化学与材料

第四章化学与材料

教学目的与要求：

1.了解化学与材料的关系，材料的分类。

2.理解晶体结构的特点，掌握四种基本类型晶体的特点，了解几种典型的晶体材料和非晶体材料。

3.掌握金属材料的特点、了解化学腐蚀和电化学腐蚀的基本原理，掌握防止金属腐蚀的方法。

4.理解无机非金属材料的组织结构，了解传统的硅酸盐材料和新型无机非金属材料。

5.掌握高分子合成的加聚反应和缩聚反应的原理。了解高分子材料结构与性能的关系。

6.了解纳米材料的特性及制备方法。

教学重点与难点

重点：晶体材料

难点：晶体、高分子的结构特点

第一节材料科学的发展概况

一、材料科学体系

材料是指人类用来制作各种产品的物质。

材料学科是用化学组成和结构的原理来阐明材料性能的规律性，进而研究和开发具有指定性能的新材料。

材料科学体系则是在化学、物理、冶金学等学科的基础上，以金属材料、无机非金属材料和合成高分子材料为主体的完整的材料体系。

二、化学与材料科学的关系

化学是材料发展的基础和源泉，材料的发展离不开化学；而材料学科的发展又扩展了化学的研究领域，促进了化学的发展。故两者是相互依存，共同促进和发展。三、材料的分类方法

1.按照材料的特性和化学成分可分为：

金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料

2.按照材料所起作用可分为：

（1）结构材料：利用材料的力学性能，制备承受载荷，起支撑作用的构件的材料。（2）功能材料：利用材料的物理或化学性能，为达到特定的功能，所采用特殊性能的材料。

3.按照材料使用历史可分为：

（1）传统材料：生产工艺成熟，使用历史悠久的材料

（2）新型材料：新工艺制成或正在发展中的材料

4. 按照材料内部原子排列得有序程度分为：晶体材料与非晶体材料

第二节晶体与非晶体材料

一、晶体与非晶体的区别

晶体与非晶体通常有三大差别:

（1）晶体具有规整的几何外形，而非晶体则无固定形状。

（2）晶体有确定的熔点。非晶体的熔化是由固态逐渐软化，最终变为可流动的熔体。这一过程涉及一个较大的温度区间。

（3）晶体有各向异性，非晶体则为各向同性。

晶体与非晶体结构的区别：

晶体结构具有周期性和对称性，而非晶体则无。

因此晶体以其结构具有周期性和对称性，并且具有固定的熔点和各向异性而区别于非晶体。

二、晶体结构

1.晶胞

晶胞是一个平行六面体，是晶体的基本结构单位。整个晶体是由晶胞按其周期性在三维空间重复并置堆砌而成。

晶胞的两个基本要素：

（1）晶胞的大小和形状，可用晶胞参数表示；

由晶胞参数a，b，c，α，β，γ表示，

a，b，c 为六面体边长，α，β，γ

分别是bc ，ca , ab 所组成的夹角。

按晶胞参数的差异将晶体分成七种晶系

晶系边长夹角晶体实例

立方晶系 a = b = c α=β=γ= 900NaCl

三方晶系 a = b = cα=β=γ≠900Al2O3

四方晶系 a = b≠cα=β=γ= 900SnO2

六方晶系 a = b≠cα=β= 900,γ= 1200AgI

正交晶系a≠b≠cα=β=γ= 900HgCl2

单斜晶系a≠b≠cα=β= 900,γ≠900KClO3

三斜晶系a≠b≠cα≠β≠γ≠900CuSO4·5H2O

（2）晶胞中原子的种类、数目、坐标位置，可用分数坐标表示。

例如：CsCl晶体结构：

a=b=c ，α=β=γ＝90º的立方晶胞，其中8个Cl 原子位于晶胞顶点，但每个顶点实际为8个晶胞共有，所以晶胞中含

8×1/8=1个Cl 原子。Cs 原子位于晶胞中

心，它们的分数坐标分别是：

Cl －（0,0,0），

Cs ＋（1/2,1/2,1/2）。

例：表示NaCl 晶体的二要素。

（1）晶胞参数：

a =

b =

c = 562.8pm ，

α = β = γ = 90º

（2）晶胞中各原子的位置：

Na +:体心：1， 棱心： Cl -:顶点： 面心： 各离子的分数坐标：Na +:(0,0,0) (1/2,0,0) (0,1/2,0) (0,0,1/2)

Cl -: (1/2,1/2,1/2) (1/2,1/2,0) (1/2,0,1/2) (0,1/2,1/2)

2.结构基元：晶体结构中周期性重复的具体的内容。

结构基元必须满足：化学组成相同、空间结构相同、

排列取向相同和周围环境相同。

晶胞中若只含有一个结构基元为素晶胞；如：CsCl 晶胞只含有一个CsCl 为素晶胞。晶胞中含有2个以上结构基元的称为复晶胞，如：NaCl 晶胞中含有4个NaCl 结构基元，为复晶胞。

3.晶格：

将晶体中的结构基元抽象成一个结点,就可以得到一组无限有规律的点,即为空间点阵,它可以用来表示晶体结构重复周期的大小和变化规律。

为了便 31241=⨯3621=⨯1881=

⨯

于研究晶体的几何结构，将晶体中的微粒(原子、离子或分子)抽象地看成几何上的点(称为结点)。这些点的总和就称为晶格(或点阵)。

事实证明，不同类型的晶体微粒在空间排列的规律性(即晶格类型)是不同的。对于同一类型的晶体，这种规律性是相同的。故晶体结构= 空间点阵+ 结构基元空间点阵根据一定的原则可以划分为7种形状，14种型式的晶格。晶格是晶体所属点阵结构的代表。晶格的7种形状和晶胞的形状正好对应，故称为7大晶系。

14种晶格根据点的位置可分为四种晶格，即P : 简单格子；I : 体心格子；F：面心格子；C : 底心格子。

三、晶体的基本类型

四种晶体，晶格结点上微粒的种类、微粒间的作用力、主要物理性质