高分子材料化学基础.ppt

1、高分子材料的化学基础，原子结构模型的演变，道尔顿原子模型：(1803)，原子是一个固体球，葡萄干面包原子结构模型，有核原子结构模型，核外电子分层模型，历史，原子模型，1803年，英国科学家道尔顿提出了现代原子理论，他认为原子不是在化学变化中汤姆逊发现了电子，并提出原子是一个正电荷均匀分布的球，其中嵌入了许多电子，从而中和了电荷并形成中性原子。原子由原子核和电子组成。电子围绕原子核高速运动，就像行星围绕太阳运动一样。1913年，丹麦物理学家玻尔提出了原子结构模型。他认为核外电子是分层排列的。原子核外的电子按层排列，电子云，四个量子数1。主量子数。角量子数l s，p，d，f，3。磁量子数m等效轨道

2、或简并轨道4。自旋量子数ms，原子中电子的排列，基态原子中电子的排列原理1。最低能量原理系统的能量低于2。根据泡利的不相容原理，在同一个原子中不可能有四个相同量子数的电子。3.霍德法则电子将平行自旋分成尽可能多的等价轨道。特例：全空间、半全空间和全空间的等价轨道是最稳定的。原子的核外电子组态和元素的周期定律，高、低能级的经验公式对于原子的外电子，能级越高，对于离子的外电子，能级越高。材料结构p61作者：徐广贤，汪祥云，1同一主层中各子层的能级顺序：n s n p n d n f 2同一子层在不同电子层中的能级顺序。5s 4d 5ps 5d 4f 6pns (n-1)d (n-2)f np，基团

3、和价层的电子构型：价电子：参与化学反应时可用于成键的电子。价电子层：价电子所在的子层。具有相同周期的元素具有相同数量的电子层数，同一族元素的价电子构型基本相同。主族：亚族：元素周期表的元素划分：s区、d区(ds区)、p区和f区。元素性质的周期性，原子半径(r):共价半径，金属半径，范德华半径：电离能(I)元素的第一电离能：当一个电子从元素基态的气态原子中脱离出来成为气态一价阳离子所需的能量。电子度(x)是衡量元素电子得失的综合能力。元素电负性是指原子吸引分子中成键电子的能力。元素的金属性和非金属元素的金属性可以通过电离能来测量，电离能是元素原子失去电子并变成阳离子的强大力量。元素的非金属性质可

4、以通过电子亲合力来测量。元素的金属和非金属性质可以用电负性来综合衡量。元素的氧化值元素的最高氧化值随着价态层的电子结构周期性重复而周期性变化。通常，一种元素的最高氧化值等于价电子总数和族数。但也有例外：VIIIA和VIIIB，IB族(铜为2；银和金是3)。有机化合物与古代人们的生活、人类生活和国民经济密切相关。有机化合物、棉花、亚麻、丝绸、合成纤维和毛皮；淀粉、油脂、肉和蛋奶、水果和蔬菜；合成药物和中草药；洗涤剂和化妆品；油漆、家具、信纸；橡胶和塑料制品；能源、炸药、石化工业；化肥和杀虫剂；新的电子和医疗材料；有机化合物和有机化学，酿酒，制醋，造纸和中草药，有机化合物是含碳化合物(格林定义，1

5、894)。有机化合物是碳氢化合物及其衍生物。(朔尔默)，有机化合物的定义，定义1，定义2，有机化合物与有机化学，有机化学，有机化学简史1806年，白李泽提出了“有机化学”一词和“生命力”理论；1828年，韦勒用氰酸铵合成了尿素。柯尔伯在1845年合成了乙酸；1854年，伯特利合成了石油；18501900，合成有机化学时代，煤焦油化学时代；从1900年到1940年，在有机化学工业时代，煤焦油染料、毒品和炸药；1940年，在石化时代，石油的三大合成材料(橡胶、塑料和合成纤维)；1990年，有机化学与生命科学、环境科学、材料科学、能源工业、国防工业、电子工业、信息工业、无机非金属材料和各种轻工业紧密

