《工程化学基础》教案物质的化学组成和聚集状态.docx
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《工程化学基础》教案物质的化学组成和聚集状态
《工程化学基础》教案-第2章
1第二章物质的化学组成和聚集状态
工程化学
2目录
一物质的化学组成
二固体
三液体和液晶
四气体和等离子体
第2章物质的化学组成与聚集状态目录
3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
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
一物质的化学组成
4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置排列在其周
围形成的复杂化合物
英语中称做CoordinationCompound或Complex
Compound意为协同化合物或复杂化合物
1配位化合物
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
5[PtNH34NO2Cl]CO3
中
心
离
子
内界
配离子
外
界
K4[PtCl6]
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
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
6配位化合物的命名
二苯合铬0CrC6H62
八羰合二钴0Co2CO8
硫酸二乙二胺合铜Ⅱ[Cuen2]SO4
氯化乙酸根二氨合铜Ⅱ[CuNH32CH3COO]Cl
氯化二氯一水三氨合钴Ⅲ[CoNH33H2OC12]Cl
四碘合汞Ⅱ酸钾K2[HgI4]
六氯合铂Ⅱ酸钾K4[PtCl6]
乙二胺四乙酸合镁Ⅱ酸钠Na2[MgY]
二氯二羟合锌Ⅱ酸H2[ZnOH2C12]
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
7Cu2
H2N
H2N
NH2
NH2
CH2CH2
CH2CH2
Ca
O
N
CH2
CO
O
O
N
O
CO
CH2
CH2
CH2
CO
CH2
CH2CO
2-
[CaY]2配离子
多齿配体与螯合物螯合物的稳定性很强
螯合物的稳定性很强是因为螯合效应的结果
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
8反式-二氯二氨合铂Ⅱ
Pt
H3NCl
ClNH3
Pt
NH3Cl
ClNH3
顺式-二氯二氨合铂Ⅱ
例如
具有抗癌活性无活性
配合物的结构与性能具有相同化学组成的配合物可能有不同的空间结构
并表现出不同的性能
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
9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109m量级左右
2团簇
金属簇如LinCunHgn
非金属簇如CnNnArn
分子簇如H2OnNaCln
常规FeCoNi等是铁磁性的但它们的团簇可以是超顺磁
性的
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
10
磁性材料的磁性随温度的变化而变化当温度低于居里点
时材料的磁性很难被改变而当温度高于居里点时材
料将变成顺磁体paramagnetic其磁性很容易随周
围的磁场改变而改变
如果温度进一步提高或者磁性颗粒的粒度很小时即便
在常温下磁体的极性也呈现出随意性难以保持稳定的
磁性能这种现象被就是所谓超顺磁效应Superpara
MagneticEffect
超顺磁性
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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金刚石石墨C60的结构示意图
cC60原子数为202428323650607084120
其中C60的丰度最高C70次之C60是1985年发现的
a金刚石b石墨
碳团簇
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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SmalleyRECurlRF和英国化学家KrotoHW因对开拓
这个新领域的贡献荣获1996年诺贝尔化学奖
CsC60
HW克鲁托
HaroldWKroto
RE史沫莱
RichardESmalley
RF柯尔
RobertFCurl
发现C60的三位科学家
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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碳纳米管
1991年发现了碳纳米管也称布基管
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
密度是钢的16而强度却是钢的100倍
碳纳米管的结构示意图
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
太空天梯
14
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
LaH276Fe1xOSn1xO2PbO188
3非整比化合物
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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阳离子过剩或阴离子短缺的化合物
Zn1xONaCl1x
由混杂缺陷产生的非整比化合物
Na12xCaxClCa1xYxF2xZr1xCaxO2xLixSi1xAlO2
究其原因是晶体中存在着缺陷
阳离子短缺或阴离子过剩的化合物
Cd1xSUO2x
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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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
彩色电视发光材料用的红粉绿粉和蓝粉
Y2O2SEu3Y2O2STb3CaSr10PO46C12Eu3
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
录音磁头合金Co090Fe006Ni002Nb00278Si22xBx
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
17
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C2H52Zn
C6H5TiOC3H73C2H54PbRMgXR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
2σ键化合物
3非经典键化合物
4金属有机化合物
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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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
RMR2M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
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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2σ键化合物
第IIIAVIIA族和第IBIIB族元素与有机基团主要以σ共价
键结合形成化合物如R2HgC2H54PbCH33SnCl等
具有挥发性对空气稳定一般溶于非极性溶剂
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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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π电子之间相互
作用而生成的π配合物如CrC6H62FeC5H52二茂铁
[KPdCl3CH2CH2]过渡元素与羰基等配合形成同时含σ键
和π键的金属有机化合物如羰基金属MCOn
