工程化學(xué)1

1、工程化學(xué),第一章 緒 論§1．1 化學(xué)與科學(xué)技術(shù)§1．2 “工程化學(xué)”的教學(xué)對象和目的§1．3 教學(xué)中怎樣使用“工程化學(xué)”教材§1．4 基本概念一、物質(zhì)的層次二、系統(tǒng)和環(huán)境三、聚集體和相四、質(zhì)量守恒和能量變化五、物質(zhì)的量六、反應(yīng)進(jìn)度,第一章 緒 論,學(xué)習(xí)要求1.了解化學(xué)學(xué)科的地位和作用，明確學(xué)習(xí)“工程化學(xué)基礎(chǔ)”的要求。2.了解物質(zhì)層次及其運動理論；明確原子和

2、分子等原子結(jié)合態(tài)單元是介觀粒子的概念。3.理解系統(tǒng)和環(huán)境，聚集體和相等概念，明確敞開系 統(tǒng)、封閉系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)及相的劃分。 4.明確化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒和能量變化，掌握化學(xué)計量數(shù)的概念。5.明確反應(yīng)進(jìn)度的概念，掌握物質(zhì)的量的符號、單位及有關(guān)計算。,化學(xué)主要是在分子、原子或離子等層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性能、相互變化及變化過程中能量關(guān)系的科學(xué)。 化學(xué)變化中發(fā)生的是分子組成（或組成晶體的原子、離子等）的質(zhì)變，這種質(zhì)變是

3、由于分子中原子外層的電子運狀態(tài)的改變而引起。在這里原子核的組成并沒有任何變化，并不引起一種元素轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子。 化學(xué)變化的特點：在原子核組成不變的情況下，發(fā)生了分子組成或原子、粒子等結(jié)合方式的質(zhì)變。不屬于這個范圍的質(zhì)變就不是化學(xué)變化。,工程化學(xué)從物質(zhì)的化學(xué)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)出發(fā)，密切聯(lián)系現(xiàn)代工程技術(shù)中遇到的如材料的選擇和壽命、環(huán)境的污染和保護(hù)、能源的污染和保護(hù)、能源的開發(fā)和利用、信息傳遞、生命科學(xué)等有關(guān)化學(xué)問題，深

4、入淺出地介紹有現(xiàn)實應(yīng)用價值和有潛在應(yīng)用價值的基礎(chǔ)理論和基本知識，使同學(xué)們在今后的實際工作中能有意識地運用化學(xué)觀點去思考、認(rèn)識和解決問題。,工程化學(xué)特點： 以化學(xué)原理為經(jīng)，從物質(zhì)的化學(xué)組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)三條主線展開，突出能量變化；以化學(xué)在工程實際中的應(yīng)用為緯，從材料、能源、環(huán)境、信息、生命五個領(lǐng)域入手，突出化學(xué)原理、化學(xué)知識的應(yīng)用；加強化學(xué)與工程學(xué)的相互滲透、相互聯(lián)系、相互糅合。,§1．1 化學(xué)與科學(xué)技術(shù),人類自

5、使用火以來，便開始了化學(xué)之旅。例如，金屬的冶煉，陶瓷品的燒制，藥物、染料和香料的提取和制備，塑料的合成和加工等等，都與化學(xué)有關(guān)。元素周期律的發(fā)現(xiàn)，原子結(jié)構(gòu)模型的建立，熱力學(xué)理論的形成，動力學(xué)研究的深入以及相對論和量子力學(xué)的創(chuàng)立，打下了扎實的基礎(chǔ)，為化學(xué)的發(fā)展翻開了嶄新的一頁；計算機、微電子、激光等技術(shù)的進(jìn)步又為化學(xué)等科學(xué)工作者探究物質(zhì)奧秘、進(jìn)行分子設(shè)計和合成提供了更有力的技術(shù)支持，化學(xué)也因此獲得了前所未有的發(fā)展。,化學(xué)在其發(fā)展的過程中逐

6、步形成了自己的學(xué)科體系，研究對象和研究目的也越來越明細(xì)。傳統(tǒng)的化學(xué)大致分為六大分支學(xué)科，即化學(xué)的二級學(xué)科。它們分別是:（1）無機化學(xué)（2）有機化學(xué)：它們主要研究無機物和有機物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化及其過程；有機物主要指碳?xì)浠衔锛捌溲苌?，也有人稱有機化學(xué)為“碳的化學(xué)”。,(3)高分子化學(xué)：主要研究有機高分子化合物的結(jié)構(gòu)、性能和反應(yīng)以及合成、加工、成型的方法。(4)分析化學(xué)：主要研究測量和表征物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的方法。(5)物理化學(xué)：

