材料化学2

nullnull沈培康 教授 Advanced Energy Materials Research Laboratory Tel：84036736；Fax： 020 84113369 E-mail: stsspk@mail.sysu.edu.cn Website: www.fuelcellscn.com《材料化学》 Chemistry for Materials null先进能源材料研究室 Advanced Energy Materials Research Laboratory 研究方向简介 www.fuelcellscn.comnull 中山大学先进能源材料研究室创建于2001年底。研究室旨在通过对新型材料的基础研究，深化理论，开拓思路，研制先进、新颖的材料和产品，促进新材料产业化生产的进程。研究室建立以来积极开展国内和国际间的学术交流及合作，注重产、学、研结合，承担各类基础研究和攻关项目，并不断加强研究团队的建设和开拓研究范围，目前已取得较大的发展。研究室拥有多名具有博士和硕士学位的研究人员，与国内外的高等院校、研究机构和从事燃料电池和相关产品生产的企业有紧密的联系和合作。本研究室拥有多项专利成果。本研究室的设备和研究条件已达到国际水平。已承担多项国家及地方科研项目。 　　本研究室的主要研究方向包括新能源（燃料电池、化学电源）、纳米功能材料和纳米应用技术、微观电化学和现场谱学电化学。null1，承担多项国家和广东省自然科学基金项目； 2，承担多项863、广东省和地方政府的重大科技攻关项目； 产学研和企业合作研究项目； 3，发论文180多篇，其中SCI论文130多篇，专利30余项； 4，与国内外多家大学与研究机构合作：美国、意大利、希 腊、新加坡等； 5，主办了四次国际燃料电池会议； 6，多项成果转化： 高成绿能—便携式燃料电池; 美国通用汽车—新型燃料电池催化剂； 日本新神户公司--电极材料。null沈培康教授11篇论文入选ESI高被引论文获颁学院年度最佳科研奖    根据 2011年1月更新的科学引文数据库（ESI），在ESI的高被引论文榜（Highly Cited Papers）中，中山大学物理科学与工程技术学院、光电材料与技术国家重点实验室、先进能源材料研究室的沈培康教授共有11篇论文入选工程、化学和材料学科领域的高被引论文。    高被引论文在ESI数据库又称Top Papers,是美国科学情报所（ISI）在基于SCI和SSCI所收录的全球1万多种学术期刊的1000多万条文献而建立的计量分析数据库中，列出的在22个学科里被引用次数排在前1%的论文。ESI数据库每2个月更新一次，此次统计时间跨度为2000年1月至2010年10月。ESI数据库以其重视论文质量指标而成为科学界日渐看重的相对客观、权威的评价工具，充分反映了世界范围内的学术机构、科学家的国际学术影响力和竞争力。     2010年11月，荷兰《电化学通讯》杂志社公布了“2005-2009年《电化学通讯》最高被引论文奖”，沈培康教授2006年发表在该杂志的论文入选其中（中山大学报12月曾报道）。     2010年12月，英国《电化学学报》（Electrochimica Acta）主编Sergio Trasatti发来贺信，祝贺沈培康教授团队在该期刊上发表的论文“Oxide (CeO2, NiO, Co3O4 and Mn3O4)-promoted Pd/C electrocatalysts for alcohol electrooxidation in alkaline media”，53（5）2610-2618 (2008) 成为该期刊2008年7篇最高引用次数论文之一。     2011年1月，为表彰沈培康教授在应用基础研究取得的优秀成果及产学研方面的成绩，物理科学与工程技术学院把学院2010年最佳科研奖颁发给了沈培康教授。