第十章 化学与社会（课件）-《无机化学》同步教学（国防大学出版社）

无机化学 第十章 化学与社会 第二节 生物无机化学 第三节 无机纳米材料 第四节 环境与化学 第一节 无机非金属材料 第五节 能源与化学 第六节 绿色化学与清洁生产 化学作为自然科学的基础学科，被誉为21世纪的中心科学，其重要性毋庸置疑。一方面，它不断借助其他学科，特别是数学、物理学、电子学和计算机技术的进步而得到了快速的发展；另一方面，其本身也不断向其他学科（如生物学、环境科学、材料科学、信息科学）渗透，为这些学科的发展提供理论基础、工艺途径和测试手段。化学与化工技术的结合，有力地促进了现代社会的文明进步。无机化学作为化学学科的重要分支，在化学学科的发展与应用过程中发挥了举足轻重的作用。本章主要介绍无机化学在材料、生物、环境、能源等领域的应用以及发展趋势。 第十章 化学与社会 第一节 无机非金属材料 无机非金属材料在近几十年中得到了飞速发展。它包括除金属材料和高分子材料以外的几乎所有材料，根据性能和用途的不同，可分为包括陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥和耐火材料等以硅酸盐为主要成分的传统无机材料和由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制成的新型无机材料，如特种陶瓷、激光晶体等。 无机非金属材料耐高温，硬度高，抗腐蚀，并具有优良的介电、压电、光学、电磁学及其功能转换等特性，品种极多，使用历史最长，近年来又发展很快，不少材料与高新技术的发展密切相关，是十分重要的一类工程材料，已广泛应用于国民经济各个领域中。 陶瓷材料 一、 一般所说的陶瓷，是指以黏土为主要原料，调制成型，经高温煅烧制得的硬而强、耐水、性脆的人工硅酸盐材料。陶瓷是人类最早使用的合成材料，我国是最早发明陶瓷的国家，为人类文明做出了巨大贡献。 第一节 无机非金属材料 陶瓷的主要原料是层状结构的硅酸盐——黏土。黏土与适量水充分调制后，有较好的可塑性，可制成一定形状的坯体。在制造过程中，常需掺入适量的SiO2（石英）粉末，以减少坯体在干燥、烧结时的收缩或变形；加入长石等熔剂性原料，可得到不同致密度的坯体，并降低其烧成温度。再经低温干燥、高温烧结、保温处理和冷却等阶段，经历了一系列复杂的物理、化学变化，最终生成以3Al2O3·2SiO2为主要成分的坚硬固体，即为陶瓷材料。 第一节 无机非金属材料 用普通黏土为原料，在不高于1000 ℃的温度下烧结得到的多孔烧结体，通常称为陶器。用较纯净的黏土，在更高的温度下烧成，并经上釉而得的产品，称带釉陶器。以更纯的黏土为原料，掺入大致等量的石英和长石，成型后经1200 ℃左右高温下煅烧，再放入长石细粉和水的糊状混合物中，涂上一层长石涂料，烧至1400 ℃后，可得到带有致密而光亮的半透明制品，称为细瓷。表10-1中列出了陶瓷的性能和用途。 第一节 无机非金属材料 第一节 无机非金属材料 从结构上看，陶瓷是组成复杂的多晶体，其中存在各种形状（如粒状、针状、片状和纤维状等）的晶粒、晶粒间的晶界、气孔和不同物质以玻璃态存在的包裹物等，因此可将陶瓷材料看作是晶粒、晶界、气孔和玻璃态包裹物的集合体。正因为结构上的这种复杂性，陶瓷材料中主要的化学键（离子键与共价键）未能充分发挥作用。陶瓷材料的实际强度比理论强度低约3个数量级。减少气孔率、细化晶粒、设置附加能量消耗材料相都能显著地提高陶瓷材料的强度，增加其韧性，即可作为工程结构材料使用。 第一节 无机非金属材料 和传统的陶瓷相比，新型无机非金属材料具有下述特点： （1）材料的组成已远超出硅酸盐范围，扩大到经高温烧结制成的所有无机材料。 （2）材料的制备突破了传统的工艺，采用了许多新技术制取高纯、超细的原料，保持精确的化学组成，严格控制成型和烧结工艺，以获得尺寸和形状精确，微观结构和所需优良性能确定的新材料。 （3）制品的形态多样化，除传统的材料和烧结体外，还有单晶体、薄膜和纤维等品种。 （4）在应用上，已由主要利用材料固有的静态物理性能发展到利用各种物理、化学效应和微观现象的功能特征。 第一节 无机非金属材料 玻璃 二、 广义上说，凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质和结构特征的非晶态物质，都称为玻璃。普通的玻璃是指硅酸盐玻璃，它是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体： Na2CO3+CaCO3+6SiO2 Na2O·CaO·6SiO2+2CO2↑ 第一节 无机非金属材料 改变普通玻璃的化学组成或对玻璃进行特殊处理，可得到各种特殊性能的玻璃。例如，加入少量金属氧化物可得到各种有色玻璃；向玻璃中加入AgCl和CuCl2可制得光色玻璃，这种玻璃在强光下变暗，在无光照射时复明，原因是AgCl以极小晶体的形式存在，光照射时分解成银原子和氯原子，银使玻璃变暗，光照消除后