第二炮兵工程学院第 三 讲第二炮兵工程学院
1.2固体工程材料 (结构 +功能 )多为固体，往往是发展高技术的 关键,而性能的根本取决于 内部结构,其次才是加工工艺等固体? 晶体 + 非晶体大多数 较少如,NaCl,矿石,云母,石墨,金属等 玻璃,多数高分子材料第二炮兵工程学院晶体图片金刚石 合成陨硫铁 螺旋纳米碳管石墨化碳 天然水晶第二炮兵工程学院晶体,原子、离子、分子等微粒在空间按一定规律周期性的重复排列构成 的固体物 。
单晶 +多晶单晶体,完整的单个结晶。如,糖粒 (冰糖 )、盐粒、单水晶 …
多晶体,多个单晶的结合体。如：糖块、陶瓷、钢铁等一
、
晶体硅酸盐的 X衍射效应图第二炮兵工程学院晶体宏观特性,整齐规则的几何形状各向异性的特征固定的熔点
X射线的衍射效应（ 用 x-射线衍射可测定出粒子的有序排列 ）
∵ λ与间距相当视粒子为点，晶体即为一点阵点阵将空间分为若干格子，每个格子? 晶格晶格中有粒子存在的点? 晶格结点第二炮兵工程学院如果占据晶格结点的是,作用力离子?离子晶体。如 NaCl 静电力 (离子键 )
原子?原子晶体。如 Si,金刚石,SiO2,刚玉 共价键 (结点间 )
分子?分子晶体。如 冰,干冰,云母,石棉等。
金属原子 (离子 )?金属晶体。各种金属 金属键晶体分类第二炮兵工程学院刚玉黑云母自然铜 食盐晶体第二炮兵工程学院
（一）离子晶体
结 点,+,- 离子
作用力,+,- 离子间的静电引力,f=q+·q- /d2
d=r++r-,离子键。
作用能 (晶格能 ):
U≈q+·q-/d
粗略估计 U的相对大小,CaCl2>KCl
精确,考虑多个异号离子 & 多层同号、异号离子 + e结构 等第二炮兵工程学院
离子晶体的性质：熔点高,硬度大,熔融态导电,水溶液导电,固体状态不导电，无延展性 (脆 )；
性质取决于内部结构：
增大物 质 K F Na F Ca O
离子的电荷 +1 -1 ≈ +1 — 1 < +2 — 2
离子的半径
/nm
0.13
3
0.1
33
0.
09
7
0.13
3
0.0
99
0.1
32
离子半径之和
/nm
0.266 > 0.230 ≈ 0.231
离子间的作用熔点 /℃ 860 933 2164
第二炮兵工程学院离子晶体的判断属于离子晶体的物质通常为活泼金属
（如 Na,K,Ba,Sr,Mg,Ca等）的含氧酸盐类和卤化物、氧化物。
其他晶体的判断 祥教材第二炮兵工程学院晶体之比较第二炮兵工程学院单质晶体的元素周期性混合键晶体第二炮兵工程学院二、非晶体固体中除过晶体就是非晶体，与之对应非晶体中微粒是无序排列，也没有规则的几何外形。目前应用较广的值得重视的非晶体固体有四大类：传统玻璃；
非晶态合金（金属玻璃）；非晶态半导体；非晶态高分子化合物。
根据温度，非晶体可分为三种状态第二炮兵工程学院三、固体吸附剂吸附法：利用活性炭、磺化煤等吸附剂处理低浓度含镉废水和废气。
第二炮兵工程学院四、固体废弃物固体废弃物又称为垃圾，主要工业生产、起居生活和农业生产所产生，目前迫在眉睫的问题是城市垃圾。这种问题随着城市化的进程越来越严重，产生危害大，处理难度高，越来越引起人们关注。目前采用的主要方法是填埋、焚烧和热分解等。
泥石流 鱼儿的绝望第二炮兵工程学院
1.3溶液第二炮兵工程学院一、水的性质水是最常见液体，水分子间以氢键结合。
所谓氢键，是指一个电负性较大的原子 X（ 如 F，
O,N） 与 H原子形成共价键 H— X时，由于键的极性很强，电子云强烈偏向 X,使 H原子几乎成为没有电子的带正电荷的原子核，因此还可以与另一个分子中电负性大的 Y原子产生静电引力。因此，氢键具有方向性和饱和性。
第二炮兵工程学院氢键形成条件,
※ H与电负性大的,具有孤对电子的 O,F、
N原子相连；
※ 由于 H的电负性小,半径小在电负性大的原子强烈的吸引电子作用下,变成几乎裸露的原子核,核上相当于存在空的 1s轨道,因此可以容纳电子对 (游离的孤对 e),形成 近似 配位键的相互作用；