（国家重点实验室供稿）null1，氢能与燃料电池 催化剂、膜、极板 2，高能二次化学电池 正极、负极材料一，先进能源材料与装置null中孔纳米链状结构 碳化钨/碳载体及催化剂催 化 材 料碳化钨基 催化材料钯基催化材料碳化钨/碳载体及催化剂碳化钨/多壁 碳钠米管载体及催化剂球形碳化钨载体及催化剂钯/多壁碳钠米管催化剂钯/TiO2纳米管催化剂钯/介孔蜂窝状碳催化剂纳米氧化 物基催化材料Chem. Rev. 39, 335 (2009) (IF=35.957)相关研究成果null相关产品催化材料nullnull三，微观电化学和现场谱学电化学1，纳米电化学 2，现场红外光谱电化学null实验室基础条件1，人员：现有教师、博士后、博士生、硕士生、工程人员二十多名。 2，现承担研究项目多项。 3，仪器条件： 美国Arbin公司的燃料电池试验系统 法国 VoltaLab 80电化学综合测试仪 德国ZAHNER-Elektrik公司的IM6e电化学工作站 美国Delsa 440SX纳米粒度测试仪-Zeta电位测定仪 美国PAPSTAT 263A恒电位/恒电流仪 美国Nicolet 5700 FT-IR 红外光谱仪 美国PAPSTAT 2273 电化学综合测试系统 美国QCM922电化学石英微天平 美国UNICO公司的紫外-可见光谱仪 等等。。。。nullGroup Members/2011null研究室特点和优势1，瞄准科学研究前沿方向； 2，产、学、研密切结合； 3，团队精神突出：团结紧张、自由活泼。 4，研究思路广泛； 5，实验装备国际水平； 6，研究经费充足；null研究室地点：物理楼201、202、203、204、205、206、207室null1.1.2.2 液体 液体（liquid）的分子结构介于固体与气体之间，微观粒子不象晶体那样排列有序，也不象气体那样处于完全无序的状态。组成液体的微观粒子之间的相互作用，既不象晶体以化学键或分子间力相互结合，也不象理想气体分子间可视为无相互作用力，呈单分子形式存在。由于液体微观状态介于固、气之间，因而宏观上液体的流动性、可压缩性、密度、可扩散性也介于固体与气体之间。液体具有各向同性的特点。null 液体有一定的体积，却没有一定的形状，可充满整个容器，所以液体的形状决定于容器的形状。在外力作用下，液体的被压缩性小，不易改变其体积，但流动性较大。由于受重力的作用，液面呈水平面，即和重力相垂直的表面。从微观结构来看，液体分子之间的距离要比气体分子之间的距离小得多，所以液体分子彼此之间是受分子力约束的，在一般情况下分子不容易逃逸。 null（I）溶液的分类 溶液是由两种或两种以上的纯物质组成，且以分子或离子形态相互分散的状态存在的单相分散系统。按物质的聚集状态的不同，将溶液分为： a，气态溶液 气体之间相互混合的溶液 b，液态溶液 是指气体、液体或固体溶于液体中所形成的溶液 c，固态溶液 是指两种以上的固体物质在受热熔融冷却后形成的固态均匀系统，又叫固熔体null（II）电解质溶液通性 电解质溶液的第一特性就是其水溶液可以导电，这是由于电解质是一类在水溶液中可以解离生成正离子和负离子的物质，在外电场的作用下，离子发生迁移运动，因此，电解质溶液可以导电。 根据电解质的解离能力的不同，将电解质分为强电解质(解离度大)和弱电解质(解离度小)。强电解质的理论解离度为100％，弱电解质的解离度仅有百分之几。null(III) 液体的凝固 当对一种液体降温时，液体分子的运动速度逐渐降低，到一定程度后，液体分子将采取定向排列变成固体，这一过程称为液体的凝固（freezing）。在一定外压下当液体凝固时，体系的温度保持不变，此时的温度称为液体在该压力下的凝固点Tf（freezing point）。外压不同，凝固点数值不同。有的液体的凝固点随外压的增大而升高，有的液体相反，其凝固点随外压的增大而降低。在外压为101.3 kPa时，液体的凝固点称为正常凝固点（normal freezing point）。