②研究方法由定性向定量发展；
研究对象由静态向动态发展： ④)研究结果由描述性向裤理性发展。 这些特点表明了现代化学总的发展趋势是既高度分化又高度综合，现代化学一方面，从 自身产生了很多新的学料分支，如：无机固体化学、配合物化学、分子动力学等。另一方面， 又与其他自燃科学相互渗透交叉，形成一系列新的边缘学科。如：生物化学、地球化学、环 境化学等。 3、现代化学研究的内容有哪些？ 现代化学研究的内容可以归纳为三个方面：第一是深入研究化学反应理论，开发化学反 应过程来拥示化学反应的实质，进而设计最佳的化学反应过程。第二是提高结构力量水平， 致力于寻找或设计最需要，最佳的化合物材料成体系。第三，发展分析和测试新方法。依靠 计算机技术及多学科棕合，使化学研究信息趋于更高的灵敏性和可靠性，为高科技发展创透 新分子。为社会需要合成特定性能的材料和物质。 4、什么是现代化学分析技术？ 现代化学分析技术可分成为基础化学分析和仪器分析两大类。 基础化学分析是在近代建立的一门研究物质化学组成的科学，它有两大任务，一是定性 分析，二是定量分析，定性分析的任务是确定被测物质是由哪些组分组成的。定量分析的任 务是在定性分析的基础上，确定各种组分的相对含量，它分为经典化学分析法和仪器分析法 两大类。 常用经奥定量分析法有重量分析法和容量分析法或滴定分析法。 仪器分析法是现代发展起来的一种分析方法，它局大多要借助一定的仪器设备物质 的物理或物理化学的性质，米决定某种组分的方法，又称为物理化学分析法或物理分析法。 常用的有光谱分析法、色谱法、电化学分析法、质潜分析法、核磁共振波游分析法等5种。 5,金属与金属材料有哪些特性？ 目前，我们己知的元素有1的种，其中金隔有87种。除表以外，所有金属都是固体。 金属具有“自由电子“，它在金属品体中能自由流动。我们熟知的金属具有特殊的金属
③研究对象由静态向动态发展； ④研究结果由描述性向推理性发展。 这些特点表明了现代化学总的发展趋势是既高度分化又高度综合。现代化学一方面，从 自身产生了很多新的学科分支，如：无机固体化学、配合物化学、分子动力学等。另一方面， 又与其他自然科学相互渗透交叉，形成一系列新的边缘学科，如：生物化学、地球化学、环 境化学等。 3、现代化学研究的内容有哪些？ 现代化学研究的内容可以归纳为三个方面：第一是深入研究化学反应理论，开发化学反 应过程来揭示化学反应的实质，进而设计最佳的化学反应过程。第二是提高结构力量水平， 致力于寻找或设计最需要、最佳的化合物材料或体系。第三，发展分析和测试新方法，依靠 计算机技术及多学科综合，使化学研究信息趋于更高的灵敏性和可靠性，为高科技发展创造 新分子，为社会需要合成特定性能的材料和物质。 4、什么是现代化学分析技术？ 现代化学分析技术可分成为基础化学分析和仪器分析两大类。 基础化学分析是在近代建立的一门研究物质化学组成的科学，它有两大任务，一是定性 分析，二是定量分析。定性分析的任务是确定被测物质是由哪些组分组成的。定量分析的任 务是在定性分析的基础上，确定各种组分的相对含量。它分为经典化学分析法和仪器分析法 两大类。 常用经典定量分析法有重量分析法和容量分析法或滴定分析法。 仪器分析法是现代发展起来的一种分析方法，它是大多要借助一定的仪器设备物质 的物理或物理化学的性质，来决定某种组分的方法，又称为物理化学分析法或物理分析法。 常用的有光谱分析法、色谱法、电化学分析法、质谱分析法、核磁共振波谱分析法等 5 种。 5、金属与金属材料有哪些特性？ 目前，我们已知的元素有 109 种，其中金属有 87 种。除汞以外，所有金属都是固体。 金属具有“自由电子”，它在金属晶体中能自由流动。我们熟知的金属具有特殊的金属