6、联系，相互促进。有机化学可视为碳氢化合物及其衍生物的化学，包括有机合成化学、天然有机化学、生物有机化学、元素有机和有机金属化学、物理有机化学、有机分析化学和应用有机化学。有机化学是一门研究有机化合物的来源、制备、结构、性质和变化规律的科学。有机化合物和有机化学，这是化学的重要组成部分。在过去的200年里，有机化学的发展揭示了构成物质世界的各种有机化合物的结构、有机分子中原子间的成键性质及其相互转化的规律，设计并合成了大量具有特定性质的有机分子；同时，它为相关学科(如材料科学、生命科学、环境科学等)的发展提供理论、技术和材料。)。有机化学的成就充分利用了煤、石油、天然气和农产品等自然资源，为合成

7、染料、医药和炸药等工业奠定了基础。今天，有机化学正处于蓬勃发展的时期。其趋势和特点是：与生命科学、材料科学和环境科学紧密结合；分子识别和分子设计正在渗透到有机化学的各个领域。选择性反应，尤其是不对称合成，已成为有机化学的热点和前沿领域。有机化学继续在新药、农业和医疗化学品以及分子电子材料的开发中发挥主导作用。有机化合物和有机化学、除了碳和氢之外，它只含有氧、氮、硫、磷和氧等少数元素。有许多有机化合物(400万/70万)，原子通常通过共价键结合在一起；异构现象很普遍。易燃易爆；热稳定性差；低熔点和沸点；不溶于水；反应速度很慢。例如：hoac :m . p 16.1 b . p 116；NaCl:

8、 m.p 800 b.p 1440，有机化合物的特性，有机化合物的分子结构和结构式，原子在结构分子中的排列顺序，原子间的立体位置，化学键的成键状态和分子中电子的分布。分子的性质不仅取决于其元素组成，还取决于其结构。“结构决定自然，自然反映结构”，这是有机化学教学的主线。分子中原子相互连接的顺序称为分子结构。例1:2-甲基丙醇的表征：路易斯型写起来比较麻烦，短线型比较麻烦，简写型比较常用，键合线型比较常用，结构表征方法，有机物的分子结构和结构式，例2:苯的结构式，路易斯型，短线型，键合线型。共价键的基本性质，共价键的断裂模式和有机反应的类型，(2)杂化轨道理论，(3)分子轨道方法，(1)价键方法

9、，(1)键长，(2)键能，(3)键角，(4)键极性和诱导效应，(1)断裂模式和反应类型，(2)均匀裂解在有机化合物中，所有的碳必须是四价的！成键原子必须沿着电子云密度最高的方向重叠。描述共价键有两种理论：价键理论：视觉和局部观点，常用于描述非共轭体系；分子轨道理论：离域化的观点，通常用于描述共轭体系。将价键理论与分子轨道理论相结合，可以更好地解释有机分子的结构。共价键的形成，(1)价键理论，H2成键电子的形成是在成键原子之间。(略)，(2)杂化轨道理论，共价键的形成，(a) sp3杂化，其中甲烷分子中的碳原子采用sp3杂化。作为杂交的结果，sp3轨道具有更强的结合能力和更大的方向性。四个sp3

10、杂化轨道相同，最大空间距离为正四面体构型，轨道夹角为109.5。(动画)空间中组态原子的排列。四个氢原子只能从四面体的四个顶点重叠(因为电子云的密度在顶点方向最高)，形成四个氢键。(动画)，形成共价键，(b) sp2杂化，乙烯分子中的碳原子采用sp2杂化。作为杂交的结果，(sp2)轨道的S成分较大，(动画)、(P)轨道不参与杂交，它们并排重叠形成键和共价键，(c) sp杂交，乙炔分子中的碳原子采用sp杂交。由于sp杂化，sp杂化轨道的S分量更大，电子云更靠近原子核！两个sp杂化轨道的最大键角为180。因此，乙炔分子中电子云的形状是一个与碳碳键对称的圆柱体。乙炔分子的骨架、共价键的形成以及不同杂

