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-范德华力与二维材料 > Video
同学们好
我们这节课
回顾一下
我们前面学习的
分子间作用力
也就是范德华力
以及它在材料研究中的
应用
我们知道所有的物质
无论是单质还是化合物
都是由同种或者
不同元素的
原子所组成
但是
仅有原子还不够
大部分情况下
它们还必须
互相拉起手来
也就是
通过化学键形成分子
例如
当活泼金属Na原子
与活泼非金属
Cl原子结合的时候
由于电负性的差异
它们之间
会发生电子转移
产生带负电的Cl-
和带正电的Na+
正负离子之间的
静电吸引作用
才使得
Na原子与Cl原子
以离子键结合
形成我们观察到的
宏观物质
NaCl晶体
同样的
当一个O原子
分别与两个H原子
以共价键结合的时候
我们就得到了水分子
只有水分子
还不足以形成
我们观察到的
宏观的水
比如说
液态、气态和固态的水
还需要一种
分子间作用力
也就是范德华力
才能够将微观的水分子
聚集在一起
构成宏观的水
这里面
由于水的特殊性
氢键也会起到
重要的作用
离子键和共价键
都属于化学键
是一种非常强烈的
吸引力
要想把NaCl晶体
重新变成
Na原子与Cl原子
或者把水分子
重新变成
H原子和O原子
我们必须付出
相当大的能量才行
而范德华力不一样
它虽然包含三种力
取向力
诱导力
和色散力
但是强度弱
远小于化学键
甚至小于氢键的作用力
范德华力的
另一个独特之处在于
它在分子间普遍存在
不仅存在于同种分子之间
不同种类的分子
同样可以互相吸引
范德华力
虽然很小
但是这个很小
只是相对来说的
生活中我们仍然
可以感知它的存在
实际上
我们可以通过
一些分子晶体
在固态、液态、气态之间
转换过程中的能量变化
就能够意识到
在分子晶体中
必然存在范德华力
例如干冰可以制冷
制冷就说明CO2
从固态的干冰
变为CO2气体
它需要吸收热量
变为气体后
物质的组成
并没有发生变化
还是CO2分子
那么我们就可以推测
固态的干冰中
CO2分子之间的
范德华力比较强
而CO2气体中
CO2分子之间的
范德华力比较弱
吸收的热量
就是用来突破
范德华力
对二氧化碳分子之间的
一个束缚
范德华力虽然比较弱
但弱有弱的好处
大家都知道
铅笔是用来写字的
但它还有另外一个绝招
生锈的锁打不开
在插钥匙的孔里面
加一点铅笔芯粉末
就可以很方便的
打开锁了
铅笔芯
怎么会有这种绝招呢
原来
铅笔芯里面含有石墨
而石墨有润滑性
用手摸一摸铅笔芯的粉末
会有一种滑腻的感觉
所以
铅笔芯能润滑锈锁
那么石墨为什么具有
润滑作用
科学家们仔细研究了
石墨的晶体结构
发现石墨
具有典型的层状结构
在每一层中
每个C
与相邻的C原子之间
等距相连
C原子按六方环状排列
我们前面学过共价键的
杂化轨道理论
知道这是由于
碳原子成键的时候
采用sp2杂化的缘故
上下两层的
C原子之间距离
比同一层内的
C原子之间的距离
大得多
实际上
层与层之间
是靠范德华力结合
一起形成石墨的
由于范德华力比较弱
所以层与层之间
容易滑动
甚至脱离开来
所以石墨具有
很好的润滑作用
相比于润滑油
石墨熔点很高
达三千多度
在高温下
一般的润滑油会分解
而石墨却安然无恙
所以作为润滑剂
它特别适合
在高温状态下
工作的机器
在工业生产中
还有一种轴承
它在成型的时候
加进了石墨粉
这种轴承能长期工作
而不必加润滑剂
这就是依靠
石墨自身的润滑作用
另外据报道
在直升飞机的舱门上
已经大量使用新型的
高精度纯石墨轴承
这种轴承
既耐低温
又耐高温
特别是在真空条件下
它仍能保持
良好的润滑性
这就是
不一样的范德华力
赋予石墨的独特的性能
既然石墨具有这种
独特的层状结构
层与层之间的结合力
也就是范德华力很小
那有没有办法
把石墨
一层一层的剥离下来
得到厚度非常薄的石墨呢
英国曼特斯特大学的
两位科学家
巧妙的想到了一种方法
这种方法
称为机械剥离法
首先把一个石墨薄片
粘在胶带上
把有黏性的一面对折
就把胶带撕开
这样石墨薄片就被
一分为二
通过不断的
重复这个过程
片状石墨越来越薄
就可以得到一定数量的
单层石墨
这种单层石墨
就是目前我们
耳熟能详的石墨烯
把带有石墨烯的胶带
与硅片接触
撕掉胶带
就可以把石墨烯
转移到硅片上
通过这种方式
可以得到
厚度只有一个C原子的
石墨烯
1mm厚的石墨薄片中
能够剥离出
300万层的石墨烯
研究发现
石墨烯不仅是
已知的最薄的
也是导热性能最好的材料
而其电特性更为出众
它的电阻率约为
10-6Ω·cm
是目前已知导电性能
最好的材料
而常温下高达
15000cm2/(V·s)的
电子迁移率
使得石墨烯成为
制造高速晶体管的
希望所在
石墨烯既是最薄的材料
也是最强韧的材料
断裂强度
比最好的钢材
还要高出百倍
同时
