物质的化学组成和聚集状态.ppt

罗立新武汉大学化学与分子科学学院2020年3月22日星期日 第二章物质的化学组成和聚集状态 武汉大学土木工程化学2012 第二章物质的化学组成和聚集状态2 1 物质的化学组成 2 固体 3 液体和液晶 4 气体和等离子体 武汉大学土木工程化学2012 2 1物质的化学组成 2 1 1配位化合物2 1 2团簇2 1 3非整比化学物2 1 4金属有机化合物2 1 5高分子化学物2 1 6自由基和生物大分子 武汉大学土木工程化学2012 2 1 2配位化合物 配合物内层中心离子 阳离子 配体 中性分子或阴离子 外层 配离子 Cu NH3 4 2 SO42 中心原子 配位原子 配体 配位数 内层 外层 武汉大学土木工程化学2012 K3 Fe CN 6 中心原子 配位原子 配体 配位数 外层 内层 中心原子是具有空轨道的离子或原子 配体可以是阴离子或中性分子 也可由多种配体组成 配位原子是具有孤电子对的元素 武汉大学土木工程化学2012 Cu NH2CH2CH2NH2 2 SO4 鳌合物配一个体中有多个配位元素 武汉大学土木工程化学2012 配合物的命名 a 内层和外层的命名顺序常按电性编排 负离子在前 正离子在后 b 对于内界则有下列规定 1 在配位体与中心离子的名称之间加一 合 字 某 指配位体 合某 指中心离子 武汉大学土木工程化学2012 2 在配位体名称前用汉字一 二 三 标明其数目 在中心离子的名称后用罗马数字 标明其化合价或氧化数 若中心离子只有一种化合价也可不标明 3 若内界有多种配位体 其命名顺序是 由简单到复杂 先离子后分子 化学式的书写顺序与此相反 武汉大学土木工程化学2012 Fe CN 6 4 六氰合铁 酸根离子K3 Fe CN 6 六氰合铁 酸钾 Pt NH3 4 NO2 Cl Cl2二氯化一氯一硝基四氨合铂 Co NH3 3 Cl3三氯三氨合钴 武汉大学土木工程化学2012 2 1 2团簇 团簇是由几个乃至上千个原子 分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体 其物理和化学性质随所含的原子数目而变化 团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围 用无机分子来描述显得太大 用小块固体描述又显得太小 许多性质既不同于单个原子分子 又不同于固体和液体 也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到 因此 人们把团簇看成是介于原子 分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次 是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态 或者说 代表了凝聚态物质的初始状态 武汉大学土木工程化学2012 团簇广泛存在于自然界和人类实践活动中 涉及到许多许多物质运动过程和现象 如催化 燃烧 晶体生长 成核和凝固 相变 溶胶 薄膜形成和溅射等 构成物理学和化学两大学科的一个交叉点 成为材料科学新的生长点 全同纳米团簇周期点阵 团簇物理 武汉大学土木工程化学2012 目前团簇科学研究的几个主要方向是 1 研究团簇的组成及电子构型的规律 幻数和几何结构 稳定性的规律 2 研究团簇的成核和形成过程及机制 研究团簇的制备方法 尤其是获取尺寸均一与可控的团簇束流 3 研究金属 半导体及非金属和各种化合物团簇的光 电 磁 力学 化学等性质 它们与结构和尺寸的关系 及向大块物质转变的关节点 4 研究团簇材料的合成和性质 5 探索新的理论 不仅能解释现有团簇的效应和现象 而且能解释和预知团簇的结构 模拟团簇动力学性质 指导实验 6 发展新的方法对团簇表面进行修饰和控制 武汉大学土木工程化学2012 2 1 3非整比化学物nonstoichiometriccompounds 各类原子的相对数目不能用几个小的整数比表示的化合物 非整比化合物有两种类型 化合物中某一种原子短缺 如WO3 UH3 或过多 如Zn1 UO2 在层状结构的夹层之间嵌入某些中性分子或金属原子 如Li TiS2 非整比化合物与其母体化合物的不同之处在于 它们的组成可以改变 呈现深的颜色 具有金属性或半导体性和不同的化学反应活性 还有特殊的光学和磁学性质 非整比化合物常见于过渡元素的二元化合物 如氢化物 氧化物 硼化物 碳化物 氮族化物 硫族化物等 武汉大学土木工程化学2012 在600 1200 将氧化锌ZnO晶体放在锌蒸气中加热 晶体变为红色氧化锌Zn1 O 是N型半导体 由于过量锌原子进入晶体的间隙位置 导电性增加 嵌入型非整比化合物包括 笼形化合物 外来的分子进入基质化合物的空巢中 例如氙的水合物Xe xH2O晶体中 氙原子位于由20个水分子组成的五元十二面体的笼形结构的中心 夹层化合物 如碱金属原子进入过渡金属元素硫化物的夹层之间 分子筛化合物 外来分子嵌入基质的三维结构通道之中 已知的嵌入型化合物基质有百种以上 每一种都可以容纳许多种外来分子 例如 仅石墨就可以容纳1 2万种外来分子和原子 武汉大学土木工程化学2012 2 1 4金属有机化合物 有机金属化合物又称金属有机化合物 metallo organiccompound 烷基 包括甲基 乙级 丙基 丁基等 和芳香基 苯基等 的烃基与金属原子结合形成的化合物 以及碳元素与金属原子直接结合的物质之总称 与锂 钠 镁 钙 锌 镉 汞 铍 铝 锡 铅等金属能形成较稳定的有机金属化合物 武汉大学土木工程化学2012 金属有机化合物的分类 1 离子型化合物 具有离子型化合物的特性 如RLi 烷基锂 R2CuLi 二烷基铜锂 RMgCl 烷基氯化镁 格氏试剂 VictorGrignard因发明格氏试剂获1912年NobelPrize 武汉大学土木工程化学2012 金属有机化合物的分类 2 键化合物 第 A A族和第 B B族元素与有机基团主要以 共价键结合形成化合物 具挥发性 对环境有影响 甲基汞化合物 四乙基铅 三丁锡 公害事件 水俣病事件 甲基汞能引起慢性汞中毒 最典型的实例是发生在日本九州岛水俣地区因长期食用受甲基汞污染的鱼贝类而引起的慢性甲基汞中毒 即水俣病 