7、集中研究物質(zhì)化學(xué)變化的原理、規(guī)律。(6)結(jié)構(gòu)化學(xué)：集中研究物質(zhì)的原子和分子等原子結(jié)合態(tài)單元結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系及其應(yīng)用。,人類最早接觸到的化學(xué)知識便是無機化學(xué)。據(jù)歷史記載，中國、埃及、印度等國早在公元前就利用了不少化學(xué)知識，如金屬冶煉、玻璃制造以及陶器、印染技術(shù)的廣泛使用就是證明，我國早在公元前8000年，即新石器時代早期，便已開始陶器制造。15世紀(jì)中期以來，人類逐漸積累了較多的無機化學(xué)知識，這是無機化學(xué)成為化學(xué)的重要組成部分的萌芽階段——

8、無機化學(xué)發(fā)展的第一階段。,到了十七世紀(jì)，英國科學(xué)家玻義耳（1627-1691）指出了點金術(shù)觀念的錯誤，第一次給元素下了較為明確的定義。由十八世紀(jì)后半葉到十九世紀(jì)初期，無機化學(xué)形成一門獨立的化學(xué)分支。 這個階段先后有質(zhì)量守恒定律[1747年，由羅蒙諾索夫建立]和科學(xué)的原子論基礎(chǔ)[1808年，道爾頓]的確立。接著，阿伏加德羅確立了分子論（1811年），蓋斯確立了蓋斯定律（1840年），門捷列夫于1869年創(chuàng)立了元素周期律，奠定

9、了無機化學(xué)的理論基礎(chǔ)。到1869年共發(fā)現(xiàn)了63種化學(xué)元素。,19世紀(jì)末期到20世紀(jì)30年代，由于有機化學(xué)和有機化合物的蓬勃興起，加之這期間無機化學(xué)在；理論和實踐方面并無大的突破，相形之下，無機化學(xué)落后了30年。 20世紀(jì)30年代以來，隨著工業(yè)規(guī)模的飛速擴大和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的有力推動，對有特殊性能的無機新材料的需求日益增多，無機化學(xué)因而得到很快發(fā)展，特別是進(jìn)入50年代以后，由于現(xiàn)代物理方法諸如光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等測試儀器和技術(shù)

10、的出現(xiàn)和發(fā)展，人們對無機化合物的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律有了比較系統(tǒng)的認(rèn)識。,無機化合物的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、熱力學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)不斷積累，各種無機化學(xué)反應(yīng)規(guī)律相繼得以總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上建立了龐大的現(xiàn)代無機鹽工業(yè)體系，再加上無機化學(xué)的一個新興領(lǐng)域—配合物化學(xué)的蓬勃興起和廣泛應(yīng)用，無機化學(xué)進(jìn)入了復(fù)興階段——無機化學(xué)發(fā)展的第三個階段。近些年來，無機化學(xué)一方面繼續(xù)自身的發(fā)展，另一方面一直在進(jìn)行著與其他學(xué)科的交叉和滲透，如無機化學(xué)與有機化學(xué)交叉形成了有機金屬化學(xué)；

11、無機化學(xué)與固體物質(zhì)結(jié)合形成了無機固體化學(xué)，,無機化學(xué)向生物學(xué)滲透形成了生物無機化學(xué)，等等，事實上，無機化學(xué)已經(jīng)在材料、能源、信息、環(huán)保、生命科學(xué)及生物模擬等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用?？梢灶A(yù)見，無機化學(xué)將在科學(xué)發(fā)展和社會進(jìn)步的進(jìn)程中，發(fā)揮愈來愈重要的作用。 20世紀(jì)80年代以來的超導(dǎo)熱，近幾年的納米材料的發(fā)展，這也是無機化學(xué)的新發(fā)展，總之，無機化學(xué)仍不失為一個具無限潛力的科學(xué)領(lǐng)域。,§1．2 “工程化學(xué)基礎(chǔ)”的教學(xué)對象和

12、目的 對中國大學(xué)本科的化學(xué)教學(xué)應(yīng)分成三個大類：一、化學(xué)研究類；二、化學(xué)品生產(chǎn)類；三、非化學(xué)研究非化學(xué)品生產(chǎn)類。能源、信息、環(huán)境、軍事、航空航天、交通運輸?shù)葮I(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥等工程類及其各類的物資流通、管理等應(yīng)屬第三大類。它以化學(xué)原理為經(jīng)線，以化學(xué)在材料、信息、能源、環(huán)境、生命諸領(lǐng)域中的應(yīng)用為緯線編織而成。 通過學(xué)習(xí)，應(yīng)加深理解以下三個方面的內(nèi)容：①物質(zhì)世界，性能各異的各種材料，都是由原子組成的。②原子在空間范