第二炮兵工程学院
※ 而被容纳的孤对电子本身就有一定的方向,作用力因此也 有一定的方向；
※ 这种特殊的相互作用可示意如下,
O
H
H O
H
H:,:,
99 pm
177 pm
177 < 300~400
F H F H
:,
:
:
:
:
正因为氢键有方向性,雪花才有固定的 几何外形,水在固化后，也由于氢键的方向性，使得体积膨胀,密度降低 。
第二炮兵工程学院
O
H
H
O
H
H
H
O
H
H
O
H H
O
H
H
O
H
雪花晶体结构第二炮兵工程学院水分子本来具有很强的极性，但由于氢键使水分子发生缔合，水是以分子团的形式存在 （ H2O） 12 。 因此，现今流行的磁化水、活化水都是由此而来。水的解离按 H2O=H+
＋ OH-进行，其平衡时离子浓度的乘积称为水的离子积，用
Kw表示。通常水溶液的酸碱性用溶液中 H+浓度的负对数来表示，称为 pH值。 当 14? pH,或 pH?0,则用摩尔浓度表示。
第二炮兵工程学院二、稀溶液的依数性溶液的蒸气压,熔点,沸点,(渗透压 )与浓度的关系很简单
(一 ) 溶液的蒸气压下降
1,纯固体,纯液体的蒸气压 （ 因热运动,部分高能分子克服表面张力逃逸出来 ）
液体水挥发水蒸发 凝结
在一定温度下平衡时,有一定蒸气压力
称纯液体的饱和蒸气压 p* (简称蒸气压 )
p*=nTRT/V (只与温度有关 )
F
第二炮兵工程学院
※ 固体热运动也产生蒸气压，如 冰；
※ 物质不同，蒸气压不同：
沸点,液体的饱和蒸气压达到给定外界压力时的温度 Tb
凝固点,s,l,g三相共存的温度 Tf
p*/ kPa 乙醚温度 T
乙醇水冰
p*/ kPa
101.325
T
0.61
1溶液
p<p*
第二炮兵工程学院
2、溶液的蒸气压蒸气压下降?p遵守 Raoult’s Law:溶液 的
p与溶质的摩尔分数 x成正比，即：
** pxppp
**
B
B
p
N
np
n
n
溶剂
蒸气压下降原因：由于不挥发溶质溶于溶剂，溶液表面的可挥发性溶剂分子数目比纯溶剂时少，则这时溶剂分子挥发而产生的蒸汽压下降时很显然的。
第二炮兵工程学院
（二）溶液的凝固点下降溶液的蒸气压下降，引起了 凝固点下降：首先，析出的总是能量低的纯冰,如冰棍? 对应 OD线不变。但在原 Tf时,溶液的蒸气压在 C点，比冰的饱和蒸气压 (O)
低,不能三相共存?只有纯冰吸热融化成水才能使蒸气压上升，
这是三相共存的温度（凝固点）
下降，下降至 CD与 OD相交的 Tf ’ 。
第二炮兵工程学院
（三）沸点上升蒸气压下降也引起了沸点上升：在原沸点
Tb时,p在 A点,<
101325 Pa（ 大气压强 ）,只有升温至 Tb’
时，蒸气压 p才达到外压?冒泡 /沸腾。
第二炮兵工程学院凝固点下降和沸点上升的计算
Raoult根据实验总结出：
mKTTT ffff ' )33,63p( 86.1)OH( 2 表fK
mKTTT bbbb '
)33,63p( 51.0)OH( 2 表bK
注意：
※ 对于同一溶剂,?Tb,?Tf 只与 m大小有关,与溶质种类无关?只与粒子数目有关 —— 依数性；
※ 只严格适用于 不挥发、非电解质、稀溶液 。 否则易挥发 电解质 浓溶液 另行处理；
※ 都是正值，且对于相同浓度的溶液有：
第二炮兵工程学院性 质 蔗糖 HAc溶液 NaCl溶液
蒸气压 p
蒸气压下降?p
沸点 Tb
沸点上升?Tb
凝固点 Tf
凝固点下降?Tf
高 中 低小 中 多低 中 高小 中 多高 中 低小 中 大第二炮兵工程学院例 1,已知 20℃ 时,C6H6的饱和蒸气压为 9999
Pa,向 90 g该溶剂中加入 1.0 g某种不挥发的有机溶质并溶解后,测得溶液的蒸气压为 9479 Pa,
计算溶质的相对分子质量解,由 Raoult定律 代入已知数据得：
** p
N
nppp
9 99 978/90 /0.19 47 99 99 9 M 150M解得,?
