1、高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页高分子材料化学基础高分子材料化学基础林松柏、李云龙林松柏、李云龙高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页 前言前言 本课程简介本课程简介第一章第一章 物质结构基础物质结构基础第二章第二章 有机合物和高聚物的基本概念有机合物和高聚物的基本概念 第三章第三章 烃和碳链高聚物烃和碳链高聚物第四章第四章 含氧（硫）有机化合物与杂链高聚物含氧（硫）有机化合物与杂链高聚物第五章第五章 含氮（硅）有机化合物与杂链高聚物含氮（硅）有机化合物与杂链高聚物第六章第六章 构象异构和对映异构构象异构和对映异构(选讲选讲)第七章
2、第七章 杂环化物杂环化物(选讲选讲)第八章第八章 物理化学基础物理化学基础第九章第九章 表面现象与分散体系表面现象与分散体系第十章第十章 高聚物的合成反应高聚物的合成反应(选讲选讲)第十一章第十一章 高聚物的化学反应高聚物的化学反应(选讲选讲)目目 录录高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页前言前言 化学学科简介化学学科简介四四大大化化学学有机化学有机化学无机化学无机化学物理化学物理化学分析化学分析化学高分子化学高分子化学结构化学结构化学电化学电化学生物化学生物化学高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页本课程简介本课程简介课程组成课程组成
3、课程任务课程任务课程目的课程目的高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页第一章 物质结构基础 第一节 原子结构和元素周期律 第二节 分子结构和分子间力、氢键 第三节 晶体结构高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页第一节 原子结构和元素周期律1、构成原子的粒子、构成原子的粒子2、构成原子的粒子的性质、构成原子的粒子的性质3、原子结构模型、原子结构模型4、核外电子的特征及表征、核外电子的特征及表征5、元素周期律、元素周期律高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页原子原子核核外电子质子中子1、构成原子的粒子高分子材料高分
4、子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页构成原子的粒子电子原子核质子中子电性和电量1个电子带1个单位负电荷1个质子带1个单位正电荷不显电性质量/kg9.10910-311.67310-271.67510-27相对质量1/18361.0071.0082、构成原子的粒子的性质、构成原子的粒子的性质高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页3、原子结构模型（1）道尔顿模型（）道尔顿模型（1803）（2）汤姆生模型（）汤姆生模型（1904）（3）卢瑟福模型（）卢瑟福模型（1911）（4）波尔模型（）波尔模型（1913）（5）电子云模型（）电子云模型（1935）高分子
5、材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（1）道尔顿模型（）道尔顿模型（1803）道尔顿认为：原子是一个坚道尔顿认为：原子是一个坚实不可分的实心球。实不可分的实心球。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（2）汤姆生模型（）汤姆生模型（1904）汤姆生认为：原子上平均分布着正汤姆生认为：原子上平均分布着正电荷，还镶嵌着同样多的带负电荷电荷，还镶嵌着同样多的带负电荷的电子。的电子。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（3）卢瑟福模型（）卢瑟福模型（1911）卢瑟福等人认为：原子中，带正电荷的卢瑟福等人认为：原子中，带正
6、电荷的核位于中心，质量主要集中在核上，电核位于中心，质量主要集中在核上，电子在不同轨道上运动。子在不同轨道上运动。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（4）波尔模型（）波尔模型（1913）波尔等人认为：原子中，带正电荷的核位波尔等人认为：原子中，带正电荷的核位于中心，质量主要集中在核上，电子在一于中心，质量主要集中在核上，电子在一定轨道上绕核作圆周运动。定轨道上绕核作圆周运动。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（5）电子云模型（）电子云模型（1935）现代物质结构学说认为：现代物质结构学说认为：设想核的位置固定，而电子并不是沿固定的
