当前课程知识点：大学化学 > 第十二章 化学与现代科学 > 化学与材料-材料科学领域中的化学问题 > Video
同学们好
我们前面学习了
纳米化学的知识
接下来
让我们一起来了解一些
化学与材料的知识
首先
让我们来一起关注
材料科学领域里面的
一些化学问题
材料泛指有用的物质
是可以用来
制造有用的构件
器件或物品的物质
材料首先是一种物质
这种物质具有一定的
性能或功能
从而为人们所使用
材料一般可重复
持续使用
除了正常的损耗
材料不会不可逆的
转化成别的物质
从这一点来讲
材料不同于化学试剂
它和试剂是有区别的
试剂在使用过程中
通常被消耗掉
并转化成别的物质
材料是人类赖以生存
和发展的物质基础
人们经常说
一代材料
一代技术
一代装备
材料对国民经济
社会发展
国防科技的重要性
不言而喻
航空工业的发展
就是一个生动的写照
这是2015年11月
我们国家自主研制的
首款新一代喷气式
干线客机C919
在上海总装下线的照片
我们知道
1903年莱特兄弟
驾驶的第一架飞机
是用木头和布做成的
而现在金属材料
已经成为
机体材料的主流
从最开始的
木头和布
到铝合金为主
到钛合金
再到目前的
第三代铝锂合金
和以碳纤维为代表的
先进复合材料
每一次材料的交替
与更新都是飞机发展的
一次革命
医用B超换能器
是现代医学临床诊断
不可或缺的工具之一
它的基本原理
是向人体发射超声波
同时
接受体内器官的反射波
进而把声波转换为图像
把所携带的信息
反映在屏幕上
这是一个医用B超
所使用的
多元相控阵
探头的一个示意图
这里头最核心的材料
就是压电材料
表征压电材料性能的
最重要的参数
是压电系数
和机电耦合系数
它们决定了
超声探头的
成像分辨率和工作带宽
医用超声换能器的探头中
应用较多的压电材料
长期以来
一直是压电陶瓷
它的压电系数
只有500pC/N左右
随着压电材料的发展
从早期简单钙钛矿结构的
BaTiO3陶瓷
再到复合钙钛矿结构的
锆钛酸铅（PZT）
以及其他二元、
三元系陶瓷
再到高性能
铌镁酸铅-钛酸铅
（PMN-PT）
弛豫铁电晶体的成功生长
压电材料的性能
得到了大幅度提升
特别是以PMN-PT
为代表的
弛豫铁电单晶的
它的压电常数
可以达到
2000pC/N以上
机电耦合系数
大于90%
为新一代高性能
压电换能器的开发
奠定了良好的材料基础
我们现在看到的是
分别采用PZT陶瓷和
PMN-PT单晶
制作的超声探头
对心脏成像的结果
可以明显的看出
用PMN-PT单晶
制作的超声探头
它的成像更清楚
我们甚至可以清楚地看到
心脏瓣膜在
血液循环过程中的
开关动作
化学是关于
物质的组成
结构和性质
以及物质相互转变的
一门科学
很明显
材料与化学的对象
都是物质
材料注重的是
物质宏观方面的研究
化学则是关注原子
分子水平的相互作用
化学与材料的交叉
就形成了一门新的学科
材料化学
它是一门从化学的角度
来研究材料的设计
制备、组成、结构
表征、性质和
应用的科学
材料化学的一个重要任务
就是讨论
材料科学领域中的
主要化学问题
一部分是
研究材料的制备
结构、性能时
所涉及的
基础化学理论和方法
这包括原子结构
与化学键的本质
固体化学
或晶体化学方面的知识
相图理论等
其中
化学键的本质
和原子结构
以及分子结构的知识
是我们理解材料的组成
制备及性能与结构之间
关系的基础
晶体化学的知识
是理解材料的性能
与聚集态结构之间
关系的基础
而相图理论则是
理解材料的制备过程
以及材料的组成
与性能之间关系
组成与结构之间关系
结构与性能之间关系的
重要的基础知识
另外
材料化学还将讨论
材料合成、制备
使用过程中所涉及的
化学问题
比方说
材料组分设计的原则
制备方法和技术
材料的化学稳定性等等
那么如何关注
材料科学领域中
涉及到的这些
化学问题呢
我们可以从
以下几个方面入手
第一
从基本的化学原理入手
第二
我们要从价键结构入手
第三
我们还要从晶体结构入手
另外
我们还应该从相图入手
怎样从
基本的化学原理入手呢
我们在第二章
学习过溶液的依数性
可以利用反渗透技术
进行海水淡化
里面提到的一个
关键材料
就是要有高强度和
耐久性的半透膜
分析里面的化学原理
我们知道
这是因为半透膜
必须要承受
海水本身所产生的
渗透压
以及外加的压力
一方面
这对材料提出了
很高的要求
限制了材料的选择范围
另一方面
施加外压
必然消耗能量
增加成本
那有没有办法
解决这些问题呢
我们可以通过
渗透现象
本身的化学原理
找到替代的技术
后边我们会进一步
跟大家分享
这方面的知识
由于晶体结构上的
长程有序特征
可以表现出优异的性能
在功能材料研究领域
经常会涉及到单晶的生长
晶体的生长实际上是一个
相变过程
相变过程的推动力
就是相变过程前后
自由能的差值ΔG
只有在ΔG<0的时候
相变才可以自发进行
我们以水结冰为例
水的正常凝固点
是0℃
但我们日常生活中
经常观察到
水在0℃并不结冰
这是这么一回事呢
我们可以用前面学习的
化学热力学的
基本原理来解释
在等温等压下
△G=d△H-T△S
在平衡的时候
△G=0
这时候我们可以得到
熵变它应该等于焓变
除以温度T0
这个T0
实际上就是凝固点
那么在任意一个
温度下的
不平衡条件下呢
△G不等于0
这时候
如果我们假设
△H和△S
不随温度变化
那么就有
△G等于
△H-Ｔ△H /Ｔ0
进一步的推导
我们就可以得到
它最后等于焓变
△H·△T/T0
要想使△G小于0
我们这时候
必须要考究△H的符号
那么如果是在一个
熔体中进行结晶
例如水结冰
这是一个放热的过程
ΔH<0
要使ΔG<0
那么必须有ΔT>0
也就要求
我这时候的温度T
要小于凝固点Ｔ0
这就表明
在这个过程中
必须把水的温度
降到水的凝固点以下
也就是说
水必须要够冷
才能够使结冰过程
自发进行
所以说我们需要
