《工科化学》课件工科化学20章47－48

2023/10/11119.称取软锰矿试样0.4012g，以0.4488gNa2C2O4处理，滴定剩余的Na2C2O4需消耗0.01012mol·dm-3KMnO4标准溶液30.20dm-3cm-3，计算试样中MnO2的百分含量。解：MnO2＋C2O42－＋4H＋＝Mn2＋＋2CO2＋2H2O2MnO4－＋5C2O42－＋16H＋＝2Mn2＋＋10CO2＋8H2On(Na2C2O4总)=0.4488/134.00=3.349mmol用于KMnO4滴定的n(Na2C2O4)=(5/2)n(KMnO4)=2.50.0101230.20=0.7641mmol用于与MnO2反应的n(Na2C2O4)n(Na2C2O4)=3.349-0.7641=2.5849mmolMnO2的百分含量=(54.94+162)

2.584910-3

/0.4012=56.01%2023/10/11221.以K2Cr2O7标准溶液滴定0.4000g褐铁矿，若所用K2Cr2O7溶液的体积（以dm-3cm-3为单位）与试样中Fe2O3的百分含量相等。求K2Cr2O7溶液对铁的滴定度。解：设百分含量为x，由

Cr2O72-+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2On(Fe2O3)=3n(K2Cr2O7)=3c(K2Cr2O7)V(K2Cr2O7)0.4000x/159.69＝3c(K2Cr2O7)·xc(K2Cr2O7)=0.008350mmol/cm3TFe/K2Cr2O7=655.850.008350=2.797mg·cm-32023/10/11322.分析铜矿样0.6000g，用去Na2S2O3溶液20.00cm3。1cm3Na2S2O3相当于0.004175gKBrO3。计算试样中含铜百分率，以Cu2O表示。解：反应式：故n(KBrO3)=20

0.004175/(39.1+79.9+48)=0.0005moln(Cu2O)=3

0.0005mol0.0015molm(Cu2O)=143.1

0.0015=0.2147gG(Cu)%＝35.782023/10/114第二十章信息与化学本章要点本章主要讨论化学与信息科学之间的关系，重点介绍化学与信息技术核心元器件的半导体、光纤和传感器等之间的关系。2023/10/115第一节引言●信息客观存在事物的的一种表现形式●信息的基本特征(1)可识别性感官直接识别；探测手段间接识别(2)可转换性语言、文字、图表、图像可转换为代码、电信、电视信号等(3)可存储性可存储在人脑、电脑和书刊等之中(4)可传输性传输的速度和效率取决于传输手段和通信工具(5)可分享性信息不同于实物，可以分享2023/10/116●信息技术（IT，informationtechnology)的三个主要领域

传感技术精确、高效、可靠地采集各种形式的信息。包括遥感、遥测及各种高性能的传感器、换能器和显示器，如卫星遥感、红外遥感、次声和超声检测技术，各种热敏、声敏、味敏、嗅敏及智能传感系统

通信技术高速度、高质量地传递和交换各种形式的信息。包括光导纤维通信、卫星通信、智能终端

计算机技术将向高速度、高智能、多功能的方向发展。包括光计算机、智能计算机、软件系统、网络化等

更重要的是将传感技术、通信技术和计算机技术结合成具有信息化、智能化和综合化特征的信息网和各种智能信息系统，有效地扩展人类的信息功能，特别是智力功能2023/10/117

●信息与化学的关系——化学的发展，为信息技术提供高、精、新的物质基础。包括电子材料和光电子材料

从形态看，有固体、液体、气体材料

从晶态看，有多晶、单晶、液晶、非晶材料

从成分看，有金属、非金属、单质、化合物。化合物又有无机、有机、高分子化合物——信息技术不断给化学提出新的要求，为化学的发展注入新的活力、提供新的手段——化学与信息技术之间是互相促进、互相推动的关系2023/10/118

物质材料典型用途SiGaAsTiNiCdSBaTiO3ZnS(加激活剂)SiO2(掺杂)UV固化材料LiNbO3

-Fe2O3(掺杂)Tb0.75Er2.25Al2.5Fe4.5O1.2(铁系石榴石单晶)半导体材料半导体材料形状记忆合金①光电转换材料压电材料荧光显示材料光导纤维光纤涂料,着色光敏器件磁记录材料磁泡材料二极管,晶体管,集成电路二极管,晶体管,集成电路传感驱动器太阳能电池,光电转换开关声传感器彩色电视显像管光纤通信光纤通信红外传感器磁带计算机存储器表20.1与信息有关的典型材料实例2023/10/119第二节半导体●定义导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质一、半导体的分类和导电性（一）半导体的分类(略)（二）半导体的导电机理(略)（三）半导体组成与禁带宽度的关系(略)