13、圍和時間進(jìn)程中運動著，相互作用著，并排列組合形成分子等結(jié)合態(tài)單元。這種排列組合和相互作用都來自于電子運動狀態(tài)的改變，而電子運動狀態(tài)又與光子(充滿宇宙的輻射或能量子)有關(guān)；③材料、生物體中化學(xué)單元的組成結(jié)構(gòu)與其功能緊密相關(guān)；它們在不同的條件下可以發(fā)生不同的化學(xué)變化；化學(xué)變化時能量與質(zhì)量緊密聯(lián)系，不可分割，能量是物質(zhì)存在的又一種表現(xiàn)形式。,§1．3 一些基本概念一、物質(zhì)的層次 物質(zhì)具有層次性，分成了眾所周知的微

14、觀、宏觀和宇觀三個層次。近年來，隨著實驗技術(shù)的進(jìn)步和人類認(rèn)識水平的不斷提高，人們發(fā)現(xiàn)在上述三個層次間和層次外還有不少層次和亞層次。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森于1989年對其歸納總結(jié)，在表1．1列出了各物質(zhì)層次的尺度范圍和相適應(yīng)的理論解釋。一般認(rèn)為宏觀物體的運動規(guī)律可用牛頓力學(xué)加以描述，而微觀粒子的運動規(guī)律則需要量子力學(xué)來闡釋。從表1．1我們還可明確地知道，化學(xué)討論的“原子和原子結(jié)合態(tài)單元粒子”，其空間尺寸大小約在10-10～10-7m左右，它

15、們不屬于宏觀物體，也不屬于微觀粒子，而是介于宏觀加微觀之間的介觀粒子。在18～20世紀(jì)中，科學(xué)家們經(jīng)過艱苦探索，才有了描述大量物體和粒子行為的統(tǒng)計力學(xué)。深入到化學(xué)單元時，必然涉及原子的核和電子結(jié)構(gòu)，涉及到電子和光子的相互作用。高速運動的電子和光子才稱得上微觀粒子。,人們曾經(jīng)把凡是用肉眼能看到的和空間尺寸大于10-8～10-6m極多原子組成的物體稱為宏觀物體；把飛機在空間飛行，把電、磁、熱等在空間傳播的現(xiàn)象稱為宏觀現(xiàn)象；它們用牛頓力學(xué)予

16、以解釋。而把空間尺寸小于10-9～10-8m的，包括分子、原子和基本粒子稱為微觀粒子；把微觀粒子和電、磁等在極小范圍內(nèi)運動，如有明顯波動的電子在核周圍運動及與光作用的現(xiàn)象稱為微觀現(xiàn)象；它們用量子力學(xué)解釋。微觀粒子間具有不確定關(guān)系，又稱不確定原理。這個關(guān)系或原理認(rèn)為，一個微觀粒子的物理量，如位置和動量不可能同時具有確定的數(shù)值，其中一個量愈確定，另一個量的不確定程度就愈大。時間和能量也服從不確定關(guān)系，即微觀粒子存在于某一狀態(tài)的時間愈短，則這

17、狀態(tài)的能量確定程度愈差。,人類在對自然長期觀察、實踐和思想過程中，創(chuàng)立了原子、分子學(xué)說，這是科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。在測量技術(shù)有限的條件下，把波動性不明顯，可以較長時間確定其狀態(tài)和能量的原子和分子等原子結(jié)合態(tài)單元誤解成微觀粒子，這是人類認(rèn)識過程中可以理解的錯誤。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，測試手段的提高，今天的人類已能在空間尺寸10-10～10-7m的范圍內(nèi)利用掃描隧道電子顯微鏡(STM)直接操作何安排原子來創(chuàng)新物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，中國科學(xué)院用探針撥出硅晶

18、體表面的硅原子，排列成漢字——中國，如圖1—l所示；在200飛秒（10-15秒）的時間間隔內(nèi)用激光閃爍技術(shù)測定了原子和原子結(jié)合態(tài)單元及能量變化。這些事實已經(jīng)充分說明，原子及其結(jié)合態(tài)單元粒子，不僅在空間尺寸上，而且在時間和相互作用力或能量方面都不能歸屬于微觀粒子。,把原子和分子等原子結(jié)合態(tài)單元粒子從微觀概念中分離出來，將使電子、光子等微觀粒子的概念更加明確清晰：微觀粒子具有波粒二象性，具有(狹義)相對論效應(yīng)。 把原子和分子等

19、原子結(jié)合態(tài)單元粒子確認(rèn)為介觀粒子，就能深入淺出地理解和應(yīng)用已經(jīng)建立的化學(xué)理論：化學(xué)熱力學(xué)和平衡理論。化學(xué)變化中能量變化可以用原子和分子等原子結(jié)合態(tài)單元的動能、勢能變化解釋。在化學(xué)教學(xué)中確認(rèn)原子和分子等原子結(jié)合態(tài)單元是介觀粒子的概念，不僅深化了對物質(zhì)的認(rèn)識，而且也使工程技術(shù)把光、電、磁、熱等更好地與化學(xué)變化聯(lián)系起來 。,二、系統(tǒng)和環(huán)境 客觀世界中，任何物質(zhì)總是和它周圍的其他物質(zhì)相聯(lián)系的。為討論的方便，我們把某一部分作為討論的

