《工程化学》课程教学资源_第5章 化学与材料科学（1）

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1 第5章 化学与材料科学

山东理工大客SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY·5.1金属和合金材料·5.2无机非金属材料·5.3高分子化合物材料·5.4复合材料

2 • 5.1 金属和合金材料 • 5.2 无机非金属材料 • 5.3 高分子化合物材料 • 5.4 复合材料

山东理工大客材料科学发展概况SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY材料：名词，指物质或构成器件之物。材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史根据当时有代表性的材料将人类社会划分为（2）青铜器时代（1）石器时代（3）铁器时代（4）聚合物时代2.化学是材料发展的源泉化学与材料科学保持着相互依存、相互促进新分子和新材料的飞速增长（平均每天递增7000种

3 材料科学发展概况 材料：名词，指物质或构成器件之物。 １. 材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发 展的文明史 根据当时有代表性的材料将人类社会划分为： （１）石器时代 （２）青铜器时代 （３）铁器时代 （４）聚合物时代 ２. 化学是材料发展的源泉 化学与材料科学保持着相互依存、相互促进。 新分子和新材料的飞速增长（平均每天递增7000种）

山东理工大客SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY3.材料分类按用途分：结构材料和功能材料结构材料主要是利用材料的力学和理化性质，广泛用于机械制造、工程建设、交通运输、和能源等各个部门；功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，智能材料是21世纪材料。按材料成分和特性分：金属材料、陶瓷材料高分子材料、复合材料复合材复合材料是由金属材料、陶瓷材料、高分子材料组成的。料的强度、刚度和耐腐蚀性能比单一材料更为优越，是一类更为广活发展前景的新型材料

4 ３. 材料分类 按材料成分和特性分: 金属材料、陶瓷材料 高分子材料、复合材料 复合材料是由金属材料、陶瓷材料、高分子材料组成的。复合材 料的强度、刚度和耐腐蚀性能比单一材料更为优越，是一类更为广阔 发展前景的新型材料。 按用途分: 结构材料 和 功能材料 结构材料主要是利用材料的力学和理化性质 ，广泛用于机 械制造、工程建设、交通运输 、和能源等各个部门；功能材料 则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、 能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智 能材料，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，智 能材料是21世纪材料

山东理工大客SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY材料也可分为传统材料和新型材料传统材料是指生产工艺已经成熟，并投入工业生产的材料。亲新型材料是指新发展或正在发展的具有特殊功能的材料，如高温超导材料、特种材料、功能高分子材料新型材料的特点：（1）具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的需要。如能在接近极限条件下使用的超高温、超高压极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。(2) 3新型材料的研制是多学科综合研究成果。它要求以先进的科学技术为基础，往往涉及到物理、化学、冶金等多个学科。(3)新型材料从设计到生产，需要专门的、复杂的设备和技术，它自身形成一个独特的领域，称为新材料技术

5 材料也可分为传统材料和新型材料。 传统材料是指生产工艺已经成熟，并投入工业生产的 材料。新型材料是指新发展或正在发展的具有特殊功能的 材料，如高温超导材料、特种材料、功能高分子材料。 新型材料的特点： ⑴ 具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的 需要。如能在接近极限条件下使用的超高温、超高压、 极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。 ⑵ 新型材料的研制是多学科综合研究成果。它要求 以先进的科学技术为基础，往往涉及到物理、化学、冶 金等多个学科。 ⑶ 新型材料从设计到生产，需要专门的、复杂的设 备和技术，它自身形成一个独特的领域，称为新材料技 术

山东理工大享SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY5.1金属和合金材料112种化学元素金属元素90种非金属元素22种

6 5.1 金属和合金材料 112 种化学元素 金属元素 90种 非金属元素 22 种

山东理工大享5.1金属和合金材料SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY金属元素在周期表中的位置HHeLiFCNOBeBNePSAISiCIArNaMgKScTiKrVCrMnFeCoNiCuZnGaSeBrCaGeAsRbSrRuRhSnXeZNbPdCdSbMoTCAgInTeHfPtTIPbCsBaWReOsIrAuHgBiPoAtRnLaTaLuRaRfFrDbSgBhMtHsAC铺PrNdPmSmGdErYbLaCeEuTbDyHoTmLu系CUAcThPaNpPuBkCfEsFmMdNoAmm

7 5.1 金属和合金材料 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La — — Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac — — Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt 镧 系 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 锕 系 Ac Th Pa U Np Pu Am C m Bk Cf Es Fm Md No Lr 金属元素在周期表中的位置

山东理工大客5.1.1金属的化学性质SHANDONG UNIVERSITYOFTECHNOLOGY金属的化学性质5. 1.1金属的电负性较小，在化学反应中倾向于失电子，金属单质突出的化学性质是还原性。5.1.1.1金属单质还原性的周期性变化同一周期从左到右，金属单质的还原性逐渐减弱；同一主族从上到下，金属单质的还原性依次增强

8 5.1.1 金属的化学性质 5.1.1 金属的化学性质 金属的电负性较小，在化学反应中倾向于失电子，金属 单质突出的化学性质是还原性。 5.1.1.1 金属单质还原性的周期性变化 同一周期从左到右，金属单质的还原性逐渐减弱； 同一主族从上到下，金属单质的还原性依次增强

山东理工大客SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY金属单质与氧、水、酸、碱的作用5. 1. 1.2(1) S区金属S区金属较活泼，具有很强的还原性，易被空气中的氧氧化；与水作用可置换出氢气；与酸反应产生氢气，但反应过于激烈。(2)p区金属P区金属的还原性较S区弱，不能与水作用，能与非氧化性酸作用置换出氢气。(3)d区和ds区金属d区和ds区金属单质的还原性差别较大。第四周期金属一般都能与氧作用，生成相应的氧化物。第五、第六周期的d区和ds区全属不与非极化性酸作用

9 5.1.1.2 金属单质与氧、水、酸、碱的作用 (1) s区金属 S区金属较活泼，具有很强的还原性，易被空气中的 氧氧化；与水作用可置换出氢气；与酸反应产生氢气，但 反应过于激烈。 (2) p区金属 p区金属的还原性较S区弱，不能与水作用，能与非氧 化性酸作用置换出氢气。 (3) d区和ds区金属 d区和ds区金属单质的还原性差别较大。第四周期金 属一般都能与氧作用，生成相应的氧化物。第五、第六周 期的d区和ds区金属不与非极化性酸作用

山东理工大客5.1.2金属和合金材料SHANDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY钢铁材料非铁金属材料分类金属功能材料新型的金属问化合物材料金属基复合材料金属固溶体型合金的结构金属问化合物型简单机械混合型

10 5.1.2 金属和合金材料 金属固溶体型 金属间化合物型 简单机械混合型 钢铁材料 非铁金属材料 金属功能材料 新型的金属间化合物材料 金属基复合材料 分类 合金的结构