2023/10/1110导禁禁带满满带（a）导体（b）绝缘体（c）半导体能量图3.29导体、半导体和绝缘体的能带导带2023/10/1111二、硅半导体材料的制备●概况由硅石粗硅高纯多晶硅（纯度在9个“9”以上(99.9999999％以上)单晶硅（一）粗硅的制备粗硅又称工业硅，纯度在95％99％的硅反应要点高温1600℃1800℃

原因SiO2(s)十2C(s)＝Si(s)十2CO(g)

rGm°=582.07kJ·m01-1，rHm°＝689.94kJ·m01-1，rSm°＝358.1J·mol-1•K-1。需高温才能变为rGm°＝rHm°－T

rSm°0。粗硅中杂质多为Fe，Al，C，可用酸洗法初步提纯，高纯硅还需进一步提纯2023/10/1112（二）多晶硅的制备●概况

由粗硅合成SiHCl3、SiCl4或SiH4中间体，精馏提纯后，用氢气还原或热分解而制得多晶硅

三种方法各有特点，其中三氯代硅烷产量大、质量高、成本低的优点，是当前制取多晶硅的主要方法●关于三氯代硅烷(SiHCl3，硅氯仿)

SiHCl3的制备多用粗硅与干燥氯化氢在200℃以上反应Si十3HCl==SiHCl3+H2

实际反应极复杂，除生成SiHCl3外，还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、SiCl4等各种氯化硅烷，其中主要的反应是2Si十7HCl＝SiHCl3十SiCl4十3H22023/10/1113

性质硅氯仿结构与SiCl4相似，为四面体型SiHCl3，稳定性稍差，易水解SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2

制备要点(1)合成温度宜低（280℃300℃

），温度过高易生成副产物。常加少量铜粉或银粉作为催化剂(2)反应放热，常通入Ar或N2带走热量以提高转化率(3)须严格控制无水无氧。因SiHCl3水解产生的SiO2会堵塞管道造引起事故。氧气则会与SiHCl3或H2反应，引起燃烧或爆炸2023/10/1114

SiHCl3的提纯

精馏法利用杂质和SiHCl3沸点不同，用精馏的方法提纯多晶硅的制备精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅SiHCl3十H2==Si十3HCl上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不能直接用于生产电子元器件，必须将它制成单晶体并在单晶生长过程中“掺杂”，以获得特定性能的半导体（三）单晶硅的制备多用“区域熔融法”法2023/10/1115第三节光导纤维一、光导纤维的种类和特性●概况光导纤维(opticalfibre，简称光纤，光纤之父：高锟)

定义能够以光信号而非电信号的形式传递信息的具有特殊光学性能的玻璃或塑料纤维分类

按功能分为传光纤维与传像纤维

按传输模式分为多模(multiplemodel，MM)光纤和单模(singlemodel，SM)光纤，多模光纤能够同时传播多种光波模式，单模光纤只能传输一种光波模式。后者可传输更多的信号

按光纤的材料成分分为石英类及有机高分子塑料光纤2023/10/1116光纤种类材料成分采用原料石英光纤芯线：SiO2GeO2P2O5

包层：SiO2B2O3

SiCl4GeCl4POCl3SiCl4BCl3BBr3多组分光纤芯线：SiO2Na2OCaOGeO2

包层：SiO2Na2OCaOB2O5：SiCl4NaNO3Ca(NO3)2Ge(C4H9O)4SiCl4NaNO3Ca(NO3)2BCl3石英芯线塑料包层光纤芯线；SiO2包层：有机硅SiCl4二甲基二氯硅烷塑料光纤芯线：PMMA包层：氯化MAP聚甲基丙烯酸甲酯氟化甲酯表20.5光纤的种类与材料2023/10/1117●对通信石英光纤的要求作为光通信媒介物的光导纤维应具有三个特性

