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和实验手段，认识了物质的结构与性能之间的关系 和规律，合成制备了数以千万计的化学物质。面对 材料科学、信息科学等其它学科迅猛发展的挑战和 人类对认识和改造自然提出的新要求，化学在不断 开拓新的研究领域和思路的同时，不断地创造出新 的物质和品种来满足人民的物质文化生活，造福国 家，造福人类。当前，资源的有效开发利用、环境 保护与治理、社会和经济的可持续发展、新型材料 的开发和应用等是科学工作者关注的重大问题。
晶体还可分为单晶（single crystals）和多晶
（ multicrystal）。 单晶是由一个晶核沿各个方向均匀生长的
各向异性的均匀物体，其晶体内部粒子基本上 按一定规则整齐排列。具有一定的熔点。
多晶由许多单晶颗粒杂乱聚结而成，所以
尽管每颗晶粒是各向异性，但由于晶粒排列杂 乱，各向异性互相抵消，整个晶体便失去了各 向异性的特征。
NaCl型结构:自然界有几百种化合物都属于 NaCl型结构，有氧化物MgO，CaO，SrO，BaO， CdO，MnO，FeO，CoO，NiO；氮化物里TiN， LaN，ScN，CrN，ZrN；碳化物TiC，VC，ScC等； 所有的碱金属硫化物和卤化物（CsCl，CsBr，CsI 除外）也都具有这种结构。
2. AB2型化合物结构
a. CaF2(萤石)型结构:CaF2属立方晶系，面 心立方点阵，Fm3m空间群，正负离子数比为 1:2。
b. TiO2(金刚石)型结构:金红石是TiO2的一 种稳定型结构，属四方晶系，p*4/m*n*m空间 群。
1. 负离子配位多面体规则
位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之 和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。 这是鲍林第一规则。将离子晶体结构视为由负离子配 位多面体按一定方式连接而成，正离子则处于负离子 多面体的中央，故配位多面体才是离子晶体的真正结 构基元。
2. 电价规则
价Z-等于或接近等于与之相邻接的各正离子静电强度 S 的总和。这就是鲍林第二规则，也称电价规则。
规整的几何外形是晶体内部微粒（原子、分
子、离子等）有规则排列的结果。代表晶体全部
结构特征和性质特点的最小重复单位称为晶胞
（unit cells）。晶胞可以用六面体的3个棱边的边 长a、b、c和构成同一顶点的3个面之间的夹角α、 β、γ来描述，如图所示。
由于晶胞是体现晶体结构特 征和性质特点的最小重复单位， 因此，晶胞的大小、形状和组 成完全决定了整个晶体的结构 和性质，晶体就是无数的这种 晶胞在空间按一定规律重复堆 砌而成的。
第一次技术革命发端于18世纪后期，以蒸汽机的
发明与广泛应用为标志。
第二次技术革命开始于19世纪后期，以电的发明
与广泛应用为标志。
第三次技术革命始于20世纪中期，以原子能应用
为标志。
第四次技术革命可以认为始于20世纪70年代，以
计算机、微电子技术、生物技术和空间技术为主要 标志。
进入20世纪，人类的科学发明与创造之和超过 了过去2000年的总和。
根据晶胞的棱边边长和晶面夹角，将晶
体分成七大类型，通常称为七大晶系：立方 （cubic）、四方（tetragonal）、正交 （orthorhombic）、三方（trigonal）、六方 （hexagonal）、单斜（monoclinic）和三斜
（triclinic）。下图绘出了其相应的结构。
在各种晶系（crystal systems）中，根据质点排列
3. 负离子多面体共用顶、棱和面的规则
会降低这个结构的稳定性。对于电价高，配位数低的 正离子来说，这个效应尤为显著。
4. 不同种类正离子配位多面体间连接规则
价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽 量互不结合的趋势。
5. 节约规则
