第二章物质的化学组成和聚集状态

第二章物质的化学组成和聚集状态第1页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012第二章物质的化学组成和聚集状态2(1)物质的化学组成(2)固体(3)液体和液晶(4)气体和等离子体第2页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.1物质的化学组成2.1.1配位化合物2.1.2团簇2.1.3非整比化学物2.1.4金属有机化合物2.1.5高分子化学物2.1.6自由基和生物大分子第3页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.1.2配位化合物配合物内层中心离子（阳离子）配体（中性分子或阴离子）外层配离子[Cu(NH3)4]2+SO42-中心原子配位原子配体配位数内层外层第4页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012

K3

[Fe(CN)6]中心原子配位原子配体配位数外层内层中心原子是具有空轨道的离子或原子配体可以是阴离子或中性分子，也可由多种配体组成配位原子是具有孤电子对的元素第5页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012.

[Cu(NH2CH2CH2NH2)2]SO4鳌合物配一个体中有多个配位元素第6页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012配合物的命名a．内层和外层的命名顺序常按电性编排，负离子在前，正离子在后。b．对于内界则有下列规定：

1）在配位体与中心离子的名称之间加一“合”字：某（指配位体）合某（指中心离子）。第7页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012

（2）在配位体名称前用汉字一、二、三……标明其数目，在中心离子的名称后用罗马数字（Ⅰ）、（Ⅱ）、（Ⅲ）……标明其化合价或氧化数，若中心离子只有一种化合价也可不标明。

（3）若内界有多种配位体，其命名顺序是：由简单到复杂，先离子后分子，（化学式的书写顺序与此相反）。第8页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012[Fe(CN)6]4-

六氰合铁（Ⅱ）酸根离子K3[Fe(CN)6] 六氰合铁（Ⅲ）酸钾[Pt(NH3)4(NO2)Cl]Cl2

二氯化一氯一硝基四氨合铂（Ⅳ）[Co(NH3)3]

Cl3

三氯三氨合钴（Ⅲ）第9页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.1.2团簇团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围，用无机分子来描述显得太大，用小块固体描述又显得太小，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。因此，人们把团簇看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态，或者说，代表了凝聚态物质的初始状态。第10页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012团簇广泛存在于自然界和人类实践活动中，涉及到许多许多物质运动过程和现象，如催化、燃烧、晶体生长、成核和凝固、相变、溶胶、薄膜形成和溅射等，构成物理学和化学两大学科的一个交叉点，成为材料科学新的生长点。全同纳米团簇周期点阵团簇物理第11页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012目前团簇科学研究的几个主要方向是：（1）研究团簇的组成及电子构型的规律、幻数和几何结构、稳定性的规律；（2）研究团簇的成核和形成过程及机制，研究团簇的制备方法、尤其是获取尺寸均一与可控的团簇束流；（3）研究金属、半导体及非金属和各种化合物团簇的光、电、磁、力学、化学等性质，它们与结构和尺寸的关系，及向大块物质转变的关节点；（4）研究团簇材料的合成和性质；（5）探索新的理论，不仅能解释现有团簇的效应和现象，而且能解释和预知团簇的结构，模拟团簇动力学性质，指导实验；（6）发展新的方法对团簇表面进行修饰和控制.第12页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.1.3非整比化学物nonstoichiometric

compounds

各类原子的相对数目不能用几个小的整数比表示的化合物。非整比化合物有两种类型：①化合物中某一种原子短缺（如WO3-δ，UH3-δ），或过多（如Zn1+δ，UO2+δ）；②在层状结构的夹层之间嵌入某些中性分子或金属原子（如LiδTiS2）。非整比化合物与其母体化合物的不同之处在于：它们的组成可以改变，呈现深的颜色，具有金属性或半导体性和不同的化学反应活性，还有特殊的光学和磁学性质。非整比化合物常见于过渡元素的二元化合物，如氢化物、氧化物、硼化物、碳化物、氮族化物、硫族化物等。第13页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012在600～1200℃将氧化锌ZnO晶体放在锌蒸气中加热，晶体变为红色氧化锌Zn1+δO

，是N型半导体。由于过量锌原子进入晶体的间隙位置，导电性增加。嵌入型非整比化合物包括：①笼形化合物。外来的分子进入基质化合物的空巢中，例如氙的水合物Xe·xH2O晶体中，氙原子位于由20个水分子组成的五元十二面体的笼形结构的中心。②夹层化合物。如碱金属原子进入过渡金属元素硫化物的夹层之间。③分子筛化合物。外来分子嵌入基质的三维结构通道之中。已知的嵌入型化合物基质有百种以上，每一种都可以容纳许多种外来分子，例如，仅石墨就可以容纳1.2万种外来分子和原子。

