第三章 现代化学与新材料技术
一、内容提要
本章有三节。第一节是从化学发展的历史说起，介绍现代化学研究的内容和化学分析基础知识。第二节介绍一些传统材料特性及其应用。第三节介绍新材料技术。
二、重点与难点
本章学习重难点为新材料技术与现代化学分析技术。
三、教学辅导
化学是一门在分子、原子水平上研究物质组成、结构和性能的辩证关系，以及物质、能量转化规律的科学。化学也是一门满足社会需要的中心科学，在现代社会中，化学对材料、能源、农业、资源的开发，满足和改善人民生活，促进社会生产发展都有着巨大的作用。材料是人们用来制造有用物品的各种物质。材料是人类生产和生活活动的物质基础，也是社会生产力的重要因素。材料科学是当今科技发展研究的重点，它的发展又与现代化学发展密切相关。我们学习本章内容时，分解为以下几个问题。
1． 现代化学是如何发展起来的？
化学的发展，经历了很长的历史时期。
（1）古代化学的产生
大约五十万年以前，人类发明了“钻木取火”，掌握了人工取火的技术。火的利用是人类最早的一项化学实践活动，也是人类最早知道的一种化学现象，它为人们以后研究和实现一系列物质的化学变化创造了条件。古代化学是一种实用化学，由它产生的制陶，金属冶炼，火药制造，染色，酿酒等化学工艺，几乎成为古代社会生产力发展的最重要的因素。古代人们在实践的基础上，掌握了过滤、溶解、结晶、升华和熔融等化学技术的同时，对物质也有了总体的认识，产生诸多的物质观点，如我国战国时期的“五行说”，古希腊亚里斯多德的“四素说”等。这些化学制作工艺和学说，积累了大量的操作经验和化学知识，为近代化学的发展奠定了基础。
（2）近代化学的建立
16世纪末至17世纪初，化学理论逐渐建立，英国化学家和物理学家波义耳，在1661年，首次提出了科学的元素新概念，把化学确立为一门实验科学。之后，法国化学家拉瓦锡在大量的实验基础上，提出氧化说，使化学基本理论和基本研究方法发生了重大变革。由此，化学走向近代定量科学，一系列有关物质变化定量规律，如质量守恒定律，当量定律被发现。特别是英国化学家和物理学家道尔顿的科学原子说，第一次将化学实验总结的规律与物质的原子构成的观点联系起来，使化学进入了一直持续至今的原子说为主线的新时期。
意大利化学家阿佛加德罗的分子假说，俄国化学家门捷列夫在1869年发现的元素周期律，使化学研究从个别的、零散的和无规律的事实罗列中摆脱出来，奠定了现代化学的基础，近代化学科学逐渐形成了包括：近代无机化学、近代有机化学、近代分析化学和近代物理化学四大独立的分支科学体系。
（3）现代化学的形成
二十世纪初，物理学科的新发现和新技术特别是相对论和量子力学为现代化学进一步发展概念和定量描述提供了理论依据，将化学和整个自然科学的研究，推进到更深的层次上。化学分支不断涌现，化学朝着深、细、精，多学科、综合化的方向发展。与此同时，现代化学工业的蓬勃发展，化学工业和产品，在人类生活和经济活动中具有越来越重要的地位和作用，如化肥增产，使农业丰收；化学工业的发展，使新材料层出不穷。特别是20世纪20年代以后出现的有机合成工业的发展，更加丰富了现代人们的生活。
2． 什么是现代化学研究的特点？
现代化学有如下特点：
①研究层面由宏观向微观发展；
②研究方法由定性向定量发展；
③研究对象由静态向动态发展；
④研究结果由描述性向推理性发展。
这些特点表明了现代化学总的发展趋势是既高度分化又高度综合。现代化学一方面，从自身产生了很多新的学科分支，如：无机固体化学、配合物化学、分子动力学等。另一方面，又与其他自然科学相互渗透交叉，形成一系列新的边缘学科，如：生物化学、地球化学、环境化学等。
3． 现代化学研究的内容有哪些？
现代化学研究的内容可以归纳为三个方面：第一是深入研究化学反应理论，开发化学反应过程来揭示化学反应的实质，进而设计最佳的化学反应过程。第二是提高结构力量水平，致力于寻找或设计最需要、最佳的化合物材料或体系。第三，发展分析和测试新方法，依靠计算机技术及多学科综合，使化学研究信息趋于更高的灵敏性和可靠性，为高科技发展创造新分子，为社会需要合成特定性能的材料和物质。
4．现代化学研究方法的特点是什么？
现代化学研究不仅要综合其他自然科学的理论成果，而且还要综合运用其他自然科学的
究方法。现代化学需要多学科知识的综合、众多高深理论作指南、依靠多种专业人员细密
分工和合作，用多种精密仪器设备作检测的手段。其研究的方法，必要博采众长，协同多学科合作进行，以整体思维来思考。
5．什么是现代化学分析技术？
