《工程化学基础》第2章.ppt

1 第二章 物质的化学组成和聚集状态 工程化学基础 2 本章内容提要 物质是由原子、离子、分子等原子的结合态组成 的，根据组成物质的元素的种类的不同，可以将物 质分为无机物和有机物两大类。 原子、分子及其结合态因其所处条件不同，他们 又可分成单质、简单化合物、配合物、高分子化合 物、金属有机化合物等。在一定条件下，他们可以 聚集成固体、液体和气体等宏观状态，表现出不同 的性质、功能和用途。 3 目录 2. 1 物质的化学组成 2. 2 固 体 2. 3 液体和液晶 2. 4 气体和等离子体 4 2. 1 物质的化学组成 学 习 要 求 1联系实例，理解配位化合物、高分子化合物组成中的基本 概念和命名原则，能写出一些常见配合物和高分子的化学式。 2认识物质化学组成的复杂性，了解 C60 等团簇和 Si： H， Fe3C 等非整比化合物、不符合正常化合价规则的物质的存在及 其工程应用。 3认识金属有机化合物，比较 MCC 键和 MOC 键键 能大小，了解其工程应用。 4了解蛋白质、核酸等生物大分子的化学组成，能分别写出 23 种碱基、氨基酸的化学式，理解 DNA、 RNA、蛋白质在遗 传信息传递过程中的作用，了解生物大分子的应用和开发前景。 5联系实例，理解物质的化学组成和结构是决定其性能和应 用的基础。 5 物质 实物 场 无机物 有机物 单质及简单化合物 (氧化物、酸、碱、盐 ) 复杂化合物 (配合物、团簇、超分子 ) 无机高分子 (无机固体材料等 ) 简单化合物 (烃及其衍生物、醇、醛、羧酸、酯等 ) 有机高分子 天然高分子 (糖类、 DNA、蛋白质等 ) 合成高分子 (合成塑料、橡胶、纤维 ) 复杂化合物 (超分子 ) 金属有机 物质的分类 6 配合物是以金属正离子 (或中性原子 )作为中心，有若干个负 离子或中性分子按一定的空间位臵排列在其周围形成的复杂 化合物。处于配合物中心位臵的正离子或中性原子称为 配位 中心 (中心体或形成体 )，也称 中心离子 或 中心原子 。按一定空 间位臵排列在配位中心周围的负离子或中性分子称为 配位体 ， 简称配体。中心离子和配位体之间靠 配位键 结合。 英语中称做： Coordination Compound，意为“协同化合物” 或 Complex Compound，意为“复杂化合物”。译成“配合 物”或“络合物” 定义 一、 配位化合物 7 Pt (NH3)4 (NO2) Cl CO3 中 心 离 子 内界 (配离子 ) 外 界 K4 Pt Cl6 外 界 内界 (配离子 ) 配 位 体 中 心 离 子 配位原子 配 位 体 概念说明 8 配位化合物的 命名 H2 Zn (OH)2 C12 二氯二羟合锌 ( )酸 Na2 Mg Y 乙二胺四乙酸合镁 ( )酸钠 K4 Pt Cl6 六氯合铂 ( )酸钾 K2 Hg I4 四碘合汞 ( )酸钾 Co (NH3)3 (H2O) C12 Cl 氯化二氯 一水 三氨合钴 ( ) Cu (NH3)2 (CH3COO) Cl 氯化乙酸根 二氨合铜 ( ) Cu (en)2 SO4 硫酸二乙二胺合铜 ( ) Co2 (CO)8 八羰合二钴 (0) Cr (C6H6)2 二苯合铬 (0) 9 C u 2 + H 2 N H 2 N N H 2 N H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C a O N C H 2 C O O O N O C O C H 2 C H 2 C H 2 C O C H 2 C H 2 C O 2 - CaY2 配离子 多齿配体与螯合物 复杂多元有机酸根、多元胺等常常含有两个或两个以上的配 位原子，它们作为配位体时称为 多 齿配体 。多齿配体与中心离 子形成具有环状结构的配合物又称 螯合物 ，螯合物的稳定性很 强。 10 反式 -二氯 二氨合铂 ( ) P t H 3 N C l C l N H 3 P t N H 3C l C l N H 3 顺式 -二氯 二氨合铂 ( ) 例如 具有抗癌活性 无活性。 配合物的结构与性能 螯合物的稳定性很强是因为 螯合效应 的结果。即多 齿配体与中心离子形成了环状结构 。结构对配合物的 性质有很大影响。具有相同化学组成的配合物往往有 不同的空间结构，并表现出不同的性能。 11 团簇是指由几个至上千个原子、分子或其结合态粒子 聚集而形成的相对稳定的介观聚集体。它的研究在 20世 纪 80年代后迅速发展。团簇的空间尺度在纳米 (109 m) 量级左右。有金属簇，如 Lin， Cun， Hgn；非金属簇， 如 Cn， Nn， Arn；分子簇，如 (H2O)n， (NaCl)n 等。团簇 的结构、性能与所含原子、分子或其结合态粒子数密切 相关，它的物理和化学性质不同于单个原子或分子，也 不同于常规的固体和液体。例如，常规 Fe、 Co、 Ni 等 是铁磁性的，但它们的团簇可以是超顺磁性的；常规顺 磁性的 Na、 K 等的团簇却是铁磁性的。团簇是许多纳 米材料的基础。 二、团簇 12 图 2-2 金刚石、石墨、 C60 的结构示意图 (c) C60 黄色为双键 红色为单键 在大量的团簇中，研究最多的是碳团簇， 原子数为 20， 24， 28， 32， 36， 50， 60， 70， 84， 120 的稳定性较高，其中 C60 的 丰度最高， C70 次之。 C60 是 1985年发现的。 以 C60 作为结构基元而形成的 C60 固体是除 石墨、金刚石外，碳的又一种同素异形体。 (a) 金刚石 (b) 石墨 碳团簇 13 球碳团簇及其衍生物在超导电性、半导体、非线性光学等方 面具有奇异性能， K3C60、 Rb3C60、 Rb2CsC60 、 Rb2. 7Tl2. 