第二炮兵工程学院例 2,某浓度 的 蔗糖水溶液，其 tf =-0.2℃,已知 25℃
时纯水的饱和蒸气压为 3169 Pa,求 25℃ 时溶液的蒸气压解,因为?Tf = 0.2℃ =Kf·m
所以 m=?Tf / Kf = 0.2/1.86 = 0.1075 (mol·kg-1)
又因为,取含 1 kg溶剂的溶液
** p
N
nppp
)Pa( 3 1 6 33 1 6 918/1 0 0 01 0 7 5.011 *
p
N
np所以：
第二炮兵工程学院例 3,有两溶液,1) 1.5 g尿素 CO(NH2)2溶解于 200 g水；
2) 42.75 g未知物溶解于 1000 g水中。
它们在相同温度下结冰。求未知物的相对分子质量。
解,对于同一溶剂，由
2211 mKTmKT ffff
21 mm?表明,M
75.425
60
5.1所以有：
3 4 2?M解得：
第二炮兵工程学院
（四）渗透压定义,溶剂分子可以通过半透膜，而溶质分子不能透过半透膜而产生的压力 。
半透膜纯溶剂 盐溶液渗透压第二炮兵工程学院符号,Π
计算,或式中,n为体积 V中所含不能透过薄膜的溶质的物质的量； R 为气体常数； T为热力学温度 。
反渗透,溶液的一侧施加一个大于渗透压的外压力,
则溶剂由溶液一侧通过半透膜向纯溶剂或低浓度方向渗透 。 这是根据渗透现象而产生的新技术,主要应用于水质净化领域 。
cR T iV n R T
第二炮兵工程学院反渗透法（超滤技术）,以压力为驱动力，提高水的压力来克服渗透压，使水穿过功能性的半透膜而除盐净化。反渗透法也能除去胶体物质，对水的利用率可达７５％以上；反渗透法产水能力大，操作简便，能有效使水净化到符合国家标准。
第二炮兵工程学院渗透，浓 稀 反渗透，浓 稀半透膜
Water flow
第二炮兵工程学院课后总结知识要点,
※ 晶体概况，各类晶体名称、晶格节点上粒子及其作用力、熔点、硬度、延展性、导电性等特性，一些常见的晶体实例及应用；
※ 非晶体概况，非晶态高分子化合物的三种物理状态及成因,Tg,Tf意义及应用；
※ 活性炭、分子筛等固体吸附剂；
第二炮兵工程学院
※ 固体废弃物的产生、危害和资源化途径 ；
※ 水分子的缔合和锯齿状排列，氢键的产生及对水性质的影响，水的电导率和 pH概念及其应用，熔化热、
气化热、摩尔热容等概念及应用；
※ 溶液的蒸气压下降、凝固点下降、沸点上升和产生渗透压的原因，它们的定量公式的适用条件和应用实例，质量摩尔浓度和物质的量浓度的区别。
作业,P29练习题之 2,7题 ； P41练习题之 2,5题
1.2固体工程材料 (结构 +功能 )多为固体，往往是发展高技术的 关键,而性能的根本取决于 内部结构,其次才是加工工艺等固体? 晶体 + 非晶体大多数 较少如,NaCl,矿石,云母,石墨,金属等 玻璃,多数高分子材料第二炮兵工程学院晶体图片金刚石 合成陨硫铁 螺旋纳米碳管石墨化碳 天然水晶第二炮兵工程学院晶体,原子、离子、分子等微粒在空间按一定规律周期性的重复排列构成 的固体物 。
单晶 +多晶单晶体,完整的单个结晶。如,糖粒 (冰糖 )、盐粒、单水晶 …
多晶体,多个单晶的结合体。如：糖块、陶瓷、钢铁等一
、
晶体硅酸盐的 X衍射效应图第二炮兵工程学院晶体宏观特性,整齐规则的几何形状各向异性的特征固定的熔点
X射线的衍射效应（ 用 x-射线衍射可测定出粒子的有序排列 ）
∵ λ与间距相当视粒子为点，晶体即为一点阵点阵将空间分为若干格子，每个格子? 晶格晶格中有粒子存在的点? 晶格结点第二炮兵工程学院如果占据晶格结点的是,作用力离子?离子晶体。如 NaCl 静电力 (离子键 )