现代化学分析技术包括基础化学分析技术和仪器分析法。
（1）基础化学分析技术
在近代建立的分析化学是一门研究物质化学组成的科学，它有两大任务，一是定性分析，主要是确定被测物质有哪些组分组成的。二是定量分析，主要是确定这些组分的相对含量。
定性分析：
定性分析是应用物质的化学反应将被测组分转化为有特殊性质的新物质，通过观察其
生物有无气体，沉淀或有色物质等特征的产生，来推断被测物中某种组分的存在。
定量分析：
定量分析有经典化学分析法和仪器分析法两大类。经典定量分析法是应用沉淀反应，中和反应、氧化还原反应或络合反应的原理，对已知组分含量进行测定。
（2）仪器分析法
仪器分析是现代发展起来的一种分析方法，它大多要借助一定的仪器设备，根据物质
的物理或物理化学的性质，来测定某种组分的方法。故又称为物理化学分析法或物理分析法。仪器分析法具有操作简便、快捷、准确等优点，特别对于含量很低的组分的测定，更有独特之处。仪器分析法有很多种，常用的有以下5种：
光谱分析法：
它是根据物质发射，吸收电磁辐射，以及物质与电磁辐射的相互作用来进行分析的一种方法。
色谱法：
它是一种分离技术，它的分离原理是使混合物中各组分在固定相和流动相两相中分配。当流动相中的混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于试样的各组分在结构和性质上的差异，它们与固定相作用的大小、强弱也不同。我们根据被测组分在两相间进行分离作用的差异，进行定性和定量分析。
电化学分析法：
它是利用物质的电学及电化学性质来进行分析的方法。
质谱分析法：
它是现代物理与化学使用的极为重要的工具。它的基本原理是试样在离子源中电离后，生成各种带正电荷的离子，它们在加速电场的作用下，形成离子束射入质量分析器。在磁场的作用下，离子作等速圆周运动并分离，然后，由记录系统得到质谱图，根据质谱图上谱线
的位置及相应离子的电荷数进行定性分析，再根据谱线黑度或相应离子流的相对强度，进
行定量分析。
核磁共振波谱分析法：
它也是现代仪器分析的重要方法之一，它的基本原理是在强磁场的激励下，根据一些具
有某些磁性的原子核对高频无线电电波的共振吸收，来推断被测物的分子结构。
6．金属与金属材料有哪些特性？
目前，我们已知的元素有109种，其中金属有87种。除汞以外，所有金属都是固体
金属具有“自由电子”，它在金属晶体中能自由流动。我们熟知的金属具有特殊的金属光泽、是热和电的良导体等性质，很大程度上与金属晶体结构有自由电子有关。如：自由电子能吸收可见光，然后又反射出大部分频率的光，使金属显示特有光泽。自由电子在外电场的作用下，作定向流动，形成电流，这就是金属导电的原因。自由电子受热后，能量增大，运动速度也加大，它与金属离子碰撞而传递能量，从而使金属具有良好的导热性等。
在冶金工业上，我们把金属分为两大类。一类为黑色金属，指铁、铬、锰及其合金。另一类为有色金属，除去黑色金属之外其他金属都是有色金属。
金属是人类历史上使用最早的材料之一，直到20世纪中叶，金属材料也一直在材料中
占绝对优势。因为金属材料有如下的优势：（1）几千年以来有一套成熟的生产技术和庞大的生产能力，如钢铁工业。（2）金属有许多优良的理化性能，形成其他材料不能完全替代的使用优势，如：比陶瓷高得多的韧性，磁性和导电性等。（3）近、现代高新技术创新，产生出许多新的金属材料，如优质钢、高强度钢、各种合金和新金属材料等
目前，人们生产和生活应用最多的金属材料仍是钢铁、铜和铝。
7．非金属与非金属材料有哪些特性？
目前，我们已知的非金属元素，共22种。除氢以外，它们的原子最外层的价电子为3—7
个，它们大多在化学反应中倾向于得到电子而显示氧化性。非金属元素形成单质主要有两
种情况，一种是分子晶体，另一种是原子晶体。它们显示的性质各异，如分子晶体熔沸
较低，而原子晶体熔沸点较高等等。
非金属材料有：
（1）玻璃玻璃是一种无定型硅酸盐混合物。人们利用玻璃制造成各种各样的器皿、
艺术品。玻璃是建筑业最基本的材料之一，它不仅可以用于采光、隔热，而且也可用于装饰。
（2）水泥水泥是建筑行业大量应用的硅酸盐材料。
（3）陶瓷生产陶瓷的原料有天然矿物原料和通过化学方法制备的化工原料二种。天
然矿物原料主要是粘土，主要化学成分是水合硅酸铝类。陶瓷是一种重要的材料，用于工业、建筑、生活等，如室内装饰墙地砖、卫浴用品、茶具、器皿。据考古发现。我国10000年前已有陶器，3000年前商代已有原始瓷器，我国古代陶瓷制品是我国灿烂文化的一部分。