2C60 和 RbTl2C60 的超导转变温度分别为 18 K、 30 K、 31. 3 K、 45 K 和 48 K。球碳团簇在高新技术领域具有广阔的应用前景，美 国化学家 Smalley R. E.， Curl R. F. 和英国化学家 Kroto H. W. 因对开拓这个新领域的贡献荣获 1996年诺贝尔化学奖。 CsC60 H. W. 克鲁托 Harold W. Kroto R. E. 史沫莱 Richard E. Smalley R. F. 柯尔 Robert F. Curl 图 2. 发现 C60的三位科学家 14 碳纳米管 除球形的 C60 等碳团簇外，还有 1991年发现的碳纳米管（如图 2-3）， 也称“ 布基管 ”，以及结构类似洋葱 的“ 布基葱 ”。碳纳米管是一种由单 层或多层石墨卷成的纳米微管，多层 碳管各层之间的间隔为石墨的层间距。 碳管两头可以是空的，也可被半个 C60或更大的球碳所封闭。 外部直径 只有几到几十纳米。这样的材料很轻， 但很结实。它的密度是钢的 1/6，而 强度却是钢的 100 倍。用这样轻而柔 软、又非常结实的材料做防弹背心是 最好不过的了。如果用碳纳米管做绳 索，是唯一可以从月球挂到地球表面， 而不被自身重量所拉断的绳索。 中国科学院纳米科技网 图 2-3 碳纳米管的结构示意图 15 碳纳米管可以是不同禁带宽度的半导体，也可以是 准一维导体。碳纳米管可以用于未来电子工业制造电 子器件和超薄导线，使电子芯片集成度更高，体积更 小。 纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可 做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发 展方向。 碳纳米管潜在的应用前景 16 固体中含有多种原子，其结合态的组成和结构十分 复杂，如： 将其组成约简后，其原子数目不成整数比，这类 化合物称为 非整比化合物 。 金属间化合物 ，SnNb 3 ZnCu 5 碳化物 Fe3C， Mn7C3 氮化物 Fe2N， Fe4N 等， 其中各元素均 不符合正常化合价规则 。 又如： LaH2. 76， Fe1x O， Sn1+xO2， PbO1. 88 等物质 三、非整比化合物 17 其中有阳离子过剩（或阴离子短缺）的化合物， 如 Zn1+x O， NaCl1x； 以及由混杂缺陷产生的非整比化合物，如 Na12xCaxCl， Ca1xYx F2+x， Zr1x Ca xO2x， Lix Si1x AlO2 等。 然而它们是稳定存在的物质，在常温下多为固体。 究其原因是 晶体中存在着缺陷 。 也有阳离子短缺（或阴离子过剩）的化合物， 如 Cd1xS， UO2+x； 18 非整比化合物等在材料中十分重要，可以控制或改善无 机固体材料的光、电、声、磁、热、力学等性质。 GaAs1x Px是制发光二极管的材料，它可以发出从红光到绿光 的各种颜色的光； 彩色电视发光材料用的红粉、绿粉和蓝粉的其组成也是非整 比化合物。 Y2O2S： Eu3+， Y2O2S： Tb3+， (Ca， Sr)10(PO4)6C12： Eu3+ 黑漆”古铜镜耐磨是因为其表面形成了一层非整比化合物： Sn1-xCuxO2 例如： 碳化物、氮化物 在钢材中能有效地提高钢材的硬度； 19 根据不同的显示器件对显示技术 的要求，科润光电推出了阴极射线 与投影管（ CRT）发光材料、半导 体二极管（ LED）发光材料、场发 射（ FED）发光材料、低压荧光屏 （ VFD）发光材料、等离子体 （ PDP）发光材料、 X射线发光材料 等显示器件发光材料，并适应背投 电视蓬勃发展的市场状况，建设了 红、蓝、绿投影管专用发光材料生 产线。 上述各类材料体系可根据用户不 同用途及要求选择合成，发光颜色 主体为红、蓝、绿等过渡色。 上海科润光电材料有限公司 Phosphors for Display 显示器件发光材料 20 非晶氢化硅 Si H 是信息、电子工业中经常用到的半导体材 料，其中 表示非晶态， Si 表示硅，“ ”表示掺人和掺入的量 不确定， H 表示氢。 (Co0. 90 Fe0. 06 Ni0. 02 Nb0. 02 )78 Si22x Bx 是用于录音磁头的一类合 金的组成； (GdCo， GdFe) 是用于计算机储存元件的一种非晶态材料； Yn Ba2 Cum O7 8： La1n Lim3 是性能很好的高温超导体； Ba0. 88 Pb0. 88 Ca0. 04 TiO3 陶瓷广泛用于超声加工声纳、水听器等； Pb1x Lax (Zry Ti1y )1x/4 O3 是压电陶瓷； Ti50 Ni 是钛镍形状记忆合金； 21 非整比化合物（不定组成）与整比化合物 (定组成 ) （水，二氧化碳等）是一对矛盾，他们代表着 物质形 成的两种方式 ，各自发挥着自己的作用。 22 由金属原子和有机基团中碳原子键合而成，含金 属 碳键（ MC）的化合物称金属有机化合物，如 (C2H5)2 Zn、 C6H5Ti(OC3H7)3、 (C2H5)4Pb、 RMgX（ R 为烷基， X为卤素）。 金属有机化合物大体分三类： (1)离子型化合物 (2)键化合物 (3)非经典键化合物 如： Cr (C6H6)2、 Fe (C5H5)2（二茂铁）、 K+ (Pd Cl3CH2=CH2)； 四、金属有机化合物 23 (1)离子型化合物 。碱金属和碱土金属所形成的烃基化合物多为 离子型，其通式为 RM， R2M，具有离子化合物的典型特征， 可以看作烃 R-H 的盐类。它们一般不溶于烃类溶剂，具有异乎 寻常的反应活性，对空气敏感，遇水剧烈水解。 (2)键化合物。第 IIIAVIIA 族和第 IB、 IIB 族元素与有机基团 主要以 共价键结合形成化合物，如 R2Hg， (C2H5)4Pb， (CH3)3SnCl 等。