《工科大学化学》PPT课件.ppt

工科大学化学,哈尔滨工业大学应用化学教研室,绪 论,0.1 化学的研究对象,0.1.1 研究对象：简言之，化学是研究化学反应（变化）的学科。而要研究化学反应，必须在原子、分子水平上研究参于反应的物质的组成、结构、性能、变化规律以及变化过程中的能量关系等。超级吸水剂吸水演示实验,汽车尾气NO的治理,又如汽车尾气NO的治理问题。NO是汽车尾气的主要污染源之一。治理的方法之一就是使形成的NO变成无害的物质。NO变成什么物质才是无害的呢？,当然是变成O2和N2了。那么我们就要研究2NON2+O2这一化学反应能否自发进行。要研究这一反应能否自发进行，就需要化学中的重要理论化学热力学的知识。通过化学热力学的理论分析可知该反应可以自发进行，而且可以进行的很完全。但实际上并没有看到这一反应进行。这又是为什么呢？,这是因为化学反应速率太慢。有关化学反应速率问题是化学另一重要理论化学动力学的研究内容。为什么这一反应速率太慢呢？化学动力学研究表明，是因为活化能太高。那么如何提高这一反应的速率呢？一是升温，二是加催化剂。采用升温的方法，一是不方便，二是对反应不利。因此最好采用催化剂。选用什么催化剂呢？,这就要了解为什么该反应的活化能非常高，采用什么催化剂能降低该反应的活化能。要解决这一问题则要用到化学的第三个重要理论物质结构的知识，了解NO、O2、N2等分子的结构特点。,上面提到的三个重要理论：化学热力学、化学动力学和物质结构是化学基础理论的主要组成部分。化学还包括应用化学和实验化学等。,0.1.2 研究的主要内容,1基础理论：包括化学热力学（研究化学反应的方向与限度）、化学动力学（研究化学反应速率、历程）和物质结构（研究原子、分子及聚集态结构与性能）。2应用化学：主要是讲元素和化合物部分。以及化学与能源、材料、生命、环境以及化学与信息等。3实验化学：主要是验证、合成、分析检测、以及设计的实施（属于分子工程学的一部分）等。,0.2 学习目的,化学既是关于自然的科学，又是关于人的科学。现代化学不仅是认识生命过程和进化的手段，也是人类生存和获得解放的手段。它的各个研究领域无不直接或间接的关系到人类的发展问题。从20世纪遗留下来的5大全球性难题来看，也可以看出化学的重要性。五大难题是：1.人口问题计划生育与人体保健；2.资源问题资源保护与充分利用；3.能源问题能源开发与节能；4.粮食问题开发新品种，增加产量；5.环境问题净化、美化、优化环境。仔细思考这五大难题，就会发现似乎都与化学有关。,美国加洲大学GC皮门特尔教授（他曾写过一本书化学中的机会今天与明天），美国斯克里普斯研究所医学家R勒那教授，都不约而同地作出科学判断：“化学是社会生活中的中心科学”。现在，化学学科与物理学、生命科学、材料科学、环境科学、信息科学，甚至社会科学的许多学科，呈现相互协作、交叉、综合、渗透和融合的新趋势，出现许多生气勃勃的新学科和交叉学科。,0.2.1 化学与衣、食、住、行,实际上我们每一个人的衣食住行也都离不开化学。也就是说，如果一个人希望生活得更好，绝对离不开化学。,1“衣”,各种合成纤维的制品琳琅满目，聚丙烯腈制成的人造羊毛和喷镀铝钛金属反射膜制成的絮片，俗称“太空棉”，具有高于鸭绒的保暖性。现在市面上广泛宣传的保暖内衣，实际上是在棉或人造纤维中添加某些元素，使其在吸收人体的热量后，产生电子跃迁，当电子跳回时，又以红外线的形式将热量放出来，达到保暖的作用。而在穿的方面如果注意不够，化学也会带来危害。就是穿棉布衣服，也同样离不开化学。棉布的整理和着色都离不开化学。今后的新型面料将向健康、阻燃、轻暖以及芳香型发展。这些都离不开化学。,2.“食”,化学过去是、现在是、将来仍是解决食物短缺问题的主要学科之一。人类食物如粮、肉、蛋、鱼奶以及各种蔬菜都含有大量的聚合物和人体必须的一些宏量元素、微量元素等，它们都是天然化学品。要想粮食丰收，当然离不开化肥和农药。近年来发展起来的无土栽培（如哈尔滨冬天的新鲜草莓），又为农业的发展带来了一个新面貌。,如今人造蛋白、合成糖就是以小分子单体经聚合而得到的人工合成的高分子食物，合成的食用奶油就是成功的例子。21世纪，人造食品将会有大发展。未来的食品将不止满足人类生存的需要，还要在提高人类生存质量、健康水平和身体素质等方面起作用。利用化学和生物学的方法，增加动植物食品的防病有效成分，以提供安全、有疾病预防作用的食物和添加剂（特别是抗氧化剂）：改进食物的储存加工方法，以减少不安全因素，保持有益成分等，都是化学研究的重要内容。