化學(xué)與材料科學(xué)基礎(chǔ)

化學(xué)與材料科學(xué)基礎(chǔ)匯報(bào)人：XX2024-01-30引言原子結(jié)構(gòu)與元素周期律分子結(jié)構(gòu)與分子間作用力晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)材料分類與特點(diǎn)contents目錄材料制備方法與工藝材料性能表征與評價(jià)化學(xué)在材料科學(xué)中應(yīng)用總結(jié)與展望contents目錄01引言化學(xué)是材料科學(xué)的基礎(chǔ)，材料科學(xué)是化學(xué)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。密切相關(guān)相互促進(jìn)交叉融合化學(xué)的發(fā)展推動材料科學(xué)的進(jìn)步，材料科學(xué)的需求促進(jìn)化學(xué)的創(chuàng)新。化學(xué)與材料科學(xué)在多個(gè)領(lǐng)域交叉融合，形成新的研究方向和應(yīng)用領(lǐng)域。030201化學(xué)與材料科學(xué)關(guān)系學(xué)習(xí)化學(xué)與材料科學(xué)的基本概念、原理和方法，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。掌握基礎(chǔ)知識通過實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力。培養(yǎng)實(shí)踐能力了解化學(xué)與材料科學(xué)在能源、環(huán)境、生物等領(lǐng)域的應(yīng)用，拓展知識視野。拓展應(yīng)用領(lǐng)域課程目的與意義系統(tǒng)學(xué)習(xí)重視實(shí)踐拓展閱讀交流合作學(xué)習(xí)方法與建議01020304按照課程大綱和教材要求，系統(tǒng)學(xué)習(xí)化學(xué)與材料科學(xué)的基礎(chǔ)知識和理論體系。積極參與實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，提高實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。閱讀相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)和資料，了解最新研究進(jìn)展和應(yīng)用前景。與同學(xué)、老師進(jìn)行交流和討論，共同解決問題，提高學(xué)習(xí)效率。02原子結(jié)構(gòu)與元素周期律

原子結(jié)構(gòu)模型湯姆孫的"棗糕"模型早期模型，認(rèn)為電子像棗糕一樣分布在原子內(nèi)部。盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型提出原子核位于原子中心，電子圍繞原子核運(yùn)動。波爾的量子化模型引入量子化概念，解釋氫原子光譜和原子穩(wěn)定性。03元素周期律的應(yīng)用利用元素周期律預(yù)測未知元素的性質(zhì)，指導(dǎo)新材料的合成和應(yīng)用。01元素周期表的排列元素按照原子序數(shù)遞增順序排列，呈現(xiàn)周期性變化。02元素性質(zhì)的周期性變化隨著原子序數(shù)的遞增，元素的物理和化學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)周期性變化，如金屬性、非金屬性、氧化性、還原性等。元素周期表及性質(zhì)變化規(guī)律離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵分子間作用力化學(xué)鍵合類型與性質(zhì)由陰、陽離子之間通過靜電作用所形成的化學(xué)鍵，具有強(qiáng)極性、高熔沸點(diǎn)等特點(diǎn)。金屬原子之間的價(jià)電子形成“電子氣”，被所有原子所共用，具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特性。原子之間通過共用電子對所形成的化學(xué)鍵，具有方向性和飽和性。分子之間存在著相互作用的力，包括范德華力和氫鍵等，影響物質(zhì)的熔沸點(diǎn)、溶解性等物理性質(zhì)。03分子結(jié)構(gòu)與分子間作用力根據(jù)價(jià)層電子對互斥理論（VSEPR），預(yù)測分子的幾何構(gòu)型，如線性、平面三角、四面體等。分子幾何構(gòu)型通過實(shí)驗(yàn)手段（如X射線衍射）或計(jì)算化學(xué)方法，確定分子中原子間的鍵長和鍵角。鍵長與鍵角利用量子化學(xué)方法計(jì)算分子中化學(xué)鍵的鍵能，進(jìn)而評估化學(xué)反應(yīng)的活化能和反應(yīng)熱。鍵能計(jì)算分子幾何構(gòu)型及鍵參數(shù)計(jì)算包括離子-離子、離子-偶極、偶極-偶極等相互作用，具有長程性和方向性。靜電作用力誘導(dǎo)力色散力交換力由于分子極化而產(chǎn)生的相互作用力，通常較弱且隨距離增大而迅速減小。由于分子中電子云的瞬時(shí)不對稱分布而產(chǎn)生的相互作用力，普遍存在于所有分子之間。當(dāng)分子間距離非常接近時(shí)，電子云重疊產(chǎn)生的排斥力，具有短程性和強(qiáng)烈性。