方式应最大限度地趋于一致。因为在一个均匀的结构 中，不同形状的配位多面体很难有效堆积在一起。
成一定型式的晶格（crystal lattice），这种排列称 为晶体结构。晶体点阵是晶体粒子所在位置的点
在空间的排列。相应地在外形上表现为一定形状 的几何多面体，这是它的宏观特性。同一种晶体 的外形不完全一样，但却有共同的特点，即各相
应晶面间的夹角恒定不变，这条规律称为晶面角 守恒定律 。
晶体的一个基本特性是各向异性，即在各
1.1.2.1 固体
凡具有一定体积和形态的物体称为固体
（solid）。固体是由分离的原子所组成，组成固体 的质点之间的相互作用力相当强烈，它们位置固定， 不能自由运动，只能在极小的范围内振动。固体中
原子、电子的相互作用集中反映在化学键 （chemical bond）上，决定了固体的硬度 （hardness）、解离性及熔点（melting point）等性
铁器时代
公元前1400年开始了人工炼铁。春秋 时期，铁器已经在农业、手工业生产 中使用。铁制工具的广泛使用，促进 了我国由奴隶制向封建制的过渡。
纯铁的熔点是1534oC；含2%碳的铁的 熔点为1380oC；4.3%C的铁1146oC。 从块炼铁发展到生铁，大约经历了上 千年的时间。
近200年来，人类经历了四次技术革命
材料（Materials）是指经过加工，具有一 定的组成、结构和性能，适合于一定用途的物 质。材料是人类生活和生产活动的重要物质基
础，是一切科学和技术发展必不可少的基石， 对于一个国家的现代化建设的战略重要性不言 而喻。材料的发现、发展和应用是人类文明的 标志。人类对材料的认识和利用，经历了一个 漫长的探索、发展的历史过程。用不同特征的 材料来划分人类的历史，我们可以把人类历史 分为石器时代，青铜器时代，铁器时代，有机 高分子材料时代，信息材料时代等。
材料化学1
材料化学课程内容
第一篇 材料的化学基础 第二篇 材料的组成与化学性能 第三篇 材料的化学制备 第四篇 材料的化学变化和控制
主要参考书
杨兴钰编著 材料化学导论，湖北科学技术出版社，2003 张志杰主编 材料物理化学， 化学工业出版社，2006
第一篇 材料的化学基础
第一章 物质的聚集态 第二章 物质的化学组成 第三章 材料的物理化学基础
个不同的方向上具有不同的物理性质，如力学 性质（硬度、弹性模量等等）、热学性质（热 膨胀系数、导热系数等等）、电学性质（介电 常数、电阻率等等）光学性质（吸收系数、折 射率等等）。例如，外力作用在云母的结晶薄 片上，沿平行于薄片的平面很容易裂开，但在 薄片垂直方向上裂开则不容易。
晶体具有固定的熔点，且在熔化过程中温 度保持不变。不同的晶体的熔点不同。
方式的区别又分成不同的晶格。晶格是一种几何概念， 是组成晶体的质点在空间的排列方式。从几何学的角 度讲，空间点阵有三种方式：线状、层状、三维立体
构型。在晶体学中常见的十四种晶格如图所示。
按照晶格结点上粒子的种类及作用力的不同，
从结构上可把晶体分为离子晶体（ionic crystals）、共价晶体（covalent crystals）、分子 晶体（molecular crystals）和金属晶体（metallic
离子晶体按其化学组成分为二元化合物和多元化 合物。其中二元化合物中介绍AB 型，AB2 型和A2B3 型化合物；多元化合物中主要有ABO3型和AB2O4 型。
1. AB型化合物结构 a. CsCl型结构:CsCl型结构是离子晶体结构中最简 单的一种，属六方晶系简单立方点阵，Pm3m空间群。 b. NaCห้องสมุดไป่ตู้型结构 c. 立方ZnS型结构:立方ZnS结构类型又称闪锌矿型 (β- ZnS)，属于立方晶系，面心立方点阵，F43m空间 群 d. 六方ZnS型结构六方 ZnS型又叫纤锌矿型，属 六方晶系，P63mc空间群。
化学与新材料科学的相互关系
在过去的100多年里化学作为一门核心、 实用、创造性科学，已经为人类认识物质世 界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。化 学科学寻求结构多样性和分子多样性，合成 制备了数以千万计的化学物质，发展了化学 合成理论和技术，为新材料的设计合成奠定 了理论和实验基础。