20、對象，并將它與周圍的物質(zhì)區(qū)分開來，這部分討論對象就稱為系統(tǒng)，舊稱體系。系統(tǒng)以外與之直接聯(lián)系的部分，則稱為環(huán)境。 系統(tǒng)和環(huán)境是一個整體的兩個部分，根據(jù)它們之間有無質(zhì)量(習(xí)慣上說有無物質(zhì))交換和能量傳遞，可將系統(tǒng)分為下述三類 ：敞開系統(tǒng) 系統(tǒng)與環(huán)境間既有質(zhì)量的交換，又有能 量的傳遞。封閉系統(tǒng) 系統(tǒng)與環(huán)境間沒有質(zhì)量的交換，而只有能量的傳遞。孤立系統(tǒng) 系統(tǒng)與環(huán)境間既無質(zhì)量的交換，又無能量的傳遞。,“系統(tǒng)”是根據(jù)研究對象的需要

21、劃分的。在討論工程實際問題時更要注意具體情況具體分析。比如燒結(jié)爐是常用的工業(yè)設(shè)備(見圖1—2所示)在這個例子中，如果要討論燒結(jié)工藝的有關(guān)問題就可把整個燒結(jié)爐作為系統(tǒng)，它包括金屬片、低熔點合金和氣體介質(zhì)，而燒結(jié)爐外空間中的物質(zhì)則均為環(huán)境。如果想研究燒結(jié)爐內(nèi)可控保護(hù)氣體間發(fā)生的反應(yīng)，則把氨、氮和氫三種氣體 的 化學(xué)反應(yīng)作為系統(tǒng)加以研究。,三、聚集體和相,物質(zhì)在一定的溫度和壓力條件下所處的相對穩(wěn)定的狀態(tài)，稱物質(zhì)的聚集(狀)態(tài)，它們構(gòu)成的系統(tǒng)習(xí)

22、慣上稱聚集體。地球上常見的聚集狀態(tài)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種，通稱物質(zhì)的三態(tài)。它們在一個系統(tǒng)中研究，又統(tǒng)稱聚集體(系)。比如，常壓下，隨溫度由低到高，“水”可能發(fā)生聚集狀態(tài)變化：H2O(s) H2O (1) H2O (g) 式中的s，l，g分別表示固體(solid)、液體(liquid)、氣體(gas)。這些變化過程中，物質(zhì)化學(xué)單元的組成、結(jié)構(gòu)、數(shù)目都沒有發(fā)生變化，所以稱物理變化。冰、水和水蒸氣有時又分別稱為水的固

23、態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。 相則定義為：大量原子和分子等原子結(jié)合態(tài)單元分散均勻，物理和化學(xué)性質(zhì)相同，且可用物理方法分離出來的部分。相與相之間存在明顯的界面。實驗研究表明，在273.16 K(即0.0l℃)和611.73 Pa的條件下，冰、水、水蒸氣三相長期平衡共存，故把這個溫度和壓力條件稱為H2O的“三相點”。,,,氣態(tài)物質(zhì)，一般總是形成一個均勻的單相。 液態(tài)物質(zhì)，如果彼此互溶，也形成一個相。如果彼此不互溶，則形成多相，相間有明

24、顯的界面。 固態(tài)物質(zhì)的情況比較復(fù)雜，有晶態(tài)和非晶態(tài)。晶態(tài)又可擁有多種結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)屬于不同的相。比如，由碳元素所形成的石墨、金剛石和球碳(C60)，它們是碳元素所形成的三種不同形式的單質(zhì)(結(jié)合態(tài)單元)，互為同素異形體，分屬不同的相。,四、質(zhì)量守恒和能量變化 如果我們用P，Q表示反應(yīng)物，用Y，Z表示生成物，用p，q，y，z分別表示它們的化學(xué)計量數(shù)，則一般的化學(xué)反應(yīng)方程式可表示為 pP + qQ ＝ yY +

25、 zZ 或 0＝－pP－qQ + yY + zZ 化學(xué)反應(yīng)通式可表示為 0＝∑νBB式中，νB為物質(zhì)B的化學(xué)計量數(shù)，相應(yīng)指定物B可以是反應(yīng)物P或Q等，也可以是生成物Y或Z等。通式的寫法不僅要符合數(shù)學(xué)規(guī)則，而且還要符合化學(xué)事實，反應(yīng)物的計量數(shù)ν取負(fù)值，以示在反應(yīng)中是減少的；生成物的計量數(shù)ν取正值，以示增加。 化學(xué)反應(yīng)通