8．有机化合物和有机高分子材料
早期，人们认为有机物是从动植物体内获取的物质，是“有生机之物”，故称之为“有机化合物”，现在人们已经知道有机物可以由简单的无机物人工合成制取。组成有机物除了碳元素之外，还有氢、氧、氮、磷、硫和卤素等非金属元素，许多有机物还含有金属元素。从分子结构上看，有机化合物可以看作碳氢化合物及其衍生物。
有机物的种类很多，结构各不同，因而性质也各异，但一般地，有机物具有如下共性：
①通常情况下，有机物的熔、沸点较低，常以气体，低沸点的液体或低熔点的固体存在
②大多有机物难溶于水，易溶于有机溶剂，符合化学上“相似相溶”原理。
③绝大多数有机物具有热不稳定性，受热易分解，还较容易燃烧，燃烧后，有机分子中的碳、氢、氧、硫，最终的产物为二氧化碳、水、二氧化硫等。
有机化高分子化合物的平均分子量比一般的化合物大很多，它们的分子量大约在几万到
几十万之间。天然存在的有机高分子化合物有蚕丝、羊毛、纤维素等，它们很早就在为人类服务了。人工方法合成的有机高分子化合物中，人们广泛应用的是塑料、合成纤维、合成橡胶等。
9．现代新材料技术
20世纪50年代以来，科学技术的突飞猛进，新材料研究异常活跃。新材料技术既是高新技术的一部分，又时刻为高新技术服务。作为新材料技术具有以下的特点：①它是知识密集、资金密集的新兴产业。②它与高新技术发展关系密切，相互促进、相互依赖。③新材料是高新技术发展必要的物质基础，也是当代高新技术革命的先导。④新材料技术还是社会生产力发展水平和技术进步的标志。
现代新材料主要有以下几种：
（1）新金属材料
超导材料稀土材料形状记忆合金贮氢合金非晶态合金
（2）无机非金属材料
新型陶瓷特种无机涂层材料
（3）新型有机高分子材料
高性能塑料 特种纤维特种橡胶，其它功能高分子材料如高分子分离膜、导电高分子材
料等等。
（4）特殊功能的复合材料
玻璃钢碳纤维增强树脂复合材料聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料
（5）纳米材料
纳米材料是当今材料科学研究中的热点之一。纳米（nm）实际上是一个长度单位，
纳米是1米的十亿分之一，即1纳米=10-9米。纳米是一个非常小的空间尺度。纳米材料就是用特殊的方法将材料颗粒加工到纳米级（10-9米），再用这种超细微粒子制造人们需要的材料。
目前，纳米材料有四种类型：纳米颗粒、纳米碳管和纳米线、纳米薄膜和纳米块材。纳
米材料具有较大的比表面，在结构中的键态严重失配，产生了许多活动中心，因而，纳米材
料有很强的吸附能力。小尺寸效应使其理化性能发生改变，并出现与常规材料不同的新的
特征。
纳米材料显示了广泛的应用前景。例如：利用纳米材料制成磁记录介质材料广泛应用于
电声器件、阻尼器件等。纳米金属颗粒还是有机化合物的氢化反应的催化作用一种极好的催化剂。纳米材料还可以用于医学、生物工程。例如：利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色体，用纳米微粒制成的药物可更方便地在人体内传输，进行局部治疗和组织修补。纳米探针和纳米传感器应用，也可能带来诊断技术的革命。未来纳米科技的发展，有三方面的意义，一是疾病的早期诊断，例如癌症的检出可达到几个细胞大小。二是高密度的信息储存，会在很小的位置上储存大量信息。三是开发新的高性能材料，应用于高科技领域。
总之，纳米技术的研究和应用不仅能引发一场新的工业革命，而且还会带来人类认
知革命，产生观念上的变革，它将对21世纪科学技术的发展产生重大的促进作用。
10．什么是新材料发展的方向？
随着社会的进步，人类总是不断地对材料提出新的要求。当今新材料的发展有以下几点：
（1）结构与功能相结合。即新材料应是结构和功能上较为完美的结合。
（2）智能型材料的开发。所谓智能型是要求材料本身具有一定的模仿生命体系的作用，既具有敏感又有驱动的双重的功能。
（3）少污染或不污染环境。新材料在开发和使用过程，甚至废弃后，应尽可能少地对环境产生污染。
（4）能再生。为了保护和充分利用地球上的自然资源，开发可再生材料是首选。
（5）节约能源。对制作过程能耗较少的，或者新材料本身能帮助节能的，或者有利于能源的开发和利用的新材料优先开发。
（6）长寿命。新材料应有较长的寿命，在使用的过程中少维修或尽可能不维修。
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