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
21
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NiCO4在稍高温度下分解便得
到纯镍
Nis4CONiCO4l
43oC
50oC
金属有机化合物应用实例
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
挥发性四羰基镍的毒性比一氧化碳还大
22
MC键CC键容易在MC处断裂
例如三丁基铝A1C4H93热分解得到金属铝膜
CO键MO键易在CO键处断裂
SiOC2H54SiO2H2O[CH]碳氢化合物700℃
化学气相沉积ChemicalVaporDepositCVD
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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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
5高分子化合物
nHCHOn
OHOH
CH2
n
nH2O
世界上第一个合成高分子是1907年诞生的酚醛树脂
无机高分子
有机高分子
天然高分子
纤维素蛋白质淀粉木质素
合成高分子
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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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
Cl
CH2CH
n
聚合物
nCH2CHClCH2CHCH2
Cl
CHCH2
Cl
CH
Cl聚合
聚合度
加成聚合与缩合聚合
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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nH2NCH26NH2
己二酸己二胺
nHOOCCH24COOH
2n1H2O
聚酰胺66或尼龙66
]nOH
聚酰胺66经过缩聚反应制得
H[NHCH26NHCOCH24CO
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
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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碳链高分子化合物主链中均是CC键
主链中引入了ON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SiPO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
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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一些高分子化合物及其单体
CF2CF2聚四氟乙烯
聚苯乙烯聚异戊二烯
ClCHCH2聚氯乙烯
CH3CHCH2聚丙烯
CH2CH2聚乙烯
单体化学式名称
CH2CH2n[]
CHCH2n[]
CH3
CHCH2n[]
Cl
CHCH2n[]
CF2CF2n[]
CH2CH2n[]CCH
CH3
CHCH2
CH2CCHCH2
CH3
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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CH2CHCN聚丙烯腈
聚环氧乙烷
聚甲基丙烯
酸甲酯
H2NCH26NH2
HOOCCH24COOH聚酰胺
单体化学式名称
O
[]nNHCH25C
CH2Cn[]
COOCH3
CH3
CH2CH2n[]O
NHCH25CO
CH2CCOOCH3
CH3
CH2CH2
O
OO
NHCH26NHCCH24C[]nHOH
CHCH2
CN
n[]
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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聚二甲基
硅氧烷
HCHO酚醛树脂
HOCH2CH2OH聚对苯二甲酸
乙二醇酯
聚丙烯酰胺
单体化学式名称
CH2CH2n[]
CO
H2N
CC
OO
CH2CH2n[]OO
OH
CH2n][
SiOn[]
CH3
CH3
SiOHOH
CH3
CH3
OH
COOHCHOO
CH2CHCNH2
O
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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CH2CHCNCH2CHCHCH2
单体
化学式
ABS名称
CHCH2x[]
CN
CH2CH2y[]CHCHCHCH2z[]
CHCH2
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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高分子化合物的命名
4以高分子化合物的主要用途或最初用途表示命名如乙烯-丙
烯共聚物称乙丙橡胶聚酰胺高聚物称尼龙或锦纶
1在单体或组成特征前面加聚Po1y-
2在单体后面加树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
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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一些常见高分子化合物的名称
SBR
BR
IR
EPR
Butadiene-styrenerubber
cis-14-Polybutadienerubber
cis-14-Polyisoprenerubber
Ethylene-propylenerubber
丁苯橡胶
顺丁橡胶
异戊橡胶
乙丙橡胶
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
橡胶
PETP
PAPAN
PVA
Polyethyleneterephthalate
Polyhexamethylene
adipamide
Polyacrylonitrile
Polyvinylacetal
涤纶的确良
锦纶66
或尼龙66
腈纶
维纶
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
纤维
PE
PP
PVC
PS
ABS
Polyethylene
Polypropylene
Polyvinylchloride
Polystyrene
Acrylonitrile-butadiene-styrene
copolymer
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
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
塑料
英文
缩写英文名称
习惯名称或
商品名称化学名称
高分子
材料
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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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
6生物分子
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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1自由基
OHO2NO
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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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
2蛋白质
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
36