具有挥发性，对空气稳定，一般溶于非极性溶 剂。 (3)非经典键化合物。包括由过渡元素与不饱和基团通过金属轨 道和 电子之间相互作用而生成的 配合物，如 Cr(C6H6)2、 Fe(C5H5)2（二茂铁）、 K+(PdCl3CH2=CH2)；过渡元素与羰基 等配合形成同时含 键和 键的金属有机化合物，如羰基金属 M(CO)n。 24 另外，还有多中心键型金属有机化合物，如含桥连烷基的 Al(CH3)2C6H52、 Be(CH3)2n，多核羰基金属 Mx(CO)y 等。 事实上，周期表中除惰性气体以外的绝大多数元素都可以与有 机基团中的碳以各种方式结合，硼、磷、砷和硅等的有机化合 物一般也包括在金属有机化合物范围之内；对过渡金属，可形 成 MO、 MS、 MP 或 MN键，如 Pd(PPh3)4（ Ph指苯 基）、 Al(OC3H7)3 等，也常划为金属有机化合物。所以金属有 机的范围在不断扩大，也说明科学和人的认识都是不断发展的。 25 金属有机化合物是电子、光学、磁性等功能材料、 超纯材料和精细陶瓷等许多工业加工中的重要物质基 础。金属镍粉与 CO 反应得到液态 Ni(CO)4，在稍高温 度下分解便得到纯镍。 N i ( s ) + 4 C O N i ( C O ) 4 ( l )4 3 o C 5 0 o C 金属有机化合物应用实例 26 过渡金属有机化合物中， MC 键不是典型的离子键，键能 一般小于 CC 键，容易在 MC 处断裂。这广泛用于 化学气 相沉积（ Chemical Vapor Deposit， CVD） ，能沉积成高附着性 的金属膜。例如三丁基铝 A1(C4H9)3 和三异丙基苯铬 CrC6H4CH(CH3)23 热分解，分别得到金属铝膜和铬膜。 在金属的烷氧基化合物中，实验证明 CO 键较 MO 键要弱， 因此易在 CO 键处断裂，沉积出金属的氧化物： 2 Al(OC3H7)3 Al2O3 6 C3H6 3 H2O 420 Si(OC2H5)4 SiO2 H2O CH (碳氢化合物 ) 700 化学气相沉积 27 既有无机物的 金属有机化合物的桥梁作用 28 高分子化合物，简称 高分子 ，又称 高聚物 ，它的 相对分子质量高达几千甚至几百万。有无机高分子 和有机高分子之分，这里讨论有机高分子。有机高 分子中有 纤维素、蛋白质、淀粉、木质素 等天然高 分子和有机小分子聚合而成的合成高分子。工程应 用中多为合成高分子。世界上 第一个合成高分子 是 1907年 诞生的 酚醛树脂 。 五、高分子化合物 n H C H O + n O H O H C H 2 n n H 2 O+ 29 例如 ：聚氯乙烯的分子是由许多氯乙烯 加聚 结合而成： 单体 链节 多分散性 ：高分子化合物相对分子质量大小不等的现象 简写 ： C l C H 2 C H n 聚合物 n C H 2 C H C l C H 2 C H C H 2 C l C H C H 2 C l C H C l . . . . . . . . . . . . 聚合 聚合度 加成聚合 与 缩合聚合 30 n H2N(CH2)6NH2 己二酸 己二胺 n HOOC(CH2)4COOH + (2n1) H2O 聚酰胺 66 或尼龙 66 n OH + 又如 ，聚酰胺 66（尼龙 66）由己二胺和己二酸为单 体经过 缩聚 反应制得： H NH(CH2)6NH CO (CH2)4CO 它的聚合度为 2n 聚合度是以链节数来计量的 在聚酰胺化学式中，名称后的第一个数字“ 6指二元 胺的碳原子数，第二个数字“ 6指二元酸的碳原子数。 31 碳链高分子化合物 主链中均是 CC 键 主链中引入了 O， N 等 杂元素，不但有 CC 键， 还有 CO， CN 键， 杂链高分子化合物 主链中仅含有 Si， P， O 等元素而没有 C 原子 元素有机高分子化合物 高分子化合物的分类 32 表 2. 1 一些高分子化合物及其单体 名 称 化 学 式 单 体 聚乙烯 CH2 CH2 聚丙烯 CH3 CH CH2 聚氯乙烯 ClCH CH2 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 CF2 CF2 聚异戊二烯 C H 2 C H 2 n C H C H 2 n C H 3 C H C H 2 n C l C H C H 2 n C F 2 C F 2 n C H 2 C H 2 n C C H C H 3 CH CH2 CH2 CCH CH2 CH3 33 名 称 化 学 式 单 体 聚酰胺 H2N(CH2)6NH2 HOOC(CH2)4COOH 聚甲基丙烯 酸甲酯 聚环氧乙烷 聚丙烯腈 CH2 CHCN N H ( C H 2 ) 6 N H C ( C H 2 ) 4 C O O n O nN H ( C H 2 ) 5 C C H 2 C n C O O C H 3 C H 3 C H 2 C H 2 n O C H C H 2 n C N NH(CH2)5C=O CH2 CCOOCH3 CH3 CH2CH2 O 34 名 称 化 学 式 单 体 聚丙烯酰胺 聚对苯二甲酸 乙二 (醇 )酯 HO CH2 CH2OH 酚醛树脂 HCHO ， 聚二甲基 硅氧烷 C H 2 C H 2 n C O H 2 N CC O O C H 2 C H 2 n O O O H C H 2 n S i O n C H 3 C H 3 S i O HO H C H 3 C H 3 OH C O O HCH O O C H 2 C H C N H 2 O 35 名 称 ABS 化学式 单 体 CH2 CHCN， CH2 CHCH CH2， C H C H 2 x C N C H 2 C H 2 y C H C H C H C H 2 z C H C H 2 36 高分子化合物的命名 (4)有时还以高分子化合物的主要用途或最初用途表示命名，属 习惯名称 或 商品名称 ，如乙烯 -丙烯共聚物称乙丙橡胶，聚酰胺 高聚物称尼龙或锦纶。 