null 与过热现象类似，在某些条件下液体也存在过冷现象（supercoo1ing phenomena）。在一定外压下，如果一种纯液体的温度达到甚至低于其凝固点而不发生凝固的现象称为过冷现象(见图)。 过冷状态也是液体的一种不稳定状态，过冷状态一旦被破坏，凝固将迅速进行，由于凝固速度太快，形成晶体的质点将有一部分来不及进行完全有序的定向排列，此时形成的晶体往往会有缺陷。null（IV）液晶 液晶（liquid crystals）是一大类新型材料，它是晶态向液态转化的中间态。液晶体首次发现距今已有一百多年了。1888年，奥地利的植物学家Reinitzer在观察从植物中分离精制出的安息香酸胆固醇的熔解行为时发现，此化合物加热至145.5oC固体会熔化时，呈现一种介於固相和液相之间的半熔融流动状液体。这种状况会一直维持温度升高到178.5OC才形成清澈的均相液态。1889年，研究相转移及热力学平衡的德国物理学家O. Lehmann对此化合物做了更详细的分析。他在偏光显微镜下发现，此黏稠状流动性液体化合物具有异相晶体所特有的双折射率性质，即光学异相性，故将这种似晶体的液体命名为液晶。 null 液晶的力学性质，像液体，可以自由流动。它的光学性质却像晶体，分子排列比较整齐，有特殊的取向，分子运动也有特定的规律，具有晶体的有序性。从某个方面来看，液晶既有液体的流动性，又具有表面张力（surface tension）。表面张力是指液体表层分子间的引力。但从另一方面看，液晶的分子排列杂乱无章，只有近程有序的特点，而没有不可改变的固定结构。因此，它也呈现某些晶体的光学性质（如光学的各向异性、双折射、圆二向色散等）。 null 液晶材料主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有机物。液晶也存在于生物结构中。日常生活中，适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。目前已经发现或人工合成的液晶材料已达五千多种。按照液晶形成的条件不同，可分为热致液晶和溶致液晶两大类。液晶态的获得一般有两种方法。一种是采用降温的方法，即将熔融的液体降温，当降温到一定程度后分子的取向有序化，从而获得各向异性熔体，这种液晶称为热致液晶，只存在于某一温度范围内。另一种方法是将有机分子溶解在水或有机溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加，溶剂的浓度减小，可以使有机分子排列有序，从而获得各向异性溶液，这种液晶态称为溶致液晶。null根据分子的不同排列情况，液晶可分为 向列型（nematic）线状液晶 胆甾型（cholesteric） 近晶型（smectic）层状液晶 null 具有单一取向，而不是长程有序的简单排列的液晶称为向列型（也称线状液晶）。这种液晶分子在空间上具有一维的规则性排列，所有棒状液晶分子长轴会选择某一特定方向作为主轴并相互平行排列，但排列较无序（见上图）。另外，其黏度也较小，所以较易流动(它的流动性主要来自对於分子长轴方向较易自由运动)。线状液晶就是现在的TFT液晶显示器常用的TN (twisted nematic)型液晶。null 由手性分子组成的液晶称为胆甾型。名字的来源是因为大部份是由胆固醇的衍生物所生成的，但有些没有胆固醇结构的液晶也会具有此液晶相。如果把这种液晶一层一层分开来看，很像线状液晶。但是在Z轴方向来看，会发现它的指向矢随着层的不同而像螺旋状一样分布。对于胆甾型液晶而言，与指向矢的垂直方向分布的液晶分子，由于其指向矢的不同，就会有不同的光学或是电学的差异，因此也造就了不同的特性。null 在近晶型（层状液晶）排列状态下，其结构是由液晶棒状分子聚集一起，形成层结构，每一层的分子之长轴方向相互平行，且此长轴方向对于每一层平面是垂直或有一倾斜角。