地点 日本熊本县水俣湾附近 首先 动物出现异常现象 随后 病例出现 1956年开始 至1968年日本政府才断定水俣病是甲基汞所致 武汉大学土木工程化学2012 铅 汞 镉 锡等重金属的危害 铅 汞 镉 锡等在自然界会甲基化 或烷基化 如由无机汞转化为甲基汞 其中大多数是由于水体底质中微生物的作用 在鱼体内则是通过各种生物转化而成 一般有机金属化合物有脂溶性 比无机金属容易通过生物膜 经肠壁吸收 进入脑血管 胎盘的量也较多 因此有更强的生物毒性 烷基金属化合物容易引起中枢神经的障碍 在体内以肝等器官为主的微粒体药物代谢酶系统使有机金属化合物脱去烷基 芳香基 最终成为无机金属 通过生物体膜引起的毒性 以鸟类最为敏感 我国汞污染情况 自60年代以来 松花江受上游吉林化工厂所排的含汞废水的影响 其水质 底泥和江中鱼贝类均受到了甲基汞的污染 松花江上游肇源江段水中甲基汞为本底值的30 70倍 鱼汞值如用WHO的标准0 4mg kg评价 第二松花江则有53 6 松花江 黑龙江省境内 有24 的鱼汞值 1977年 超过上述标准 渔民及沿岸居民体内也出现汞蓄积 武汉大学土木工程化学2012 金属有机化合物的分类 3 非典型键化合物 包括 由过度金属和不饱和基团通过金属轨道与 电子之间相互作用生成的 配合物 Cr C6H6 2 Fe C5H5 2 二茂铁 过渡元素与羰基等配位形成同时含有 键和 键的有机化合物 M CO n 多中心键型金属有机化合物 Al CH3 C6H5 2 Be CH3 2 nMx CO y 武汉大学土木工程化学2012 金属有机化合物小结 1827年问世的ZeiseKPtCl3 CH2 CH2 是第一个被发现的具有不饱和有机分子与金属键链的有机金属化合物 此后 有机硅 有机钠 有机锌等相继问世并得到应用 著名的格氏试剂及其催化反应极大地推动了有机化学的发展 Ziegler Natta催化剂也给工业带来了巨大经济效益 1951年具有特殊结构和类似芳烃的二茂铁得到了制备和结构确证 为有机过渡金属开辟了一大类新型的有机金属配合物 现已发现 周期表中几乎所有金属元素都能和碳结合 形成不同形式的金属有机化合物 迄今已先后有10位科学家因在有机金属化学领域做出的巨大贡献而荣获Nobel化学奖 武汉大学土木工程化学2012 2 1 5高分子化合物 所谓高分子化合物 是指那些由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在一万以上的化合物 高分子化合物又称高分子 聚合物 高分子是由分子量很大的长链分子所组成 高分子的分子量从几千到几十万甚至几百万 高分子的分类有多种 按来源可分为天然高分子 天然高分子衍生物 合成高分子三大类 根据用途则可分为合成树脂和塑料 合成橡胶 合成纤维等 按热行为可分为热塑性和热固性聚合物 按主链结构可分为碳链 杂链 和元素有机三类 另外根据工业产量和价格还可分为通用高分子 中间高分子 工程塑料以及特种高分子等等 武汉大学土木工程化学2012 性质和用途 塑料 纤维 橡胶 涂料 胶粘剂 功能高分子 以聚合物为基础 加入 或不加 各种助剂和填料 经加工形成的塑性材料或刚性材料 具有可逆形变的高弹性材料 纤细而柔软的丝状物 长度至少为直径的100倍 高分子的分类 涂布于物体表面能成坚韧的薄膜 起装饰和保护作用的聚合物材料 能通过粘合的方法将两种以上的物体连接在一起的聚合物材料 具有特殊功能与用途但用量不大的精细高分子材料 高分子化合物分类 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物特点 高分子与低分子化合物相比较 分子量非常高 由于这一突出特点 聚合物显示出了特有的性能 表现为 三高一低一消失 既是 高分子量 高弹性 高黏度 结晶度低 无气态 因此这些特点也赋予了高分子材料 如复合材料 橡胶等 高强度 高韧性 高弹性等特点 无定型高分子的温度 形变曲线 1 玻璃态2 高弹态3 粘流态 几种常规材料特点 塑料 Tg橡胶 Tg Tf纤维 Tg 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物类型 高分子化合物中的原子连接成很长的线状分子时 叫线型高分子 这种高分子在加热时可以熔融 在适当的溶剂中可以溶解 高分子化合物中的原子连接成线状并带有较长分支时 叫支链型高分子 这种高分子也可在加热时熔融 也可在适当的溶剂中溶解 如果高分子化合物中的原子连接成网状时 则叫网状高分子 这种高分子由于一般都不是平面结构而是立体结构 所以也叫体型高分子 体型高分子加热时不能熔融 只能变软和弹性增大 不能在任何溶剂中溶解 只能在某些适当的溶剂中溶胀 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物类型 除了上述三种基本形状外 还发展了新型结构的高分子 如星形聚合物 梯形聚合物 半梯形聚合物等 线形 支链形 交联形 星形 梯形 半梯形 高分子的形状 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的合成 合成高分子化合物最基本的反应有两类 一类叫加成聚合反应 简称加聚反应 另一类叫缩合聚合反应 简称缩聚反应 这两类合成反应的单体结构 聚合机理和具体实施方法都不同 加聚反应 由一种或两种以上单体化合成高聚物的反应 在反应过程中没有低分子物质生成 生成的高聚物与原料物质具有相同的化学组成 其相对分子质量为原料相对分子质量的整改数倍 仅由一种单体发生的加聚反应称为均聚反应 例如 氯乙烯合成聚氯乙烯 由两种以上单体共同聚合称为共聚反应 例如 苯乙烯与甲基丙烯酸甲酯共聚共聚产物称为共聚物 其性能往往优于均聚物 因此 通过共聚方法可以改善产品性能 缩聚反应 通过单体分子中的某些官能团之间的缩合聚合成高分子的反应称为缩合反应 由于低分子副产物的析出 缩聚物的结构单元要比单体少一些原子 因此相对分子质量不再是单体相对分子质量的整数倍 用于缩聚反应的单体所含的官能团主要有羟基 OH 胺基 NH2 羧基 COOH 酯基 COOR 等 缩聚物中往往保留有特征基团 如酯键 OCO 醚键 O 酰胺键 NHCO 等 因此缩聚物一般为杂链聚合物 