光泽，是热和电的良导体等性质，很大程度上与金属品体结构有白由电子有关。如！白由电 子能吸牧可见光，然后又反射出大部分规率的光，使金属显示特有光泽。自由电子在外电场 的作用下，作定向葡动，形成电流，这就是金属导电的原因。自由电子受热后，能量增大， 运动速度也加大，它与金属离子碰撞而传遥能量，从面使金属具有良好的导热性等。 在治金工业上，我们把金届分为两大类。一类为黑色金属，指铁、铬、锰及其合金。另 一类为有色金属，除去黑色金属之外其他金属都是有色金属。 金属是人类历史上使用最早的材料之一，直到20世纪中叶，金属材料也一直在材料中 占绝对优势。因为金属材韩有如下的优势：《1)几千年以来有一套成熟的生产技术和晓大的 生产能力，如钢铁工业。(2)金属有许多优良的理化性能。形成其能材料不能完全替代的使 用优势，如：比购瓷高得多的初性，極性和导电性等。(3》近、现代高新技术创新，产生出 许多新的金属材料，如优质钢、高强度钢、各种合金和新金属材料等。 目前，人们生产和生活应用最多的金属材料仍是钢铁、铜和铝。 6、非金属与非金属材料有哪些特性？ 目前，我们已知的非金属元素，共2种。除氯以外，它们的原子最外层的价电子为3 一7个，它们大多在化学反应中领向于得到电子而显示氧化性。非金属元素形成单质主要有 两种情况，一种是分子品体，另一种是原子品体。它们显示的性质各异，如分子品体常沸 较低，而原子品体第沸点较高等等。 丰金属材料有： 《1)玻璃。腹璃是一种无定型硅限盐混合物。人们利用玻离制造成各种各样的器皿、 艺术品。玻璃是建筑业最基本的材料之一，它不仅可以用于采光、隔热，而且也可用于 装饰。 (2)水泥，水泥是建筑行业大量应用的硅酸盐材料。 (3)陶瓷。生产侧瓷的原料有天然矿物原料和通过化学方法制备的化工原料二种。天 然矿物原料主要是粘土，主要化学成分是水合硅酸相类，陶瓷是一种重要的材料，用于工业， 建筑、生活等，如室内装饰增地砖、卫浴用品、兼具、器Ⅲ。据考吉发现。我国10000年前
光泽、是热和电的良导体等性质，很大程度上与金属晶体结构有自由电子有关。如：自由电 子能吸收可见光，然后又反射出大部分频率的光，使金属显示特有光泽。自由电子在外电场 的作用下，作定向流动，形成电流，这就是金属导电的原因。自由电子受热后，能量增大， 运动速度也加大，它与金属离子碰撞而传递能量，从而使金属具有良好的导热性等。 在冶金工业上，我们把金属分为两大类。一类为黑色金属，指铁、铬、锰及其合金。另 一类为有色金属，除去黑色金属之外其他金属都是有色金属。 金属是人类历史上使用最早的材料之一，直到 20 世纪中叶，金属材料也一直在材料中 占绝对优势。因为金属材料有如下的优势：（1）几千年以来有一套成熟的生产技术和庞大的 生产能力，如钢铁工业。（2）金属有许多优良的理化性能，形成其他材料不能完全替代的使 用优势，如：比陶瓷高得多的韧性，磁性和导电性等。（3）近、现代高新技术创新，产生出 许多新的金属材料，如优质钢、高强度钢、各种合金和新金属材料等。 目前，人们生产和生活应用最多的金属材料仍是钢铁、铜和铝。 6、非金属与非金属材料有哪些特性？ 目前，我们已知的非金属元素，共 22 种。