由于其结构非常近似於晶体，所以称做近晶型，其秩序参数S(order parameter)趋近于1。在层状型液晶层与层间的键结会因为温度而断裂，所以层与层间较易滑动。但每一层内的分子键结较强，所以不易被打断。因此就单层来看,不仅排列有序，且黏性较大。 null 就其指向矢的不同再分类出不同的近晶型液晶。当其液晶分子的长轴都是垂直站立时，就称之为Sematic A phase（齐端）。如果液晶分子的长轴站立方向有某种的倾斜角度，则称之为Sematic C phase。因为，它们在层与层之间没有相同的位置规律，所以，一般成为二维液晶。null1）液晶显示器 目前市场上的液晶显示器主要有TN，STN及TFT三种。TN结构最简单，其显示品质、反应速度及视角较差，主要应用於显示简单数字与文字的小尺寸萤幕。如电子表、呼叫器等。STN的显像品质及反应速度较TN好且快，主要应用於对反应速度要求较快，但显像品质尚可的应用领域。如个人数位助理,行动电话、笔记本电脑等应用领域。随著TFT技术的发展成熟，在显像品质、反应速度上超越TN及STN型甚多。其应用领域偏向於高画质且反应速度更快的产品。如大尺寸笔记本电脑、液晶投影机、液晶显示器等产品。 null（1）TN型(twisted nematic) TN型液晶显示器的基本构造为上下两片导电玻璃基板,其间注入向列型液晶,上下基板外侧各加上一片偏光板，并在导电膜上涂布一层摩擦过形成极细沟纹的配向膜。由於液晶分子拥有液体的流动特性,很容易顺著沟纹方向排列，当液晶填入上下基板沟纹方向，以90度垂直配置的内部，接近基板沟纹的束缚力较大，液晶分子会沿著上下基板沟纹方向排列。中间部份的液晶分子束缚力较小，会形成扭转排列，因为使用的液晶是向列型的液晶。液晶分子扭转90度，故称为TN型。null（2）STN型(super twisted nematic) TN型液晶显示器在早期电子表上使用甚多，但其最大缺点为光响应速度较慢，容易形成残影。新一代的STN液晶显示器其基本工作原理和TN型的工作原理大致相同，但是在液晶分子的定向处理和扭曲角度不同。STN显示元件必须预做配向处理，使液晶分子与基板表面的初期倾斜角增加。此外，STN显示元件所使用的向列型液晶中加入微量胆甾型液晶使向列型液晶可以旋转角度为80-270度，约为TN 的2-3倍，故称为super twisted nematic型。 null（3）TFT型(thin film transistor) TFT型液晶显示器（薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器）与前两种显示器在基本元件及原理上皆类似，最大的不同点为驱动方式的不同。TN型和STN型皆采用单纯矩阵式电路驱动，而TFT型则采用精密矩阵式电路驱动。 TFT型的液晶显示器较为复杂，主要的构成包括了萤光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄模式晶体管等等。只要改变刺激液晶的电压值就可以控制最后出现的光线强度与色彩，进而能在液晶面板上变化出不同深浅的颜色组合。null2) 彩色液晶显示器 彩色液晶材料是彩色液晶显示器的关键基础材料之一，直接决定了液晶显示器的显示质量及可靠性等重要性能。我国研制成功了宽域彩色液晶材料，并成为世界上第三个掌握彩色液晶材料核心技术的国家。null（V）离子液体 离子液体常被称为室温离子液体（Room temperature ionic liquids），是指在室温或室温附近温度下呈液态的仅由离子组成的物质。组成离子液体的阳离子一般是有机阳离子，常见的有四类。阴离子可为无机阴离子或有机阴离子（如[PF6]-、[BF4]-、[AlCl4]-、[CF3SO3]-等）。 