人体细胞含有3000至10000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α-碳上有一个
氨基NH2的有机羧酸α-氨基酸
氨基酸
结构通式RCHNH2COOH
氨基酸可分为脂肪族芳香族和杂环族三类
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
3710
9
8
7
6
5
4
3
2
1
序号
赖氨酸
蛋氨酸
异亮氨酸
亮氨酸
缬氨酸
苏氨酸
半胱氨酸
丝氨酸
丙氨酸
甘氨酸
中文名称
Lys
Met
IleI
LeuL
ValV
ThrT
Cys
SerS
AlaA
GlyG
英文缩写
CH2CH2CH2CH2NH2
CH2CH2SCH3
CHCH3CH2CH3
CH2CHCH32
CHCH32
CHOHCH3
R基团的结构
NH2
COOHCHHH3C
NH2
COOHCH
HOCH2
NH2
COOHCHNH2
COOHCHHSCH2
20种氨基酸的名称和结构
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
38
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
序号
脯氨酸
组氨酸
谷氨酰胺
谷氨酸
精氨酸
苯丙氨酸
天冬酰胺
天冬氨酸
酪氨酸
色氨酸
中文名称
PrOP
His
Gln
Glu
Arg
PheF
Asn
Asp
Tyr
Trp
英文缩写R基团的结构
CH2
CH2CH2COOH
CH2COOH
CH2CONH2
CH2
NHCH2OH
CH2CH2CH2N
H
C
NH
NH2
CH2CH2CONH2
NNH
CH2
NHH
COOH
续表
表中带者为人体必需氨基酸
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
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除甘氨酸外其余19种氨基酸的α-碳原子都与4个不相同的
基团相连这种结构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
CH
H2N
HOOC
R
C
COOH
NH2
H
R
手性分子
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
40
生物界10101012数量级的蛋白质种类
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
简单蛋白质完全由氨基酸组成
结合蛋白质除蛋白质外还有非蛋白质成分
辅基或配基
41
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
血红蛋白由四个亚基构成每个亚基
由一条肽链和一个血红素分子构成
血红蛋白
血红素分子是一个具有卟啉结构的小分子在卟啉分子
中心由卟啉中四个吡咯环上的氮原子与一个亚铁离子
配位结合珠蛋白肽链中第8位的一个组氨酸残基中的吲
哚侧链上的氮原子从卟啉分子平面的上方与亚铁离子配
位结合当血红素不与氧结合的时候有一个水分子从
卟啉环下方与亚铁离子配位结合而当血红素载氧的时
候就由氧分子顶替水的位置
42
蛋白质的空间结构
蛋白质的空间结构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VanderWaals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
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
43
在α-螺旋结构中
多肽链中各肽
键平面通过α-
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α-
螺旋几乎都
是右手螺
旋
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
44
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
45
蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构
tertiarystructuer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α-螺旋
β-折迭β-转角
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
46
3核酸
核酸因首先发现于细胞核并且具有酸性而得名它们
由磷酸脱氧核糖或核糖有机碱组成
DNA和RNA之间主要是戊醛糖和嘧啶碱有区别
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
47
嘧
啶
碱
嘌
呤
碱含
氮
有
机
碱
戊醛糖
H3PO4H3PO4酸
RNADNA核酸
组成
N
N
N
N
O
H2N
N
N
N
N
NH2
H
H
H
腺嘌呤A鸟嘌呤G腺嘌呤A鸟嘌呤G
N
N
N
N
O
H2N
N
N
N
N
NH2
H
H
H
CH3
H
H
H
N
N
O
O
N
N
NH2
O
N
N
NH2
O
N
N
O
OH
H
H
胞嘧啶C胸腺嘧啶T胞嘧啶C尿嘧啶U
OOH
OH
HOH2C
-D-2-脱氧核糖
HOH2COOH
OHOH
-D-核糖
DNA和RNA的组成单元
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
48
在DNA分子中存在4种脱氧核糖核苷其结构如下
HN
N
N
N
NH2
N
N
N
N
O
H2N
O
OH
HOH2CHOH2CO
OH
O
OH
HOH2CO
OH
HOH2C
CH3HN
N
O
O
N
N
NH2
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
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
49
蛋白质
逆转录酶
转录酶RNA
酶
复制
DNA
酶
复制
翻译
酶
中心法则示意图核酸是遗传信息的携带者与传递者
中心法则
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
50
复制DNA→DNA
表达
DNA→mRNA→
蛋白质
中心法则的补充RNA的反转录RNA的自我复制DNA指导的蛋白
质合成
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
51基因是一个特定的DNA片段
基因
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
一个基因通常有10005000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
核心就是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
根据基因图谱使药物治疗个性化提示预防措施精确用药
52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
内嵌基因芯片的基因检测装置
基因芯片又称DNA芯片含有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40100万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
基因芯片
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
53基因工程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
基因工程的直接目的就是改造生物
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
对于外周血管阻塞病人导入血管内皮生长因子基因可
使局部血管增生形成侧肢循环来恢复血供
对于晚期恶性肿瘤患者将一些细胞因子基因导入体内
通过增强机体免疫功能而使肿瘤得到抑制
如何导入基因人造生命
54
4糖类糖类主要由CH和O三种元素组成大多具有通式
CnH2On故又称碳水化合物糖类物质由植物光合作用合成
nH2OnCO2CnH2OnnO2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
C6H12O66O2→6H2O6CO2
第2章物质的化学组成与聚集状态一物质的化学组成
55
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