第14页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.1.4金属有机化合物有机金属化合物又称金属有机化合物(metallo-organiccompound)。烷基（包括甲基、乙级、丙基、丁基等）和芳香基（苯基等）的烃基与金属原子结合形成的化合物，以及碳元素与金属原子直接结合的物质之总称。与锂、钠、镁、钙、锌、镉、汞、铍、铝、锡、铅等金属能形成较稳定的有机金属化合物。第15页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012金属有机化合物的分类1，离子型化合物：具有离子型化合物的特性，如RLi（烷基锂），R2CuLi(二烷基铜锂)，RMgCl(烷基氯化镁，格氏试剂)VictorGrignard因发明格氏试剂获1912年NobelPrize第16页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012金属有机化合物的分类2，δ键化合物：第ⅢA~ⅦA族和第ⅠB，ⅡB族元素与有机基团主要以δ共价键结合形成化合物。具挥发性，对环境有影响：甲基汞化合物、四乙基铅、三丁锡公害事件：水俣病事件甲基汞能引起慢性汞中毒。最典型的实例是发生在日本九州岛水俣地区因长期食用受甲基汞污染的鱼贝类而引起的慢性甲基汞中毒，即水俣病。地点：日本熊本县水俣湾附近，首先，动物出现异常现象。随后，病例出现。1956年开始,至1968年日本政府才断定水俣病是甲基汞所致。第17页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012·铅、汞、镉、锡等重金属的危害铅、汞、镉、锡等在自然界会甲基化（或烷基化），如由无机汞转化为甲基汞。其中大多数是由于水体底质中微生物的作用，在鱼体内则是通过各种生物转化而成。一般有机金属化合物有脂溶性，比无机金属容易通过生物膜，经肠壁吸收，进入脑血管、胎盘的量也较多；因此有更强的生物毒性。烷基金属化合物容易引起中枢神经的障碍。在体内以肝等器官为主的微粒体药物代谢酶系统使有机金属化合物脱去烷基、芳香基，最终成为无机金属。通过生物体膜引起的毒性，以鸟类最为敏感。我国汞污染情况：自60年代以来，松花江受上游吉林化工厂所排的含汞废水的影响，其水质、底泥和江中鱼贝类均受到了甲基汞的污染，松花江上游肇源江段水中甲基汞为本底值的30~70倍，鱼汞值如用WHO的标准0.4mg/kg评价，第二松花江则有53.6%，松花江（黑龙江省境内）有24%的鱼汞值（1977年）超过上述标准。渔民及沿岸居民体内也出现汞蓄积。第18页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012金属有机化合物的分类3，非典型键化合物：包括①，由过度金属和不饱和基团通过金属轨道与π电子之间相互作用生成的π配合物：Cr(C6H6)2,Fe(C5H5)2(二茂铁)②过渡元素与羰基等配位形成同时含有δ键和π键的有机化合物：M(CO)n③多中心键型金属有机化合物：[Al(CH3)C6H5]2，[Be(CH3)2]nMx(CO)y第19页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012金属有机化合物小结1827年问世的ZeiseKPtCl3(CH2=CH2)是第一个被发现的具有不饱和有机分子与金属键链的有机金属化合物。此后，有机硅、有机钠、有机锌等相继问世并得到应用。著名的格氏试剂及其催化反应极大地推动了有机化学的发展，Ziegler-Natta催化剂也给工业带来了巨大经济效益。1951年具有特殊结构和类似芳烃的二茂铁得到了制备和结构确证，为有机过渡金属开辟了一大类新型的有机金属配合物。现已发现，周期表中几乎所有金属元素都能和碳结合，形成不同形式的金属有机化合物。迄今已先后有10位科学家因在有机金属化学领域做出的巨大贡献而荣获Nobel化学奖。第20页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.1.5高分子化合物所谓高分子化合物，是指那些由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在一万以上的化合物。高分子化合物又称高分子（聚合物），高分子是由分子量很大的长链分子所组成，高分子的分子量从几千到几十万甚至几百万。高分子的分类有多种：按来源可分为天然高分子、天然高分子衍生物、合成高分子三大类；根据用途则可分为合成树脂和塑料、合成橡胶、合成纤维等；按热行为可分为热塑性和热固性聚合物；按主链结构可分为碳链、杂链、和元素有机三类；另外根据工业产量和价格还可分为通用高分子、中间高分子、工程塑料以及特种高分子等等。第21页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012性质和用途塑料纤维橡胶涂料胶粘剂功能高分子以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。具有可逆形变的高弹性材料。纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。高分子的分类涂布于物体表面能成坚韧的薄膜、起装饰和保护作用的聚合物材料能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料高分子化合物分类第22页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物特点高分子与低分子化合物相比较，分子量非常高。由于这一突出特点，聚合物显示出了特有的性能，表现为“三高一低一消失”。既是：高分子量、高弹性、高黏度、结晶度低、无气态。因此这些特点也赋予了高分子材料（如复合材料、橡胶等）高强度、高韧性、高弹性等特点。无定型高分子的温度—形变曲线1.玻璃态2.高弹态3.粘流态几种常规材料特点：塑料：~Tg橡胶：Tg~Tf纤维：~Tg第23页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物类型高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时，叫线型高分子。这种高分子在加热时可以熔融，在适当的溶剂中可以溶解。高分子化合物中的原子连接成线状并带有较长分支时，叫支链型高分子。这种高分子也可在加热时熔融，也可在适当的溶剂中溶解。如果高分子化合物中的原子连接成网状时，则叫网状高分子，这种高分子由于一般都不是平面结构而是立体结构，所以也叫体型高分子。体型高分子加热时不能熔融，只能变软和弹性增大；不能在任何溶剂中溶解，只能在某些适当的溶剂中溶胀。第24页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物类型除了上述三种基本形状外，还发展了新型结构的高分子，如星形聚合物、梯形聚合物、半梯形聚合物等。线形支链形交联形星形梯形半梯形高分子的形状第25页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的合成合成高分子化合物最基本的反应有两类：一类叫加成聚合反应（简称加聚反应），另一类叫缩合聚合反应（简称缩聚反应）。这两类合成反应的单体结构、聚合机理和具体实施方法都不同。