分子間作用力類型及特點(diǎn)氫鍵01一種特殊的分子間作用力，通常存在于含有氫原子和強(qiáng)電負(fù)性原子的分子之間，如N-H、O-H、F-H等。氫鍵具有方向性和飽和性，對物質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。范德華力02包括色散力、誘導(dǎo)力和取向力三種類型，是分子間普遍存在的一種弱相互作用力。范德華力對物質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度等物理性質(zhì)以及分子識別和自組裝等化學(xué)過程具有重要影響。其他弱相互作用03如π-π堆積作用、陽離子-π相互作用、鹵素鍵等，這些弱相互作用在超分子化學(xué)和材料科學(xué)中具有重要意義。氫鍵、范德華力等弱相互作用04晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)由正、負(fù)離子通過離子鍵結(jié)合而成，具有較高的熔沸點(diǎn)和硬度，水溶液或熔融狀態(tài)能導(dǎo)電。離子晶體分子間通過分子間作用力結(jié)合而成，熔沸點(diǎn)低，硬度小，固態(tài)和液態(tài)都不導(dǎo)電。分子晶體相鄰原子間通過共價(jià)鍵結(jié)合而成，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，熔沸點(diǎn)高，硬度大，不導(dǎo)電。原子晶體金屬陽離子和自由電子通過金屬鍵結(jié)合而成，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和延展性。金屬晶體晶體類型及特點(diǎn)粒子排列方式晶體中的粒子（原子、離子或分子）按照一定的規(guī)律在空間排列，形成有序的晶體結(jié)構(gòu)?？臻g點(diǎn)陣概念在晶體中，選取一些具有代表性的點(diǎn)（稱為陣點(diǎn)），這些點(diǎn)在空間按照一定的規(guī)律排列，形成空間點(diǎn)陣。點(diǎn)陣中的每個(gè)陣點(diǎn)都代表晶體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)基本單元。晶體中粒子排列方式及空間點(diǎn)陣概念光學(xué)性質(zhì)晶體具有各向異性的光學(xué)性質(zhì)，如雙折射現(xiàn)象。利用這一性質(zhì)可以制成偏光鏡、棱鏡等光學(xué)器件。力學(xué)性質(zhì)晶體的硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。例如，金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)，可用于制作切割工具；而石墨則具有層狀結(jié)構(gòu)，層間易滑動，可用作潤滑劑。熱學(xué)性質(zhì)晶體的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等熱學(xué)性質(zhì)也與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。利用這些性質(zhì)可以制成各種熱學(xué)器件，如熱電偶、熱敏電阻等。電學(xué)性質(zhì)晶體中的離子或分子排列有序，使得晶體具有一定的電學(xué)性質(zhì)，如壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)等。這些性質(zhì)在傳感器、換能器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。晶體性質(zhì)與應(yīng)用05材料分類與特點(diǎn)常見的金屬材料包括鐵、鋁、銅等，具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。金屬材料強(qiáng)度高，具有良好的延展性和可塑性，易于加工成型。在高溫下，一些金屬材料會發(fā)生蠕變現(xiàn)象，需要注意其使用溫度范圍。金屬材料非金屬材料種類繁多，包括塑料、橡膠、陶瓷、玻璃等。非金屬材料通常具有較低的密度和較好的耐腐蝕性能。一些非金屬材料如高分子材料具有獨(dú)特的粘彈性和電絕緣性能。非金屬材料常見的復(fù)合材料包括樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料等。復(fù)合材料在航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。復(fù)合材料由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料組成，具有優(yōu)異的綜合性能。復(fù)合材料06材料制備方法與工藝成型工藝通過壓制、注射成型、等靜壓等方式將粉末成型為所需形狀的坯體。粉末制備包括機(jī)械研磨、化學(xué)還原、電解、噴霧干燥等方法制備金屬或非金屬粉末。燒結(jié)工藝在高溫下使粉末顆粒間發(fā)生冶金結(jié)合，獲得致密化和強(qiáng)化。粉末冶金技術(shù)選用高純度、細(xì)粒度的原料，進(jìn)行球磨、混合、預(yù)燒等處理。原料選擇與處理采用注漿、可塑成型、壓制成型等方法制備陶瓷坯體。成型工藝在高溫下使陶瓷坯體發(fā)生致密化、收縮和晶粒長大等過程，獲得所需性能的陶瓷材料。燒結(jié)與加工陶瓷材料制備工藝高分子材料合成方法通過單體間的加成聚合反應(yīng)合成高分子化合物，如聚乙烯、聚苯乙烯等。