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的合成 两种或多种单体共聚时 结构单元之间连接的序列结构更为复杂 具体可分为无规共聚 交替共聚 接枝共聚 嵌段共聚等 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 1 习惯命名法习惯命名法是一种约定俗成的方法 目前最为通用 其方法为先对结构单元命名 然后在结构单元名称前加上 聚 字 如碳链聚合物 聚丙烯 聚氯乙烯 聚苯乙烯 杂链聚合物 聚对苯二甲酸乙二酯 聚己二酰己二胺 元素有机聚合物 聚二甲基硅氧烷 均按此法命名 聚乙烯的结构单元应为 CH2 但由于其实际是从乙烯聚合而来 因此命名时以 CH2CH2 为结构单元 也可在结构单元名称后加上 树脂 两字来命名 如 氯乙烯树脂 丙烯酸树脂 等 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 共聚物的命名 从参与共聚的两种单体名称中间加连接线组成基本名称 然后在其后面加上 共聚物 三字 如由氯乙烯和醋酸乙烯酯共聚而成的聚合物 称为 氯乙烯 醋酸乙烯酯共聚物 由乙烯和丙烯共聚而成的聚合物 称为 乙烯 丙烯共聚物 等 也可从参与共聚的两种单体中各取一个典型文字组成基本名称 然后在其后面加上 树脂 两字 如由苯酚和甲醛共聚而成的聚合物 称为 酚醛树脂 由苯乙烯和 甲基 丙烯酸酯共聚而成的聚合物 称为 苯丙树脂 等 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 特殊的情况 1 有些聚合物若按单体名称来命名容易引起歧义 例如 具有以下结构的聚合物 可以从环氧乙烷 乙二醇 氯乙醇或氯甲醚聚合得到 为了避免混淆 一般不用习惯命名法命名 通常采用结构命名法 称为 聚氧 化 乙烯 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 2 按习惯命名法 聚乙烯醇的单体应为乙烯醇 实际上 乙烯醇不稳定 不能单独存在 目前工业上采用从聚醋酸乙烯酯醇解转化而来 乙烯醇只是一种假象的单体 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 2 结构命名法结构命名法是对聚合物分子链中的特征结构进行命名的方法 如涤纶树脂分子链中含有酯基 因此称为 聚脂 尼龙分子中含有酰胺基团 因此称为 聚酰胺 由多元异氰酸酯和多元醇聚合而成的聚合物 分子链中含有氨基甲酸酯 因此称为 聚氨酯 由双酚A和环氧氯丙烷聚合而成的聚合物 因分子链中含有环氧基团而成为 环氧树脂 显然 这种方法命名的是一类聚合物 每一种名称中可能包含了许多聚合物 例如 聚酯 中包含有 聚对苯二甲酸乙二酯 聚对苯二甲酸丁二酯 聚碳酸酯 等 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 3 商业命名法商业命名法主要是对橡胶和化学纤维而言 橡胶的商业名称通过在橡胶的结构单元名称中取典型文字构成基本名称 然后在其后加上 橡胶 两字 例如 由丁二烯和苯乙烯共聚而成的聚合物 称为 丁苯橡胶 由丁二烯和丙烯腈共聚而成的聚合物 称为 丁腈橡胶 由丁二烯聚合而成的顺式聚丁二烯橡胶 称为 顺丁橡胶 由氯丁二烯聚合而成的橡胶 称为 氯丁橡胶 等 由乙烯 丙烯和二烯烃共聚而成的橡胶 则称为 三元乙丙橡胶 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 化学纤维一般为均聚物 其商业名称为取其结构单元名称中的一个特征文字 然后在后面加上 纶 字 例如 聚丙烯腈纤维称为 腈纶 聚氨酯纤维称为 氨纶 聚氯乙烯纤维称为 氯纶 聚丙烯纤维称为 丙纶 等 特殊的情况 聚对苯二甲酸乙二酯纤维称为 涤纶 聚乙烯醇缩甲醛纤维称为 维尼纶 聚对苯二酰对苯二胺纤维称为 芳纶 尼龙 6纤维在我国首先是由锦西化工研究院研制而成 因此命名为 锦纶 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 4 俗称有许多聚合物 根据它们的外观 形貌或特点 人们约定俗成地为它们起了名称 并得到广泛的认可 就形成了俗称 例如 聚甲基丙烯酸甲酯的板材 管材和棒材等 由于其透明度很高 类似于玻璃 人们称其为 有机玻璃 由玻璃纤维增强的不饱和聚酯或环氧树脂 因其坚硬如钢 俗称 玻璃钢 三聚氰胺的俗称为 密胺 因此由三聚氰胺和甲醛聚合而成的聚合物俗称为 密胺树脂 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 涤纶树脂 dacron 和 尼龙 nylon 皆由其英文译音而来 也可看作是一种俗称 尼龙为一大类聚合物的总称 每种尼龙的名称后面有一位或两位数字 如尼龙 6 尼龙 66等 一位数字的尼龙 其数值表示结构单元中的碳原子数 尼龙 6是由己内酰胺或 氨基己酸聚合而成 结构单元含有6个碳原子 两位数字的尼龙 前一位数表示由二元胺提供的结构单元的碳原子数 后一位数表示由二元酸提供结构单元的碳原子数 如尼龙 66由己二胺和己二酸聚合而成 尼龙 610则由己二胺和癸二酸聚合而成 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 5 系统命名法系统命名法是由国际纯粹与应用化学联合会 InternationalUnionofPureandAppliedChemistry IUPAC 提出的规范方法 其步骤为 1 先确定重复单元 2 排定重复单元中次级单元的次序 原则为 i 先排侧基最少的元素 ii 再排有取代基的元素 iii 当主链上有杂原子时 先排杂原子 3 给重复单元命名 4 在重复单元名称前冠以 聚 字 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 次级单元排列顺序的规则 次级单元的优先循序 杂环 杂原子或含杂原子的非环次级单元 含碳原子的环 只含碳原子的非环次级单元 杂原子顺序 O S Se Te N P As Sb Bi Ge Sn Pb B Hg 排列次级单元时要使取代基的位数最小 系统命名法较严谨 