原子?原子晶体。如 Si,金刚石,SiO2,刚玉 共价键 (结点间 )
分子?分子晶体。如 冰,干冰,云母,石棉等。
金属原子 (离子 )?金属晶体。各种金属 金属键晶体分类第二炮兵工程学院刚玉黑云母自然铜 食盐晶体第二炮兵工程学院
（一）离子晶体
结 点,+,- 离子
作用力,+,- 离子间的静电引力,f=q+·q- /d2
d=r++r-,离子键。
作用能 (晶格能 ):
U≈q+·q-/d
粗略估计 U的相对大小,CaCl2>KCl
精确,考虑多个异号离子 & 多层同号、异号离子 + e结构 等第二炮兵工程学院
离子晶体的性质：熔点高,硬度大,熔融态导电,水溶液导电,固体状态不导电，无延展性 (脆 )；
性质取决于内部结构：
增大物 质 K F Na F Ca O
离子的电荷 +1 -1 ≈ +1 — 1 < +2 — 2
离子的半径
/nm
0.13
3
0.1
33
0.
09
7
0.13
3
0.0
99
0.1
32
离子半径之和
/nm
0.266 > 0.230 ≈ 0.231
离子间的作用熔点 /℃ 860 933 2164
第二炮兵工程学院离子晶体的判断属于离子晶体的物质通常为活泼金属
（如 Na,K,Ba,Sr,Mg,Ca等）的含氧酸盐类和卤化物、氧化物。
其他晶体的判断 祥教材第二炮兵工程学院晶体之比较第二炮兵工程学院单质晶体的元素周期性混合键晶体第二炮兵工程学院二、非晶体固体中除过晶体就是非晶体，与之对应非晶体中微粒是无序排列，也没有规则的几何外形。目前应用较广的值得重视的非晶体固体有四大类：传统玻璃；
非晶态合金（金属玻璃）；非晶态半导体；非晶态高分子化合物。
根据温度，非晶体可分为三种状态第二炮兵工程学院三、固体吸附剂吸附法：利用活性炭、磺化煤等吸附剂处理低浓度含镉废水和废气。
第二炮兵工程学院四、固体废弃物固体废弃物又称为垃圾，主要工业生产、起居生活和农业生产所产生，目前迫在眉睫的问题是城市垃圾。这种问题随着城市化的进程越来越严重，产生危害大，处理难度高，越来越引起人们关注。目前采用的主要方法是填埋、焚烧和热分解等。
泥石流 鱼儿的绝望第二炮兵工程学院
1.3溶液第二炮兵工程学院一、水的性质水是最常见液体，水分子间以氢键结合。
所谓氢键，是指一个电负性较大的原子 X（ 如 F，
O,N） 与 H原子形成共价键 H— X时，由于键的极性很强，电子云强烈偏向 X,使 H原子几乎成为没有电子的带正电荷的原子核，因此还可以与另一个分子中电负性大的 Y原子产生静电引力。因此，氢键具有方向性和饱和性。
第二炮兵工程学院氢键形成条件,
※ H与电负性大的,具有孤对电子的 O,F、
N原子相连；
※ 由于 H的电负性小,半径小在电负性大的原子强烈的吸引电子作用下,变成几乎裸露的原子核,核上相当于存在空的 1s轨道,因此可以容纳电子对 (游离的孤对 e),形成 近似 配位键的相互作用；
第二炮兵工程学院
※ 而被容纳的孤对电子本身就有一定的方向,作用力因此也 有一定的方向；
※ 这种特殊的相互作用可示意如下,
O
H
H O
H
H:,:,
99 pm
177 pm
177 < 300~400
F H F H
:,
:
:
:
:
正因为氢键有方向性,雪花才有固定的 几何外形,水在固化后，也由于氢键的方向性，使得体积膨胀,密度降低 。
第二炮兵工程学院
O
H
H
O
H
H
H
O
H
H
O
H H
O
H
H
O
H