化学(Chemistry)是研究物质之间的变化规律， 阐明各类化学反应的机理，认识物质转化的化学过 程。化学创立了研究物质结构和形态的理论、方法
材料的发展历史
石器时代
可分旧石器和新石器时代。 旧石器是利用一块较硬的石头砍砸另一 块较软的石头而成。 新石器时代开始于1万年前。 其标志是打制的石器更精美、陶和玉 器工艺品的出现、用石头和砖瓦作建 筑材料。
青铜器时代
早在公元前8000年，先民们已利用天然铜 块制作兵器和工具（在新石器时代晚期，人类 已开始加工和使用金属，最先使用的金属是天 然红铜，人们在拣取石器材料，偶而遇到天然 铜） 。5000年前已学会用铜矿石炼铜，铜的 熔点为1083oC。青铜是铜锡合金，是人类发明 的第一种合金。2800年前，生活在三星堆的人 们就可能使用天然气冶炼青铜。
第四代材料：复合材料 -- 以各相异性为特征。
第一篇 材料的化学基础
第一章 物质的聚集态
1.1.1 系统与环境
任何物质都是与它周围的其它物质相互关联的
化学上把作为研究对象的物质称为系统（system）。 系统之外与之密切相关、且影响所及的部分称为环境
（surroundings）。 系统与环境的作用包括物质的交换和能量的传递 根据系统与环境作用方式的不同，把系统分成三
crystals）四种类型。 实际上单纯的四种基本类型的晶体并不是很
多，有相当多的晶体，不仅有过渡型的化学键， 而且还可以由不同的键型混合组成。
1）离子晶体
在离子型晶体中，组成晶格的粒子是正、 负离子。正、负离子之间靠静电引力相互作用，
即离子键（ionic bond）。由于离子键没有饱
和性和方向性，每个离子可在各个方向上吸引 尽量多的异号电荷离子，所以在离子晶体中， 配位数一般较高。属于离子晶体的物质通常是 活泼金属的盐类和含氧化合物，如NaCl，KBr， MgO等。
化学科学创立了研究物质结构和形态的理论、
方法和实验手段，认识了物质的结构与性能之间的 关系和规律。迄今为止化学研究的主流仍以创造新 分子新材料为目标，为设计具有各种特殊功能的新 材料提供了有效的方法和手段。
近年来，纳米化学和分子纳米技术越来越受到
世界各国科技界的关注。纳米化学的发展使人们对 纳米物质本性的认识有了深入了解的可能，这将对 发现新的纳米材料，开发具有特殊性能的纳米材料， 如纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米催化剂、纳 米信息材料等，以及开辟新的应用途径起到巨大的 推动作用。
新材料时代
除了以钢铁为代表的金属材料外，无 机非金属材料、高分子材料和先进复 合材料20世纪后半叶得到飞速发展。 塑料产量已逾亿吨。
第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然
材料。
第二代材料：陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的
材料。
第三代材料：高分子材料 – 1909年第一个人工合成
的酚醛塑料诞生。
质。硬度是物体抵抗外来机械作用，特别是刻划作 用的程度。硬度和解离性取决于固体中质点位置存 在的化学键中最弱的那部分键；熔点和化学反应活 泼性则取决于化学键中最强的键。
在一定的温度和压力下，固体有一定的密度
和形状。固体的可压缩性和扩散性都很小，所以 固体能保持一定的体积和形状。在受到不太大的 外力作用时，其体积和形状改变很小。外力撤去
类：敞开系统（open system）、封闭系统（closed system）和孤立系统（isolated system）。
敞开系统
封闭系统
孤立系统
1.1.2 物质的聚集状态
自然界中的纯物质都可以以固、液、气 三种聚集态存在，并在一个确定的温度和相应 的压强下，固、液、气三种聚集态处于平衡共 存的唯一状态——三相点。同一种物质在不同 的条件下存在的形态可以不同。