但往往名称很长 使用不太方便 IUPAC不反对在一般场合使用习惯命名法和其他能反映聚合物特征的命名法 但在学术性较强的论文中鼓励使用系统命名法 IUPAC不提倡采用商品名和俗称 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 举例 武汉大学土木工程化学2012 高分子化合物的命名 6 英文缩写当聚合物结构较复杂时 聚合物名称往往较长 使用不方便 因此常用英文缩写表示 例如 PE polyethylene 聚乙烯PP polypropylene聚丙烯PVC poly vinylchloride 聚氯乙烯PS polystyrene 聚苯乙烯PVA poly vinylalcohol 聚乙烯醇PC polycarbonate聚碳酸酯PMMA poly methylmethacrylate 聚甲基丙烯酸甲酯PET poly ethyleneterephthalate 聚 对苯二甲酸乙二醇酯 PA polyamide 聚酰胺PUR polyurethane聚氨酯 武汉大学土木工程化学2012 2 1 6自由基和生物大分子 像氨基酸 脂肪酸等都叫做生物单分子 是与生命有着密切关系的物质 它们是构成大分子的基本物质 生物大分子是构成生命的基础物质 包括蛋白质 核酸 碳氢化合物等 生物大分子指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子 常见的生物大分子包括蛋白质 核酸 脂质 糖类 这个定义只是概念性的 与生物大分子对立的是小分子物质 二氧化碳 甲烷等 和无机物质 实际上生物大分子的特点在于其表现出的各种生物活性和在生物新陈代谢中的作用 比如 某些多肽和某些脂类物质的分子量并未达到惊人的地步 但其在生命过程中同样表现出了重要的生理活性 与一般的生物大分子并无二致 生物大分子大多数是由简单的组成结构聚合而成的 蛋白质的组成单位是氨基酸 核酸的组成单位是核苷酸 生物大分子都可以在生物体内由简单的结构合成 也都可以在生物体内经过分解作用被分解为简单结构 一般在合成的过程中消耗能量 分解的过程中释放能量 武汉大学土木工程化学2012 生物大分子 高相对分子量的生物有机化合物 生物大分子 主要是指蛋白质 核酸以及高相对分子量的碳氢化合物 与低相对分子量的生物有机化合物相比 高相对分子量的有机化合物具有更高级的物质群 它们是由低相对分子量的有机化合物经过聚合而成的多分子体系 从化学结构而言 蛋白质是由 L 氨基酸脱水缩合而成的 核酸是由嘌呤和嘧啶碱基 与糖D 核糖或2 脱氧 D 核糖 磷酸脱水缩合而成 多糖是由单糖脱水缩合而成 由此可知 由低相对分子量的生物有机化合物变为高相对分子量的生物有机化合物的化学反应都是脱水缩合反应 生物大分子是生物体的重要组成成份 不但有生物功能 而且分子量较大 其结构也比较复杂 在生物大分子中除主要的蛋白质与核酸外 另外还有糖 脂类和它们相互结合的产物 如糖蛋白 脂蛋白 核蛋白等 它们的分子量往往比一般的无机盐类大百倍或千倍以上 蛋白质的分子量在一万至数万左右 核酸的分子量有的竟达上百万 这些生物大分子的复杂结构决定了它们的特殊性质 它们在体内的运动和变化体现着重要的生命功能 如进行新陈代谢供给维持生命需要的能量与物质 传递遗传信息 控制胚胎分化 促进生长发育 产生免疫功能等等 武汉大学土木工程化学2012 自由基 有机物在发生化学反应时 总是伴随着共价键的断裂的生成 共价键的断裂有两种方式均裂和异裂 两原子间的共用电子对平均分配 两原子各保留一个电子 共价键的这种断裂方式称键的均裂 均裂的结果产生带有不成对单电子的自由基 自由基产生 武汉大学土木工程化学2012 自由基产生 人体产生自由基的形式 汽油燃烧 油煎食物 抽烟酗酒 辐射光照等过程都会有自由基生成 在正常情况下 人体内的自由基是处于不断产生与清除的动态平衡之中 在生理状态下 自由基的浓度很低 不仅不会损伤机体 而且还显示出独特的生理作用 但是自由基产生过多或清除过慢 它会对生物体产生一系列损害 加速机体的衰老过程并诱发各种疾病 武汉大学土木工程化学2012 自由基对细胞的及生命大分子的损害 自由基非常活泼 化学反应性极强 参与一系列的连锁反应 能引起细胞生物膜上的脂质过氧化 引起细胞损伤 其机制比较复杂 主要有三方面 膜脂改变导致膜功能的障碍和膜酶的损伤 脂质过氧化过程中生成的活性氧对酶和其他成分的损伤 LOOH的分解产物特别是醛类产物对细胞及其成分的毒性作用 武汉大学土木工程化学2012 一 自由基对脂类和细胞膜的破坏 细胞膜和亚细胞器膜都是以双分子层的PUFA为骨架的 最易受到自由基的攻击发生脂质过氧化反应 导致膜内不饱和脂肪酸减少 膜结构遭到破坏 使其流动性 通透性 离子转运及屏障功能受损 脂质过氧化还可引起溶酶体酶的释放 线粒体膨胀 酶的失活等损伤 红细胞膜发生脂质过氧化则可导致溶血 微粒体脂质过氧化作用后有多聚核糖体的解聚和蛋白质合成的抑制 LOOH进一步分解产生醛类 尤其是丙二醛 MDA 可作为交联剂与一些蛋白质 核酸 脑磷脂等反应 导致分子间的交联聚合 细胞膜的损害则会导致细胞代谢 功能和结构的改变 后者是许多疾病的病理基础 从而可引起许多病变 武汉大学土木工程化学2012 二 自由基对蛋白质和酶的损害 自由基既可直接作用于蛋白质 与最邻近的氨基酸反应发生蛋白质过氧化 也可通过LOOH间接作用于蛋白质 使蛋白质的多肽链断裂或与个别氨基酸发生氧化反应或使蛋白质交联而发生聚合作用 从而使蛋白质的结构发生变化 导致细胞功能紊乱 如老年人皮肤起皱 骨骼变脆等都与胶原蛋白破坏和功能改变有关 酶的化学本质绝大多数是蛋白质 因此许多自由基和自由基反应的产物往往也可影响酶的活性 脂质过氧化 电离辐射 其他产生的自由基的反应可以通过多种途径影响酶的活性 如通过自由基链反应 使酶分子发生聚合 通过LOOH中的MDA使酶分子发生交联 通过破坏酶分子中氨基酸以及与酶分子中的金属离子反应 影响酶活性 武汉大学土木工程化学2012 三 自由基对核酸和染色体的损害 自由基可与碱基或五碳糖发生反应 生成碱基自由基或在DNA的脱氧核糖部分形成自由基 最终使DNA链断裂或碱基破坏 缺失 使核酸分子的完整性和构型受到破坏 造成遗传信息改变 使生物体发生突变或产生病变 