加聚反应：由一种或两种以上单体化合成高聚物的反应，在反应过程中没有低分子物质生成，生成的高聚物与原料物质具有相同的化学组成，其相对分子质量为原料相对分子质量的整改数倍。仅由一种单体发生的加聚反应称为均聚反应。例如，氯乙烯合成聚氯乙烯：由两种以上单体共同聚合称为共聚反应。例如，苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯共聚共聚产物称为共聚物，其性能往往优于均聚物。因此，通过共聚方法可以改善产品性能。缩聚反应：通过单体分子中的某些官能团之间的缩合聚合成高分子的反应称为缩合反应。由于低分子副产物的析出，缩聚物的结构单元要比单体少一些原子，因此相对分子质量不再是单体相对分子质量的整数倍。用于缩聚反应的单体所含的官能团主要有羟基(—OH)、胺基(—NH2)、羧基(—COOH)、酯基(—COOR)等。缩聚物中往往保留有特征基团，如酯键(—OCO—)、醚键(—O—)、酰胺键(—NHCO—)等。因此缩聚物一般为杂链聚合物。第26页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的合成两种或多种单体共聚时，结构单元之间连接的序列结构更为复杂。具体可分为无规共聚、交替共聚、接枝共聚、嵌段共聚等。第27页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名1）习惯命名法习惯命名法是一种约定俗成的方法，目前最为通用。其方法为先对结构单元命名，然后在结构单元名称前加上“聚”字。如碳链聚合物“聚丙烯”、“聚氯乙烯”、“聚苯乙烯”；杂链聚合物“聚对苯二甲酸乙二酯”、“聚己二酰己二胺”；元素有机聚合物“聚二甲基硅氧烷”均按此法命名。聚乙烯的结构单元应为“CH2”，但由于其实际是从乙烯聚合而来，因此命名时以“CH2CH2”为结构单元。也可在结构单元名称后加上“树脂”两字来命名。如“氯乙烯树脂”、“丙烯酸树脂”等。第28页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名共聚物的命名：从参与共聚的两种单体名称中间加连接线组成基本名称，然后在其后面加上“共聚物”三字。如由氯乙烯和醋酸乙烯酯共聚而成的聚合物，称为“氯乙烯—醋酸乙烯酯共聚物”；由乙烯和丙烯共聚而成的聚合物，称为“乙烯—丙烯共聚物”等。也可从参与共聚的两种单体中各取一个典型文字组成基本名称，然后在其后面加上“树脂”两字。如由苯酚和甲醛共聚而成的聚合物，称为“酚醛树脂”；由苯乙烯和（甲基）丙烯酸酯共聚而成的聚合物，称为“苯丙树脂”等。第29页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名特殊的情况：（1）有些聚合物若按单体名称来命名容易引起歧义。例如，具有以下结构的聚合物，可以从环氧乙烷、乙二醇、氯乙醇或氯甲醚聚合得到。为了避免混淆，一般不用习惯命名法命名。通常采用结构命名法，称为“聚氧（化）乙烯”第30页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名（2）按习惯命名法，聚乙烯醇的单体应为乙烯醇。实际上，乙烯醇不稳定，不能单独存在。目前工业上采用从聚醋酸乙烯酯醇解转化而来。乙烯醇只是一种假象的单体。第31页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名2）结构命名法结构命名法是对聚合物分子链中的特征结构进行命名的方法。如涤纶树脂分子链中含有酯基，因此称为“聚脂”；尼龙分子中含有酰胺基团，因此称为“聚酰胺”；由多元异氰酸酯和多元醇聚合而成的聚合物，分子链中含有氨基甲酸酯，因此称为“聚氨酯”；由双酚A和环氧氯丙烷聚合而成的聚合物，因分子链中含有环氧基团而成为“环氧树脂”。显然，这种方法命名的是一类聚合物，每一种名称中可能包含了许多聚合物。例如“聚酯”中包含有“聚对苯二甲酸乙二酯”、“聚对苯二甲酸丁二酯”、“聚碳酸酯”等。第32页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名3）商业命名法商业命名法主要是对橡胶和化学纤维而言。橡胶的商业名称通过在橡胶的结构单元名称中取典型文字构成基本名称，然后在其后加上“橡胶”两字。例如，由丁二烯和苯乙烯共聚而成的聚合物，称为“丁苯橡胶”；由丁二烯和丙烯腈共聚而成的聚合物，称为“丁腈橡胶”；由丁二烯聚合而成的顺式聚丁二烯橡胶，称为“顺丁橡胶”；由氯丁二烯聚合而成的橡胶，称为“氯丁橡胶”等。由乙烯、丙烯和二烯烃共聚而成的橡胶，则称为“三元乙丙橡胶”。第33页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名化学纤维一般为均聚物，其商业名称为取其结构单元名称中的一个特征文字，然后在后面加上“纶”字。例如，聚丙烯腈纤维称为“腈纶”；聚氨酯纤维称为“氨纶”；聚氯乙烯纤维称为“氯纶”；聚丙烯纤维称为“丙纶”等。特殊的情况：聚对苯二甲酸乙二酯纤维称为“涤纶”；聚乙烯醇缩甲醛纤维称为“维尼纶”；聚对苯二酰对苯二胺纤维称为“芳纶”。尼龙—6纤维在我国首先是由锦西化工研究院研制而成，因此命名为“锦纶”。第34页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名4）俗称有许多聚合物，根据它们的外观、形貌或特点，人们约定俗成地为它们起了名称，并得到广泛的认可，就形成了俗称。例如，聚甲基丙烯酸甲酯的板材、管材和棒材等，由于其透明度很高，类似于玻璃，人们称其为“有机玻璃”。由玻璃纤维增强的不饱和聚酯或环氧树脂，因其坚硬如钢，俗称“玻璃钢”。三聚氰胺的俗称为“密胺”，因此由三聚氰胺和甲醛聚合而成的聚合物俗称为“密胺树脂”。第35页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名“涤纶树脂（dacron）”和“尼龙（nylon）”皆由其英文译音而来，也可看作是一种俗称。尼龙为一大类聚合物的总称，每种尼龙的名称后面有一位或两位数字，如尼龙—6、尼龙—66等。一位数字的尼龙，其数值表示结构单元中的碳原子数。尼龙—6是由己内酰胺或ω—氨基己酸聚合而成，结构单元含有6个碳原子。两位数字的尼龙，前一位数表示由二元胺提供的结构单元的碳原子数，后一位数表示由二元酸提供结构单元的碳原子数。如尼龙—66由己二胺和己二酸聚合而成，尼龙—610则由己二胺和癸二酸聚合而成。第36页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名5）系统命名法系统命名法是由国际纯粹与应用化学联合会(InternationalUnionofPureandAppliedChemistry,IUPAC)提出的规范方法。其步骤为：（1）先确定重复单元；（2）排定重复单元中次级单元的次序，原则为：（i）先排侧基最少的元素；（ii）再排有取代基的元素；（iii）当主链上有杂原子时，先排杂原子。（3）给重复单元命名；（4）在重复单元名称前冠以“聚”字。第37页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名次级单元排列顺序的规则：次级单元的优先循序:杂环、杂原子或含杂原子的非环次级单元、含碳原子的环、只含碳原子的非环次级单元；杂原子顺序:O、S、Se、Te、N、P、As、Sb、Bi、Ge、Sn、Pb、B、Hg；排列次级单元时要使取代基的位数最小；系统命名法较严谨，但往往名称很长，使用不太方便。