归纳起来一般有以下几种情况： (1)在单体或组成特征前面加 “聚” (Po1y-)，表示高分子化合物 是通过聚合反应得到的，如聚乙烯、聚酰胺等。 (2)在单体后面加“树脂 ”，曾表示树上流出的脂，多为天然高 分子化合物，现在也将某些合成高分子化合物称作“树脂”， 如酚醛树脂，脲醛树脂，环氧树脂，聚氯乙烯树脂等。 (3)英文缩写 ，如 ABS是以其单体丙烯腈 (Acrylonitrile)、丁二烯 (Butadiene)和苯乙烯 (Styrene)英文名称的第一个字母大写组合来 表示； PE是聚乙烯 (Polyethylene)的英文缩写 37 表 2. 2 一些常见高分子化合物的名称 高分子 材料 化学名称 习惯名称或 商品名称 英文名称 英文 缩写 塑 料 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 丙烯腈 丁二烯 苯乙烯共聚物 聚乙烯，乙纶 聚丙烯，丙纶 聚氯乙烯，氯纶 聚苯乙烯 腈丁苯共聚物 Polyethylene Polypropylene Poly (vinyl chloride) Polystyrene Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer PE PP PVC PS ABS 纤 维 聚对苯二甲酸乙二 (醇 )酯 聚己二酰己二胺 聚丙烯腈 聚乙烯醇缩乙醛 涤纶，的确良 锦纶 66 或尼龙 66 腈纶 维纶 Poly (ethylene terephthalate) Poly (hexamethylene adipamide), Polyacrylonitrile Poly (vinyl acetal) PETP PA PAN PVA 橡 胶 丁二烯 苯乙烯共聚物 顺聚丁二烯 顺聚异戊二烯 乙烯 丙烯共聚物 丁苯橡胶 顺丁橡胶 异戊橡胶 乙丙橡胶 Butadiene-styrene rubber cis-1,4-Polybutadiene rubber cis-1,4-Polyisoprene rubber Ethylene-propylene rubber SBR BR IR EPR 38 构成生命的物质种类很多，有脂、维生素、激素、 血红素、叶绿素等 生物小分子 ，有蛋白质、核酸、糖 类等 生物大分子 。 蛋白质分子是一条或多条多肽链构成的生物大分子， 相对分子质量可从 一万 到 数百万 。多肽链由氨基酸通 过肽键（酰胺键， CONH）共价连接而成，各 种多肽链都有自己特定的氨基酸顺序。 1蛋白质 六、生物大分子 39 图 2-4 L- 和 D- 构型的 - 氨基酸 L- 构型 D- 构型 C H C O O HRH 2 N C H R N H 2H O O C 人体细胞含有 3 000 至 10 000 种以上的蛋白质，人体蛋白质 由 20种氨基酸组成。除脯氨酸外，其它 19 种均是 -碳上有一个 氨基 (NH2) 的有机羧酸（ -氨基酸 ），结构通式为 RCH(NH2)COOH， R 是每种氨基酸的特征基团。最简单的氨基 酸是甘氨酸，其中 R基是一个 H 原子 。按 R 基组成的不同，氨 基酸可分为 脂肪族 、 芳香族 和 杂环族 三类；按 R 基极性的不同， 氨基酸又可分为非极性 R 基氨基酸和极性 R 基氨基酸。 氨基酸 40 序号 中文名称 英文缩写 R基团的结构 1 甘氨酸 Gly(G) 2 丙氨酸 Ala(A) 3 丝氨酸 Ser(S) 4 半胱氨酸 Cys 5 苏氨酸 * Thr(T) CH(OH)CH3 6 缬氨酸 * Val(V) CH(CH3 )2 7 亮氨酸 * Leu(L) CH2CH(CH3 )2 8 异亮氨酸 * Ile(I) CH(CH3 )CH2CH3 9 蛋氨酸 * Met CH2CH2SCH3 10 赖氨酸 * Lys CH2CH2CH2CH2NH2 N H 2 C O O HC HH H 3 C N H 2 C O O HC H H O C H 2 N H 2 C O O HC H N H 2 C O O HC HH S C H 2 表 2. 3 20 种氨基酸 的名称和结构 41 序号 中文名称 英文缩写 R基团的结构 11 色氨酸 * Trp 12 酪氨酸 Tyr 13 天冬氨酸 Asp 14 天冬酰胺 Asn 15 苯丙氨酸 * Phe(F) 16 精氨酸 * Arg 17 谷氨酸 Glu 18 谷氨酰胺 Gln 19 组氨酸 * His 20 脯氨酸 PrO(P) C H 2 C H 2 C H 2 C O O H C H 2 C O O H C H 2 C O N H 2 C H 2 NH C H 2 O H C H 2 C H 2 C H 2 N H C N H N H 2 C H 2 C H 2 C O N H 2 N N H C H 2 NH H C O O H 续表 表中带 *者为人体必需氨基酸 42 除甘氨酸外，其余 19 种氨基酸的 - 碳原子都与 4 个不相同 的基团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布： 这两种不同的排布化合物不能重叠，它们之间的关系 就象实物和镜像、左手和右手的关系： C H H 2 N H O O C R C C O O H N H 2 H R 手性分子 43 生物界 1010 1012 数量级的蛋白质种类中，有些完全 由氨基酸组成，这是 简单蛋白质 ；有些除蛋白质外，还 有被称为辅基或配基的非蛋白质成分，这是 结合蛋白质 。 