严重损伤的DNA无法修复 以致造成细胞死亡 辐射作用于核酸环境中的水分子 使其电解产生 OH和O2 辐射可使DNA主链断裂 碱基降解和氢键破坏 自由基对DNA的破坏可导致染色体变异 电离辐射和化学物质也可使受损细胞的染色体断裂 此作用与O2和 OH有关 武汉大学土木工程化学2012 四 自由基对糖分子的损害 自由基可使组成核酸的核糖 脱氧核糖形成脱氢自由基 从而造成DNA主链断裂或碱基破坏 自由基可使细胞膜中的糖分子羟基化 破坏细胞膜上的多糖结构 影响细胞功能的发挥 自由基还可通过氧化降解使多糖破坏 影响组织功能 如脑组织中的多糖遭到破坏就会影响大脑的正常功能 脂类 蛋白质 核酸 糖类是组成生物体的基本而重要的化合物 这些物质一旦受损 生命活动将受到威胁 自由基对生物体的危害就在于能破坏这些生物大分子 使细胞受损 机体患病 如动脉粥样硬化 糖尿病 肿瘤 胃肠道功能失调 感染 免疫失调等 武汉大学土木工程化学2012 2 2固体 固体可分为晶体 非晶体和准晶体三大类 固态物质是否为晶体 一般可由X射线衍射法予以鉴定 2 2 1晶体2 2 2非晶体2 2 3固体吸附剂2 2 4固体废弃物 武汉大学土木工程化学2012 2 2 1晶体 晶体是原子 离子或分子按照一定的周期性 在结晶过程中 在空间排列形成具有一定规则的几何外形的固体 晶体有三个特征 1 晶体有整齐规则的几何外形 2 晶体有固定的熔点 在熔化过程中 温度始终保持不变 3 晶体有各向异性的特点 晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体 具有长程有序 并成周期性重复排列 武汉大学土木工程化学2012 晶体的共性 1 长程有序 晶体内部原子在至少在微米级范围内的规则排列 2 均匀性 晶体内部各个部分的宏观性质是相同的 3 各向异性 晶体中不同的方向上具有不同的物理性质 4 对称性 晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性 5 自限性 晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性 6 解理性 晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质 7 最小内能 成型晶体内能最小 8 晶面角守恒 属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角恒定不变 武汉大学土木工程化学2012 晶体内部结构中的质点 原子 离子 分子 有规则地在三维空间呈周期性重复排列 组成一定形式的晶格 外形上表现为一定形状的几何多面体 排有结构粒子的那些点叫做晶格的结点 组成某种几何多面体的平面称为晶面 由于生长的条件不同 晶体在外形上可能有些歪斜 但同种晶体晶面间夹角 晶面角 是一定的 称为晶面角不变原理 晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型 晶体都有一定的对称性 有32种对称元素系 对应的对称动作群称做晶体系点群 按照内部质点间作用力性质不同 晶体可分为离子晶体 原子晶体 分子晶体 金属晶体等四大典型晶体 如食盐 金刚石 干冰和各种金属等 同一晶体也有单晶和多晶 或粉晶 的区别 在实际中还存在混合型晶体 晶体 武汉大学土木工程化学2012 七大晶系 晶胞的大小和形式可用六面体的3个边长a b c和由bc ca ab所成的3个夹角 进行描述 这6个数值总称为晶胞参数 按照晶胞参数的不同 晶体可分为7个晶系 分别为立方 四方 正交 三斜 单斜 三方 六方等 武汉大学土木工程化学2012 晶系总共有14种空间点阵形式 图14种空间点阵形式 武汉大学土木工程化学2012 晶体的基本类型 1 离子晶体2 分子晶体3 原子晶体4 金属晶体5 过渡性晶体 根据晶格结点上微粒间的作用力的不同 将晶体分为以下几种 武汉大学土木工程化学2012 1 离子晶体 形成离子晶体依靠正 负离子间的静电引力 离子键 相互吸引而成 NaCl型晶胞 武汉大学土木工程化学2012 特点由于离子键没有方向性和饱和性 所以离子晶体中离子的堆积形式与金属晶体相似 也采取负离子最紧密堆积方式 武汉大学土木工程化学2012 特性 离子晶体一般表现为硬度较大 熔点较高 挥发度较低 离子晶体比较稳定 晶格能比较大 如下表所示 武汉大学土木工程化学2012 碱土金属氧化物正 负离子间的距离 晶格能 熔点及硬度 化合物正负离子间晶格能熔点硬度的距离 nm KJ mol 1 金刚石 10 MgO0 210 3932 9628525 5 6 5CaO0 240 3522 9326144 5SrO0 258 3309 5424203 8Ba00 277 3125 4519183 3 武汉大学土木工程化学2012 2 分子晶体 依靠较弱的范德华力 中性分子相互吸引 排列在晶格结点上而构成的 分子晶体没有方向性和饱和性分子晶体中分子间的引力很弱 只要供给较少的能量 晶体就会被破坏 所以分子晶体的硬度较小 熔点低 挥发性大 不导电 武汉大学土木工程化学2012 3 原子晶体 原子晶体亦称共价晶体 它是由中性原子依靠共价键结合而成 整个晶体是由 无限 数目的原子构成的大分子 典型的共价晶体 金刚石 C 金刚砂 SiC 石英 SiO2 原子晶体有方向性和饱和性 配位数低 熔点高 硬度大 不导电 不溶于任何溶剂 化学性质十分稳定 武汉大学土木工程化学2012 4 金属晶体 金属晶体是通过金属键形成的晶体 1 形成依靠 自由电子气 把失去价电子的金属正离子 胶合 起来 自由电子气 与金属正离子间的强作用力称为金属键 2 特征无方向性 无饱和性 金属原子呈最紧密堆积 武汉大学土木工程化学2012 金属的特性 金属原子紧密堆积 以使体系能量最低 金属原子的配位数高 金属键没有方向性 饱和性 不透明 导电 导热 具有延展性 武汉大学土木工程化学2012 武汉大学土木工程化学2012 5 过渡性晶体 除上述4种基本类型外 还有一些过渡型晶体 这些晶体中粒子之间存在着一种以上的结合力 包括 层状晶体链状晶体富勒烯 武汉大学土木工程化学2012 层状晶体 在石墨晶体中既有共价键又有金属键性质 