提供一个足够的过冷度
才能够驱动晶体生长
在研究材料的性质的时候
我们还需要从
价键结构入手
大家知道
金刚石和石墨
都是碳的同素异形体
石墨很软
导电性很好
而金刚石很硬
并且是绝缘体
我们可以从价键结构
来解释他们性能的不同
共价键理论告诉我们
石墨是层状的结构
C原子采用
sp2杂化后
用最外层三个电子
成σ键
还有一个电子
用于在层间成大π键
这个电子
它可以在层间移动
很像金属中的自由电子
所以石墨的导电性能好
另外
层与层之间
它是靠分子间力结合
比较弱
层与层之间可以滑动
所以石墨很软
而金刚石中的C原子
它是采用sp3杂化
形成的是
空间的网状结构
C原子之间
都是以C-C共价键
所连接
没有自由移动的离子
也没有自由移动的电子
所以金刚石不导电
它是一个绝缘体
另外
还有前面李强老师讲到的
氢键的存在
引起的芳纶纤维的
特殊的力学性能
都是从价键结构入手
解释材料的
性质的一个例证
这也提示我们
在设计材料的时候
我们也不妨从
价键结构入手
非线性光学晶体材料
它可以实现
激光倍频效应
例如
它可以让不可见的
红外激光
通过晶体之后
就变为一个可见光
这就是倍频
因此
在工农业生产
和国防领域
具有重要的应用价值
非线性光学材料
一般要求物质
必须具备非心结构
也就是晶体不含
对称中心
我们知道晶体分为
七大晶系
14种布喇菲格子
它的宏观对称性
有32种点群
包含
有对称中心的12种
和没有对称中心的20种
考虑到晶体点群对称性
和一些其他方面的要求
只有18种
没有对称中心的晶体
才有可能具有
二阶非线性光学效应
如果要进一步考虑
实际应用中的
相位匹配问题
还要去掉
属于立方晶系的
两种点群
只有16种点群晶体
才具有非零的
二阶非线性光学效应
因此
在探索和筛选
非线性光学晶体材料中
必须要考虑
材料的晶体结构
另外研究材料的时候
还应该从相图入手
前面我们提到的
铌镁酸铅-钛酸铅
（PMN-PT）
弛豫铁电晶体
它具有优异的压电性能
可用于高性能
医用B超探头
研究发现
这类材料的压电性能
具有温度依赖性
当工作温度超过一个
特殊温度时候
它的压电性能
急剧降低
我们分析这种材料的
相图知道
当材料的组分
它处在准同型相界时
我们一般认为
这个准同型相界
是三方、四方
两相共存的一个
特殊的区域
也称为MPB
材料的压电性能才最优
当升高温度时
材料会发生两个
结构相变
较高温度为材料的
居里温度
较低温度下发生的是
三方铁电
到四方铁电相的相变
这个温度也被称为Trt
当温度超过Trt的时候
发生从三方相
到四方相的结构转变
弛豫铁电晶体中的
两相共存现象它就消失
那么这个时候
MPB组分所带来的
优异的压电性能
也将不复存在
由此我们可以推断
这类材料
压电性能的稳定性
它取决于
三方、四方相变温度Trt
而不是居里温度Tc
因此
从应用角度来看
我们更应该去关注
作为材料临界操作温度的
铁电结构相变温度Trt
这就是分析相图
给我们带来的
关于材料使用时
温度稳定性方面的信息
关于如何关注
材料科学领域中的
化学问题
我们就简单地介绍到这里
在后续的课程中
我们还将跟大家
分享一些实例
-1.1 不一样的大学化学
--Video
-1.2 化学体系的建立
--Video
-1.3 应该了解的化学
--Video
-1.4 课程学习的必要准备
--Video
-第一章 绪论--第一章 习题
-2.1 物质的聚集状态—物质的相与相变
--Video
-2.1 物质的聚集状态—气体—理想气体与实际气体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—气体—实际气体的状态方程
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—单晶多晶与非晶结构；晶体的宏观性质
--Video
-2.1 物质的聚集状态—固体—晶体的对称性
--Video
-2.1 物质的聚集状态—等离子体
--Video
-2.1 物质的聚集状态—液晶
--Video
-2.1 物质的聚集状态—等离子、液晶与平板显示技术
--Video
-2.2 溶液的性质—溶液的特点与分类
--Video
-2.2 溶液的性质—气体、液体和固体的溶解
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—饱和蒸气压降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—稀溶液的沸点升高
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—溶液的凝固点降低
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性— 溶液的渗透压
--Video
-2.2 溶液的性质—非电解质稀溶液的依数性—反渗透现象
--Video
-第二章 物质的聚集状态与溶液的性质--第二章习题
-3.1原子核外电子运动的描述-原子结构理论的发展
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-核外单电子运动的量子化模型
--Video
-3.1原子核外电子运动的描述-电子运动的特点
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道- 电子运动的波函数与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-量子数的取值与原子轨道
--Video
-3.2电子运动的波函数与原子轨道-自旋量子数的取值原则
--Video
-3.3核外电子排布-多电子原子核外电子运动的描述
--Video
-3.3核外电子排布-基态原子核外电子的排布