除氢以外，它们的原子最外层的价电子为 3 —7 个，它们大多在化学反应中倾向于得到电子而显示氧化性。非金属元素形成单质主要有 两种情况，一种是分子晶体，另一种是原子晶体。它们显示的性质各异，如分子晶体熔沸 较低，而原子晶体熔沸点较高等等。 非金属材料有： （1）玻璃。玻璃是一种无定型硅酸盐混合物。人们利用玻璃制造成各种各样的器皿、 艺术品。玻璃是建筑业最基本的材料之一，它不仅可以用于采光、隔热，而且也可用于 装饰。 （2）水泥。水泥是建筑行业大量应用的硅酸盐材料。 （3）陶瓷。生产陶瓷的原料有天然矿物原料和通过化学方法制备的化工原料二种。天 然矿物原料主要是粘土，主要化学成分是水合硅酸铝类。陶瓷是一种重要的材料，用于工业、 建筑、生活等，如室内装饰墙地砖、卫浴用品、茶具、器皿。据考古发现。我国 10000 年前
己有侧器，00年前商代己有即始瓷器，我国古代陶瓷制品是我围灿烂文化的一部分。 7、有机化合物和有机高分子材料 有机物的种类很多，结构各不同，因面性质也各异，们一般地，有机物具有如下共性： ①通常情况下，有机物的熔、沸点较低，常以气体，低沸点的液体或低堵点的固体存在 ②大多有机物难溶于水，易溶于有机溶剂，符合化学上“相似相溶”原理。 ③绝大多数有机物具有热不稳定性，受热易分解，还校容易燃烧，侧烧后，有机分子中 的碳、氢、氧、硫，最终的产物为二氧化碳、水、二氧化硫等， 有机化高分子化合物的平均分子量比一般的化合物大很多，它们的分子量大约在儿万到 几十万之间。天燃存在的有机高分子化合物有蚕性、羊毛、纤推素等，它们银早就在为 人类服务了。人工方法合成的有机高分子化合物中。人门广泛应用的是夏料，合成纤推、合 成橡胶等。 8,现代新材料技术 20世纪50年代以来，科学技术的突飞延进，新材料研究异常活跃。新材料技术是高 新技术的一部分，又时刻为高新技术服务。作为新材料技术具有以下的特点：①它是知识密 集，资金密集的新兴产业。，②它与高新技术发展关系密切：相互促进，相互依赖。@新村料 是高新技术发展必要的物质基留，也是当代高新技术革命的先导。④新材料技术还是社会生 产力发展水平和技术进步的标志。 观代新材料主要有以下几种： (1)新金属材料 超导材料，稀土材料，形状记忆合金，贮氢合金，品态合金 在一定条件下，能导致导电材料的电阻趋近于零的现象，称为“超导现象”。能产生电 阻趋近于零现象的材料，称为“超导材料”。汞是最早发现的超导材料，但它在常盟下是一
已有陶器，3000 年前商代已有原始瓷器，我国古代陶瓷制品是我国灿烂文化的一部分。 7、有机化合物和有机高分子材料 有机物的种类很多，结构各不同，因而性质也各异，但一般地，有机物具有如下共性： ①通常情况下，有机物的熔、沸点较低，常以气体，低沸点的液体或低熔点的固体存在 ②大多有机物难溶于水，易溶于有机溶剂，符合化学上“相似相溶”原理。 ③绝大多数有机物具有热不稳定性，受热易分解，还较容易燃烧，燃烧后，有机分子中 的碳、氢、氧、硫，最终的产物为二氧化碳、水、二氧化硫等。 有机化高分子化合物的平均分子量比一般的化合物大很多，它们的分子量大约在几万到 几十万之间。天然存在的有机高分子化合物有蚕丝、羊毛、纤维素等，它们很早就在为 人类服务了。人工方法合成的有机高分子化合物中，人们广泛应用的是塑料、合成纤维、合 成橡胶等。 8、现代新材料技术 20 世纪 50 年代以来，科学技术的突飞猛进，新材料研究异常活跃。新材料技术既是高 新技术的一部分，又时刻为高新技术服务。