固体化学(第一章) 绪论

搅拌都不能使白色的4--甲基苯胺表面变蓝，即使
在饱和的CoCl2水溶液中也是如此。
44
这表明虽然使用同样的起始反应物、同样 的摩尔比，由于反应微环境的不同，从而使固、 液反应有明显的差别，有的甚至如同上例，换 一种状态进行，反应根本不发生，或者固、液
反应的产物不同。
45
室温或低温下固--固反应的四步机理: 1、固相间的扩散； 2、反应物进行固相反应； 3、反应物开始形成晶核；
固体化学发展的若干前沿领域
固体化学在推进新材料发展的同时，其本身
也随着材料科学的发展而发展。
近年来已出现了一些富有成果性的研究。如
高温超导材料、纳米材料、C60 等。
32
固体化学发展的前沿领域主要有以下六个方面：
一、固体无机化合物和新材料的新合成方法; 二、温室和低热固相化学反应; 三、超微粒子与纳米相功能材料;
料、金属间化合物、玻璃陶瓷和高温结构材料等。
37
组合化学（combinatorial chemistry）由于可 以批量合成化合物而引起科学家的广泛兴趣。 组合化学起始于20世纪 80年代，原来主要用
于药物材料的筛选上（例如作为抗癌药物的无机
配合物）。
38
现在，利用组合化学的方法可以有效地 寻找具有特殊功能的新型化合物材料，从而
2
6、稀土新材料及新流程进展---倪嘉赞,洪广言(科学出
版社,1998)
7、材料化学导论--- 邓启刚, 席慧智,刘爱东(哈尔滨工
业大学出版社,1999)
8、无机合成与制备化学--- 徐如人, 庞文琴(高等教育
出版社,2002) 9、无机固体化学---洪广言（科学技术出版社,2002）
3
第一章 绪论
48
“纳米”（nm）是一个尺度的度量， 1 nm = 10-9 m。 纳米材料就是材料的组成中至少有 一相的晶粒尺寸小于100 nm 的材料。
49
纳米材料被誉为21世纪的新材料，它具 有三个特征： 1、具有尺寸小于100 nm 的原子区域
（晶粒或相）；
2、显著的界面原子数； 3、组成区域间相互作用。
21
随着材料科学技术的发展，一方面需要 改进目前正在使用的固体材料的性能； 另一方面又要希望能够不断创造出性能 更加优异的新材料。 因此，材料的改进与创新在很大程度上
都依靠于对固体化学的了解和固态化学研究
的不断深入。
22
固体材料的分类 从材料的化学组成来分，主要有金属材料、无 机非金属材料、有机高分子材料及复合材料； 按照材料的使用性能可分为结构材料和功能材料 两大类； 其中，结构材料主要使用材料的力学性能,功能 材料则主要使用光、电、磁、热、声等功能特性；
4、晶核进一步生长。
46
低温固相反应的特点：
作为绿色合成化学的低热化学反应，具有
节能、高效、无污染及工艺过程简单等优点，
它不仅使合成新的化合物成为可能，也为材料
的制备提供了一种新的方法。
47
三、超微粒子与纳米相功能材料
在工程上，把粒径小于0.5 微米的粒子称为
超微粒子。 科学家根据粒径对材料性质的影响，把粒径 为0.1----0.001微米（即1~100 nm）的超微粒子称 作纳米粒子。
议（如国际固体化学研讨会ISSSC--International Symposium on Solid State Chemistry) 的定期召开大大推动了固体
化学的研究进程。
14
由于固体化学的研究内容十分广泛，因 此各位作者在编写固体化学专著时所采用的 侧重点会有所不同。 但是其最为基本内容都应包括以下六个
誉为当代文明的三大支柱。
17
70 年代又把新型材料、信息技术和生物
技术誉为新技术革命的主要标志。
80年代，为超越世界科技水平，我国政府 制订的“863”高新技术计划又把新材料作为
主要研究与发展领域之一。
18
大量事实证明，科学技术的进步离不开 材料科学，因而也就离不开固体化学。 例如: 半导体材料的设计推动了今天的半 导体工业、电子工业、计算机和信息产业；
组成片状六角形的平面蜂巢结构；
另一个价电子则为该层内所有碳原子所共有，
形成大键；
层与层之间则以范德华力相互作用。
30