后能恢复原状的物体称弹性体，不能完全恢复的 称塑性体。
按构成固体的粒子的性质和内部结构的不同
可以将固体分成晶体（crystals）、非晶体（也 称为无定形固体，amorphous solids）和准晶体
（quasi-crystals）三大类。
（I）晶体
晶体是指原子或原子团、离子或分子按一定 规律呈周期性地排列构成的物质。其内部质点排 列有序，外形规则。晶体内部结构中的原子、离 子或分子都在空间呈有规则的三维重复排列而组
晶体还可分为单晶（single crystals）和多晶
（ multicrystal）。 单晶是由一个晶核沿各个方向均匀生长的
各向异性的均匀物体，其晶体内部粒子基本上 按一定规则整齐排列。具有一定的熔点。
多晶由许多单晶颗粒杂乱聚结而成，所以
尽管每颗晶粒是各向异性，但由于晶粒排列杂 乱，各向异性互相抵消，整个晶体便失去了各 向异性的特征。
NaCl型结构:自然界有几百种化合物都属于 NaCl型结构，有氧化物MgO，CaO，SrO，BaO， CdO，MnO，FeO，CoO，NiO；氮化物里TiN， LaN，ScN，CrN，ZrN；碳化物TiC，VC，ScC等； 所有的碱金属硫化物和卤化物（CsCl，CsBr，CsI 除外）也都具有这种结构。
2. AB2型化合物结构
a. CaF2(萤石)型结构:CaF2属立方晶系，面 心立方点阵，Fm3m空间群，正负离子数比为 1:2。
b. TiO2(金刚石)型结构:金红石是TiO2的一 种稳定型结构，属四方晶系，p*4/m*n*m空间 群。
1. 负离子配位多面体规则
位多面体，正负离子间的平衡距离取决于离子半径之 和，而正离子的配位数则取决于正负离子的半径比。 这是鲍林第一规则。将离子晶体结构视为由负离子配 位多面体按一定方式连接而成，正离子则处于负离子 多面体的中央，故配位多面体才是离子晶体的真正结 构基元。
2. 电价规则
价Z-等于或接近等于与之相邻接的各正离子静电强度 S 的总和。这就是鲍林第二规则，也称电价规则。
规整的几何外形是晶体内部微粒（原子、分
子、离子等）有规则排列的结果。代表晶体全部
结构特征和性质特点的最小重复单位称为晶胞
（unit cells）。晶胞可以用六面体的3个棱边的边 长a、b、c和构成同一顶点的3个面之间的夹角α、 β、γ来描述，如图所示。
由于晶胞是体现晶体结构特 征和性质特点的最小重复单位， 因此，晶胞的大小、形状和组 成完全决定了整个晶体的结构 和性质，晶体就是无数的这种 晶胞在空间按一定规律重复堆 砌而成的。
第一次技术革命发端于18世纪后期，以蒸汽机的
发明与广泛应用为标志。
第二次技术革命开始于19世纪后期，以电的发明
与广泛应用为标志。
第三次技术革命始于20世纪中期，以原子能应用
为标志。
第四次技术革命可以认为始于20世纪70年代，以
计算机、微电子技术、生物技术和空间技术为主要 标志。
进入20世纪，人类的科学发明与创造之和超过 了过去2000年的总和。
根据晶胞的棱边边长和晶面夹角，将晶
体分成七大类型，通常称为七大晶系：立方 （cubic）、四方（tetragonal）、正交 （orthorhombic）、三方（trigonal）、六方 （hexagonal）、单斜（monoclinic）和三斜
（triclinic）。下图绘出了其相应的结构。
在各种晶系（crystal systems）中，根据质点排列
3. 负离子多面体共用顶、棱和面的规则
会降低这个结构的稳定性。对于电价高，配位数低的 正离子来说，这个效应尤为显著。
4. 不同种类正离子配位多面体间连接规则
价较高，配位数较低的正离子配位多面体之间，有尽 量互不结合的趋势。
5. 节约规则
方式应最大限度地趋于一致。因为在一个均匀的结构 中，不同形状的配位多面体很难有效堆积在一起。
成一定型式的晶格（crystal lattice），这种排列称 为晶体结构。晶体点阵是晶体粒子所在位置的点
在空间的排列。相应地在外形上表现为一定形状 的几何多面体，这是它的宏观特性。同一种晶体 的外形不完全一样，但却有共同的特点，即各相