26、式表述了化學(xué)反應(yīng)的兩個特征：　　(1)質(zhì)量守恒。 (2)能量變化。,五、物質(zhì)的量　　 無論是質(zhì)量守恒，還是能量變化，都需要選擇一個化學(xué)的基本量來進(jìn)行化學(xué)計量。1971年，第14屆國際計量大會(CGPM)選擇了物質(zhì)的量作為7個基本的物理量(長度、質(zhì)量、時間、電流、熱力學(xué)溫度、發(fā)光強度和物質(zhì)的量)中的一個物理量，單位為摩爾(mol)，用以計量原子、分子和電子、光子等物質(zhì)的量。 物質(zhì)的量的符號記為ｎ，單位為摩爾(m

27、ol)。ｎ與阿伏加德羅常數(shù)NA和粒子數(shù)N的關(guān)系是ｎ＝N／NA，其中NA＝6.02×1023mol-1。我們還知道某物質(zhì)的摩爾質(zhì)量(符號為M)是該物質(zhì)的質(zhì)量(符號為ｍ)與該物質(zhì)的物質(zhì)的量(ｎ)之比：M＝ｍ／ｎ，它的單位為kg·mol-1(讀作千克每摩爾)。 某物質(zhì)的摩爾質(zhì)量(符號為M)是該物質(zhì)的質(zhì)量(符號為ｍ)與該物質(zhì)的物質(zhì)的量(ｎ)之比：M＝ｍ／ｎ，它的單位為kg·mol-1,六、反應(yīng)進(jìn)度

28、 化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的程度可用反應(yīng)進(jìn)度這個物理量來表述，反應(yīng)進(jìn)度的符號用ξ來表示。具有與物質(zhì)的量相同的量綱?？刹捎梅磻?yīng)系統(tǒng)中任何一種反應(yīng)物或生成物在反應(yīng)過程中物質(zhì)的量的變化dnB與該物質(zhì)的化學(xué)計量數(shù)νB的商來定義該反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)度。其表達(dá)式為 dξ＝dnB／νB 若反應(yīng)未發(fā)生時的反應(yīng)進(jìn)度為ξ＝0，則上式可表示為ξ＝ΔnB／νB 必須注意反應(yīng)物的化學(xué)計

29、量數(shù)為負(fù)值，生成物的化學(xué)計量數(shù)為正值。根據(jù)反應(yīng)進(jìn)度的定義，它只與化學(xué)反應(yīng)的方程式有關(guān)，而與選擇反應(yīng)系統(tǒng)中何種物質(zhì)來表述無關(guān)。例如，合成氨反應(yīng)：N2(g) + 3H2(g) ＝ 2NH3(g),當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到某階段，其反應(yīng)進(jìn)度為正時，若剛好消耗掉1.5 mol的H2(g)(即Δn(H2)＝-1.5 mo1)，按反應(yīng)方程式可推算出同時消耗掉的N2(g)的物質(zhì)的量為0.5 mol(Δn (N2)＝-0.5 mo1)，同時生成了1.0 mol

30、的NH3 (g)。按反應(yīng)進(jìn)度定義式得：ξ＝Δn (H2)／ν(H2) ＝(—1.5)mol／(—3)＝0.5 molξ＝Δn (N2)／ν(N2) ＝(—0.5)mol／(—1)＝0. 5molξ＝Δn (NH3)/ν(NH3) ＝1.0 mol／2 ＝0.5 mol由此可見，不管用反應(yīng)系統(tǒng)中何種物質(zhì)來表示該反應(yīng)的進(jìn)度，均為0.5 mol。也就是說，當(dāng)反應(yīng)N2(g)+3H2(g) ＝2NH3(g)的反應(yīng)進(jìn)度為0.5 mol時，消

31、耗掉1.5 mol H2和0.5 mol的N2，生成1.0 mol的NH3。如果化學(xué)反應(yīng)方程式不同，那么它的反應(yīng)進(jìn)度ξ不同，這一點將在第四章討論中得到進(jìn)一步明確。,第二章 物質(zhì)的化學(xué)組成和聚集狀態(tài),§2．1 物質(zhì)的化學(xué)組成一、配位化合物二、團簇三、非整比化合物四、金屬有機化合物五、高分子化合物六、自由基和生物大分子,第二章 物質(zhì)的化學(xué)組成與聚集狀態(tài) 化學(xué)從原子和離子、自由基、簡單分子、配合物、團簇、

32、高分子等原子的結(jié)合態(tài)單元來認(rèn)識物質(zhì)。因原子和分子等原子結(jié)合態(tài)單元所處條件不同，它們間的作用力也不同，可以聚集成固體、液體和氣體等宏觀物體，表現(xiàn)出不同的性質(zhì)、功能和用途。 物質(zhì)由什么元素的原子、多少原子、以什么形態(tài)組成？這是物質(zhì)的化學(xué)組成問題?；瘜W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和制備了112種元素，其中的18種為人造元素。一、配位化合物 配位化合物，簡稱配合物，也稱絡(luò)合物，它是一大類化合物。配合物是以金屬正離子(或中性原子)作為中心，有若干