44 蛋白质的空间结构 蛋白质的 空间结构 又叫蛋白质的 构象 、 高级结构 、 立体结构 、 三维结构 等，指的是蛋白质分子中所有 原子在三维空间中的排布。 维持蛋白质分子构象的化学键有：氢键、盐键、 疏水键、 Van der Waals 力和二硫键。 蛋白质的空间结构主要包括蛋白质的二级结构、 三级结构和四级结构。 45 在 -螺 旋 结构中， 多肽链中各肽 键平面通过 - 碳原子的旋转， 围绕中心轴形成 一种紧密螺旋盘 曲构象。绝大多 数蛋白质分子中 所存在的 - 螺旋几乎都 是右手螺 旋。 46 -螺旋的四种表示方法 47 蛋白质的三级结构 纤维状蛋白质 一般只有一类二级结构构象单元，而 球 状蛋白质 可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。 蛋白质的 三级结构 （ tertiary structuer）是指 蛋白质（主要指球状蛋白） 分子在二级结构的基础上 进一步卷曲、折叠而构成 的一种不规则的、特定的、 更复杂的空间结构。 无规卷曲 -螺旋 -折迭 -转角 48 2核酸 核酸 因首先发现于细胞核并且具有酸性而得名。核酸是信息 分子，担负着遗传信息的储存、传递及功能表达。核酸分为 脱 氧核糖核酸 (DNA)和 核糖核酸 (RNA)两类。 DNA主要集中在细 胞核内， RNA主要分布在细胞质中。它们由 磷酸 、 脱氧核糖 或 核糖 、 有机碱 组成，如 表 2. 4所示 。 A， G， C， T， U分别为腺 嘌呤（ Adenine），鸟嘌呤（ Guanine），胞嘧啶（ Cytosine）， 胸腺嘧啶（ Thymine）和尿嘧啶（ Uracil）的英文第一个字母。 DNA 和 RNA 之间主要是戊醛糖和嘧啶碱有区别。 49 核酸 组成 DNA RNA 酸 H3PO4 H3PO4 戊醛糖 含 氮 有 机 碱 嘌 呤 碱 嘧 啶 碱 N N N N O H 2 N N N N N N H 2 H H H 腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G) 腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G) N N N N O H 2 N N N N N N H 2 H H H CH 3 H H H N N O O N N N H 2 O N N N H 2 O N N O OH H H 胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶 (T) 胞嘧啶 (C) 尿嘧啶 (U) O OH OH HOH 2C -D-2-脱氧核糖 HOH2C O OH OH OH -D-核糖 DNA和 RNA的组成单元 50 在 DNA 分子中存在 4 种 脱氧核糖核苷 ，其结构如下 ： HN N N N N H 2 N N N N O H 2 N O O H HOH 2 CHOH 2 C O O H O O H HOH 2 C O O H HOH 2 C CH 3H N N O O N N N H 2 O (脱氧胞苷 ) (脱氧胸苷 ) (脱氧腺苷 ) (脱氧鸟苷 ) 胞嘧啶脱氧核苷 胸腺嘧啶脱氧核苷 腺嘌呤脱氧核苷 鸟嘌呤脱氧核苷 51 蛋白质 逆转录 (酶 ) 转录 (酶 ) RNA (酶 ) 复制 DNA (酶 ) 复制 翻译 (酶 ) 图 2-6 中心法则” 示意图 核酸是遗传信息的携带者与传递者。生物体的遗传信息以特 定的核苷酸排列顺序，似密码的形式排列在 DNA 分子上，并通 过 DNA 的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中， 遗传信息自 DNA 转录给 RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以 执行各种生命功能。这就是所谓的遗传信息传递的中心法则， 中心法则 52 基因 是一个特定的 DNA 片段，通常有 1 000 5 000 个碱基对，一个 DNA 分子可以含有多达上万个基因， 人体的 46条染色体大约含 100万个基因。人类基因组 计划的核心就是要测定人类基因组的全部 DNA 序列， 从而获得人类全面认识自我的最重要的生物信息。 基因 53 基因芯片的检测速度之所以这 么快，主要是因为基因芯片上有 成千上万个微凝胶，可进行并行 检测；同时，由于微凝胶是三维 立体的，它相当于提供了一个三 维检测平台，能固定住蛋白质和 DNA 并进行分析。 内嵌基因芯片的 基因检测装臵 基因芯片，又称 DNA 芯片，与计算机芯片非常相似，只是高 度集成的不是半导体管，而是成千上万的网格状密集排列的基 因探针。每个基因探针包含着由若干个核苷酸组成的 DNA 片段。 目前已经可以在一枚邮票大小的基因芯片上布满 40 100 万种 基因探针，根据碱基互补配对原则捕捉相应的 DNA，从而对遗 传物质进行分子检测。这是一种革命性的新方法、新工具。 基因芯片 54 基因工程 从狭义上理解就是指 DNA 重组技术，即提取或合 成不同生物的遗传物质 (DNA)，在体外切割、拼接和重新组合， 然后通过载体将重组的 DNA分子引入受体细胞，使重组 DNA 在受体细胞中得以复制与表达。 基因工程的直接目的 就是改造生物。 例如 ，作为人类主要食物的谷类作物含有大量糖类，而人体 所必需的蛋白质、氨基酸与维生素的含量却很少。有些微生物 可以产生这些物质，用大规模发酵的方法培养微生物，进而提 取这些物质，就可以进行工业化生产。 