它有很好的弹性
拉伸幅度能达到
自身尺寸的20％
如果用一块
面积1m2的石墨烯
做成吊床
可以承受一只猫的重量
而吊床本身重量
不足1mg
这相当于猫的一根胡须
石墨烯的导电性
比Cu更好
导热性远超一些
其他的材料
虽然石墨是自然界中
颜色最黑的物质之一
但是石墨烯
几乎是完全透明的
只吸收2.3%的光
另一方面
它非常致密
即使是半径非常小的
He原子
也无法穿透
正是由于石墨烯
这些独特的性能
用胶带剥离石墨烯
这个看上去非常简单
一点也不高科技的方法
为英国曼彻斯特大学的
两位科学家
安德烈·海姆
和康斯坦丁·诺沃肖洛夫
获得了2010年度的
诺贝尔物理学奖
因此人们也戏称
这是透明胶带
成就的诺贝尔奖
关于石墨烯的
开创性研究工作
不仅给两位科学家带来了
诺贝尔物理学奖
也开启了二维材料的
研究热潮
所谓二维材料
就是只有一个
或几个原子层厚的
薄膜材料
受石墨烯研究的启发
越来越多的
具有不同物理
和化学性质的
单层或多层二维材料
常见的有六方氮化硼
过渡金属硫族化合物
代表性的有二硫化钼
已经被成功制备出来
据科学家估计
可能有约500种二维材料
不只是石墨烯和
过渡金属硫族化合物
还包括单层金属氧化物
和单元素材料
比如说磷烯
还有硅烯和锗烯等
很多的这些二维材料
都可以从它们的
三维层状结构
体材料中
借鉴石墨烯的制备方法
采用胶带剥离的方法得到
这就是利用了
层之间范德华力
比较弱的特点
另外
虽然都是二维材料
但是由于层内
不同原子之间
共价键或者离子键
结合程度不同
这些二维材料
表现出丰富的
甚至迥异的
光、电、磁
以及催化活性
比如说
六方氮化硼是白色的
有许多和
石墨类似的性质
比如说润滑特性
也被称为白石墨
但是
二维六方氮化硼的导电性
与石墨烯截然不同
石墨烯的导电性能
非常好
但是六方氮化硼
是优良的绝缘体
另一种人们熟知的
二维材料
二硫化钼
则与石墨烯和氮化硼
都不同
它是一种半导体
由于这些二维材料
展现出极丰富的
光、电、磁
催化活性
目前已经成为
材料领域的研究热点
例如
由石墨烯制作的触摸屏
透光率高达97.7%
通透性更好
色彩也就越真实、纯净
石墨烯还具有
高导电性
和柔韧性好的特点
这对触摸屏手机
非常有用
甚至能够做出
可卷曲的柔性屏幕
如果在传统手机
锂电池中加入了
石墨烯复合导电粉末
可以提高电子的
充放电性能
和循环寿命
让手机续航时间更长
虽然目前
有很多智能手机
采用的是
导热很好的
石墨导热材料
爱玩手机游戏的同学
都知道
手机工作久了
还是容易发烫
石墨烯导热膜
具有更好的导热性能
用石墨烯代替
石墨导热膜
就可以让手机
长时间工作
不发烫
另外
如果用石墨烯制作电容器
它的充放电速度
是锂电池的
100倍到1000倍
几分钟就能完成
智能手机的充电
石墨烯
一方面为探索新奇的
物理现象
提供了实验基础
另一方面
也在工农业生产
电子器件
光电子器件
国防高科技等领域
得到了广泛的应用
由于突出的高导电性
高强度
超轻薄等特性
石墨烯
在航天
军工领域的应用优势
也是极为突出的
前不久
美国NASA开发出
应用于航天领域的
石墨烯传感器
就能很好的
对地球高空大气层的
微量元素
航天器上的
结构性缺陷等进行检测
而石墨烯
在超轻型飞机材料等
潜在应用上
也将发挥更重要的作用
我们可能想象不到
我们小时候
经常用来写字画画的铅笔
竟然可以从铅笔芯中得到
可能创造出
下一代电子触摸屏
甚至下一代飞机的石墨烯
令人感兴趣的是
科学家一方面利用
弱弱的范德华力
从层状体块材料上
通过剥离得到二维材料
还可以利用
这种弱弱的范德华力
将不同的二维材料
像搭积木一样结合起来
制备一类称之为
范德华异质结的
新型材料体系
由于层间弱的
范德华作用力
相邻的层间
不再受晶格
必须相匹配的限制
因此原则上
可以任选两种二维材料
将一种材料
放在另外一种材料的上面
并且
由于没有成分过渡
所形成的异质结
具有原子级
陡峭的载流子梯度
通过将不同电学
以及光学性质的
二维材料堆到一起
可以实现对
范德华异质结的
材料性质
进行人工调控
实现更加丰富的
光电性能
比如石墨烯
有非常高的电子迁移率
而单纯的二硫化钨
可以高效吸收太阳光
并将其转化成电能
科学家将单层石墨烯
与单层二硫化钨
这两种二维材料
依靠范德华力相连
组成的新的材料体系
就结合了这二者的特性
可以有效的提高
太阳能电池的性能
类似的还可以形成
基于磷烯
二硫化钼
范德华异质结的二极管
和基于磷烯
二硫化钼
范德华异质结的三极管
小小的范德华力
无论在从体块层状材料
制备二维材料方面
还是将二维材料
堆叠成功能丰富的
多层材料方面
都发挥了
独一无二的作用
关于范德华力和
二维材料的介绍
我们就到这里
-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