层间结合则依靠分子间作用力 所以这是一种典型的混合键型单质晶体 武汉大学土木工程化学2012 链状晶体 石棉是镁 铁 钙硅酸盐矿物的总称 链内硅氧原子间为带共价性的离子键 链状阴离子之间通过相隔较远的金属阳离子以离子键相结合 因此链间结合力比链内结合力弱 故解离时易形成纤维 单质晶体键型变化的根本原因 在于周期表各原子电子结构和性质上的差别 武汉大学土木工程化学2012 富勒烯 1985年 英国化学家哈罗德 沃特尔 克罗托博士和美国科学家理查德 埃里特 史沫莱 1996年度诺贝尔化学奖 富勒烯是碳元素继金刚石 石墨之后的第三种晶体形态 是金刚石 石墨的同素异形体或同质异晶体 最典型的是C60 它是由20个六边形12个五边形组成还有C70等许多类似C60分子也已被相继发现 碳纳米管在1991年日本NEC公司专家饭岛 Iijima 在检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时 意外发现管状的同轴纳米管组成的碳分子 这就是碳纳米管现在被称作的 Carbonnanotube 即碳纳米管 又名巴基管 碳纳米管管身由六边形碳环微结构单元组成 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构 或者称为多边锥形多壁结构 是一种具有特殊结构 径向尺寸为纳米量级 轴向尺寸为微米量级 管子两端基本上都封口 的一维量子材料 它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管 层与层之间保持固定的距离 约为0 34nm 直径一般为2 20nm 武汉大学土木工程化学2012 石墨烯 石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种 还非常牢固坚硬 作为单质 它在室温下传递电子的速度比已知导体都快 基于它的化学结构 石墨烯具有许多独特的物理化学性质 如高比表面积 高导电性 机械强度高 易于修饰及大规模生产等 石墨烯出现在实验室中是在2004年 当时 英国的两位科学家安德烈 海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片 他们从石墨中剥离出石墨片 然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上 撕开胶带 就能把石墨片一分为二 不断地这样操作 于是薄片越来越薄 最后 他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片 这就是石墨烯 这以后 制备石墨烯的新方法层出不穷 经过5年的发展 人们发现 将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了 这种神奇材料的诞生使安德烈 海姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖 武汉大学土木工程化学2012 2 2 2非晶体 noncrystal 非晶体是指组成物质的分子 或原子 离子 不呈空间有规则周期性排列的固体 它没有一定规则的外形 如玻璃 松香 石蜡等 它的物理性质在各个方向上是相同的 叫 各向同性 它没有固定的熔点 所以有人把非晶体叫做 过冷液体 或 流动性很小的液体 非晶态固体包括非晶态电介质 非晶态半导体 非晶态金属 它们有特殊的物理 化学性质 例如金属玻璃 非晶态金属 比一般 晶态 金属的强度高 弹性好 硬度和韧性高 抗腐蚀性好 导磁性强 电阻率高等 这使非晶态固体有多方面的应用 它是一个正在发展中的新的研究领域 近年来得到迅速的发展 武汉大学土木工程化学2012 2 2 3固体吸附剂 在一充满溴蒸气的瓶中加入活性炭 棕红色的溴蒸气会渐渐消失 表明活性炭具有吸附溴分子的能力 物质的分子 原子或离子能自动地附着在某固体表面上的现象 称为固体的吸附 adsorption 具有吸附能力的物质称为吸附剂 被吸附的物质则称为吸附质 活性炭吸附溴时 活性炭为吸附剂 溴是吸附质 一定的T p下 吸附质被吸附的量随着吸附面积的增加而加大 因此 比表面很大的物质 如粉末状或多孔性物质 往往都具有良好的吸附性能 换言之 良好的吸附剂都是有很大比表面的物质 吸附的应用很广 如用活性炭吸附蔗糖水溶液中的杂质使之脱色 用硅胶吸附气体中的水蒸气使之干燥 用分子筛吸附混合气体中某一组分使之分离等 武汉大学土木工程化学2012 物理吸附和化学吸附 按吸附作用力性质的不同 可将吸附分为物理吸附和化学吸附两种类型 产生物理吸附的作用力是分子间力 即范德华力 它是一种弱的作用力 普遍存在于各吸附质与吸附剂之间 因此 物理吸附一般不具有选择性 由于吸附剂及吸附质种类的不同 分子间的引力大小各异 可使吸附量相差很多 一般的规律是 易液化的气体易被吸附 由于已被吸附的分子 对再碰撞上去的分子仍存在范德华力 所以物理吸附可以形成多分子层吸附 发生化学吸附的作用力是化学键力 因此 化学吸附有明显的选择性 而且只能发生单分子层吸附 武汉大学土木工程化学2012 固体吸附剂 功能改进 分子印迹技术 BLOTTING 将各种生物大分子从凝胶转移到一种固定基质上的过程称为印迹技术 絮凝技术 FLOCCULATION 使水或液体中悬浮微粒集聚变大 或形成絮团 从而加快粒子的聚沉 达到固 液分离的目的 这一现象或操作称作絮凝 高吸水性树脂 SUPER ABSORBENTPOLYMER 一种新型的聚丙烯酸钠盐高分子材料 它能够吸收自身重量几百倍至千倍的水分 无毒 无害 无污染 吸水能力特强 保水能力特高 武汉大学土木工程化学2012 日益严峻的垃圾问题 2 2 4固体废弃物 武汉大学土木工程化学2012 中国城市生活垃圾情况 13650 54 24 14857 50 78 15509 52 12 15577 51 69 据国家统计局的统计结果 城市年产垃圾量以每年7 9 的递增速度增加 生活垃圾清运量 万吨 生活垃圾无害化处理 武汉大学土木工程化学2012 城市垃圾的处理方式 武汉大学土木工程化学2012 2 3液体和液晶 2 3 1水的性质和应用2 3 2溶液的蒸汽压 凝固点 非典和渗透压2 