固体化学1绪论

信息、计算机、生物、光 学
功能材料
能量转换、储存、传输
26 光电、压电、磁光、热电
固体材料的化学分类
传统无机非金属材料 ——硅酸盐材料 新型无机非金属材料
无机非金属材料
固体材料
——半导体材料、超硬 耐高温材料、发光材料等
金属材料 --- 金属、合金、金属间化合物
高分子材料 --- 塑料、合成橡胶、合成纤维
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二、室温和低热固相化学反应 “固相化学反应只能在高温下发生”
这一认识，在化学家的头脑中已根深蒂固，
而事实上许多固相反应在低温下便可发生。
研究低温固相反应并开发其合成应用 价值的意义是不言而喻的。
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1993年Mallouk教授在Science中的评述如下： 传统固相化学反应只能在较高温度下存 在，它们在高温时分解或重组成热力学稳 定产物。为了得到介稳态固相反应产物， 扩大材料的选择范围，有必要降低固相反 应温度。
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主要内容：
绪论 玻璃与粉末多晶 固体中的缺陷 固相反应 固体中的扩散 固体表面化学
固体中的化学键
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第一章 绪论
本章基本要求： 1、熟悉固体化学的定义； 2、掌握固体化学的研究领域；
3、熟悉固体化学发展的前沿领域。
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第一节 固体化学的研究内容
1、什么是固体化学？ 在固体科学中，有许多相互交叉的领域， 如固体物理、固体化学、材料科学、陶瓷学、 矿物学和冶金学等。 其中，固体化学是物理科学的一个分支， 它是固体科学中最核心的部分，什么是固体 化学呢？
Journal of Materials Chemistry
Advanced Materials
Angewandte Chemie ---International Edition
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固体化学专著
1、 《固态化学》---- 吕孟凯（山东大学出版社， 1996） 2、 《固态化学导论》--- 苏勉曾（北京大学出版 社，1987 ）
1987 ）
3、 《固态化学及其应用》--- West A R著，苏勉曾、谢
高阳、申泮文等译（复旦大学出版社，1989 ） 4、 《无机材料科学基础》 --- 陆佩文等编（武汉工业大 学出版社，1996） 5、 《无机材料物理化学》--- 周亚栋编（武汉工业大学 出版社，1994）
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6、 《固体化学》--- 潘功配编（南京大学出版社， 2009） 7、 《无机材料科学基础》--- 潘群雄等编（化学工 业出版社，2007） 8、 《无机材料物理化学》--- 贺蕴秋等编（化学工 业出版社，2005） 9、 《无机材料科学基础》--- 张其士编（华东理工 大学出版社，2004） 10、 《无机材料物理化学》--- 叶瑞伦主编（天津大 学出版社，1984） 11、 《无机固体化学》--- 洪广言编（科学技术出版 社，2002）
Chemistry）的定期召开大大推动了固体
化学的研究进程。
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由于固体化学的研究内容十分广泛，
因此各位作者在编写固体化学专著时所
采用的侧重点会有所不同。
但是其最为基本内容都应包括以 下六个部分：
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（1）固体物质的合成； （2）固体的组成和结构； （3）固相中的化学反应； （4）固体中的缺陷； （5）固体表面化学；
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现在的固体化学研究相当活跃，国际 上也创办了一些著名的专业期刊，如： Journal of Solid State Chemistry Journal of Alloys and Compounds Solid State Ionics Solid State Communication
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Thin Solid Films Journal of Physics: Condense Matter The Journal of the American Ceramic Society
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由此可见，降低反应温度不仅可获得更
新的化合物，为人类创造出更加丰富的物质
财富，而且可以最直接地提供人们了解固相
反应机理所需的实验佐证，为人类尽早地实
现能动、合理地利用固相化学反应，进行定
向合成和分子组装以及最大限度地发掘固相
反应的内在潜力创造了条件。
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室温或低温下固---固反应的四步机理：
1、固相间的扩散； 2、反应物进行固相反应； 3、反应物开始形成晶核； 4、晶核进一步生长。
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低温固相反应的特点： 作为绿色合成化学的低热化学反应，
具有节能、高效、无污染及工艺过程简
单等优点，它不仅使合成新的化合物成 为可能，也为材料的制备提供了一种新 的方法。
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三、超微粒子与纳米相功能材料 在工程上，把粒径小于0.5微米的粒子称为 超微粒子。 科学家根据粒径对材料性质的影响，把粒 径为0.1 --- 0.001微米（即1---100纳米）的超微 粒子称为纳米粒子。
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固体物质也可以按照其原子排列的有 序程度来进行分类，即分为晶态和非晶态；
其中，晶态固体具有长程有序的点阵结