采用 DNA 重组及细胞融合等技术改造了苏氨酸、色氨酸、 赖氨酸等氨基酸的生产菌，与原始菌株相比，氨基酸的含量提 高了几十倍，且生产成本下降。 基因工程 55 3糖类 糖类 是自然界中分布最广的一大类有机化合物，主要由 C， H 和 O 三种元素组成，大多具有通式 Cn(H2O)n，故又称碳水化合 物。从化学结构上看，糖类物质是含多羟基的醛或酮及其衍生 物。这类物质是生物体基本营养物质的重要成分。糖类物质由 植物光合作用合成， n H2O + n CO2 Cn(H2O)n + n O2 光 叶绿素 糖类通过生物氧化为自身提供能量，以满足生命活动的能量 需要。如葡萄糖的氧化反应： C6H12O6 6 O2 6 H 2O 6 CO2 56 糖类常分三类： (1)单糖 (2)低聚糖或寡糖 (3)多糖， 糖的分类 由于纤维素、淀粉等碳水化合物彻底水解后都生成 葡萄糖，所以把葡萄糖看做是这些天然高分子化合物 的单体，并把葡萄糖、果糖等不再水解的较简单化合 物称做单糖。依此类推，可将碳水化合物分成三类： 57 (1)单糖 H CHO OH OHH OHH OHH CH 2OH H O C H O H O HH O HH O HH C H 2 O H H C H O O H HH O O HH O HH C H 2O H H O C H O H HH O O HH O HH C H 2O H H C H O O H O HH HH O O HH C H 2O H H O C H O H O HH HH O O HH C H 2O H H O C H O H HH O HH O O HH C H 2O H H C H O O H HH O HH O O HH C H 2O H D-己 醛糖 的构型 阿苏糖 阿卓糖 葡萄糖 甘露糖 古罗糖 艾杜糖 半乳糖 塔罗糖 58 果糖单体 葡萄糖单体 (2)低聚糖或寡糖 O H H O H H O H O O HH H C H 2 O H H H O H H O H O C H 2 O H C H 2 O H 蔗糖 (双糖 ) C H 2 O H O HH O O HH O HH C H 2 O H 果糖单体 Fischer Proiection 能水解成 2 10 个单糖。蔗糖、乳糖和麦芽糖都是二糖。 59 淀粉 是麦芽糖的高聚体，彻底水解后得到葡萄糖。淀粉是 植物体中储存的养分，主要存在于种子和块茎中，是食物的重 要组成部分。大米中含有淀粉 62 86%，麦子中含 57 75%， 玉米中含 65 72%，马铃薯中含 12 14%。淀粉遇水可水解 成为糊精的混合物。糊精可用作食品添加剂、胶水、浆糊，并 用于药品、纸张和纺织品的制造等。淀粉等加以改性可代替合 成高分子，制成不污染环境的可降解塑料制品。 (3)多糖 能水解成 10个以上的单糖。如植物体内的淀粉、纤维素，动 物体内的糖原、甲壳素等。多糖广泛存在于自然界，是一类聚 合度不同的天然高分子化合物。多糖没有甜味，一般不溶于水。 与生物体关系最密切的多糖是淀粉、糖原和纤维素。 60 糖原 又称动物淀粉，是动物的能量储存库。糖原呈无定型无 色粉末，较易溶于热水形成胶体溶液。糖原在动物的肝脏和肌 肉中含量最大。当动物血液中葡萄糖含量较高时，就会结合成 糖原储存于肝脏中，当葡萄糖含量降低时，糖原就分解成葡萄 糖而供给机体能量。 糖原 61 纤维素 是自然界中最丰富的多糖。 棉花中纤维素含量为 97 99%， 木材中为 50%， 亚麻中为 80%， 玉米茎中为 30%。 由于纤维素分子间氢键的作用，使分子链平行排列、紧密结 合，形成纤维束，每一束有 100200条分子链。这些纤维束拧 在一起形成绳状结构，具有良好的机械强度和化学稳定性。纤 维素不仅不溶于水，甚至不溶于强酸或碱。人体中由于缺乏具 有分解纤维素结构所必需的酶，因此纤维素一般不能为人体所 利用，不能成为人类的主要食品。纤维素是植物支撑组织的基 础，是植物细胞壁的主要成分；是制造人造丝、人造棉、玻璃 纸、火棉胶等的主要原料；在制备复合材料中也有较多应用。 纤维素 62 H O O H H H O H O O H H O H H H O H O H O HH H H O H O H H O O H H H O H O H O HH H O H H O O H H H O H H O HH O H H O H O O H H H O H H O HH O O H H H O H H O HH O H O H O H 式 式 淀粉 纤维 63 七，自由基 原子 分子 离子 自由基 64 2. 2 固体 1了解晶体、非晶体概况，联系实际理解各类晶体名称、晶格 结点上粒子及其作用力、熔点、硬度、延展性、导电性的不同。 2了解耐高温、易熔金属实例及应用，理解过渡元素、稀土元 素及碘化物，氮化硼、硅酸盐组成元素间的作用力及应用。 3理解非晶态高分子化合物的三种物理状态及成因，理解玻璃 化温度、粘流化温度的意义及应用，了解 Si： H的应用。 4联系活性炭、分子筛等实例，理解固体吸附剂的表面组成特 点及功用。 5了解固体废弃物的产生、危害和资源化途径。 学 习 要 求 65 固体 是我们把原子及其结合态微粒在一定温度和压 力条件下进行研究的一个系统，即固态系统。习惯上 称系统为体系，故有固体这个术语。固体中的原子及 其结合态粒子在空间的排布，如果长程有序便称为 晶 体 ，如果短程无序就称为 非晶体 。 晶体 非晶体 界晶体（准晶体） 66 晶体 如 图 2-7(a)， 具有较规则的几何外形。若把原 子及其结合态微粒看成几何学上的结点，这些结点按 一定规则排列所组成的几何图形叫作 晶格 或 点阵 ，如 图 2-7(b)。晶体三维点阵中存在一个能够完全代表晶 格特征的最小单元叫作 晶胞 ，如图 2-7(c)表示的是 立 方晶系的一个晶胞。 