3 3液体燃料2 3 4表面活性物质2 3 5液晶 武汉大学土木工程化学2012 2 3 1水的性质和应用 水 分子式为H2O 在自然界以水体的方式存在 1 水体 waterbody 地球表面水覆盖地段的自然综合体 包括水 水中溶解物 悬浮物 水生动物 植物 微生物及底泥 2 生活饮用水 drinkingwater 1 集中式供水单位直接供给居民的 2 包括供居民饮用的饮水及生活用水 淘米 做饭 个人卫生等 3 饮用水是居民终生饮用的 与饮料水不同 武汉大学土木工程化学2012 3 纯净水纯水 是以市政自来水为原水 经初步净化 软化 视原水硬度而定 主要采用反渗透 电渗析 蒸馏等工艺使水中溶解的矿物质以及其他有害物质全部去除 其电导率小于10 s cm2 浊度 1度 即除水分子外 基本上没有其他化学成分 用于电子工业 航天工业的纯水其电导率小于5 s cm2或更低 其商品名称为纯净水 太空水 蒸馏水等 净水是以市政自来水为原水通过吸附 多为活性炭或加入铜锌合金 超滤 多用中空纤维膜或素烧瓷滤芯 以去除水中有害物质而保留原水的化学特征 即保留原水中的溶解性矿物质 武汉大学土木工程化学2012 4 矿泉水 mineralwater 天然矿泉水是储存于地下深处自然涌出或人工揭露的未受污染且含有偏硅酸 锶 锌 溴等一种或多种微量元素达到限量值的泉水 经过过滤等工艺而成 它除含有上述特定的元素外 还含有较多的溶解性矿物质 人工矿化水是在纯水中加了某些微量元素 使其某一微量元素达到天然矿泉水的限量值 武汉大学土木工程化学2012 5 安全饮用水 safedrinkingwater 符合我国饮用水卫生标准的水 6 废水 wastewater 亦称污水 在人类生活及生产活动中 净水被使用后 其物理性质和化学性质都要发生变化 其水质受到了不同程度的污染 称之废水 水体 饮用水 废水之间的关系 武汉大学土木工程化学2012 从五十年代提出 南水北调 的设想后 经过几十年研究 南水北调的总体布局确定为 分别从长江上 中 下游调水 以适应西北 华北各地的发展需要 即南水北调西线工程 南水北调中线工程和南水北调东线工程 中国大陆地势形成三个阶梯 西线工程在最高一级的青藏高原上 地形上可以控制整个西北和华北 因长江上游水量有限 只能为黄河上中游的西北地区和华北部分地区补水 中线工程从第三阶梯西侧通过 从长江中游及其支流汉江引水 可自流供给黄淮海平原大部分地区 东线工程位于第三阶东部 因地势低需抽水北送 南水北调工程 武汉大学土木工程化学2012 南水北调工程示意图 武汉大学土木工程化学2012 2 3 2溶液的蒸汽压 凝固点 沸点和渗透压 非电解质稀溶液的依数性溶液的某些性质主要取决于所含溶质粒子的浓度而非它们自身的性质 溶液的这些性质叫做依数性 本部分仅讨论难挥发的非电解质稀溶液的依数性 在这种情况下 溶质的微粒均为分子 依数性是指蒸汽压下降 沸点升高 凝固点下降的渗透压 武汉大学土木工程化学2012 1 蒸汽压下降 一定温度下 水 或其他纯溶剂 的饱和蒸气压是一个定值 如果在水中加入一种难挥发的溶质 溶液的表面将或多或少地被溶质分子 严格地说是溶质的溶剂化物 占据着 减少了单位面积上溶剂的分子数 因此同一温度下 溶液表面单位时间里逸出液面的溶剂分子数 相应地比纯溶剂减少 当达到平衡状态时 液面上单位体积内溶剂分子的数目比纯溶剂的少 所以 溶液的蒸气压比纯溶剂低 纯溶剂蒸气压与溶液蒸气压的差值叫做溶液蒸气压下降 用 P表示 其定量关系可用拉乌尔定律表示 武汉大学土木工程化学2012 拉乌尔定律 拉乌尔定律表示 在一定温度下 难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降 与溶质的物质的量分数成正比 而与溶质的本性无关 其数学表达式为 P 武汉大学土木工程化学2012 拉乌尔定律 在一定温度下 难挥发非电解质稀溶液的蒸气压下降 与溶液的质量摩尔浓度成正比 若以水为溶剂的稀溶液 mB为B的质量摩尔浓度 沸点升高 P 武汉大学土木工程化学2012 2 溶液的沸点升高 由于溶液蒸气压的下降 因而导致溶液的沸点升高 而蒸气压下降程度仅与溶液的浓度有关 因此沸点的升高程度也只与溶液的浓度有关 而与溶质的本性无关 根据拉乌尔定律 难挥发非电解质稀溶液的沸点升高与溶液的质量摩尔浓度成正比 其数学表示式为 tb Kbb 式中 tb表示溶液沸点的升高值 K Kb是溶剂沸点上升常数 b是溶液的质量摩尔浓度 不同溶剂的Kb值不同 见P48表2 9 武汉大学土木工程化学2012 3 溶液的凝固点降低 由于溶液蒸气压的下降 同样导致溶液凝固点的降低 难挥发非电解质稀溶液的凝固点下降与溶液的质量摩尔浓度成正比 而与溶质的性质无关 tf Kfb 式中 tf是溶液凝固点下降值 K b是溶液的质量摩尔浓度 Kf是凝固点下降常数 不同溶剂的Kf值不同 见P48表2 9 武汉大学土木工程化学2012 几种溶剂的沸点升高与凝固点降低常数 武汉大学土木工程化学2012 利用凝固点下降测定相对分子质量根据沸点上升与凝固点下降与浓度的关系可以测定溶质的相对分子质量 由于凝固点下降常数比沸点上升常数大 实验误差相应较小 而且在达到凝固点时 溶液中有晶体析出 现象明显 容易观察 因此利用凝固点下降测定相对分子质量的方法应用很广防冻液 冷冻剂例如在严寒的冬天 汽车散热水箱中加入甘油或乙二醇等物质 可防止水结冰 食盐和冰的混合物作冷冻剂 可获得 22 4 250K 的低温 冰加CaCl2的凝固点为218K此外 溶液的凝固点降低在生产 科研方面也有广泛的应用 应用 武汉大学土木工程化学2012 利用凝固点下降测定相对分子质量 测定相对分子质量 M TB KbmB Tf KbmBmB 武汉大学土木工程化学2012 利用凝固点下降测定相对分子质量例 已知m 1 09g ma0 20g p 101 325Kpa Tb 0 156 Kb 4 512Kmol 1Kg 求相对分子质量M 武汉大学土木工程化学2012 4 溶液的渗透现象 1 渗透压 溶剂分子通过半透膜向溶液扩散的过程 称为渗透 动物的膀胱 肠衣 细胞膜是天然的半透膜 人工半透膜有硝化纤维膜和醋酸纤维等高分子薄膜 由渗透作用引起的溶剂与溶液两边的压力差称为渗透压 当玻璃管内外的液面差达到某一高度时 