11、化态碳原子的不同电负性导致了与氢原子或其他原子形成的键的不同性质。负电性：sp杂化碳sp2杂化碳sp3杂化碳！杂化轨道可以形成键，如碳-氢、碳-碳、碳-氧、碳-氮等。键是有机分子形成碳链或碳环的基础。不参与杂交的磷轨道可以形成键，如碳=碳，碳=氧，碳，碳等。共价键的形成，(3)分子轨道法，主要用于处理P电子或电子。乙烯分子中有两个不参与杂化的p轨道，这两个p轨道可以通过线性组合(加减)形成两个分子轨道(轨道):形成共价键、()、(*)、形成共价键、1.4.2共价键的基本性质、成键原子的平衡核间距。单位：纳米(10-9m)。不同的共价键有不同的键长；(高P10表1-2)例如：碳碳键长度0.154

12、纳米碳碳键长度0.109纳米碳=碳碳键长度0.133纳米碳碳键长度0.143纳米对于相同的共价键，键长在不同的化学环境中略有不同。(元P8表1-2)一般来说，键长越短，化学键越强，断裂的可能性越小。(1)键长，共价键的基本性质，(2)键能，即键的平均离解能。例如，平均值：(423 439 448 347) 4=414KJ/mol，ch的键能为414KJ/mol。键能越大，键越强。(P10表1-3)，共价键的基本性质，(3)键角，键之间的角度。键角与成键中心原子的杂化状态有关，也受分子中其他原子的影响。透视的写作，共价键的基本性质，(4)键的极性和诱导效应。键的极性是由键原子的不同电负性引起的(

13、P11的表1-4)。例如，一般来说，成键原子的电负性差大于1.7，形成离子键；成键原子的电负性差为0.51.6，形成极性共价键。键的极性和共价键的基本性质通过偶极矩来测量。qd的单位：Cm(库仑计)Q正负中心的电荷D电荷中心之间的距离示例：HCl CH3Cl，共价键的基本性质b .分子极性，它能引起分子极性，等于键的偶极矩例如，分子的极性影响化合物的沸点、熔点和溶解度。共价键的基本属性感应效应，由成键原子的不同电负性引起的分子中电子云的转移称为感应效应。例如，1-氯丁烷分子中的氯原子有一个电子转移子直箭头表示感应效应引起的电子云的转移方向。共价键的基本性质，小节，共价键存在于大多数有机分子中。

14、共价键的键能和键长反映了键的强度，即分子的热稳定性；键角反映了分子的空间图像；键的偶极矩和极化反映了分子的化学反应性和它们的物理性质。共价键的基本性质，共价键的断裂方式和有机反应的类型，以及均匀裂解的反应条件是光、辐射、加热或过氧化物的存在。作为均匀化的结果，产生了带有不成对电子的原子或原子团。涉及自由基的反应称为自由基反应或均相裂解反应。同裂解，共价键的断裂方式和反应类型，异裂解发生在催化剂、极性试剂和极性溶剂的反应条件下。作为异质裂解的结果，产生带正电或负电的离子。共价键断裂的反应称为离子反应或断裂反应。共价键的断裂方式和反应类型、环周反应以及反应通过循环过渡态、旧键的断裂和新键的形成同时

15、进行。共价键的断裂模式和反应类型、有机反应类型、分子间相互作用力、偶极-偶极相互作用、分子间相互作用力、范德瓦尔斯力、由于分子或电子的运动而导致的分子中电子云的不均匀分布，由此产生的局部偶极称为瞬时偶极或诱导偶极。瞬时偶极子或感应偶极子之间的相互作用力称为范德华力。范德华力主要存在于非极性分子之间。例如，烷烃、烯烃、炔烃、苯、Br2、I2等分子间力。主要是范德华力。上述非极性分子的沸点较低，沸点随分子量而变化。分子间的相互作用力，氢键，氢键可以由氢原子和两个高电负性原子形成。例如，氢键是饱和的和定向的，但是键能远远小于普通的化学键。力的顺序：普通化学键、氢键、偶极力、范德华力、1023 kJ/mol、2030 kJ/mol、分子间相互作用力、有机化合物的分类，有机化合物分类的目的是为了方便地介绍和讨论有机化合物。1.7.1根据碳链的分类、有机化合物的分类和根据官能团的分类，它们决定了具有化合物典型性质的原子或原子基团。具有相同官能团的化合物具有相似的化学性质，属于同一类。根据官能团，有机化合物可分为烷烃、烯烃、炔烃、卤代烃、芳香烃、醇、酚、醚、醛、酮、醌、羧酸、羧酸衍生物、硝基化合物、胺、重氮和