IUPAC不反对在一般场合使用习惯命名法和其他能反映聚合物特征的命名法，但在学术性较强的论文中鼓励使用系统命名法。

IUPAC不提倡采用商品名和俗称。第38页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名举例：第39页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012高分子化合物的命名6）英文缩写当聚合物结构较复杂时，聚合物名称往往较长，使用不方便，因此常用英文缩写表示。例如：PE：polyethylene；聚乙烯PP：polypropylene聚丙烯PVC：poly（vinylchloride）；聚氯乙烯PS：polystyrene；聚苯乙烯PVA：poly（vinylalcohol）；聚乙烯醇PC：polycarbonate聚碳酸酯PMMA：poly（methylmethacrylate）聚甲基丙烯酸甲酯

PET：poly（ethyleneterephthalate）聚（对苯二甲酸乙二醇酯）

PA：polyamide；聚酰胺

PUR：polyurethane聚氨酯

第40页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.1.6自由基和生物大分子像氨基酸、脂肪酸等都叫做生物单分子，是与生命有着密切关系的物质，它们是构成大分子的基本物质。生物大分子是构成生命的基础物质，包括蛋白质、核酸、碳氢化合物等。生物大分子指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子。常见的生物大分子包括蛋白质、核酸、脂质、糖类。这个定义只是概念性的，与生物大分子对立的是小分子物质（二氧化碳、甲烷等）和无机物质，实际上生物大分子的特点在于其表现出的各种生物活性和在生物新陈代谢中的作用。比如：某些多肽和某些脂类物质的分子量并未达到惊人的地步，但其在生命过程中同样表现出了重要的生理活性。与一般的生物大分子并无二致。生物大分子大多数是由简单的组成结构聚合而成的，蛋白质的组成单位是氨基酸，核酸的组成单位是核苷酸……生物大分子都可以在生物体内由简单的结构合成，也都可以在生物体内经过分解作用被分解为简单结构，一般在合成的过程中消耗能量，分解的过程中释放能量。第41页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012生物大分子高相对分子量的生物有机化合物（生物大分子）主要是指蛋白质、核酸以及高相对分子量的碳氢化合物。与低相对分子量的生物有机化合物相比，高相对分子量的有机化合物具有更高级的物质群。它们是由低相对分子量的有机化合物经过聚合而成的多分子体系。从化学结构而言，蛋白质是由α-L-氨基酸脱水缩合而成的，核酸是由嘌呤和嘧啶碱基，与糖D-核糖或2-脱氧-D-核糖）、磷酸脱水缩合而成，多糖是由单糖脱水缩合而成。由此可知，由低相对分子量的生物有机化合物变为高相对分子量的生物有机化合物的化学反应都是脱水缩合反应。生物大分子是生物体的重要组成成份，不但有生物功能，而且分子量较大，其结构也比较复杂。在生物大分子中除主要的蛋白质与核酸外，另外还有糖、脂类和它们相互结合的产物。如糖蛋白、脂蛋白、核蛋白等。它们的分子量往往比一般的无机盐类大百倍或千倍以上。蛋白质的分子量在一万至数万左右，核酸的分子量有的竟达上百万。这些生物大分子的复杂结构决定了它们的特殊性质，它们在体内的运动和变化体现着重要的生命功能。如进行新陈代谢供给维持生命需要的能量与物质、传递遗传信息、控制胚胎分化、促进生长发育、产生免疫功能等等。第42页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012自由基有机物在发生化学反应时，总是伴随着共价键的断裂的生成。共价键的断裂有两种方式均裂和异裂。两原子间的共用电子对平均分配，两原子各保留一个电子。共价键的这种断裂方式称键的均裂。均裂的结果产生带有不成对单电子的自由基。自由基产生第43页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012自由基产生人体产生自由基的形式：汽油燃烧，油煎食物。抽烟酗酒，辐射光照等过程都会有自由基生成。在正常情况下，人体内的自由基是处于不断产生与清除的动态平衡之中。在生理状态下，自由基的浓度很低，不仅不会损伤机体，而且还显示出独特的生理作用。但是自由基产生过多或清除过慢，它会对生物体产生一系列损害，加速机体的衰老过程并诱发各种疾病。第44页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012自由基对细胞的及生命大分子的损害自由基非常活泼，化学反应性极强，参与一系列的连锁反应，能引起细胞生物膜上的脂质过氧化，引起细胞损伤。其机制比较复杂，主要有三方面：膜脂改变导致膜功能的障碍和膜酶的损伤；脂质过氧化过程中生成的活性氧对酶和其他成分的损伤；LOOH的分解产物特别是醛类产物对细胞及其成分的毒性作用。第45页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012（一）自由基对脂类和细胞膜的破坏细胞膜和亚细胞器膜都是以双分子层的PUFA为骨架的，最易受到自由基的攻击发生脂质过氧化反应，导致膜内不饱和脂肪酸减少，膜结构遭到破坏，使其流动性、通透性、离子转运及屏障功能受损，脂质过氧化还可引起溶酶体酶的释放，线粒体膨胀、酶的失活等损伤。红细胞膜发生脂质过氧化则可导致溶血。微粒体脂质过氧化作用后有多聚核糖体的解聚和蛋白质合成的抑制。LOOH进一步分解产生醛类，尤其是丙二醛(MDA)可作为交联剂与一些蛋白质、核酸、脑磷脂等反应，导致分子间的交联聚合。细胞膜的损害则会导致细胞代谢、功能和结构的改变，后者是许多疾病的病理基础，从而可引起许多病变。第46页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012（二）自由基对蛋白质和酶的损害自由基既可直接作用于蛋白质，与最邻近的氨基酸反应发生蛋白质过氧化；也可通过LOOH间接作用于蛋白质，使蛋白质的多肽链断裂或与个别氨基酸发生氧化反应或使蛋白质交联而发生聚合作用，从而使蛋白质的结构发生变化，导致细胞功能紊乱。如老年人皮肤起皱、骨骼变脆等都与胶原蛋白破坏和功能改变有关。酶的化学本质绝大多数是蛋白质，因此许多自由基和自由基反应的产物往往也可影响酶的活性。脂质过氧化、电离辐射、其他产生的自由基的反应可以通过多种途径影响酶的活性。如通过自由基链反应，使酶分子发生聚合；通过LOOH中的MDA使酶分子发生交联；通过破坏酶分子中氨基酸以及与酶分子中的金属离子反应，影响酶活性。第47页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012（三）自由基对核酸和染色体的损害自由基可与碱基或五碳糖发生反应，生成碱基自由基或在DNA的脱氧核糖部分形成自由基，最终使DNA链断裂或碱基破坏、缺失，使核酸分子的完整性和构型受到破坏，造成遗传信息改变，使生物体发生突变或产生病变；严重损伤的DNA无法修复，以致造成细胞死亡。辐射作用于核酸环境中的水分子，使其电解产生•OH和O2，辐射可使DNA主链断裂、碱基降解和氢键破坏。自由基对DNA的破坏可导致染色体变异，电离辐射和化学物质也可使受损细胞的染色体断裂，此作用与O2

和•OH有关。第48页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012(四)自由基对糖分子的损害自由基可使组成核酸的核糖、脱氧核糖形成脱氢自由基，从而造成DNA主链断裂或碱基破坏；自由基可使细胞膜中的糖分子羟基化，破坏细胞膜上的多糖结构，影响细胞功能的发挥；自由基还可通过氧化降解使多糖破坏，影响组织功能，如脑组织中的多糖遭到破坏就会影响大脑的正常功能。脂类、蛋白质、核酸、糖类是组成生物体的基本而重要的化合物，这些物质一旦受损，生命活动将受到威胁，自由基对生物体的危害就在于能破坏这些生物大分子，使细胞受损，机体患病，如动脉粥样硬化，糖尿病，肿瘤，胃肠道功能失调，感染，免疫失调等。第49页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.2固体固体可分为晶体、非晶体和准晶体三大类。固态物质是否为晶体，一般可由X射线衍射法予以鉴定。2.2.1晶体2.2.2非晶体2.2.3固体吸附剂2.2.4固体废弃物第50页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.2.1晶体晶体是原子、离子或分子按照一定的周期性，在结晶过程中，在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体。晶体有三个特征：(1)晶体有整齐规则的几何外形；(2)晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变；(3)晶体有各向异性的特点。晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体，具有长程有序，并成周期性重复排列。第51页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012晶体的共性1、长程有序：晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则排列。2、均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。3、各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。4、对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。5、自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。6、解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。7、最小内能：成型晶体内能最小。8、晶面角守恒：属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变。第52页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012晶体内部结构中的质点(原子、离子、分子)有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。排有结构粒子的那些点叫做晶格的结点。组成某种几何多面体的平面称为晶面，由于生长的条件不同，晶体在外形上可能有些歪斜，但同种晶体晶面间夹角(晶面角)是一定的，称为晶面角不变原理。晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。晶体都有一定的对称性，有32种对称元素系，对应的对称动作群称做晶体系点群。按照内部质点间作用力性质不同，晶体可分为离子晶体、原子晶体、分子晶体、金属晶体等四大典型晶体，如食盐、金刚石、干冰和各种金属等。同一晶体也有单晶和多晶(或粉晶)的区别。在实际中还存在混合型晶体。晶体第53页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012七大晶系