,就以微量活性元素硒为例。科学家研究发现，人体有40多种疾病与体内缺硒有关，如地方性克山病，大骨节病等。硒还有抗癌作用。研究表明，食物中含硒量不足，是导致癌症的重要原因之一。美国癌症调查所的调查说明，凡是食品中含硒量较高的地区，胃癌、膀胱癌和结肠癌的发病率都很低，适当摄入硒几乎能防止一切癌变。在人体和动物体内发挥生化作用的硒，几乎全是由植物性食品获得的。国际上规定每人每日硒摄入量标准应为50微克200微克。,自然界植物中硒含量的差异很大，一般植物的硒含量很低，而富硒植物则可高达每千克几千毫克。如中药黄芪、西洋参就是一种富硒植物；作物中的小萝卜、芹菜、油菜、洋葱、豌豆、紫云英等也含有较多的硒。世界上缺硒地区相当广泛。在缺硒地区为了获得富硒食物，常采用生物转化技术，如采用亚硒酸钠或硒酸钠进行土施、叶面喷施、浸种等。国内实验表明，每公顷小麦叶面喷施亚硒酸钠5克，以所产小麦为食物就可以满足人体对硒的要求。现已开发的富硒食物有富硒大米，苹果等。当然，摄入过量的硒也会中毒。,3“住“,在近代的建筑中，从建筑材料到室内外的装饰（如塑料壁纸、地板、家具以及各种化学涂料等）都离不开化学。建材不合理使用带来的危害，更是屡见不鲜。就是居室的布置也有许多化学问题。如居室养花等。,耐热塑料,塑料冰斧,高 压 钠 灯,4“行”,行也与化学有着重要的关系。在飞机、火车、轮船和汽车等重要交通运输工具的制造上，离不开各种化学材料；在能源的合理使用上也离不开化学（如在如何提高燃料的燃烧效率，减少环境污染以及寻找新能源等）。,磁悬浮列车,从社会发展来看，化学对实现农业、工业、国防和科学技术现代化具有重要作用。农业要大幅度增产，农、林、副、渔各业要全面发展，在很大程度上依赖于化学科学的成就。化肥、农药、植物生长激素和除草剂等化学药品，不仅可以提高产量，而且也改进了耕作方法。在工业现代化、国防现代化和科学技术现代化等方面，同样离不开化学。下面仅就国防现代化，现代科技的四大支柱（材料、信息、能源和生命科学），以及21世纪具有代表性的主导产业（光电子、信息通讯、福利和健康以及环境与能源等）为例，简要介绍学习化学的重要性。,0.2.2 化学与国防现代化,火箭燃料由液态发展到固态，使火箭可由井下发射转到地上在运动中发射，既加快了发射速度，又可增加其隐蔽性。我校两院院士刘永坦教授领导研制的新型相控阵雷达中的关键部件声表面波器件的制备，同样与化学密切相关。非致死性战争中用的失能剂，当然与化学密切相关。,勇气号登陆火星,猫怕鼠,0.2.3 化学与材料,材料被称为发明之母。一种新材料的问世，往往带来科技的突飞发展，具有划时代的意义。而新材料的制备离不开化学，新材料的选用也离不开化学知识。如高纯硅等半导体材料的出现，产生了晶体管、集成电路、大规模集成电路以及超大规模集成电路等，从而带来了计算机的革命。今天电脑不仅广泛地用于各种领域，也深入了家庭。网上通讯的实现，也带来了信息的革命。,又如超导现象在本世纪初就已经发现，但由于使用温度太低，一直没有实用价值。但自从80年代Y-Ba-Cu-O体系出现以后，带来了研究高温超导热，并已经开始实用，这也将带来一场革命。如用超导体储存电能，将使发电厂的运转效率从现在的50%提高到80-90%，大大地节省了能源。而现在大规模集成电路的芯片面积2/3为配线占有。随着微细化技术的发展，配线电阻将进一步提高，这将严重影响计算机的小型化和高速化。而用超导导线，配线电阻为0，可望实现“一片一机”的理想。,本世纪90年代，出现了C60。这一发现被称为化学领域的重大突破，开辟了C化学的新的里程碑。C60有多个双键，可以形成更多的化合物。仅C60Hm即可有1016种。C60分子的直径是1nm，球中心有0.36nm的空腔，可以容纳其它原子或离子，又可以形成新的物质。现在C60在超导、电化学、非线性光学以及高温润滑等方面已经有所应用。,C-60,天然金刚石,纳米材料是由尺寸为纳米级的小晶粒聚集而成的块状或薄膜状的人工固体材料。这是不同于晶态、非晶态的新的结构状态。新的结构形态带来许多新的性质。如Ag的熔点是670，但其纳米粉的熔点可低于 100。,通过控制原子摆出的文字,“Atom”,美国的F117A隐型战斗机在海湾战争中有42架参战，出动约1300架次，虽然只占整个战争总轰炸次数的2%，然而却轰炸了战略目标清单中40%以上的目标，而自身无一受损，这曾使世界震惊。