应晶面间的夹角恒定不变，这条规律称为晶面角 守恒定律 。
晶体的一个基本特性是各向异性，即在各
1.1.2.1 固体
凡具有一定体积和形态的物体称为固体
（solid）。固体是由分离的原子所组成，组成固体 的质点之间的相互作用力相当强烈，它们位置固定， 不能自由运动，只能在极小的范围内振动。固体中
原子、电子的相互作用集中反映在化学键 （chemical bond）上，决定了固体的硬度 （hardness）、解离性及熔点（melting point）等性
铁器时代
公元前1400年开始了人工炼铁。春秋 时期，铁器已经在农业、手工业生产 中使用。铁制工具的广泛使用，促进 了我国由奴隶制向封建制的过渡。
纯铁的熔点是1534oC；含2%碳的铁的 熔点为1380oC；4.3%C的铁1146oC。 从块炼铁发展到生铁，大约经历了上 千年的时间。
近200年来，人类经历了四次技术革命
材料（Materials）是指经过加工，具有一 定的组成、结构和性能，适合于一定用途的物 质。材料是人类生活和生产活动的重要物质基
础，是一切科学和技术发展必不可少的基石， 对于一个国家的现代化建设的战略重要性不言 而喻。材料的发现、发展和应用是人类文明的 标志。人类对材料的认识和利用，经历了一个 漫长的探索、发展的历史过程。用不同特征的 材料来划分人类的历史，我们可以把人类历史 分为石器时代，青铜器时代，铁器时代，有机 高分子材料时代，信息材料时代等。
材料化学1
材料化学课程内容
第一篇 材料的化学基础 第二篇 材料的组成与化学性能 第三篇 材料的化学制备 第四篇 材料的化学变化和控制
主要参考书
杨兴钰编著 材料化学导论，湖北科学技术出版社，2003 张志杰主编 材料物理化学， 化学工业出版社，2006
第一篇 材料的化学基础
第一章 物质的聚集态 第二章 物质的化学组成 第三章 材料的物理化学基础
个不同的方向上具有不同的物理性质，如力学 性质（硬度、弹性模量等等）、热学性质（热 膨胀系数、导热系数等等）、电学性质（介电 常数、电阻率等等）光学性质（吸收系数、折 射率等等）。例如，外力作用在云母的结晶薄 片上，沿平行于薄片的平面很容易裂开，但在 薄片垂直方向上裂开则不容易。
晶体具有固定的熔点，且在熔化过程中温 度保持不变。不同的晶体的熔点不同。
方式的区别又分成不同的晶格。晶格是一种几何概念， 是组成晶体的质点在空间的排列方式。从几何学的角 度讲，空间点阵有三种方式：线状、层状、三维立体
构型。在晶体学中常见的十四种晶格如图所示。
按照晶格结点上粒子的种类及作用力的不同，
从结构上可把晶体分为离子晶体（ionic crystals）、共价晶体（covalent crystals）、分子 晶体（molecular crystals）和金属晶体（metallic
离子晶体按其化学组成分为二元化合物和多元化 合物。其中二元化合物中介绍AB 型，AB2 型和A2B3 型化合物；多元化合物中主要有ABO3型和AB2O4 型。
1. AB型化合物结构 a. CsCl型结构:CsCl型结构是离子晶体结构中最简 单的一种，属六方晶系简单立方点阵，Pm3m空间群。 b. NaCห้องสมุดไป่ตู้型结构 c. 立方ZnS型结构:立方ZnS结构类型又称闪锌矿型 (β- ZnS)，属于立方晶系，面心立方点阵，F43m空间 群 d. 六方ZnS型结构六方 ZnS型又叫纤锌矿型，属 六方晶系，P63mc空间群。
化学与新材料科学的相互关系
在过去的100多年里化学作为一门核心、 实用、创造性科学，已经为人类认识物质世 界和人类的文明进步做出了巨大的贡献。化 学科学寻求结构多样性和分子多样性，合成 制备了数以千万计的化学物质，发展了化学 合成理论和技术，为新材料的设计合成奠定 了理论和实验基础。
化学(Chemistry)是研究物质之间的变化规律， 阐明各类化学反应的机理，认识物质转化的化学过 程。化学创立了研究物质结构和形态的理论、方法
材料的发展历史
石器时代