作为新材料技术具有以下的特点：①它是知识密 集、资金密集的新兴产业。②它与高新技术发展关系密切，相互促进、相互依赖。③新材料 是高新技术发展必要的物质基础，也是当代高新技术革命的先导。④新材料技术还是社会生 产力发展水平和技术进步的标志。 现代新材料主要有以下几种： （1）新金属材料 超导材料，稀土材料，形状记忆合金，贮氢合金，非晶态合金。 在一定条件下，能导致导电材料的电阻趋近于零的现象，称为“超导现象”。能产生电 阻趋近于零现象的材料，称为“超导材料”。汞是最早发现的超导材料，但它在常温下是一
种液体，因而，无法作为结构和功修材料。人们经过不懈的力，在0世纪60年代初，开 始陆续发现了几百种超导材料。超导材料是最理想的输电线材料，它能实现电能的远距离、 高电流密度的无损输透。 形状记忆合金具有“记忆”过去形状的功能，故称其为形状记忆材料。迄今为止，已发 现形状记忆合金有多种。形状记忆合金主要应用于紧固件，如“智能”型卿钉，外科各种骨 整形和断骨的接骨板，齿科用的矫齿丝。形状记忆合金还可制成火突自动报警器和自动灭火 器和航天飞机的抛物而形通讯卫星天线等。 (2)无机非金属材料 新型陶瓷。特种无机徐层材料。 (3)新型有机高分子材料 高性能服料，特种纤维转种橡敢。其它功能高分子材料如高分子分离限、导电高分子材 料等等。 (4)特殊功能的复合材料 玻璃钢，碳纤维增强树酯复合材料，聚合物基、金属基和刚瓷基复合材料 (5)钠米材料 钠米材料是当今材料料学研究中的热点之一。钠米(m)实际上是一个长度单位，纳 米是1米的十亿分之一，即1钠米-109米。纳米是一个非常小的空阿尺度。钠米材料就是 用特殊的方法将材料颜粒面工到钠米级《109米)。再用这种超图微范子制造人门需要的材 料。 目前，纳米材料有四种类型：钠米颗粒、钠米骤管和纳米线、的米薄膜和钠米块材。钠 米材料具有较大的比表面，在结构中的键老严重失配，产生了许多活动中心，因而，钠米材 料有很强的吸附能力。小尺寸效应使其理化性能发生改变，并出现与常规材料不同的新的特 征。 钠米材料显示了广泛的应用前景，例如：利用钠米材料制成照记录介质材料广泛应用于
种液体，因而，无法作为结构和功能材料。人们经过不懈的努力，在 20 世纪 60 年代初，开 始陆续发现了几百种超导材料。超导材料是最理想的输电线材料，它能实现电能的远距离、 高电流密度的无损输送。 形状记忆合金具有“记忆”过去形状的功能，故称其为形状记忆材料。迄今为止，已发 现形状记忆合金有多种。形状记忆合金主要应用于紧固件，如“智能”型铆钉，外科各种骨 整形和断骨的接骨板，齿科用的矫齿丝。形状记忆合金还可制成火灾自动报警器和自动灭火 器和航天飞机的抛物面形通讯卫星天线等。 （2）无机非金属材料 新型陶瓷，特种无机涂层材料。 （3）新型有机高分子材料 高性能塑料，特种纤维特种橡胶，其它功能高分子材料如高分子分离膜、导电高分子材 料等等。 （4）特殊功能的复合材料 玻璃钢，碳纤维增强树脂复合材料，聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料 （5）纳米材料 纳米材料是当今材料科学研究中的热点之一。纳米（nm）实际上是一个长度单位，纳 米是 1 米的十亿分之一，即 1 纳米=10-9 米。纳米是一个非常小的空间尺度。纳米材料就是 用特殊的方法将材料颗粒加工到纳米级（10-9 米），再用这种超细微粒子制造人们需要的材 料。 目前，纳米材料有四种类型：纳米颗粒、纳米碳管和纳米线、纳米薄膜和纳米块材。纳 米材料具有较大的比表面，在结构中的键态严重失配，产生了许多活动中心，因而，纳米材 料有很强的吸附能力。小尺寸效应使其理化性能发生改变，并出现与常规材料不同的新的特 征。 纳米材料显示了广泛的应用前景。例如：利用纳米材料制成磁记录介质材料广泛应用于