33、個負(fù)離子或中性分子按一定的空間位置排列在其周圍形成的復(fù)雜化合物。,處于配合物中心位置的正離子或中性原子稱為配位中心，也稱中心離子(或中心原子)。按一定空間位置排列在配位中心周圍的負(fù)離子或中性分子稱為配體。中心離子和配體之間靠配位鍵結(jié)合。配位鍵是指配位原子和中心離子間的相互作用，它不同于離子鍵也不同于經(jīng)典的共價鍵。能夠與中心離子形成配位鍵的原子稱為配位原子。配位原子的總數(shù)稱為配位數(shù)。 例如，配合物[Pt(NH3)4(NO2)C1]

34、CO3(碳酸一氯·硝基·四氨合鉑(Ⅳ)中，配體Cl-，NO-2、NH3中配位原子C1，N，N和中心離子Pt4+形成配為鍵。由于配體中有5個N原子和1個Cl原子作為配位原子，所以配位數(shù)為6。配合物方括號[ ]內(nèi)的部稱為配合物的內(nèi)界，其余部分稱為外界，如CO32- 。如果內(nèi)界部分帶有正、負(fù)電荷，稱之為配離子。某些中性原子與配體構(gòu)的配合物沒有外界，如過渡元素的原子Ni，F(xiàn)e，Cr和Co等可以與CO形成羰合物Ni(CO)4

35、、Fe(CO)5、Cr(CO)6 和Co2(CO)8(八羰合二鈷)等，又如Cr(C6H6)2(二苯合鉻)等。,配位化合物的名稱可系統(tǒng)命名或習(xí)慣命名。系統(tǒng)命名的一般原則如下：(1)整個配位化合物先命名陰離子部分，后命名陽離子部分；如果是簡單陰離子，命名“某化某”，如果是復(fù)雜陰離子，則命名“某酸某”。(2）在內(nèi)界中，先命名配體，再命名配位中心，兩者之間用一個“合”字聯(lián)結(jié)起來。(3)配體的命名次序是先負(fù)離子后中性分子。(4）負(fù)離子命名

36、次序是先簡單離子，再復(fù)雜粒子，最后是有機酸根離子。氫氧根離子稱羥基，亞硝酸根離子稱硝基。中性分子的命名次序也是先簡單、常見、再復(fù)雜，先無機分子后有機分子。(5）在每種配體前用中文數(shù)字一、二、三等表示配位數(shù)目，并以中心點“·”把不同配體分開。(6)當(dāng)中心離子有可變價時，在其后加括號，用羅馬數(shù)字Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ…表明中心離子的價數(shù)。,復(fù)雜多元有機酸根、多元胺等常常含有兩個或兩個以上的配位原子，它們作為配體時稱為多齒配體。例如，乙二胺

37、H2NCH2CH2NH2(用en表示)，是雙齒配體；乙二胺四乙酸根(-OOCCH2)2NCH2CH2N(CH2COO-)2，簡稱EDTA(用Y-4表示)，是六齒配體。多齒配體與中心離子形成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配合物。又稱螯合物，例如[Cu(en)2]SO4(見圖2—1)。由于螯合效應(yīng)，螯合物的穩(wěn)定性很強。 具有相同化學(xué)組成的配合物往往有不同的空間結(jié)構(gòu)，并表現(xiàn)出不同的性能。例如，二氯·二氨合鉑(Ⅱ)(見下圖)的順式結(jié)構(gòu)具有抗癌活性

38、，反式結(jié)構(gòu)無活性?？梢?，配合物的性質(zhì)和應(yīng)用還與結(jié)構(gòu)有關(guān)。,二、團簇 團簇是指由幾個至上千個原子或其結(jié)合態(tài)單元相互作用結(jié)合在一起而形成的相對穩(wěn)定的化學(xué)單元。團簇的空間尺度在納米(10-9m)量級左右。有金屬簇，如Lin，Cun，Hgn；非金屬簇，如Cn，Nn，Arn；分子簇，如(H2O)n，(NaCl)n等。團簇物質(zhì)的性能和應(yīng)用不僅與所含原子或其結(jié)合態(tài)單元數(shù)相關(guān)，還與它們間的空間位置及相互作用有關(guān)，它們不同于單個原子或分子，也不同

39、于常規(guī)的固體和液體。例如，常規(guī)Fe，Co和Ni等是鐵磁性的，但它們的團簇可以是超順磁性的；常規(guī)順磁性的Na和K等的團簇卻是鐵磁性的。團簇是眾多納米材料的基礎(chǔ)。 在大量的團簇中，研究最多的是碳團簇。碳原子數(shù)為20，24，28，32，36，50，60，70，84，120…的穩(wěn)定性較高，其中C60的豐度最大，C70次之。C60是1985年發(fā)現(xiàn)的。以C60作為結(jié)構(gòu)基元而形成的C60固體是除石墨、金剛石外，碳的又一種同素異形體。金