晶胞的大小和形式可用六面体的3个边长a、b、c和由bc、ca、ab所成的3个夹角、、进行描述，这6个数值总称为晶胞参数。按照晶胞参数的不同，晶体可分为7个晶系。分别为立方、四方、正交、三斜、单斜、三方、六方等。第54页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012晶系总共有14种空间点阵形式图14种空间点阵形式第55页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012晶体的基本类型1.离子晶体2．分子晶体3．原子晶体4．金属晶体5.过渡性晶体根据晶格结点上微粒间的作用力的不同，将晶体分为以下几种。第56页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20121.离子晶体形成离子晶体依靠正、负离子间的静电引力（离子键）相互吸引而成。NaCl型晶胞第57页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012特点

由于离子键没有方向性和饱和性，所以离子晶体中离子的堆积形式与金属晶体相似，也采取负离子最紧密堆积方式。第58页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012特性离子晶体一般表现为硬度较大，熔点较高，挥发度较低。离子晶体比较稳定，晶格能比较大，如下表所示。第59页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012碱土金属氧化物正、负离子间的距离、晶格能、熔点及硬度化合物正负离子间晶格能熔点硬度的距离/nm /KJ.mol-1 /℃ （金刚石=10）

MgO 0.210 -3932.96 2852 5.5－6.5CaO 0.240 -3522.93 2614 4.5SrO 0.258 -3309.54 2420 3.8Ba0 0.277 -3125.45 1918 3.3 第60页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122．分子晶体依靠较弱的范德华力，中性分子相互吸引，排列在晶格结点上而构成的。分子晶体没有方向性和饱和性分子晶体中分子间的引力很弱，只要供给较少的能量，晶体就会被破坏。所以分子晶体的硬度较小，熔点低，挥发性大，不导电。第61页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20123．原子晶体原子晶体亦称共价晶体，它是由中性原子依靠共价键结合而成，整个晶体是由“无限”数目的原子构成的大分子。典型的共价晶体：金刚石（C）金刚砂（SiC）石英（SiO2）原子晶体有方向性和饱和性，配位数低；熔点高；硬度大；不导电；不溶于任何溶剂，化学性质十分稳定。第62页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20124．金属晶体金属晶体是通过金属键形成的晶体。1）形成依靠“自由电子气”把失去价电子的金属正离子“胶合”起来。“自由电子气”与金属正离子间的强作用力称为金属键。2）特征无方向性、无饱和性、金属原子呈最紧密堆积第63页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012金属的特性：金属原子紧密堆积，以使体系能量最低。金属原子的配位数高。金属键没有方向性、饱和性。不透明、导电、导热、具有延展性。第64页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012第65页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20125.过渡性晶体

除上述4种基本类型外，还有一些过渡型晶体，这些晶体中粒子之间存在着一种以上的结合力。包括：层状晶体链状晶体富勒烯第66页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012层状晶体在石墨晶体中既有共价键又有金属键性质，层间结合则依靠分子间作用力，所以这是一种典型的混合键型单质晶体。第67页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012链状晶体石棉是镁、铁、钙硅酸盐矿物的总称。链内硅氧原子间为带共价性的离子键，链状阴离子之间通过相隔较远的金属阳离子以离子键相结合，因此链间结合力比链内结合力弱，故解离时易形成纤维。

单质晶体键型变化的根本原因，在于周期表各原子电子结构和性质上的差别。第68页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012富勒烯:1985年,英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·埃里特·史沫莱,

1996年度诺贝尔化学奖

富勒烯是碳元素继金刚石、石墨之后的第三种晶体形态。是金刚石、石墨的同素异形体或同质异晶体。最典型的是C60。它是由20个六边形12个五边形组成还有C70等许多类似C60分子也已被相继发现碳纳米管在1991年日本NEC公司专家饭岛(Iijima)在检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是碳纳米管现在被称作的“Carbonnanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。碳纳米管管身由六边形碳环微结构单元组成,端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。第69页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012石墨烯石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。基于它的化学结构，石墨烯具有许多独特的物理化学性质，如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及大规模生产等

石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国的两位科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。第70页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.2.2非晶体（noncrystal)非晶体是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、松香、石蜡等。它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。它没有固定的熔点。所以有人把非晶体叫做“过冷液体”或“流动性很小的液体”。非晶态固体包括非晶态电介质、非晶态半导体、非晶态金属。它们有特殊的物理、化学性质。例如金属玻璃（非晶态金属）比一般（晶态）金属的强度高、弹性好、硬度和韧性高、抗腐蚀性好、导磁性强、电阻率高等。这使非晶态固体有多方面的应用。它是一个正在发展中的新的研究领域，近年来得到迅速的发展。第71页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.2.3固体吸附剂在一充满溴蒸气的瓶中加入活性炭，棕红色的溴蒸气会渐渐消失，表明活性炭具有吸附溴分子的能力。物质的分子、原子或离子能自动地附着在某固体表面上的现象，称为固体的吸附（adsorption）。具有吸附能力的物质称为吸附剂，被吸附的物质则称为吸附质。活性炭吸附溴时，活性炭为吸附剂，溴是吸附质。一定的T、p下，吸附质被吸附的量随着吸附面积的增加而加大。因此，比表面很大的物质，如粉末状或多孔性物质，往往都具有良好的吸附性能。换言之，良好的吸附剂都是有很大比表面的物质。吸附的应用很广，如用活性炭吸附蔗糖水溶液中的杂质使之脱色；用硅胶吸附气体中的水蒸气使之干燥；用分子筛吸附混合气体中某一组分使之分离等。第72页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012物理吸附和化学吸附按吸附作用力性质的不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附两种类型。产生物理吸附的作用力是分子间力，即范德华力。它是一种弱的作用力，普遍存在于各吸附质与吸附剂之间。因此，物理吸附一般不具有选择性。由于吸附剂及吸附质种类的不同，分子间的引力大小各异，可使吸附量相差很多。一般的规律是：易液化的气体易被吸附。由于已被吸附的分子，对再碰撞上去的分子仍存在范德华力，所以物理吸附可以形成多分子层吸附。发生化学吸附的作用力是化学键力。因此，化学吸附有明显的选择性，而且只能发生单分子层吸附。第73页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012固体吸附剂功能改进：分子印迹技术（BLOTTING）：将各种生物大分子从凝胶转移到一种固定基质上的过程称为印迹技术。絮凝技术（FLOCCULATION