电声器件，阻尼器件等。纳米金属颗粒还是有机化合物的氢化反应的催化作用一种极好的催 化剂。纳米材料还可以用于医学，生物工程。例如：利用钠米微粒进行细胞分离，耀胞染色 体，用钠米微粒制成的药物可更方便陆在人体内传输，进行局部治疗和组织修补。钠米摆针 和纳米传感器应用，也可能带来诊断技术的革命。未来钠米科技的发展，有三方面的意义， 一是疾病的早期诊斯。例如磨醒的检出可达到几个细围大小。二是高密度的信息储存，会在 根小的位置上储存大量信息。三是开发新的高性能材料，应用于高科技额域， 总之，纳米技术的研究和应用不仅能引发一场新的工业革命，而且还会带米人类认 知革命，产生观老上的变革，它将对21世纪科学技术的发展产生重大的促进作用。 9、当今新材料发展的方向是什么？ 随着社会的进梦，人类总是不断随对材料提出新的要求。当今新材料的发展有以下几点： 《1)结构与功能相结合。即新材料应是结构和功能上教为完美的结合。 (2)智能型材料的开发。，所别智修型是要求材料本身具有一定的模仿生命体系的作用， 气具有敏感又有动的双看的功陵。 (3)少污染或不污梁染环境。新材料在开发和使用过程，甚至废弃后，应尽可饶少地对 环境产生污染 (4)旋再生。为了保护和充分利用地球上的自然货源，开发可再生材料是首选。 (5)节约能源。对制作过程修耗较少的，或者新材料本身能帮助节能的。或者有利于 能面的开发和利用的新材料优先开发。 《6)长寿命。新材料应有较长的寿命。在使用的过程中少推修或尽可能不维修
电声器件、阻尼器件等。纳米金属颗粒还是有机化合物的氢化反应的催化作用一种极好的催 化剂。纳米材料还可以用于医学、生物工程。例如：利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色 体，用纳米微粒制成的药物可更方便地在人体内传输，进行局部治疗和组织修补。纳米探针 和纳米传感器应用，也可能带来诊断技术的革命。未来纳米科技的发展，有三方面的意义， 一是疾病的早期诊断，例如癌症的检出可达到几个细胞大小。二是高密度的信息储存，会在 很小的位置上储存大量信息。三是开发新的高性能材料，应用于高科技领域。 总之，纳米技术的研究和应用不仅能引发一场新的工业革命，而且还会带来人类认 知革命，产生观念上的变革，它将对 21 世纪科学技术的发展产生重大的促进作用。 9、当今新材料发展的方向是什么？ 随着社会的进步，人类总是不断地对材料提出新的要求。当今新材料的发展有以下几点： （1）结构与功能相结合。即新材料应是结构和功能上较为完美的结合。 （2）智能型材料的开发。所谓智能型是要求材料本身具有一定的模仿生命体系的作用， 既具有敏感又有驱动的双重的功能。 （3）少污染或不污染环境。新材料在开发和使用过程，甚至废弃后，应尽可能少地对 环境产生污染。 （4）能再生。为了保护和充分利用地球上的自然资源，开发可再生材料是首选。 （5）节约能源。对制作过程能耗较少的，或者新材料本身能帮助节能的，或者有利于 能源的开发和利用的新材料优先开发。 （6）长寿命。新材料应有较长的寿命，在使用的过程中少维修或尽可能不维修