--Video
-3.4元素周期律-元素周期律与元素周期表
--Video
-3.4 元素周期律-元素性质的周期性
--Video
-3.4元素周期律-电子结构与元素性质
--Video
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 小论文
-第三章 原子结构与元素周期律--第三章 习题
-4.1 离子键理论—离子键理论
--Video
-4.1 离子键理论—离子键价键构型
--Video
-4.1 离子键理论—离子半径与离子晶体的结构
--Video
-4.2 共价键理论—经典路易斯理论
--Video
-4.2 共价键理论—现代价键理论
--Video
-4.2 共价键理论—共价键的性质
--Video
-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道的理论要点
--Video
-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（一）
--Video
-4.3 杂化轨道理论—杂化轨道类型（二）
--Video
-4.3 杂化轨道理论—不等性杂化轨道理论
--Video
-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）I
--Video
-4.4 价层电子对互斥理论（VSEPR）II
--Video
-4.5 分子轨道理论-分子轨道的建立
--Video
-4.5 分子轨道理论-分子轨道能级图
--Video
-4.5 分子轨道理论-异核双原子分子和离子
--Video
-4.6 分子间作用力-分子的极性
--Video
-4.6 分子间作用力-分子间作用力
--Video
-4.7 氢键
--Video
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 小论文
-第四章 分子结构与化学键理论--第四章 习题
-5.1 配合物的基本特征-配合物的形成
--Video
-5.1 配合物的基本特征-配合物的命名规则
--Video
-5.2 配合物的化学键理论-配位学说
--Video
-5.2 配合物的化学键理论-配合物价键理论
--Video
-5.2 配合物的化学键理论-晶体场理论
--Video
-5.3 配合物化学键理论的应用-配合物的几何异构现象
--Video
-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（一）
--Video
-5.3 配合物化学键理论的应用晶体场理论的应用（二）
--Video
-第五章 配位化学概论--第五章 习题
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-化学热力学基本概念(二)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热力学第一定律
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-恒温与恒压热效应(二)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-反应进度
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-热化学方程式与盖斯定律(二)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(一)
--Video
-6.1化学反应中的能量变化-标准摩尔反应热的计算(二)
--Video
-6.2 化学平衡-可逆反应与平衡常数
--Video
-6.2 化学平衡-化学平衡的规则
--Video
-第六章 化学反应中的能量变化与化学平衡--第六章 习题
-7.1 自发过程与自发反应（一）
--Video
-7.1 自发过程与自发反应（二）
--Video
-7.2 熵与热力学第二定律—熵
--Video
-7.2 熵与热力学第二定律—熵与Entropy
--Video
-7.2 熵与热力学第二定律—热力学第二定律
--Video
-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—热力学第三定律
--Video
-7.3 热力学第三定律与与孤立系统熵判据—孤立系统熵判据
--Video
-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（一）
--Video
-7.4 吉布斯自由能判据-吉布斯自由能（二）
--Video
-7.4 吉布斯自由能的判据—标准吉布斯自由能的计算
--Video
-7.4 吉布斯自由能的判据—反应方向的标准吉布斯自由能判据
--Video
-7.4 吉布斯自由能的判据—非标准状态下自发反应方向性的判据
--Video
-7.4 吉布斯自由能判据—吉布斯-亥姆霍兹方程
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（一）
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—勒夏特列原理与化学反应的方向（二）
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（一）
--Video
-7.5 化学反应方向的影响因素—温度、压力对化学反应方向的影响实例（二）
--Video
-第七章 化学反应的方向--第七章 小论文
-第七章 化学反应的方向--第七章 习题
-8.1 化学反应速率-化学反应的方向与反应速率