水分子向两个方向渗透的速率相等 渗透作用达到平衡 玻璃管内的液面停止上升 此时玻璃管内液面高度所产生的压强 称为该溶液的渗透压 武汉大学土木工程化学2012 Van tHoff指出 稀溶液的渗透压与其浓度和热力学温度成正比 设稀溶液的渗透压为 物质的量 浓度c 温度为T 溶质的物质的量为n 溶液的体积为V则或Van tHoff渗透压方程式 当 的单位为Pa 体积的单位为m3时 比例常数R的值为8 314 Pa m3 mol 1 K 1或J mol 1 K 1 ni为V体积中所含不能透过半透膜的溶质的 物质的量 Van tHoff方程式表明 难挥发非电解质稀溶液的渗透压 在一定温度时 只和溶液物质的量浓度成正比 也就是和一定体积溶液中溶质物质的量 mol 成正比 武汉大学土木工程化学2012 渗透在动植物的生活中有着非常重要的作用 细胞膜是一种很容易透水而几乎不能透过溶解于细胞液中的物质的半透膜 动植物体都要通过细胞膜产生渗透作用 以吸收水份和养料等 人体的体液 血液 组织液等 都具有一定的渗透压 对人体进行静脉注射时 必须使用与人体体液渗透压相等的等渗溶液 血液渗透压为723Kpa 输液时若 723Kpa 等渗溶液血红细胞收缩 细胞浆分离 若 723Kpa溶液血红细胞涨裂 出现溶血的现象 273Kpa为等渗溶液 如临床常用的0 9 的生理盐水和5 的葡萄糖溶液 否则将引起血球膨胀 水向细胞内渗透 或萎缩 水向细胞外渗透 而产生严重后果 同样的道理 如果土壤溶液的渗透压高于植物细胞液的渗透压 将导致植物的枯死 所以不能施用过浓的肥料 在化学上可以利用渗透作用来分离溶液中的杂质 近年来 电渗析法和反渗透法的新技术引起了人们的关注 普遍应用于海水 咸水的淡化 渗透作用的应用 武汉大学土木工程化学2012 渗透作用的应用 如果在右图中U形管的右侧蔗糖溶液上 施加比其渗透压更大的压力 就会倒转自然渗透的方向 使蔗糖溶液中的水分通过半透膜扩散到纯水中去 这一过程叫做反渗透 可利用反渗透的原理进行苦碱水 海水的淡化 还可用于工业废水处理 重金属盐的回收以及稀溶液的浓缩等 武汉大学土木工程化学2012 2 3 3液体燃料 石油有 工业的血液 黑色的黄金 等美誉 自20世纪50年代开始 在世界能源消费结构中 石油跃居首位 石油产品的种类已超过几千种 石油是国家现代化建设的战略物资 许多国际争端往往与石油资源有关 现代生活中的衣 食 住 行直接地或间接地与石油产品有关 石油是由远古时代沉积在海底和湖泊中的动植物遗体 经千百万年的漫长转化过程而形成的碳氢化合物的混合物 直接从地壳开采出来的石油称之为原油 原油及其加工所得的液体产品总称为石油 石油是碳氢化合物的混合物 含有1 50个左右碳原子的化合物 按质量计 其碳和氢分别占84 87 和12 14 主要成分为直链烷烃 支链烷烃 环烷烃和芳香烃 石油中的固态烃类称为蜡 此外 石油中还含有少量由C H O N和S组成的杂环化合物 原油中硫含量变化很大 大约在0 7 之间 主要以硫醚 硫酚 二硫化物 硫醇 噻吩 噻唑及其衍生物的形式存在 氮含量远低于硫 约为0 0 8 以杂环系统的衍生物形式存在 如噻唑类 喹啉类等 此外 石油中还含有其它的微量元素 武汉大学土木工程化学2012 石油 石油的成分十分复杂 在炼油厂 原油经过蒸馏和分馏 得到不同沸点范围的油品 包括石油气 轻油 溶剂油 汽油 煤油和柴油等 及重油 润滑油 凡士林 石蜡 沥青和渣油等 将重油经过催化裂化 热裂化或加氢裂化等方法 可生产出轻质油 燃料油在氢气和催化剂 铂系和钯系贵金属 存在下 环烷烃甚至链烃组分进一步转化为辛烷值较高的芳香烃 称之为重整 轻质油品经加氢精制使含有的杂环化合物脱除硫和氮 可提高油品质量 原油经过一系列炼制和精制 获得了各种半成品和组分 然后再按照用途和质量要求调配得到品种繁多的石油产品 这些产品按用途可分为两类 燃料 如液化石油气 汽油 喷气燃料 煤油和柴油等 和化工原料等 武汉大学土木工程化学2012 2 3 4表面活性物质 表面张力物质表面层中的分子与相内 又称为体相 分子所处的力场是不同的 如图所示 某纯液体与其饱和蒸气接触 液体内部的任一分子 皆处于同类分子的包围中 统计地看 该分子与其周围分子之间的吸引力是球形对称的 合力为零 故液体内部的分子 可以无规则的运动而不消耗功 表面层中的分子则不同 液体内部的分子对表面层分子的吸引力远大于气相分子对它的引力 使表面层中的分子受到指向液体内部的引力的合力 结果是表面的分子总是趋于向液体内部移动 以缩小表面积 如微小液滴总是呈球形 肥皂泡要用力吹才能变大 这说明液体表面处处都存在着一种使液面紧缩的力 我们就把这种沿着液体表面 垂直作用于单位长度上的紧缩力 称为表面张力 surfacetension 用 表示 武汉大学土木工程化学2012 表面活性剂SAA 如图所示的三类吸附中 第3类物质特别有用 人们将这类加入少量即可使表面张力急剧降低的物质称为表面活性剂 surfaceactiveagent SAA SAA是一类具有极广泛用途的物质 它有润湿 助磨 乳化 去乳 分散 增溶 发泡和消泡 消除静电等作用 其独特的性质是与其结构密切相关的 它们的分子都是由亲水性的极性基团和憎水 亲油 性的非极性基团 一般为长碳氢链 构成 可用RX表示 式中R表示憎水 亲油 的长碳氢链 X则表示亲水基团 这种双亲的结构决定了它独特的性质和应用 从SAA双亲结构的分子模型可知 在水溶液中 其亲水基受到极性水分子吸引 有竭力进入水中的趋势 憎水性的非极性基则倾向翘出水面或钻入非极性的有机溶剂或油类的另一相中 使SAA分子定向地排列在界面层中 因此SAA加入纯水中时 其分子主要排列于溶液的表面层 稍增其浓度 其绝大部分分子仍将自动地聚集于表面层 使水和空气的接触面减小 溶液的 急剧降低 当其浓度足够大 在液面上排满一层定向排列的SAA分子 形成单分子膜后 在溶液本体开始形成具有一定形状的胶束 它是由若干个SAA分子排列成憎水基团向内 亲水基团向外的多分子聚集体 人们把形成一定形状的胶束所需SAA的最低浓度 称为临界胶束浓度 以CMC criticalmicelleconcentration 表示 c c 1 2 3 武汉大学土木工程化学2012 润湿 wetting 润湿 we