）：使水或液体中悬浮微粒集聚变大，或形成絮团，从而加快粒子的聚沉，达到固-液分离的目的，这一现象或操作称作絮凝。高吸水性树脂（SUPER-ABSORBENTPOLYMER

）：一种新型的聚丙烯酸钠盐高分子材料，它能够吸收自身重量几百倍至千倍的水分，无毒、无害、无污染；吸水能力特强，保水能力特高。第74页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012日益严峻的垃圾问题2.2.4固体废弃物第75页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012中国城市生活垃圾情况1365054.241485750.781550952.121557751.69

2002200320042005据国家统计局的统计结果，城市年产垃圾量以每年7%-9%的递增速度增加。生活垃圾清运量(万吨)生活垃圾无害化处理(%)第76页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012城市垃圾的处理方式卫生填埋焚烧堆肥技术可靠性可靠，属传统处理方法较可靠，国外属成熟技术较可靠，在我国有实践经验占地面积1m3/t60-100m3/t110-150m3/t主要环保问题渗滤液处理难度大烟气与飞灰处理难度大好氧堆肥时恶臭治理较难操作安全性较好，沼气导排要通畅较好，严格按照规范操作较好建设工期9-12个月30-36个月12-18个月适用条件对垃圾成分无要求，但含水率过高不适宜要求垃圾的低位热值大于3767kJ/kg垃圾中可生物降解有机物的含量大于40%选址难易度较困难有一定困难有一定困难技术特点操作简单，工程投资和运行成本较低占地面积小，运行稳定，减量化效果好技术成熟，减量化、资源化效果好第77页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.3液体和液晶2.3.1水的性质和应用2.3.2溶液的蒸汽压、凝固点、非典和渗透压2.3.3液体燃料2.3.4表面活性物质2.3.5液晶第78页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.3.1水的性质和应用水，分子式为H2O，在自然界以水体的方式存在。1、水体（waterbody）：地球表面水覆盖地段的自然综合体。包括水、水中溶解物、悬浮物、水生动物、植物、微生物及底泥。2、生活饮用水(drinkingwater)（1）集中式供水单位直接供给居民的；（2）包括供居民饮用的饮水及生活用水（淘米、做饭、个人卫生等）；（3）饮用水是居民终生饮用的，与饮料水不同。第79页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20123、纯净水纯水：是以市政自来水为原水，经初步净化、软化（视原水硬度而定），主要采用反渗透、电渗析、蒸馏等工艺使水中溶解的矿物质以及其他有害物质全部去除，其电导率小于10μs/cm2,浊度≤1度，即除水分子外，基本上没有其他化学成分。用于电子工业、航天工业的纯水其电导率小于5μs/cm2或更低，其商品名称为纯净水、太空水、蒸馏水等。净水是以市政自来水为原水通过吸附（多为活性炭或加入铜锌合金）、超滤（多用中空纤维膜或素烧瓷滤芯）以去除水中有害物质而保留原水的化学特征，即保留原水中的溶解性矿物质。第80页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20124、矿泉水(mineralwater)天然矿泉水是储存于地下深处自然涌出或人工揭露的未受污染且含有偏硅酸、锶、锌、溴等一种或多种微量元素达到限量值的泉水，经过过滤等工艺而成。它除含有上述特定的元素外，还含有较多的溶解性矿物质。人工矿化水是在纯水中加了某些微量元素，使其某一微量元素达到天然矿泉水的限量值。第81页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20125、安全饮用水(safedrinkingwater)符合我国饮用水卫生标准的水。6、废水(wastewater)亦称污水。在人类生活及生产活动中,净水被使用后,其物理性质和化学性质都要发生变化,其水质受到了不同程度的污染,称之废水。水体、饮用水、废水之间的关系：第82页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012从五十年代提出“南水北调”的设想后，经过几十年研究，南水北调的总体布局确定为：分别从长江上、中、下游调水，以适应西北、华北各地的发展需要，即南水北调西线工程、南水北调中线工程和南水北调东线工程。中国大陆地势形成三个阶梯。西线工程在最高一级的青藏高原上，地形上可以控制整个西北和华北，因长江上游水量有限，只能为黄河上中游的西北地区和华北部分地区补水。中线工程从第三阶梯西侧通过，从长江中游及其支流汉江引水，可自流供给黄淮海平原大部分地区。东线工程位于第三阶东部，因地势低需抽水北送。南水北调工程第83页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012南水北调工程示意图第84页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.3.2溶液的蒸汽压、凝固点、沸点和渗透压非电解质稀溶液的依数性溶液的某些性质主要取决于所含溶质粒子的浓度而非它们自身的性质，溶液的这些性质叫做依数性。本部分仅讨论难挥发的非电解质稀溶液的依数性，在这种情况下，溶质的微粒均为分子。依数性是指蒸汽压下降，沸点升高，凝固点下降的渗透压。第85页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20121，蒸汽压下降一定温度下，水（或其他纯溶剂）的饱和蒸气压是一个定值。如果在水中加入一种难挥发的溶质，溶液的表面将或多或少地被溶质分子（严格地说是溶质的溶剂化物）占据着，减少了单位面积上溶剂的分子数。因此同一温度下，溶液表面单位时间里逸出液面的溶剂分子数，相应地比纯溶剂减少。当达到平衡状态时，液面上单位体积内溶剂分子的数目比纯溶剂的少，所以，溶液的蒸气压比纯溶剂低。纯溶剂蒸气压与溶液蒸气压的差值叫做溶液蒸气压下降，用△P表示。其定量关系可用拉乌尔定律表示。第86页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012拉乌尔定律拉乌尔定律表示：在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降，与溶质的物质的量分数成正比，而与溶质的本性无关。其数学表达式为：P第87页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012拉乌尔定律在一定温度下，难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降，与溶液的质量摩尔浓度成正比。若以水为溶剂的稀溶液(mB为B的质量摩尔浓度)沸点升高：△P=