7、轨道设想核的位置固定，而电子并不是沿固定的轨道运动，由于不确定关系，也不可能同时测定电子的位置和速度。但我们可运动，由于不确定关系，也不可能同时测定电子的位置和速度。但我们可以用统计的方法来判断电子在核外空间某一区域出现的机会以用统计的方法来判断电子在核外空间某一区域出现的机会(概率概率)是多少。是多少。设想有一个高速照相机能摄取电子在某一瞬间的位置。然后在不同瞬间拍设想有一个高速照相机能摄取电子在某一瞬间的位置。然后在不同瞬间拍摄成千上万张照片，若分别观察每一张照片，则它们的位置各不相同，似摄成千上万张照片，若分别观察每一张照片，则它们的位置各不相同，似无规律可言，但如果把所有的照片叠合在一
8、起看，就明显地发现电子的运无规律可言，但如果把所有的照片叠合在一起看，就明显地发现电子的运动具有统计规律性，电子经常出现的区域是在核外的一个球形空间。动具有统计规律性，电子经常出现的区域是在核外的一个球形空间。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页4、核外电子的特性和表征、核外电子的特性和表征特特性性波粒二象性波粒二象性测不准及几率分布测不准及几率分布表表征征四个量子数四个量子数 n，l，m，msPauli 不相容不相容能量最低能量最低高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页
9、5、元素周期律（1）核外电子排布周期性（2）原子半径周期性（3）元素化合价周期性（4）元素电负性周期性高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（1）核外电子排布高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页原子的最外层电子排布高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页原子序数 电子层数 最外层电子数 达到稳定结构时的最外层电子数 12 310 1118 结论：随着原子序数的递增，元素原子的最外层电子排布呈现周期性变化。123121818882原子的最外层电子排布高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末
10、页（2）原子半径高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页原子序数 原子半径的变化 310 1117 结论：随着原子序数的递增，元素原子半径呈现周期性变化。逐渐减小逐渐减小高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（3）元素化合价高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页原子序数 化合价的变化 12 310 1118 结论：随着原子序数的递增，元素化合价呈现周期性变化。1015410高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（4）元素
11、电负性周期性结论：随着原子序数的递增，元素化合价呈现周期性变化。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页元素的性质随着元素原子序数的递增而呈周期性的变化。这个规律叫做元素周期律。元素性质的周期性变化是元素原子的核外元素性质的周期性变化是元素原子的核外电子排布的周期性变化的必然结果。电子排布的周期性变化的必然结果。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页第二节第二节 分子结构和分子间力、氢键分子结构和分子间力、氢键一、价键理论一、价键理论1 化学键类型化学键类型2 共价键的概念共价键的概念3 共价键的特征共价键的特征4 共价键的键型共价键的键型
12、5.键参数键参数二、分子间力二、分子间力三、氢键三、氢键高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页一、价键理论一、价键理论1、化学键类型、化学键类型化化学学键键共价键共价键金属键金属键极极 性性 键键非极性键非极性键离子键离子键高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页2 共价键的概念共价键的概念 Lewis G.N.在在19161916年假定化学键所涉及的每一对电子处于两个年假定化学键所涉及的每一对电子处于两个相邻原子之间为其共享，用相邻原子之间为其共享，用A AB B表示表示.双键和叁键相应于两对或三对双键和叁键相应于两对或三对共享电子共享电