40、剛石、石墨、C60的結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。,除球形的C60等碳團簇外，還有1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管(如圖2-3)，也稱“布基管”，以及結(jié)構(gòu)類似洋蔥的“布基蔥”。碳納米管是一種由單層或多層石墨卷成的納米微管，多層碳管各層之間的間隔為石墨的層間距。碳管兩頭可以是空的，也可被半個C60或更大的球碳所封閉。,三、非整比化合物 固體中有大量物質(zhì)，它們的原子和原子結(jié)合態(tài)單元的組成和結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜。如金屬間化合物Nb3Sn，Cu5Zn；碳化物F

41、e3C，Mn7C3；氮化物Fe2N，F(xiàn)e4N等不符合正?；蟽r規(guī)則。LaH2.76，F(xiàn)e1-xO，Sn1+xO2和PbO1.88等物質(zhì)的原子數(shù)目不成整數(shù)比，稱為非整比化合物，它們是穩(wěn)定的物質(zhì)，在常溫下多為固體。晶體缺陷是形成非整比化合物的重要原因。其中有陰離子短缺的化合物，如NaCl1-x；陽離子過剩的化合物，如Zn1+xO；陽離子短缺的化合物，如Cd1-xS；陰離子過剩的化合物，如UO2+x；以及混雜缺陷產(chǎn)生的非整比化合物，例如Na1

42、-2xCaxCl，Ca1-xYxF2+x，Zr1-xCaxO2-x和LixSi1-xAlO2等。 非整比化合物等在材料中十分重要，可以控制或改善無機固體材料的光、電、聲、磁、熱和力學(xué)等性質(zhì)。例如，碳化物、氮化物在鋼材中能有效地提高鋼材的硬度；Sn1-xCuxO2是我國古代青銅文化時期“黑漆”古銅鏡表層的耐磨物質(zhì)的組成；,Y2O2S：Eu3+，Y2O2S：Tb3+，(Ca，Sr)10(PO4)6C12：Eu3+等分別是彩色電視發(fā)光

43、材料用的紅粉、綠粉和藍(lán)粉的組成；非晶氫化硅α-Si：H是信息、電子工業(yè)中經(jīng)常用到的半導(dǎo)體材料，其中α表示非晶態(tài)，Si表示硅，“：”表示摻入和摻入的量不確定，H表示氫。 物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)決定它們的特性。 例如Ti50Ni的相轉(zhuǎn)變溫度是600℃，而Ti51Ni就下降到-30℃，相轉(zhuǎn)變溫度是鈦鎳合金作為形狀記憶合金使用時的重要指標(biāo)。對這類物質(zhì)的研究還在不斷探索中，其組成與結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用的關(guān)系有待深入探討。,四、金屬有機化合物

44、 典型的金屬有機化合物是指由金屬原子和有機基團中碳原子鍵合而成，含金屬—碳鍵(M—C)的化合物，如(C2H5)2Zn，C6H5Ti(OC3H7)3，(C2H5)4Pb和RMgX(R為烷基，X為鹵素)。金屬有機化合物大體分三類：(1)離子型化合物。(2)σ鍵化合物。(3)非經(jīng)典鍵化合物。,五、高分子化合物 高分子化合物，簡稱高分子，又稱高聚物，它的相對分子質(zhì)量高達(dá)幾千甚至幾百萬。有無機高分子和有機高分子之分。有機高分子中有纖維

45、素、蛋白質(zhì)、淀粉、木質(zhì)素等天然高分子和有機小分子聚合而成的合成高分子。工程應(yīng)用中多為合成高分子。 以有機小分子為單體，通過加成聚合或縮合聚合等反應(yīng)來合成高分子。 nCH2＝CH2 ＝ [CH2一CH2]n乙烯 聚乙烯均聚反應(yīng)：共聚反應(yīng)：很多具有多重鍵或官能團的有機小分子都可作高分子化合物的單體。表2.1一些高分子化合物及其單體,高分子化合物的命名比較復(fù)雜，一般有以下幾種情況：(1)在單體或組成特征前

46、面加“聚”(po1y—)，表示高分子化合物是通過聚合反應(yīng)得到的，如聚乙烯、聚酰胺等。(2)在單體后面加“樹脂”，曾表示樹上流出的脂，多為天然高分子化合物，現(xiàn)在也將某些合成高分子化合物稱作“樹脂”，如酚醛樹脂，脲醛樹脂，環(huán)氧樹脂，聚氯乙烯樹脂等。(3)英文縮寫，如ABS是以其單體丙烯腈(acrylonitrile)、丁二烯(butadiene)和苯乙烯(styrene)英文名稱的第一個字母大寫組合來表示；PE是聚乙烯(polyethy