第88页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122．溶液的沸点升高由于溶液蒸气压的下降，因而导致溶液的沸点升高，而蒸气压下降程度仅与溶液的浓度有关，因此沸点的升高程度也只与溶液的浓度有关，而与溶质的本性无关。根据拉乌尔定律，难挥发非电解质稀溶液的沸点升高与溶液的质量摩尔浓度成正比。其数学表示式为：△tb=Kbb式中△tb表示溶液沸点的升高值（K），Kb是溶剂沸点上升常数，b是溶液的质量摩尔浓度。不同溶剂的Kb值不同（见P48表2.9）。第89页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20123．溶液的凝固点降低由于溶液蒸气压的下降，同样导致溶液凝固点的降低。难挥发非电解质稀溶液的凝固点下降与溶液的质量摩尔浓度成正比，而与溶质的性质无关。△tf=Kfb式中△tf是溶液凝固点下降值(K)，b是溶液的质量摩尔浓度，Kf是凝固点下降常数，不同溶剂的Kf值不同（见P48表2.9）第90页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012几种溶剂的沸点升高与凝固点降低常数第91页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012利用凝固点下降测定相对分子质量根据沸点上升与凝固点下降与浓度的关系可以测定溶质的相对分子质量。由于凝固点下降常数比沸点上升常数大，实验误差相应较小，而且在达到凝固点时，溶液中有晶体析出，现象明显，容易观察，因此利用凝固点下降测定相对分子质量的方法应用很广防冻液，冷冻剂例如在严寒的冬天，汽车散热水箱中加入甘油或乙二醇等物质，可防止水结冰；食盐和冰的混合物作冷冻剂，可获得-22.4℃（250K）的低温。冰加CaCl2的凝固点为218K此外，溶液的凝固点降低在生产、科研方面也有广泛的应用。应用第92页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012利用凝固点下降测定相对分子质量测定相对分子质量（M）