在对南联盟的空袭中该飞机仍是主力。为什么伊拉克和南联盟的防空系统对这些隐型飞机束手无策呢？一个重要的原因是采用了隐身材料，其中多为纳米材料。由于纳米材料特有的结构特点，使探测器得到的反射信号强度大大降低，使红外探测器和雷达无法正确测定目标位置。,纳米材料的许多新的优异性质，已经引起各国材料学者普遍的关注，它将是21世纪材料科学研究的热点之一。当然，材料的使用不当，也会带来危害。如美国航天飞机哥伦比亚号的失事，就可能是防热瓦出现问题。,0.2.4 化学与能源,无论是寻找新能源，还是节能都离不开化学。化学电源将是21世纪的重要能源之一。而其中的Ni-H电池更被誉为绿色电池，不象Cd-Ni等电池会给环境造成污染。但是H2直接作为电极是不行的，必须将其固定在一个极板上。通常是用储氢合金。储氢合金可以和H2形成金属氢化物，从而固定H2，加热后又可以把H2放出来。其储氢的密度可以大于氢气瓶。LaNi5是其典型代表。如以公斤/立米来表示储氢量，则液态H2：71；LaNi5：104.3；TiFe：102.2。合金的组成和结构是决定其吸氢量的主要因素。而研究物质的组成和结构正是化学的主要任务。解决了氢气的储存问体，就为理想的无污染的氢能源的实用奠定了基础。,氢作为能源可以发电、供热、提供动力（汽车、飞机、轮船和火车等）。它可以取代现有的几乎所有能源。而且具有这些能源所没有的高效、清洁等优势。我校任南起教授发明的生物法制氢，具有量大、成本低等优点，已引起世界关注。镍氢电池的氢电极解决后，如何提高镍电极的容量问题也提到日程了。我们课题组接受的广东省科委的重大科技专项，就是要解决这一问题。,现在受到广泛重视的生物质能，更是离不开化学。在节能方面，化学也在其中起重要作用。如燃油乳化，煤的合理使用（气化、液化，节煤添加剂）等。,0.2.5 化学与信息,21世纪是信息时代，实际上信息技术与化学联系紧密。因为信息离不开载体和介质，而载体和介质的组成和化学状态对信息有很大影响。通过各种化学合成手段，可以制造出各种性能各异的信息材料，主要包括电子材料和光电子材料。如将超导体用于雷达，可以使其灵敏度大大提高，有效作用距离增加3-4倍。光导通讯使信息通讯达到一个新的水平，而光导通讯离不开光导纤维。由压电材料制成的声表面波器件在和雷达和电视机的制作中起重要作用。,0.2.6 化学与生命,生命过程总是伴随着各种各样的化学反应，因此生命科学离不开化学。正常人的血液应是弱碱性，pH在7.357.45之间。为了保持碱性体系，必须注意均衡膳食。如果由于偏食而引起血液发生了酸化，人体就会表现出手足冰凉，易患感冒，或老伤口迟迟不能愈合等，还会影响大脑和神经功能，使记忆减退、思维能力下降，进而出现神经衰弱等。科学研究表明，要保持血液呈弱碱性，每天要食用蔬菜24种。,0.2.7 化学与环境,化学工业的发展也带来了对环境的污染，给人类带来很大危害。但治理污染同样离不开化学。发生在日本的“水俣病”，是环境污染的典型事例。“水俣病”是甲基汞中毒，使中枢神经系统受到损害。这种危害甚至危及猫，狗，出现疯猫，疯狗。近年来发展起来的绿色化学，将从根本上消除化工生产给环境带来的污染。“原子经济化学”的提倡将使化学的发展进入一个崭新的阶段。,“臭氧层破坏的危害”,当前，随着社会的发展，化学正成为“一门满足社会需要的中心科学”，创造着现代物质文明和精神文明，深刻地影响着人类的全面发展。,0.3 本课程讲授的主要内容,这门课要讲八章：第一章 化学反应热 第二章 化学反应进行的方向和限度 第三章 化学反应速率 第五章 氧化还原反应与电化学 第六章 原子结构与周期系 第七章 分子结构与晶体结构 第九章 材料化学 而第四章、第十章、第十一章等有关内容，也会在上述几章中提到。1，章属化学基本原理（学时）；，章属应用化学，另外还有学时的化学实验。,0.4 主要参考书,见书后参考书目。,0.5 学习时应注意的事项,上课注意听讲，适当记笔记。课后及时复习，看些参考书。按时完成作业，积极去答疑。,0.6 考核方法,一、实验，10个，20分（少于8个没有成绩，不能参加考试）。二、期末考试，60分。三、平时成绩，20分。包括作业、随堂测验和小论文。随堂测验不安排固定时间，一学期45次，主要考查当堂讲过的内容。四、小论文：利用你所学过的化学知识，写一篇关于“化学与社会进步或“化学与现代高科技发展”的综述性小论文，期末交。,