雪花晶体结构第二炮兵工程学院水分子本来具有很强的极性，但由于氢键使水分子发生缔合，水是以分子团的形式存在 （ H2O） 12 。 因此，现今流行的磁化水、活化水都是由此而来。水的解离按 H2O=H+
＋ OH-进行，其平衡时离子浓度的乘积称为水的离子积，用
Kw表示。通常水溶液的酸碱性用溶液中 H+浓度的负对数来表示，称为 pH值。 当 14? pH,或 pH?0,则用摩尔浓度表示。
第二炮兵工程学院二、稀溶液的依数性溶液的蒸气压,熔点,沸点,(渗透压 )与浓度的关系很简单
(一 ) 溶液的蒸气压下降
1,纯固体,纯液体的蒸气压 （ 因热运动,部分高能分子克服表面张力逃逸出来 ）
液体水挥发水蒸发 凝结
在一定温度下平衡时,有一定蒸气压力
称纯液体的饱和蒸气压 p* (简称蒸气压 )
p*=nTRT/V (只与温度有关 )
F
第二炮兵工程学院
※ 固体热运动也产生蒸气压，如 冰；
※ 物质不同，蒸气压不同：
沸点,液体的饱和蒸气压达到给定外界压力时的温度 Tb
凝固点,s,l,g三相共存的温度 Tf
p*/ kPa 乙醚温度 T
乙醇水冰
p*/ kPa
101.325
T
0.61
1溶液
p<p*
第二炮兵工程学院
2、溶液的蒸气压蒸气压下降?p遵守 Raoult’s Law:溶液 的
p与溶质的摩尔分数 x成正比，即：
** pxppp
**
B
B
p
N
np
n
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溶剂
蒸气压下降原因：由于不挥发溶质溶于溶剂，溶液表面的可挥发性溶剂分子数目比纯溶剂时少，则这时溶剂分子挥发而产生的蒸汽压下降时很显然的。
第二炮兵工程学院
（二）溶液的凝固点下降溶液的蒸气压下降，引起了 凝固点下降：首先，析出的总是能量低的纯冰,如冰棍? 对应 OD线不变。但在原 Tf时,溶液的蒸气压在 C点，比冰的饱和蒸气压 (O)
低,不能三相共存?只有纯冰吸热融化成水才能使蒸气压上升，
这是三相共存的温度（凝固点）
下降，下降至 CD与 OD相交的 Tf ’ 。
第二炮兵工程学院
（三）沸点上升蒸气压下降也引起了沸点上升：在原沸点
Tb时,p在 A点,<
101325 Pa（ 大气压强 ）,只有升温至 Tb’
时，蒸气压 p才达到外压?冒泡 /沸腾。
第二炮兵工程学院凝固点下降和沸点上升的计算
Raoult根据实验总结出：
mKTTT ffff ' )33,63p( 86.1)OH( 2 表fK
mKTTT bbbb '
)33,63p( 51.0)OH( 2 表bK
注意：
※ 对于同一溶剂,?Tb,?Tf 只与 m大小有关,与溶质种类无关?只与粒子数目有关 —— 依数性；
※ 只严格适用于 不挥发、非电解质、稀溶液 。 否则易挥发 电解质 浓溶液 另行处理；
※ 都是正值，且对于相同浓度的溶液有：
第二炮兵工程学院性 质 蔗糖 HAc溶液 NaCl溶液
蒸气压 p
蒸气压下降?p
沸点 Tb
沸点上升?Tb
凝固点 Tf
凝固点下降?Tf
高 中 低小 中 多低 中 高小 中 多高 中 低小 中 大第二炮兵工程学院例 1,已知 20℃ 时,C6H6的饱和蒸气压为 9999
Pa,向 90 g该溶剂中加入 1.0 g某种不挥发的有机溶质并溶解后,测得溶液的蒸气压为 9479 Pa,
计算溶质的相对分子质量解,由 Raoult定律 代入已知数据得：
** p
N
nppp
9 99 978/90 /0.19 47 99 99 9 M 150M解得,?