△TB=KbmB

△Tf=KbmB

mB=

第93页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012利用凝固点下降测定相对分子质量例已知m=1.09g,ma0=20g,p=101.325Kpa，△Tb=0.156，Kb=4.512Kmol-1Kg。求相对分子质量M？第94页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20124．溶液的渗透现象(1)渗透压：溶剂分子通过半透膜向溶液扩散的过程，称为渗透。动物的膀胱、肠衣、细胞膜是天然的半透膜，人工半透膜有硝化纤维膜和醋酸纤维等高分子薄膜。由渗透作用引起的溶剂与溶液两边的压力差称为渗透压。当玻璃管内外的液面差达到某一高度时，水分子向两个方向渗透的速率相等，渗透作用达到平衡，玻璃管内的液面停止上升。此时玻璃管内液面高度所产生的压强，称为该溶液的渗透压。第95页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012Van′tHoff指出：稀溶液的渗透压与其浓度和热力学温度成正比。设稀溶液的渗透压为π，“物质的量”浓度c，温度为T，溶质的物质的量为n，溶液的体积为V则或 Van′tHoff渗透压方程式。当π的单位为Pa，体积的单位为m3时，比例常数R的值为8.314（Pa·m3·mol-1·K-1或J·mol-1·K-1）；ni为V体积中所含不能透过半透膜的溶质的“物质的量”。Van′tHoff方程式表明，难挥发非电解质稀溶液的渗透压，在一定温度时，只和溶液物质的量浓度成正比。也就是和一定体积溶液中溶质物质的量(mol)成正比。第96页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012渗透在动植物的生活中有着非常重要的作用。细胞膜是一种很容易透水而几乎不能透过溶解于细胞液中的物质的半透膜。动植物体都要通过细胞膜产生渗透作用，以吸收水份和养料等。人体的体液、血液、组织液等，都具有一定的渗透压。对人体进行静脉注射时，必须使用与人体体液渗透压相等的等渗溶液。血液渗透压为723Kpa，输液时若π>723Kpa，等渗溶液血红细胞收缩，细胞浆分离；若π<723Kpa溶液血红细胞涨裂，出现溶血的现象；π=273Kpa为等渗溶液。如临床常用的0.9%的生理盐水和5%的葡萄糖溶液。否则将引起血球膨胀（水向细胞内渗透）或萎缩（水向细胞外渗透）而产生严重后果。同样的道理，如果土壤溶液的渗透压高于植物细胞液的渗透压，将导致植物的枯死，所以不能施用过浓的肥料。在化学上可以利用渗透作用来分离溶液中的杂质。近年来，电渗析法和反渗透法的新技术引起了人们的关注，普遍应用于海水、咸水的淡化。渗透作用的应用：第97页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012渗透作用的应用如果在右图中U形管的右侧蔗糖溶液上，施加比其渗透压更大的压力，就会倒转自然渗透的方向，使蔗糖溶液中的水分通过半透膜扩散到纯水中去，这一过程叫做反渗透。可利用反渗透的原理进行苦碱水、海水的淡化，还可用于工业废水处理、重金属盐的回收以及稀溶液的浓缩等。第98页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.3.3液体燃料石油有“工业的血液”、“黑色的黄金”等美誉，自20世纪50年代开始，在世界能源消费结构中，石油跃居首位。石油产品的种类已超过几千种。石油是国家现代化建设的战略物资，许多国际争端往往与石油资源有关。现代生活中的衣、食、住、行直接地或间接地与石油产品有关。石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体，经千百万年的漫长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物。直接从地壳开采出来的石油称之为原油，原油及其加工所得的液体产品总称为石油。石油是碳氢化合物的混合物，含有1~50个左右碳原子的化合物，按质量计，其碳和氢分别占84%~87%和12%~14%，主要成分为直链烷烃、支链烷烃、环烷烃和芳香烃。石油中的固态烃类称为蜡。此外，石油中还含有少量由C、H、O、N和S组成的杂环化合物。原油中硫含量变化很大，大约在0%~7%之间，主要以硫醚、硫酚、二硫化物、硫醇、噻吩、噻唑及其衍生物的形式存在。氮含量远低于硫，约为0%~0.8%，以杂环系统的衍生物形式存在，如噻唑类、喹啉类等。此外，石油中还含有其它的微量元素。第99页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012石油石油的成分十分复杂，在炼油厂，原油经过蒸馏和分馏，得到不同沸点范围的油品，包括石油气，轻油（溶剂油、汽油、煤油和柴油等）及重油（润滑油、凡士林、石蜡、沥青和渣油等）。将重油经过催化裂化、热裂化或加氢裂化等方法，可生产出轻质油。燃料油在氢气和催化剂（铂系和钯系贵金属）存在下，环烷烃甚至链烃组分进一步转化为辛烷值较高的芳香烃（称之为重整）。轻质油品经加氢精制使含有的杂环化合物脱除硫和氮，可提高油品质量。原油经过一系列炼制和精制，获得了各种半成品和组分，然后再按照用途和质量要求调配得到品种繁多的石油产品。这些产品按用途可分为两类：燃料（如液化石油气、汽油、喷气燃料、煤油和柴油等）和化工原料等。第100页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.3.4表面活性物质表面张力物质表面层中的分子与相内(又称为体相)分子所处的力场是不同的。如图所示，某纯液体与其饱和蒸气接触，液体内部的任一分子，皆处于同类分子的包围中，统计地看，该分子与其周围分子之间的吸引力是球形对称的，合力为零。故液体内部的分子，可以无规则的运动而不消耗功。表面层中的分子则不同：液体内部的分子对表面层分子的吸引力远大于气相分子对它的引力，使表面层中的分子受到指向液体内部的引力的合力。结果是表面的分子总是趋于向液体内部移动，以缩小表面积。如微小液滴总是呈球形；肥皂泡要用力吹才能变大。这说明液体表面处处都存在着一种使液面紧缩的力。我们就把这种沿着液体表面，垂直作用于单位长度上的紧缩力，称为表面张力（surfacetension），用σ表示。第101页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012表面活性剂SAA如图所示的三类吸附中，第3类物质特别有用。人们将这类加入少量即可使表面张力急剧降低的物质称为表面活性剂(surfaceactiveagent，SAA)。SAA是一类具有极广泛用途的物质。它有润湿、助磨、乳化、去乳、分散、增溶、发泡和消泡、消除静电等作用。其独特的性质是与其结构密切相关的：它们的分子都是由亲水性的极性基团和憎水(亲油)性的非极性基团（一般为长碳氢链）构成，可用RX表示，式中R表示憎水（亲油）的长碳氢链，X则表示亲水基团。这种双亲的结构决定了它独特的性质和应用。从SAA双亲结构的分子模型可知：在水溶液中，其亲水基受到极性水分子吸引，有竭力进入水中的趋势；憎水性的非极性基则倾向翘出水面或钻入非极性的有机溶剂或油类的另一相中，使SAA分子定向地排列在界面层中。因此SAA加入纯水中时，其分子主要排列于溶液的表面层，稍增其浓度，其绝大部分分子仍将自动地聚集于表面层，使水和空气的接触面减小，溶液的σ急剧降低。当其浓度足够大，在液面上排满一层定向排列的SAA分子，形成单分子膜后，在溶液本体开始形成具有一定形状的胶束，它是由若干个SAA分子排列成憎水基团向内，亲水基团向外的多分子聚集体。人们把形成一定形状的胶束所需SAA的最低浓度，称为临界胶束浓度，以CMC(criticalmicelleconcentration)表示。σ/[σ]c/[c]123第102页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012润湿（wetting）润湿（wetting）是固体(或液体)表面上的气体被液体取代的过程。我们都知道，水滴在玻璃板上呈半月形，在荷叶上的水滴则呈球形。说明水能够润湿玻璃而不能润湿荷叶。液体能否润湿固体的根本原因在于润湿前后表面吉布斯函数G（表面）的变化情况：G（表面）降低者能够润湿；而使G（表面）增加者则不能润湿。润湿现象在生产实践中得到广泛的应用。例如脱脂棉易被水润湿，但经憎水剂处理后，可变得不被润湿，这时水滴在布上呈球状，而不易进入布的毛细孔中，故可制成防雨设备。农药喷洒在植物上，若能被叶片及虫体润湿，将会明显地提高杀虫效果。另外，在矿物的浮选、注水采油、金属焊接、印染、洗涤以及毛细现象的产生等方面皆涉及到与润湿理论有密切关系的技术。第103页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012表面活性物质的HLBHLB值（Hydrophile-LipophileBalanceNumber）称亲水疏水平衡值，也称水油度。它既与表面活性剂的亲水亲油性有关，又与表面活性剂的表面（界面）张力、界面上的吸附性、乳化性及乳状液稳定性、分散性、溶解性、去污性等基本性能有关，还与表面活性剂的应用性能有关。亲水亲油平衡值（HLB值）是用来表示表面活性剂亲水或亲油能力大小的值。1949年Griffin提出了HLB值的概念。将非离子表面活性剂的HLB值的范围定为0～20，将疏水性最大的完全由饱和烷烃基组成的石蜡的HLB值定为0，将亲水性最大的完全由亲水性的氧乙烯基组成的聚氧乙烯的HLB值定为20，其他的表面活性剂的HLB值则介于0～20之间。HLB值越大，其亲水性越强，HLB值越小，其亲油性越强。随着新型表面活性剂的不断问世，已有亲水性更强的品种应用于实际，如月桂醇硫酸钠的HLB值为40。

1~3作消泡剂；3~6作W/O型乳化剂；7~9作润湿剂；8~18作O/W型乳化剂；13~18作增溶剂。第104页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学20122.3.5液晶液晶的基本概念主要特征是其聚集状态在一定程度上既类似于晶体，分子呈有序排列；又类似于液体，有一定的流动性。形成液晶物质的条件1.具有刚性的分子结构。导致液晶形成的刚性结构部分称为致晶单元。2.还须具有在液态下维持分子的某种有序排列所必需的凝聚力。根据液晶的生成条件，可把它分为两类：热致液晶和溶致液晶。第105页，共125页，2023年，2月20日，星期三武汉大学土木工程化学2012热致液晶

热致液晶是指由单一化合物或由少数化合物的均匀混合物形成的液晶。通常在一定温度范围内才显现液晶相的物质。典型的长棒形热致液晶的分子量一般在200~500g/mol左右，分子的长度比大约在4到8之间。按照棒形分子排列方式把热致晶体分为三种：向列相液晶，近晶相液晶，胆甾相液晶。（1）向列相液晶：它的分子成棒状，粘度小、流动性强。具有单轴晶体的光学性质，对外界作用非常敏感，是液晶显示器件的主要材料。（2）近晶相液晶：近晶相液晶分子也成棒状，层的厚度约等于分子的长度，各层之间的距离可以变动,但粘度比向列相液晶大。近晶相液晶具有正性双折射性，因此，近晶相液晶显示器件比向列相液晶显示器件的特性更优越。（3）胆甾相液晶：它的分子呈扁平层状排列，分子长轴平行层平面，层内各分子长轴互相平行（对应方向）相邻两层内的分子长轴方向有微小扭转角，各层分子指向矢，沿着层的法线方向连续均匀旋转，使液晶整体结构形成螺旋结构，螺旋扭转360°的两个层面的距离叫做螺距，用L表示，通常L为102nm的数量级。这种