13、子.自旋方向相反的未成对电子互相配对可以形成共价键自旋方向相反的未成对电子互相配对可以形成共价键高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页3 共价键的特征共价键的特征 具有饱和性具有饱和性（是指每种元素的原子能提供用于形成共价键（是指每种元素的原子能提供用于形成共价键 的轨道数是一定的）的轨道数是一定的）结合力的结合力的本质是电性的本质是电性的 具有方向性具有方向性（是因为每种（是因为每种 元素的原子能提供用于形成元素的原子能提供用于形成 共价键的轨道是具有一定的共价键的轨道是具有一定的 方向）方向）H Cl例如例如：H O HN N高分子材料高分子材料首页首页 上一页
14、上一页 下一页下一页 末页末页键：重叠轨道的电子云密度沿键轴方向的投影为圆形，表明键：重叠轨道的电子云密度沿键轴方向的投影为圆形，表明 电子云密度饶键轴（原子核之间的连线）对称电子云密度饶键轴（原子核之间的连线）对称.形象的形象的 称为称为“头碰头头碰头”.键：重叠轨道的电子云密度饶键键：重叠轨道的电子云密度饶键 轴不完全对称轴不完全对称.形象的称为形象的称为 “肩并肩肩并肩”.4 共价键的键型共价键的键型 由于共价键在形成时各个原子提供的轨道类型不同，所以形成由于共价键在形成时各个原子提供的轨道类型不同，所以形成的共价键的键型也有不同的共价键的键型也有不同.例如：有例如：有 键，键，键和键和
15、 键等键等.本章本章只要求熟知前两种只要求熟知前两种.高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页5.键参数键参数（1）键能）键能E 以能量标志化学键强弱的物理量称键能以能量标志化学键强弱的物理量称键能(bond energy)。（2）键长）键长l 分子中两原子核间的平均距离称为键长分子中两原子核间的平均距离称为键长(bond length)。（3）键角）键角 分子中键与键之间的夹角称为键角分子中键与键之间的夹角称为键角(bond angle)。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页 产生偶极的分子为极性分子产生偶极的分子为极性分子;不产生偶极
16、的分子为非极性分子。不产生偶极的分子为非极性分子。偶极矩是表示分子电荷颁布情况的一个物理量。偶极矩是表示分子电荷颁布情况的一个物理量。1 分子的极性和偶极矩分子的极性和偶极矩 二、二、分子间作用力分子间作用力=q=q d d 偶极矩单位：偶极矩单位：C m(m(库库米米)，具体方向性，具体方向性，偶矩极是否为零表明分子几何构型是否对称偶矩极是否为零表明分子几何构型是否对称高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页2 2 分子间作用力（分子间作用力（1 1）取向力取向力 这是指极性分子和极性这是指极性分子和极性分子之间的作用力。极性分子之间的作用力。极性分子是一种偶极子，
17、它们分子是一种偶极子，它们具有正负具有正负 两极。当两个极两极。当两个极性分子相互靠近时，同极性分子相互靠近时，同极排斥，异极相吸，使分子排斥，异极相吸，使分子按一定的取向排列按一定的取向排列,如图如图。从而使化合物处于一种比从而使化合物处于一种比较稳定的状态。这种固有较稳定的状态。这种固有偶极子之间的静电引力叫偶极子之间的静电引力叫做取向力（又称定向力或做取向力（又称定向力或偶极力）。偶极力）。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页（2 2）诱导力）诱导力 这是发生在极性分子这是发生在极性分子和非极性分子之间以及极和非极性分子之间以及极性分子和极性分子之间的性分子
18、和极性分子之间的作用力。当极性分子与非作用力。当极性分子与非极性分子相遇时，极性分极性分子相遇时，极性分子的固有偶极所产生的电子的固有偶极所产生的电场，使非极性分子电子云场，使非极性分子电子云变形（即电子云偏向极性变形（即电子云偏向极性分子偶极的正极），结果分子偶极的正极），结果使非极性分子正、负电荷使非极性分子正、负电荷重心不再重合，从而形成重心不再重合，从而形成诱导偶极子，如图。诱导偶极子，如图。高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页(3)色散力色散力 指指分子的瞬间偶极与瞬间诱导偶极之间的作用力，也叫伦敦分子的瞬间偶极与瞬间诱导偶极之间的作用力，也叫伦敦力力(
19、London force).).通常情况下非极性分子的正电荷重心与负电荷重心重合，但原通常情况下非极性分子的正电荷重心与负电荷重心重合，但原子核和电子的运动可导致电荷重心瞬间分离，从而产生瞬间偶极子核和电子的运动可导致电荷重心瞬间分离，从而产生瞬间偶极.瞬间偶极又使邻近的另一非极性分子产生瞬间诱导偶极，不难想像瞬间偶极又使邻近的另一非极性分子产生瞬间诱导偶极，不难想像，两种偶极处于异极相邻状态，两种偶极处于异极相邻状态.(a)(a)(b)(b)高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页 永远存在于分子或原子间永远存在于分子或原子间 吸引力，作用能比化学键小吸引力，作用能