一、晶体 67 图 2-7 晶格及晶胞 (a) (b) (c) 等径圆球密堆积 晶格或点阵 晶胞 68 十二面体钻石晶体 钻石及其母岩 如果能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体，这个晶体又叫 单 晶体 。如自然界存在的金刚石、人工制备的单晶硅、锗等。 单晶体 69 当地时间 2003 年 10 月 7 日，在伦敦索思比拍卖行，一名 工作人员在展示一颗大 D 色级 的钻石，这枚钻石将会在下月 20 日在日内瓦进行拍卖，预计起拍价会在 500 和 600 万英磅 (800 万 -1 000 万美元 ) 之间 人民网 2003年 10月 08日 天价钻石 70 硅单晶 71 一般的固体材料不能用一个空间点阵图形贯穿，它 们称为 多晶体 。 多晶体 72 1离子晶体 离子晶体 的晶格结点上 交替排列着正、负离子， 靠离子键结合。 NaCl离子 晶体如 图 2-8所示。 离子晶体一般具有较高 的熔点和较大的硬度，较 脆。在熔融状态或在水溶 液中具有优良的导电性， 但在固体状态时离子限制 在晶格的一定位臵上振动， 所以几乎不导电。 Na+ Cl- 图 2-8 NaCl 离子晶体 73 表 2. 5 KF、 NaF和 CaO晶体离子间作用力及其熔点变化规律 物质 KF NaF CaF2 CaO 离子的电荷 +1 1 +1 1 2 2 2 2 离子半径 nm 0. 133 0. 133 0. 097 0. 133 0. 099 0. 132 离子半径之和 nm 0. 266 0. 230 ？ 0. 231 离子间的作用 增大 熔点 860 933 2 164 74 硫酸铜紫外光滤光片 Copper Sulfate UV Filter Nickel Sulfate UV Filter 硫酸镍紫外光滤光片 75 2分子晶体 分子晶体的晶格结点上排列着极性分子或非极性分 子，分子间以范德华力 (分子间力 )或氢键相结合。属 于分子晶体的物质一般为非金属元素组成的共价化合 物，如 SiF4， SiCl4， SiBr4， SiI4， H2O， CO2， I2 等。 CO2 分子晶体 (干冰 )如 图 2-9 所示。对于无氢键的相 同类型分子晶体，分子间力随相对分子质量增大而增 大，熔点、沸点也随之增高。由于分子间力较弱，分 子晶体的硬度较小，熔点一般低于 400 ，并有较大 的挥发性，如碘片、萘等。 76 O = C = O 图 2-9 CO2分子晶体 (干冰 ) 77 C60 的溶液 A students view of the discovery of Buckminsterfullerene (adapted from Jonathan Hares PhD thesis, Sussex University, 1993.) C60 的晶体结构 www.creative-science.org.uk 78 3原子晶体 原子晶体的晶格结点上排列着中性原子，原子间由 共价键结合。由非金属元素组成的共价化合物多为分 子晶体，但有少部分形成原子晶体，如常见的 C (金 刚石，立方型 )， Si， Ge， As， SiC (俗称金刚砂 )， SiO2， B4C， BN (立方型 )， GaAs 等。 79 C C C C C C C C C 图 2-10 金刚石 (C) 的晶体结构 金刚石 蓝色球和红色球都是碳原子，用红色球凸显四个位置特殊的碳原子。 80 4金属晶体 金属晶体 的晶格结点上排列着原子或正离子。原子 或正离子通过自由电子结合，这种结合力是金属键。 金属键的强弱与构成金属晶体原子的原子半径、有效 核电荷、外层电子组态等因素有关。 81 金属晶体堆积方式 A1型密堆积 ABCABC A3型密堆积 ABAB A2型密堆积 ABAB 体心立方 六方 面心立方 82 金属晶体单质多数具有 较高的熔点 和 较大的硬度 ， 通常所说的耐高温金属就是指熔点高于铬的熔点 (1 857 ) 的金属，集中在副族，其中熔点最高的是钨 (3 410 ) 和铼 (3 180 )，它们用作测高温的热电偶材 料。 金属材料重要的物理性质 与离子晶体、分子晶体和原子晶体相比，金属晶体 具有良好的 导电、导热性 ，尤其是第 IB 族的 Cu， Ag， Au。金属晶体还有良好的 延展性 等机械加工性能，有 金属光泽 、 对光不透明 等特性。纯金属及其合金构成 的金属材料是最重要的结构材料之一。 83 5过渡型晶体 将晶体分成上述四个基本类型，给研究和使用带来 很多方便，但仅仅是简单的概括。更多晶体的晶格结 点粒子间作用发生了变异，很难划定为上述任一典型 晶体，而属于过渡型晶体。 例如 ，利用二碘化钨 (W I2) 熔点低，易挥发的特性， 在灯管中加入少量 I2 可制得碘钨灯。当钨丝受热， 温度维持 250 650 时， W 升华到灯管壁与 I2 生 成 W I2； W I2 在整个灯管内扩散，碰到高温钨灯丝 便重新分解，并把钨留在灯丝上；这样循环不息，可 以大大提高灯的发光效率和寿命。 84 6混合键型晶体 实际晶体中还有晶格粒子间同时存在几种作用力的 混合键型晶体。例如，层状结构的石墨、二硫化钼、 氮化硼等属于混合键型晶体。如 图 2-11所示，石墨晶 体中同层粒子间以共价键结合，平面结构的层与层之 间则以分子间力结合。由于层间的结合力较弱，容易 滑动，所以常被用作滑润油和滑润脂的添加剂，以胶 粒的形式分散在油或脂中。六方型氮化硼（熔点 2 983 ），又称 白色石墨 ，比石墨更能耐高温，化学 性质更稳定，可用来制作熔化金属用的容器、耐高温 实验仪器及耐高温固体润滑剂。 85 图 2-11 石墨的层状结构 氧原子 硅原子 SiO 44 四面体 图 2-12 硅酸盐结构示意图 86 与晶体晶格结点上微 粒长程有序排列不同， 非晶体中微粒呈短程无 序排列。