因此，石墨晶体中既包含有共价键，又包 含有大键和范德华力，从而使得石墨表现出 固体物质的多重性质： 质地柔软光滑、容易磨碎、密度小，熔点
高、不透明、有光泽和导电率高等。
31
第二节
23
从材料的应用对象又分为信息材料、能源材
料、建筑材料、生物材料、航天航空材料等；
若按物理效应也可进一步细分为激光材料、
发光材料、非线性光学材料、磁性材料、巨磁阻
材料、磁光材料、导电材料、发电材料、介电材
料、铁电材料、热释电材料、超导材料、声光材
料、磁致伸缩材料等。
24
固体材料的分类 按化学分类 金 属 材 料 无 机 非 金 属 材 料 有 机 高 分 子 材 料 按状态分类 按物理效应分类 压 电 材 料 、 激 光 材 料 热 释 材 料 、 声 光 材 料 铁 电 材 料 、 非 线 性 光 学 材 料 磁 性 材 料 、 超 导 材 料 按用途分类
晶 态 材 料
单 晶 材 料
非 晶 态 材 料
复 合 材 料
准 晶 态 材 料
功 能 材 料
结 构 材 料
多微 晶晶 材材 料料
普金半高 通属导分 玻玻体子 璃璃玻材 璃料
耐金建耐 火属筑磨 材材材材 料料料料
25
固体材料的化学分类
传统无机非金属材料 无机非金属材料
—— 硅酸盐材料
新型无机非金属材料
12
固体化学专著
1、固态化学导论---苏勉曾 (北京大学出版社,1987)
2、固态化学及其应用---West A R 著,苏勉曾,谢高阳,
申泮文等译(复旦大学出版社,1989)
3、固态化学—吕孟凯（山东大学出版社,1996） 4 、无机固体化学---洪广言（科学技术出版社,2002）
13
固体化学专刊、专著的问世及学术会
识水平的提高，以及探测固体内部和表面
微观结构和微量组分测试所需要仪器的快 速发展，使人们对固体物质的合成反应和 性能进行了深层次的研究。
10
现在的固体化学研究相当活跃，国际上也创
办了一些著名的专业期刊，如：
Journal of solid state chemistry
Journal of Alloys and compounds
本章基本要求：
1、熟悉固体化学的定义; 2、掌握固体化学的研究内容;
3、熟悉固体化学发展的前沿领域。
4
第一节 固体化学的研究内容
1、 什么是固体化学 在固体科学中，有许多相互交叉的领域，如
固体物理、固体化学、材料科学、陶瓷学、矿物
学和冶金学等。 其中，固体化学是物理科学的一个分支，它 是固体科学中最核心的部分，什么是固体化学呢?
Solid State Ionics
11
Solid State communication Thin Solid cs: Condense Matter.
The Journal of the American Ceramic Society Journal of Materials Chemistry Advanced Materials Angewandte Chemie—International Edition
28
固体物质也可以按照固体中原子之间的化学键
来分类，即把固体物质分为离子晶体、共价晶体、
金属晶体、分子晶体和氢键晶体等。
实际晶体中，往往不是一种纯粹的化学键在起
作用，而是包含有几种键型。
例如，ZnS中的共价键里就含有约30% 的离子
键成分。
29
又如层状结构的石墨中，每一层内的每个碳原
子以三个电子与邻近的三个碳原子以共价键结合，
学反应，进行定向合成和分子组装以及最大限度地 发掘固相反应的内在潜力创造了条件。
42
室温下固----固反应的实例：
固体4--甲基苯胺与固体CoCl2.6H2O按2:1摩尔
比在室温下（20 ℃ ）混合，一旦接触，界面即刻 变蓝，稍加研磨反应完全，该反应甚至在0 ℃ 同 样瞬间变色。
43
作为对比，在CoCl2的水溶液中加入4--甲基 苯胺（摩尔比同上），无论是加热煮沸还是研磨、
2、共沉淀法
3、水热与溶剂热合成法
4、微波法
5、气相输运法 其中，溶胶凝胶法及水热与溶剂热合成法是 软化学合成中比较重要的两种方法。
36
软化学合成的原理：