构；非晶态固体的结构类似液体，只在几
个原子间距的量程范围内（即原子处在短
程时）处于有序状态，而长程范围内原子
的排列没有一定的格式，如玻璃和许多聚
合物等。
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固体物质也可以按照固体中原子之间
LDU
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课程简介
• • • • • • • 课程编号：2407141 课程中文名称：固态化学 课程英文名称：Solid State Chemistry 课程类型：专业限选课 适应专业：材料化学 总学时：36 学分： 2
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主要参考资料
1、 《固态化学》---- 吕孟凯（山东大学出版社，1996）
2、 《固态化学导论》--- 苏勉曾（北京大学出版社，
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新的合成方法如下：
1、溶胶-凝胶法
2、共沉淀法
3、水热和溶剂热合成法
4、微波法 5、气相输运法
其中，溶胶-凝胶法及水热和溶剂热合成 法是软化学合成中比较重要的两种方法。
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软化学合成的原理：
在中低温或溶液中，使反应在分子状
态上均匀混合，通过生成前驱体或中间体
（此反应过程可以人为控制），最后生成
的化学键来进行分类，即把固体物质分为
离子晶体、共价晶体、金属晶体、分子晶
体和氢键晶体等。
实际晶体中，往往不是一种纯粹的化
学键在起作用，而是包含有几种键型。
例如，ZnS中的共价键里就含有约30%
的离子键成分。
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又如层状结构的石墨中，每一层内的每
个碳原子以三个电子与邻近的三个碳原子
以共价键结合，组成片状六角形的平面蜂 巢结构； 另一个电子则为该层内所有碳原子所共 有，形成大л键； 层与层之间则以范德华力相互作用。
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•
固体化学是一门专门研究固体物质
的制备、品质鉴定、结构和性能以及它
们之间相互关系的科学。
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固体化学是介于物理学和化学之间的一
门交叉学科。
固体化学不同于固体物理学，后者更侧 重于对固体的物理性质的解释； 固体化学也不同于结晶化学，后者是强 调结晶固体的结构及其规律；
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固体化学是把固体物质的制备、鉴定、 结构和性能统一起来加以研究形成一门新 学科。 即固体化学主要研究固体物质（包括材
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固体化学发展的前沿领域主要有六个方面： 一、固体无机化合物和新材料的新合成 方法；
二、室温和低热固相化学反应； 三、超微粒子与纳米相功能材料；
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四、层状化合物与高温超导； 五、原子簇化合物与C60；
六、生物无机固体化学。
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一、固体无机化合物和新材料的新合成方法
通常采用高温固相反应来制备固体无机 化合物和新材料。 此方法的缺点： 1、反应温度过高（大于1400 oC）; 2、消耗能量大； 3、反应过程难于控制；
改进目前正在使用的固体材料的性能； 另一方面又要希望能够不断创造出性能 更加优异的新材料。 因此，材料的改进与创新在很大程度上
都依靠于对固体化学的了解和固态化学研究
的不断深入。
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4、固体材料的分类 从材料的化学组成来分，主要有金属材
料、无机非金属材料、有机高分子材料以
及复合材料； 按照材料的使用性能可分为结构材料和 功能材料两大类； 其中，结构材料主要使用材料的的力学
3、 《固态化学及其应用》--- West A R著，苏勉、 《无机固体化学》--- 洪广言编（科学技术出 版社，2002）
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固体化学专利、专著的问世及学术 会议（如国际固体化学研讨会ISSSC--International Symposium on Solid State
质、建材、机械、电子、石油化工、航空 航天等每个领域都与材料科学、固体化学 有着密切关系。
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（2）固体化学作为一个学科的出现，是 建立在物理学、化学、晶体学、和材料科 学发展的基础之上的。
固体化学的发展反过来也必将推动物理
学、化学、晶体学、和材料科学的发展。
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随着材料科学技术的发展，一方面需要
自从1986年发现层状K2NiF4结构镧钡铜 氧(La1-xBa)2CuO4是一种高温超导体以来， 人们对超导材料的研究一直比较感兴趣。
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在液氮温度（4.2K）下，汞的电阻会出 现零电阻，这种现象被称为超导。如下图所 示：
零电阻现象 电 阻
/Ω 温度/K
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但是，汞金属的超导状态在很弱的磁场 中就会被破坏。 进一步的研究表明，要成为超导状态， 温度T、磁场强度H和电流密度J都必须分 别处于临界温度Tc、临界磁场强度Hc和临 界电流密度Jc以下。
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因此，石墨晶体中既包含有共价键， 又包含有大л键和范德华力，从而使得石 墨表现出固体物质的多重性质：
质地柔软光滑、容易磨碎、密度小，