20、比化学键小12个数量级个数量级 没有方向性和饱和性没有方向性和饱和性 作用范围只有几个作用范围只有几个pm 三种力中主要是色散力三种力中主要是色散力3 范德华力的本质范德华力的本质极极极：取向力、诱导力、色散力极：取向力、诱导力、色散力极极非极：诱导力、色散力非极：诱导力、色散力非极非极非极：色散力非极：色散力高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页 这种方向与富电这种方向与富电子氢化物中孤对电子子氢化物中孤对电子占据的轨道在空间的占据的轨道在空间的伸展方向有关伸展方向有关.氢键的结构特点氢键的结构特点 现代结构研究证明，大现代结构研究证明，大部分物质氢键中的部分物质
21、氢键中的 角并不角并不是是180Represent of hydrogen bond HXYRrd三、氢键三、氢键高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页氢键的本质氢键的本质v化合物中存在化合物中存在“H”、还必须存在具有孤对电子的元素、还必须存在具有孤对电子的元素v大部分带有大部分带有“H”的化合物都具有氢键作用，只不过氢的化合物都具有氢键作用，只不过氢键键 作用力很小，如果另一元素的电负性较小，氢键几乎可作用力很小，如果另一元素的电负性较小，氢键几乎可 以忽略不计。以忽略不计。v大部分的有机化合物分子之间都存在氢键作用。大部分的有机化合物分子之间都存在氢键作用。高
22、分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页 有非对称和对称之分有非对称和对称之分 有强弱之分（与元素的电负性有关）有强弱之分（与元素的电负性有关）有分子内和分子间之分有分子内和分子间之分 氢键的类型氢键的类型 氢键对化合物性质的影响氢键对化合物性质的影响 m.p.，b.p.粘度粘度 酸性酸性 化学反应性化学反应性Na+O-CCO Na+OH OO H O氢键氢键高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页REVIEWREVIEW原子结构和元素周期律原子结构和元素周期律一、原子组成：电子、质子、中子一、原子组成：电子、质子、中子 原子序数原子序数=核电
23、荷数核电荷数=核内质子数核内质子数=核外电子数核外电子数 质量数质量数=质子数质子数+中子数中子数二、原子核外电子的运动状态二、原子核外电子的运动状态 1.1.原子模型的发展原子模型的发展电子云模型电子云模型 2.2.核外电子的运动状态核外电子的运动状态(排布情况排布情况)(1)(1)电子层电子层(n)(n)表示的是电子离核的距离表示的是电子离核的距离 (2)(2)电子亚层和电子云形状电子亚层和电子云形状(l=0(l=0，1 1n-1)n-1)表示的是电子层再被细分为一个或者几个不同的分层表示的是电子层再被细分为一个或者几个不同的分层 (3)(3)电子云的伸展方向电子云的伸展方向(m)(m)不
24、同亚层有不同的伸展方向，不同亚层有不同的伸展方向，s(1s(1种种)；p(3p(3种种)；d(5d(5种种)(4)(4)自旋方向自旋方向(m(ms s)只有两种，只有两种，1/21/2高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页 3.3.原子核外排布的原理原子核外排布的原理 (1)pauli(1)pauli 不相容原理不相容原理 (2)(2)能量最低原理能量最低原理 (3)Hunt(3)Hunt 原理原理三、元素周期律三、元素周期律 1.1.原子半径周期律原子半径周期律 2.2.电离能周期律电离能周期律 3.3.电子亲和能周期律电子亲和能周期律 4.4.电负性周期律电负性
25、周期律 高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页化学键化学键一、化学键的种类一、化学键的种类离子键、共价键和金属键离子键、共价键和金属键二、共价键的特性二、共价键的特性1.1.饱和性饱和性2.2.方向性方向性三、共价键的类型三、共价键的类型1.1.键键 2.2.键键四、共价键的参数四、共价键的参数1.1.键能键能E E2.2.键长键长l l3.3.键角键角高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页五、杂化轨道理论五、杂化轨道理论杂化轨道理论的基本要点：杂化轨道理论的基本要点：(1)(1)同一原子中能量相近的原子轨道之间可以通过叠加混杂，同一原子