47、lene)的英文縮寫。(4)有時還以高分子化合物的主要用途或最初用途表示命名，屬習(xí)慣名稱或商品名稱，如乙烯—丙烯共聚物稱乙丙橡膠，聚酰胺高聚物稱尼龍或錦綸。 高分子化合物制品很多，通用高分子主要包括塑料、纖維和橡膠三大類。一些常見高分子化合物的名稱及簡寫符號列于表2.2。,六、自由基和生物大分子 構(gòu)成生命體的物質(zhì)種類很多，構(gòu)成生命體的物質(zhì)在作用與代謝等生命活動過程中多有自由基參與，自由基甚至在參與和介人中起著導(dǎo)

48、向的作用。這里對自由基、蛋白質(zhì)、核酸和糖類等幾種物質(zhì)作簡單介紹。1．自由基 自由基是指一個化合物的共價鍵電子對發(fā)生均勻分裂時，生成帶有未成鍵的單電子基，一般在分裂后的原子或原子結(jié)合態(tài)單元符號旁加一個點“·”表示，如CH3·，·OH等。 在發(fā)現(xiàn)電子順磁共振(ESR)現(xiàn)象并發(fā)明電子自旋共振儀后，ESR成為當(dāng)今研究高分子合成、老化以及生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的前沿科學(xué)與技術(shù)。 生物自由基主要有氧中心

49、自由基(如·OH，O2-)，氮中心自由基(如·NO，ONOO-)及活化氧H2O2等。 1968年M．Cord和Fridovich在生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了超氧歧化酶(SOD)及其生物學(xué)作用，繼而發(fā)現(xiàn)眾多疾病。肌體的衰老進(jìn)程與自由基有關(guān)。,2．蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)分子是一條或多條多肽鏈構(gòu)成的生物大分子，相對分子質(zhì)量可從一萬到數(shù)百萬。多肽鏈由氨基酸通過肽鍵(酰胺鍵，一CO—NH一)共價連接而成，各種多肽鏈都有自己

50、特定的氨基酸順序。 人體細(xì)胞含有3000至10000種以上的蛋白質(zhì)，人體蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成。除脯氨酸外，其他19種均是α—碳上有一個氨基(一NH：)的有機羧酸(α—氨基酸)，結(jié)構(gòu)通式為R—CH(NH2)COOH，R是每種氨基酸的特征基團。 蛋白質(zhì)的組成和特殊結(jié)構(gòu)決定了其具有種多樣生物功能。為表示蛋白質(zhì)示不同層次的結(jié)構(gòu)，常分為一級、二級、三級和四級結(jié)構(gòu)。3．核酸 核酸因首先發(fā)現(xiàn)于細(xì)胞核并且具有酸性而

51、得名。核酸稱為信息分子，是因為它擔(dān)負(fù)著生物遺傳信息的儲存、傳遞及功能表達(dá)。核酸分為脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)兩類。,基因是一個特定的DNA片段，通常有1000～5000個堿基對，一個DNA分子可以含有多達(dá)上萬個基因，每個基因都是原子結(jié)合單元，人體的46條染色體大約含100萬個基因。人類基因組計劃的核心就是要測定人類基因組的全部DNA序列，從而獲得人類全面認(rèn)識自我的最重要的生物信息。基因芯片，又稱DNA芯片，與計算機芯片非

52、常相似，只是高度集成的不是半導(dǎo)體管，而是成千上萬的網(wǎng)格狀密集排列的基因探針。每個基因探針包含著由若干個核苷酸組成的DNA片段。目前已經(jīng)可以在一枚郵票大小的基因芯片上布滿40萬～100萬種基因探針，根據(jù)堿基互補配對原則捕捉相應(yīng)的DNA，從而對遺傳物質(zhì)進(jìn)行分子檢測。這是一種革命性的新方法、新工具。 基因工程從狹義上理解就是指DNA重組技術(shù)，即提取或合成。不同生物的遺傳物質(zhì)(DNA)，在體外切割、拼接和重新組合，然后通過載體將重組的D

53、NA分子引入受體細(xì)胞，使重組DNA在受體細(xì)胞中得以復(fù)制與表達(dá)。,4．糖類 糖類是自然界中分布最廣的一大類有機化合物，主要由C，H和O三種元素組成，大多具有通式Cn(H2O)n，故又稱碳水化合物。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，糖類物質(zhì)是含多羥基的醛或酮及其衍生物。這類物質(zhì)是生物體基本營養(yǎng)物質(zhì)的重要成分。糖類常分三類：(1)單糖，是最簡單的糖類，不能水解。常見的單糖如葡萄糖和果糖，分子式都是C6(H20)6，葡萄糖是己醛糖，果糖是己酮糖