(1)传输衰耗小常以每公里损失的分贝数(dB/km)表示

(2)传输频带宽现多用单模光纤

(3)机械性能好为保护光纤拉丝后的强度，光纤拉出后，必须立即被覆一层或二层保护性的涂膜。以提高使用寿命2023/10/1118二、光导纤维的制备●石英光纤制备的要求光纤制备必须严格控制①杂质的含量尤其是金属离子和羟基离子二者的存在会引起传输衰耗大辐度上升。一般金属离子的浓度应在10-9级范围，羟基离子浓度一般为10-410-7②光纤的尺寸和形状纤芯直径的波动会产生大的传输衰耗甚至不能使用，形状对称性的改变会严重影响光纤之间的连接③化学组成组成的微小变化，会影响纤芯的折射率，增加传输衰耗●光纤的制备工艺最常用的一种是MCVD（modifiedchemicalvapordeposition，改进的化学气相沉积法）2023/10/1119（一）预制棒的制造●概述主反应“玻璃车床”上用超纯SiCl4与O2和H2在1400℃1600℃下反应SiCl4(g)+O2(g)+2H2(g)==SiO2(g)+4HCl(g)

掺杂反应生成GeO2、P2O5、B2O3等4POCl3十3O2==2P2O5十6C12

MCVD法的评价

制造光纤预制棒的常用方法。能制备优质的光纤预制棒

不足所用原料昂贵(纯化原料的费用高昂，技术要求高)，光纤化学组成受到限制2023/10/1120（二）光纤的拉制

石墨炉预制棒裸光纤

涂覆杯

UV灯

保护气体2023/10/1121●SM光纤的结构着色层芯层5m

包层

125m内涂层外涂层●光纤带的结构2023/10/1122●光缆的结构——束管式纤膏加强芯缆膏——固架式

光纤带2023/10/1123●UV固化的原理组成UV固化材料主要由光引发剂、预聚物、活性稀释单体和各种添加剂组成预聚物固化膜的主体，决定了固化材料的主要性能。例，环氧丙烯酸酯，聚氨酯丙烯酸酯，聚酯丙烯酸酯活性稀释单体既可起到降低系统粘度的作用，又可参与固化反应，成为固化材料的一部分。例，1,6－已二醇二丙烯酸酯：CH2＝CHCOOCH2(CH2)4CH2COOCH＝CH2

光引发剂吸收UV辐射后，分裂成自由基或阳离子，随即引发带有双键的预聚物和活性稀释单体的链式聚合反应，当条件合适时可在极短的时间内交连、固化。例，二苯甲酮2023/10/1124●UV固化的优点具有“4E”的优点，代表了传统的热固化涂料工艺的改进方向。UV固化光纤涂料是UV固化杰出的应用实例省能耗(Energy)

无污染(Ecology)

速率快(Efficiency)

经济(Economy)●UV固化的不足固化膜收缩较多暗处难固化厚层及带色体系难固化氧气阻聚2023/10/1125（三）光纤涂料的被覆和固化

对涂料的要求（1）不会对光纤传输性能产生负面影响内层涂料固化膜软，玻璃化温度低，不致引起光纤在高、低温下的附加传输衰耗外层涂料固化膜硬，有高的模量和机械性能，以保护光纤不受外界因素的损害（2）固化速率快拉丝速率已达1000m/min以上甚至更高，现已采用紫外光(ultraviolet，UV)固化所代替研制UV固化光纤涂料概况2023/10/1126（四）光缆（opticalcable）的制作（1）光纤的着色（2）光纤带（ribbonofopticalfiber）的制作（3）光缆的制作●水的危害①水能使石英光纤表面的微裂纹扩大，影响光纤的使用寿命②水可与石英光纤表面的二氧化硅作用，使羟基的数量增加，较多的羟基将使光纤的传输衰耗急剧增加●防水措施——膏状憎水性物质——遇水膨胀形的物质和“阻水纱”2023/10/1127第四节传感器一、传感器的定义和功能●定义传感器(transducer)又称敏感元件，是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量)按一定规律转换成易处理和传输的另—种物理量(一般为电量)的装置，成为信号处理系统能接受的信号●类型结构型传感器通过机械结构的几何形状或尺寸的变化，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的变化，从而控制被测信号物理型传感器利用某些材料本身物理性质的变化而实现的，它以导体、电介质、铁电体等为敏感材料的固体材料，已成为传感器元件的主要发展动向，各种功能材料是传感器的物质基础2023/10/1128●传感器的应满足的条件

对所跟踪的信号应有足够的灵敏度、精确性、稳定性，抗干扰性能强，并能在恶劣环境下基本保持其性能不变2023/10/1129表20.6常用传感器的变换功能与材料对象变换功能功能材料温度电阻温度效应热电效应Pt,Cu,半导体材料等Pt,Pt-Rh,Cr-Ni,Ni等光（电磁波）光导效应光电动势光电子发射效应Si,CdS,GaAs,PbS等Si,GaAs,GdS,InGaAsP等Si,GaAs,BaTiO3等磁霍尔效应磁阻效应Ge,InSb,GaAsInSb,In