可分旧石器和新石器时代。 旧石器是利用一块较硬的石头砍砸另一 块较软的石头而成。 新石器时代开始于1万年前。 其标志是打制的石器更精美、陶和玉 器工艺品的出现、用石头和砖瓦作建 筑材料。
青铜器时代
早在公元前8000年，先民们已利用天然铜 块制作兵器和工具（在新石器时代晚期，人类 已开始加工和使用金属，最先使用的金属是天 然红铜，人们在拣取石器材料，偶而遇到天然 铜） 。5000年前已学会用铜矿石炼铜，铜的 熔点为1083oC。青铜是铜锡合金，是人类发明 的第一种合金。2800年前，生活在三星堆的人 们就可能使用天然气冶炼青铜。
第四代材料：复合材料 -- 以各相异性为特征。
第一篇 材料的化学基础
第一章 物质的聚集态
1.1.1 系统与环境
任何物质都是与它周围的其它物质相互关联的
化学上把作为研究对象的物质称为系统（system）。 系统之外与之密切相关、且影响所及的部分称为环境
（surroundings）。 系统与环境的作用包括物质的交换和能量的传递 根据系统与环境作用方式的不同，把系统分成三
crystals）四种类型。 实际上单纯的四种基本类型的晶体并不是很
多，有相当多的晶体，不仅有过渡型的化学键， 而且还可以由不同的键型混合组成。
1）离子晶体
在离子型晶体中，组成晶格的粒子是正、 负离子。正、负离子之间靠静电引力相互作用，
即离子键（ionic bond）。由于离子键没有饱
和性和方向性，每个离子可在各个方向上吸引 尽量多的异号电荷离子，所以在离子晶体中， 配位数一般较高。属于离子晶体的物质通常是 活泼金属的盐类和含氧化合物，如NaCl，KBr， MgO等。
化学科学创立了研究物质结构和形态的理论、
方法和实验手段，认识了物质的结构与性能之间的 关系和规律。迄今为止化学研究的主流仍以创造新 分子新材料为目标，为设计具有各种特殊功能的新 材料提供了有效的方法和手段。
近年来，纳米化学和分子纳米技术越来越受到
世界各国科技界的关注。纳米化学的发展使人们对 纳米物质本性的认识有了深入了解的可能，这将对 发现新的纳米材料，开发具有特殊性能的纳米材料， 如纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米催化剂、纳 米信息材料等，以及开辟新的应用途径起到巨大的 推动作用。
新材料时代
除了以钢铁为代表的金属材料外，无 机非金属材料、高分子材料和先进复 合材料20世纪后半叶得到飞速发展。 塑料产量已逾亿吨。
第一代材料：石器时代的木片、石器、骨器等天然
材料。
第二代材料：陶、青铜和铁等从矿物中提炼出来的
材料。
第三代材料：高分子材料 – 1909年第一个人工合成
的酚醛塑料诞生。
质。硬度是物体抵抗外来机械作用，特别是刻划作 用的程度。硬度和解离性取决于固体中质点位置存 在的化学键中最弱的那部分键；熔点和化学反应活 泼性则取决于化学键中最强的键。
在一定的温度和压力下，固体有一定的密度
和形状。固体的可压缩性和扩散性都很小，所以 固体能保持一定的体积和形状。在受到不太大的 外力作用时，其体积和形状改变很小。外力撤去
类：敞开系统（open system）、封闭系统（closed system）和孤立系统（isolated system）。
敞开系统
封闭系统
孤立系统
1.1.2 物质的聚集状态
自然界中的纯物质都可以以固、液、气 三种聚集态存在，并在一个确定的温度和相应 的压强下，固、液、气三种聚集态处于平衡共 存的唯一状态——三相点。同一种物质在不同 的条件下存在的形态可以不同。
后能恢复原状的物体称弹性体，不能完全恢复的 称塑性体。
按构成固体的粒子的性质和内部结构的不同
可以将固体分成晶体（crystals）、非晶体（也 称为无定形固体，amorphous solids）和准晶体
（quasi-crystals）三大类。
（I）晶体
晶体是指原子或原子团、离子或分子按一定 规律呈周期性地排列构成的物质。其内部质点排 列有序，外形规则。晶体内部结构中的原子、离 子或分子都在空间呈有规则的三维重复排列而组