非晶体的熔化， 经历由固态逐渐变软， 最后变为流动熔体的一 个过程，所以无确定的 熔点。在不同温度区间， 呈现出 玻璃态 、 高弹态 和 粘流态 等三种不同的 物理状态。 二、非晶体 非晶态 琥珀 C10H16O，硬度 2. 5 87 非晶体材料的形成途径 (2) 用 液相或气相沉积 制备非晶体薄膜，其结构与相 应液态结构完全不同，可有多种非晶体结构，不存 在玻璃态转变温度。它们在半导体材料中经常用到。 目前广泛应用的非晶体固体有四类：玻璃；非晶态 高分子化合物；非晶态薄膜；非晶态合金 (也称 金属 玻璃 )。 (1) 从液相 急剧冷却 获得玻璃体材料，其结构与相应 液态在转变温度时的结构相同。 通常有两种： 88 粘流态 高弹态 玻璃态 1非晶态高分子化合物 温度 Tg Tf 插短片： 2， 01玻璃态 89 表 2. 6 几种高分子化合物的玻璃化温度、粘流化温度和分解温度 高分子化合物 Tg Tf Td 聚苯乙烯 80 100 有机玻璃 57 68 聚氯乙烯 75 聚乙烯醇 85 聚丙烯腈 100 尼龙 66 48 天然橡胶 73 丁苯橡胶 63 75 氯丁橡胶 40 50 硅橡胶 109 低压聚乙烯 100 130 300 聚苯乙烯 112 146 300 聚碳酸酯 220 230 300 310 尼龙 66 264 270 90 2非晶态薄膜 目前使用的许多半导体器件中都有非晶态薄膜，最 具代表性的是具有极高信息密度的光存贮盘，还有全 息摄影、薄的柔性衬底生长的廉价光电池、激光书写 和复印机上的长寿命感光滚筒以及用于大屏幕显示的 电子电路等。它们使用的半导体物质是 Ge， Si， Si： H， GaAs 等材料。 91 3非晶态合金 非晶态合金是一类新型非晶态材料， 20 世纪 60 年代后才在 制备技术上得到突破。它由液态金属快速凝固而成（冷却速率 为 103 105 K/s）。非晶态合金可以是二元、三元或多元合金， 二元合金中加入适当的其它元素常常能够提高合金的非晶化能 力， 例如 Pd82 Si18 形成临界冷却速率约为 105 K/s，加入 Cu 后 Pd77 Cu6 Si17 约在 102 K/s 冷却速率下就可以形成几毫米粗的非 晶丝。 Pd40 Cu30 Ni10 P20 可以在 0. 1 K/s 的冷却速率下形成厚度 约为 100 mm 的大体积非晶态合金。原子半径小的元素如 Be， P， B， C 及 VIVIII 族过渡金属元素等是大体积非晶态合金的 重要组成部分。非晶态合金在力、电、磁等性能方面优于同类 晶态材料，具有高强度、高韧性、高硬度、高光洁度和抗腐蚀、 抗辐射、抗冲击等特点。 92 4石英光导纤维 值得提及的是石英光导纤维，石英光导纤维也是非 晶体材料，具有优良的导光性。光导纤维利用光脉冲 传输信息，具有传输信号容量大、损耗小、中继站少 等优点，是发展现代通信的关键性材料。 光导纤维除以 SiO2 为主、添加少量 GeO2 等的 石 英氧化物光纤 外， 还有 SiO2CaONa2O， SiO2B2O3Na2O 等 氧化物 光导纤维 以及 ZrF4LaF3BaF4 等 氟化物光导纤维 等。 93 天津电子材料研究所 性能各异的光纤样品 94 固体的表面性质和内部性质是不同的。固体内部粒 子与其周围的粒子之间有较强的吸引力，而且各个方 向受力较均匀；但表面的粒子则不同，表面外没有与 表面内所处情况相同的相邻粒子，因此固体表面层粒 子受力不均匀，有剩余的吸引力，这使固体表面具有 吸附能力。例如，钢铁放在大气中，其表面就会吸附 一层 H2O 和 CO2 等分子。相同质量的固体物质，颗 粒越小，表面积越大，吸附能力也越大。在工业废水、 废气的处理中，常常利用固体表面的吸附性能，选用 吸附能力很强的固体吸附剂来吸附污染物。 三、固体吸附剂 95 固体吸附剂的种类很多，比如活性炭 (AC)、活性炭 纤维 (ACF)等，它们有很多的微孔和巨大的比表面积。 活性炭的 比表面积 有 500 1 500 m2/g，具有很强的 物理吸附 能力。活性炭在活化过程中，能在表面非结 晶部分形成一些含氧官能团，如 羧基 ( COOH)、 羟 基 ( OH)、 羰基 ( CO )。这些基团使它具有 化学吸 附 的能力和良好的 催化活性 ，能加速表面的一些化学 反应，有效地吸附并除去废水、废气中的有害物质。 活性炭纤维是近年发展起来的新型固体吸附剂，比活 性炭有更大的比表面积，常做成毛毡形，可操作性更 好，它在工业溶剂回收、环境保护、医疗卫生等方面 应用效果很好。 活性炭 96 煤质颗粒 活性炭 系列产品 97 分子筛 是指人工合成的沸石型不溶性硅铝酸盐，因能筛选大 小不同的分子而得名。其组成通式可表示为 Mx/n(AlO2)x(SiO2)ymH2O，这里 n代表金属离子 M 的电荷数， 金属离子 M 通常是指 Na+， K+， Ca2+ 等； x 是指 A1O2 单元数， y 是指 SiO2 的单元数； m 代表结晶水的分子数； x/n 表示金属 离子 M 的个数。分子筛的骨架一般由 SiO4 和 A1O4 四面体结 构单元所构成，再以不同方式连接成立体的网状骨架。如 图 2- 14 所示。 A型分子筛的结构 分子筛 98 分子筛产品 4A分子筛 是一种碱金属硅铝酸盐，能吸附临界直径不大于 4 的分子。它可吸附 H2O、 NH3、 H2S、 SO2、 CO2、 C2H5OH、 C2H6、 C2H4、 C3H6 等。广泛应用于气体、液体的干燥，也可 用于某些气体或液体的精制或提纯，如氩气的制取。 应用领域 ： 石油化工 、药品包装、电子工业家用冷冻系统 涂 料及塑料系统 例如： 4A分子筛 淄博迅达化工有限公司 99 人类在一系列