26、中能量相近的原子轨道之间可以通过叠加混杂，形成成键能力更强的新轨道，即为杂化轨道。形成成键能力更强的新轨道，即为杂化轨道。(2)(2)原子轨道杂化时，一般使成对电子激发到空轨道而成单电子，原子轨道杂化时，一般使成对电子激发到空轨道而成单电子，其所需的能量完全由成键时放出的能量予以补偿。其所需的能量完全由成键时放出的能量予以补偿。(3)(3)一定数目的原子轨道杂化后可得数目相同、能量相等的各杂化轨道。一定数目的原子轨道杂化后可得数目相同、能量相等的各杂化轨道。2.2.杂化轨道的类型杂化轨道的类型(1)(1)spsp杂化杂化(2)(2)SpSp2 2杂化杂化(3)(3)SpSp3 3杂化杂化高分子
27、材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页分子间作用力和氢键分子间作用力和氢键一、分子间作用力一、分子间作用力范德华力范德华力极性分子极性分子极性分子极性分子极性分子极性分子非极性分子非极性分子非极性分子非极性分子非极性分子非极性分子二、氢键二、氢键本质本质有有H H和带孤对电子的电负电性大的原子和带孤对电子的电负电性大的原子有分子内与分子间之分，有强弱之分，有方向性和饱和性有分子内与分子间之分，有强弱之分，有方向性和饱和性一般来说：化学键氢键一般来说：化学键氢键 范德华力范德华力高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页一、晶体结构的特征与晶格理论一
28、、晶体结构的特征与晶格理论 1.晶体结构的特征晶体结构的特征 2.晶体类别晶体类别 二、离子晶体二、离子晶体 三、分子晶体三、分子晶体 四、原子晶体四、原子晶体 五、金属晶体五、金属晶体 第三节第三节 晶体结构晶体结构高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页固体物质按其中原子排列的有序程度不同可分为固体物质按其中原子排列的有序程度不同可分为晶体晶体(crystal)无定形物质无定形物质(amorphous solid)单晶体单晶体(monocrystal)多晶体多晶体(polycrystal)一、晶体结构的特征与晶格理论一、晶体结构的特征与晶格理论 1、晶体的特征晶体
29、的特征高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页2.晶格类别晶格类别七个晶系七个晶系 十四种晶格十四种晶格 简单立方、体简单立方、体 心立方、面心立方、正交、体心正交、底心正交、面心正交心立方、面心立方、正交、体心正交、底心正交、面心正交四方、体心四方、单斜、底心单斜、三方、六方、三斜四方、体心四方、单斜、底心单斜、三方、六方、三斜高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页二、离子晶体二、离子晶体定义：占据晶体质点的是离子。特点：离子晶体一般硬度较高，密度较大，难于压缩，难于挥发，有较高的熔点、沸点。常见离子晶体：常见离子晶体：NaClNaCl、
30、ZnSZnS等等(备注：大部分化学键为离子键的晶体备注：大部分化学键为离子键的晶体)高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页三、分子晶体 定义：在分子晶体的晶格结点(质点）上排列着分子（极性分子或非极性分子），这些分子通过分子间作用力相结合（在某些极性分子间还存在着氢键）。特点：由于分子间力比化学键要小得多，因此分子晶体的熔点和硬度都很低，它们不易导电。常见的分子晶体：如固态的常见的分子晶体：如固态的HCl、NH3、N2、CO2（干冰）等都是分子晶体。（干冰）等都是分子晶体。(备注：一般是范德华力存在的晶体。大部分有机化合物）备注：一般是范德华力存在的晶体。大部分有机
31、化合物）高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页四、原子晶体 在原子晶体中的晶格结点上排列着一个个中性原子，原子间是以强大的共价键相结合，组成一个由“无限”数目的原子构成的大分子，整个晶体就是一个巨大的分子。特点：这类晶体的熔点极高，硬度极大，不导电。常见的原子晶体：如常见的原子晶体：如C CSi Si 石英石英(SiO(SiO2 2)等。等。(备注：化学键为共价键的化合物或者非金属单质。）备注：化学键为共价键的化合物或者非金属单质。）高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页五、金属晶体 定义：晶格结点上排列金属原子-离子时所构成的晶体。金属中的原子-离子按金属键结合，同时也存在离子键和范德华力。特点：因此一般金属晶体有良好的导电性、导热性、延展性和不透光性。常见的金属晶体：各种金属晶体常见的金属晶体：各种金属晶体(备注：化学键为金属键的晶体）备注：化学键为金属键的晶体）高分子材料高分子材料首页首页 上一页上一页 下一页下一页 末页末页起帆远航，与您共勉！起帆远航，与您共勉！