通過官能團(tuán)間的縮合聚合反應(yīng)合成高分子化合物，如聚酯、聚酰胺等。環(huán)狀單體在引發(fā)劑作用下開環(huán)并聚合成高分子化合物，如聚環(huán)氧乙烷等。兩種或多種單體共同參加聚合反應(yīng)，合成具有多種性能的高分子共聚物。加聚反應(yīng)縮聚反應(yīng)開環(huán)聚合共聚合反應(yīng)07材料性能表征與評價(jià)通過拉伸試樣來測定材料的拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、延伸率等力學(xué)性能指標(biāo)。拉伸試驗(yàn)對材料施加壓縮載荷，測定其壓縮強(qiáng)度和變形行為。壓縮試驗(yàn)將試樣放在支點(diǎn)上并施加彎曲力，以評估材料的彎曲強(qiáng)度和韌性。彎曲試驗(yàn)測定材料在高速沖擊下的斷裂韌性和能量吸收能力。沖擊試驗(yàn)力學(xué)性能表征方法熱膨脹系數(shù)測定通過測量材料在不同溫度下的長度變化，計(jì)算其熱膨脹系數(shù)。熱導(dǎo)率測定采用穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)法測定材料的熱傳導(dǎo)性能，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱流量。比熱容測定測量材料單位質(zhì)量的溫度升高或降低所需吸收或放出的熱量。熱穩(wěn)定性評估通過熱重分析、差熱分析等手段評估材料在高溫下的穩(wěn)定性。熱學(xué)性能表征方法介電常數(shù)和介電損耗測定通過測量材料在電場作用下的極化程度和能量損耗，評估其絕緣性能和介電性能。電化學(xué)性能評估通過電化學(xué)工作站等設(shè)備評估材料在電解質(zhì)溶液中的電化學(xué)性能，如腐蝕速率、電池性能等。電導(dǎo)率測定測量材料單位體積內(nèi)的電荷流動能力，以評估其導(dǎo)電性能。電阻率測定測量材料單位長度和截面積的電阻值，以評估其導(dǎo)電性能。電學(xué)性能表征方法08化學(xué)在材料科學(xué)中應(yīng)用包括物理法（如蒸發(fā)冷凝法、電子束蒸發(fā)法）和化學(xué)法（如溶膠-凝膠法、化學(xué)氣相沉積法）。納米材料制備方法廣泛應(yīng)用于催化、能源、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境治理等領(lǐng)域，如納米催化劑、納米電池、納米藥物載體等。納米材料應(yīng)用領(lǐng)域納米材料制備與應(yīng)用包括金屬材料、高分子材料、生物陶瓷、復(fù)合材料等。在材料設(shè)計(jì)、制備工藝、表面改性、生物相容性等方面取得重要進(jìn)展，廣泛應(yīng)用于人工器官、醫(yī)療器械、藥物載體等。生物醫(yī)用材料研究現(xiàn)狀生物醫(yī)用材料研究進(jìn)展生物醫(yī)用材料種類新能源材料種類包括太陽能電池材料、燃料電池材料、儲能材料等。新能源材料發(fā)展趨勢向高效能、低成本、長壽命、環(huán)保型方向發(fā)展，如新型太陽能電池材料（鈣鈦礦太陽能電池）、高性能儲能材料（鋰硫電池、固態(tài)電池）等。同時(shí)，新能源材料的智能化、多功能化也是未來發(fā)展的重要趨勢。新能源材料發(fā)展趨勢09總結(jié)與展望課程重點(diǎn)內(nèi)容回顧原子結(jié)構(gòu)與元素周期律材料科學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)鍵與分子結(jié)構(gòu)化學(xué)反應(yīng)原理掌握原子結(jié)構(gòu)、元素周期表及周期律，了解元素性質(zhì)的變化規(guī)律。理解離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵等化學(xué)鍵類型，以及分子構(gòu)型、分子極性等概念。掌握化學(xué)反應(yīng)的基本類型、反應(yīng)速率與化學(xué)平衡等原理，了解熱力學(xué)與動力學(xué)在化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用。了解材料的分類、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，以及材料的制備與加工方法。隨著環(huán)保意識的提高，綠色化學(xué)將成為未來化學(xué)發(fā)展的重要方向，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的高效、環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展。綠色化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展納米科技的發(fā)展將推動材料科學(xué)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)材料性能的優(yōu)化與提升，為新能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域提供有力支持。納米科技與材料科學(xué)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算化學(xué)將在化學(xué)研究中發(fā)揮越來越重要