在中低温或溶液中，使反应物在分子状态上均 匀混合，通过生成前驱体或中间体（此反应过程可
以人为控制），最后生成具有指定组成、结构和形
貌的材料。
软化学合成方法广泛应用于发光材料、磁性材
33
四、层状化合物与高温超导;
五、原子簇化合物与C60; 六、生物无机固体化学;
34
一、固体无机化合物和新材料的新合成方法
通常采用高温固相反应来制备固体无机
化合物和新材料。
此方法的缺点:
1、反应温度过高（大于 1400 ℃）；
2、消耗能量大；
3、反应过程难于控制 ；
35
新的合成方法如下：
1、溶胶凝胶法
5
固体化学是一门专门研究固态物质
的制备、品质鉴定、结构和性能以及它 们之间相互关系的一门科学。
6
固体化学是介于物理学和化学之间的一门交
叉学科。
固体化学不同于固体物理学，后者更侧重于
对固体的物理性质的解释；
固体化学也不同于结晶化学，后者是强调结 晶固体的结构及其规律；
7
固体化学是把固态物质的制备、鉴定、结构
—— 半导体材料、超硬 耐高温材料 、 发光材料等
固体材料
金属材料 —— 金属、合金
高分子材料 —— 塑料、合成橡胶、合成纤维
26
固体物质也可以按照其原子排列的有 序程度来进行分类，即分为晶态和非晶态。 其中，晶态固体具有长程有序的点阵 结构；
27
非晶态固体的结构类似液体，只在几个原 子间距的量程范围内（即原子处在短程时）处 于有序状态，而长程范围原子的排列没有一定 的格式，如玻璃和许多聚合物等。
传统固相化学反应只能在较高温度下存在，
它们在高温时分解或重组成热力学稳定产物。为 了得到介稳态固相反应产物，扩大材料的选择范 围，有必要降低固相反应温度。
41
由此可见，降低反应温度不仅可获得更新的化
合物，为人类创造出更加丰富的物质财富，而且可
以最直接地提供人们了解固相反应机理所需的实验
佐证，为人类尽早地实现能动、合理地利用固相化
50
四、层状化合物与高温超导
自从1986年发现层状K2NiF4结构镧钡铜氧
(La1-xBa)2CuO4是一种高温超导体以来，人们对
在光学、电学、磁学材料中具有广阔的应用
前景。
39
二、温室和低热固相化学反应
“固相化学反应只能在高温下发生”这一认 识，在化学家的头脑中已根深蒂固，而事实上许
多固相反应在低温下便可发生。
研究低温固相反应并开发其合成应用价值的意
义是不言而喻的。
40
1993 年Mallouk教授在Science 中的评述如下：
部分：
15
1、固态物质的合成； 2、固体的组成和结构； 3、固相中的化学反应；
4、固体中的缺陷；
5、固体表面化学； 6、固体的性质与新材料等。
16
3、 固体化学在现代科学技术中的作用与地位
固体化学是材料科学的基础，社会的进步
和现代科学技术的发展都离不开材料科学。 上世纪60 年代，人们把材料、能源和信息
固 体 化 学
主讲教师：宋鹏
1
主要参考资料
1、固态化学—吕孟凯（山东大学出版社,1996）
2、固态化学导论---苏勉曾 (北京大学出版社,1987)
3、固态化学及其应用---West A R 著,苏勉曾,谢高阳,
申泮文等译(复旦大学出版社,1989)
4、无机材料科学基础--- 陆佩文等编(武汉工业大学出 版社,1996) 5、无机材料物理化学--- 周亚栋编(武汉工业大学出版 社,1994)
及性能统一起来加以研究，形成了一门新学科。
即固体化学主要研究固体物质(包括材料)的 合成、反应组成和性能及其相关现象、规律和原
因的科学。
8
2、固体化学的形成和发展
公元前就有固体物质合成及其性质探测的
记载，如火药、制陶和炼丹术等。
20 世纪20 年代，对固态化学反应有所研
究，但缓慢发展。
9
60 年代以后，随着人们对固体物质认
19
现代航空、航天技术中需要的高强度、耐高
温、轻质的结构材料等。
因此，可以说，现代采矿、冶金、地质、建 材、机械、电子、石油化工、航空航天等每个领
域都与材料科学、固体化学有着密切的关系。
20
固体化学作为一个学科的出现，是建立
在物理学、化学、晶体学和材料科学发展的
基础之上。 固体化学的发展反过来也必将推动物理 学、化学、晶体学和材料科学的发展。