--Video
-8.1 化学反应速率-化学反应速率的表示方式
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（一）
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应的速率方程的建立（二）
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-一级反应速率方程
--Video
-8.2 化学反应的速率方程-化学反应级数与速率方程-二级反应速率方程
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-温度对化学反应速率的影响
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（一）
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-碰撞理论（二）
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（一）
--Video
-8.3 浓度和温度对化学反应速率的影响-过渡态理论（二）
--Video
-8.4 催化剂对化学反应速率的影响
--Video
-第八章 化学动力学基础--第八章 习题
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（一）
--Video
-9.1 酸碱平衡—酸碱定义（二）
--Video
-9.1 酸碱平衡—水的解离平衡
--Video
-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（一）
--Video
-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（二）
--Video
-9.1酸碱平衡—弱酸、弱碱的解离平衡（三）
--Video
-9.1 酸碱平衡—同离子效应
--Video
-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（一）
--Video
-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（二）
--Video
-9.1 酸碱平衡—缓冲溶液（三）
--Video
-9.2 配位平衡—配合物的解离平衡
--Video
-9.2 配位平衡—配合物解离平衡的移动
--Video
-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积常数
--Video
-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（一）
--Video
-9.3 沉淀溶解平衡—溶度积规则（二）
--Video
-第九章 酸碱平衡与沉淀溶解平衡--第九章 习题
-10.1 氧化还原反应方程式配平
--Video
-10.2 原电池与电极电势—原电池
--Video
-10.2 原电池与电极电势—电极电势（一）
--Video
-10.2 原电池与电极电势—电极电势（二）
--Video
-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（一）
--Video
-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电池电动势的影响（二）
--Video
-10.3 影响电极电势的因数—能斯特方程—浓度或分压对电极电势的影响
--Video
-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应的方向性
--Video
-10.4 电极电势的应用—判断元素的氧化还原能力
--Video
-10.4 电极电势的应用—判断氧化还原反应进行的程度
--Video
-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（一）
--Video
-10.4 电极电势的应用—元素电势图及其应用（二）
--Video
-10.4 电极电势的应用—金属的电化学腐蚀与防护
--Video
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 小论文
-第十章 氧化还原反应与电化学基础--第十章 习题
-无机元素化学-s区元素
--Video
-无机元素化学-p区元素
--Video
-无机元素化学-过渡元素
--Video
-生命化学概论-生命有机化合物官能团
--Video
-生命化学概论-生命元素-碳
--Video
-生命化学概论-生命元素-氧
--Video
-生命化学概论-蛋白质
--Video
-生命化学概论-核酸
--Video
-生命化学概论-糖
--Video
-生命化学概论-金属酶与金属蛋白
--Video
-生命化学概论-药物
--Video
-第十一章 元素与生命化学概论--第十一章 习题
-纳米科学与化学-自然界中的纳米现象
--Video
-纳米科学与化学-微观结构与仿生
--Video
-纳米科学与化学-纳米结构的观察
--Video
-纳米科学与化学-纳米结构与特殊浸润性
--Video
-化学与材料-材料科学领域中的化学问题
--Video
-化学与材料-正渗透与水处理技术
--Video
-化学与材料-相变材料（一）
--Video
-化学与材料-相变材料（二）
--Video
-化学与材料-范德华力与二维材料
--Video
-第十二章 化学与现代科学--第十二章 习题
-大学化学期末考试