第二炮兵工程学院例 2,某浓度 的 蔗糖水溶液，其 tf =-0.2℃,已知 25℃
时纯水的饱和蒸气压为 3169 Pa,求 25℃ 时溶液的蒸气压解,因为?Tf = 0.2℃ =Kf·m
所以 m=?Tf / Kf = 0.2/1.86 = 0.1075 (mol·kg-1)
又因为,取含 1 kg溶剂的溶液
** p
N
nppp
)Pa( 3 1 6 33 1 6 918/1 0 0 01 0 7 5.011 *
p
N
np所以：
第二炮兵工程学院例 3,有两溶液,1) 1.5 g尿素 CO(NH2)2溶解于 200 g水；
2) 42.75 g未知物溶解于 1000 g水中。
它们在相同温度下结冰。求未知物的相对分子质量。
解,对于同一溶剂，由
2211 mKTmKT ffff
21 mm?表明,M
75.425
60
5.1所以有：
3 4 2?M解得：
第二炮兵工程学院
（四）渗透压定义,溶剂分子可以通过半透膜，而溶质分子不能透过半透膜而产生的压力 。
半透膜纯溶剂 盐溶液渗透压第二炮兵工程学院符号,Π
计算,或式中,n为体积 V中所含不能透过薄膜的溶质的物质的量； R 为气体常数； T为热力学温度 。
反渗透,溶液的一侧施加一个大于渗透压的外压力,
则溶剂由溶液一侧通过半透膜向纯溶剂或低浓度方向渗透 。 这是根据渗透现象而产生的新技术,主要应用于水质净化领域 。
cR T iV n R T
第二炮兵工程学院反渗透法（超滤技术）,以压力为驱动力，提高水的压力来克服渗透压，使水穿过功能性的半透膜而除盐净化。反渗透法也能除去胶体物质，对水的利用率可达７５％以上；反渗透法产水能力大，操作简便，能有效使水净化到符合国家标准。
第二炮兵工程学院渗透，浓 稀 反渗透，浓 稀半透膜
Water flow
第二炮兵工程学院课后总结知识要点,
※ 晶体概况，各类晶体名称、晶格节点上粒子及其作用力、熔点、硬度、延展性、导电性等特性，一些常见的晶体实例及应用；
※ 非晶体概况，非晶态高分子化合物的三种物理状态及成因,Tg,Tf意义及应用；
※ 活性炭、分子筛等固体吸附剂；
第二炮兵工程学院
※ 固体废弃物的产生、危害和资源化途径 ；
※ 水分子的缔合和锯齿状排列，氢键的产生及对水性质的影响，水的电导率和 pH概念及其应用，熔化热、
气化热、摩尔热容等概念及应用；
※ 溶液的蒸气压下降、凝固点下降、沸点上升和产生渗透压的原因，它们的定量公式的适用条件和应用实例，质量摩尔浓度和物质的量浓度的区别。
作业,P29练习题之 2,7题 ； P41练习题之 2,5题