null1，烷基咪唑阳离子 2，烷基吡啶阳离子 3，烷基季铵离子 4，烷基季鏻离子null 离子液体具有以下几个无与伦比的优势： （1）几乎没有蒸气压，不易挥发，从而在使用过程中不会给环境造成很大压力； （2）具有较大的稳定温度范围（-100-200ºC）、较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口； （3）通过阴阳离子的设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，并且其酸度可调至超酸性，因此可通过一定的阴阳离子的组合设计任意的离子液体。 更能引起化学家感兴趣的是，离子液体可以反复多次使用。 null1）离子液体的分类 离子液体包括两大类： 一类是简单的盐，由有机阳离子和阴离子组成，有机阳离子通常包括有季铵阳离子、季膦盐阳离子、杂环芳香化合物及天然产物的衍生物等。1,3-二烷基咪唑阳离子的离子液体是近年来研究的热点。null这类离子液体的化学结构为 当R1 为甲基时，通常将其表示为[Cnmim]X，其中n 是R2 烷基链上碳原子的数目。null 另一类是二元离子液体（即含有平衡的盐）。例，AlCl3（Ⅲ）和氯化1-甲基-3-乙基咪唑盐的混合物，它含有几种不同的离子系列，它们的熔点和性质取决于组成，常用[C2mim]Cl-AlCl3来表示这个络合物。其制备方法是将固体的卤化盐与AlCl3混合即可得液态的离子液体。但是，因反应过程放热量大，通常可交替将2种固体慢慢地加入已制好的同种离子液体中以利于散热。此类离子液体被研究得较早，对以其为溶剂的化学反应研究也较多。 null 离子液体的物理化学特性如熔点、粘度、密度、亲水性和热稳定性等，可以通过选择合适的阳离子和阴离子调配，在很宽的范围内加以调变。尤其是对水的相容性调变，对用于分离产物和催化剂极为有利。 null 熔点：熔点是作为离子液体的关键判据之一。离子液体要求熔点低，在室温下为液体。由不同氯化物的熔点可知，阳离子的结构特征对其熔点造成明显的影响。阳离子结构的对称性越低，离子间相互作用越弱，阳离子电荷分布均匀，则其熔点越低。阴离子体积增大，也会促进熔点降低。一般来说，低熔点离子液体的阳离子具备低对称性、弱的分子间作用力和阳离子电荷的均匀分布特征。null 溶解性：离子液体能够溶解有机物、无机物和聚合物等不同物质，是很多化学反应的优良溶剂。使用离子液体，需要系统地研究其溶解特性。离子液体的溶解性与其阳离子和阴离子的特性密切相关。 大多数离子液体的介电常数超过某一特征极限值时，可与有机溶剂完全混溶。 null 热稳定性：离子液体的热稳定性分别受杂原子-碳原子之间作用力和杂原子-氢键之间作用力的限制，因此与组成的阳离子和阴离子的结构和性质密切相关。例如，在氧化铝上测定的多种咪唑盐离子液体的起始热分解温度大多在400oC左右。与阴阳离子的组成也有很大关系。当阴离子相同时，咪唑盐阳离子2位上被烷基取代时，离子液体的起始热分解温度明显提高。而3位氮上的取代基为线型烷基时较稳定。 同时，离子液体的水含量也对其热稳定性略有影响。 null 密度：离子液体的密度与阴离子和阳离子有很大关系。比较含不同取代基咪唑阳离子的氯铝酸盐的密度发现，密度与咪唑阳离子上N-烷基链的长度呈线性关系。随着有机阳离子变大，离子液体的密度变小。这样可以通过阳离子结构的轻微调整来调节离子液体的密度。阴离子对密度的影响更加明显，通常是阴离子越大，离子液体的密度也越大。因此，设计不同密度的离子液体，首先选择相应的阴离子来确定大致范围，然后认真选择阳离子来进行密度微调。null 酸碱性：离子液体的酸碱性实际上由阴离子的本质决定。　1, 3 - 二烷基咪唑氯氧铝酸盐离子溶液的酸碱性调节null2）离子液体的合成 离子液体合成大体上有两种基本方法： 直接合成法 两步合成法null（1）直接合成法 直接合成法是通过酸碱中和反应或季铵化反应一步合成离子液体，操作经济、简便，没有副产物，产品易纯化。例如硝基乙胺离子液体就是由乙胺的水溶液与硝酸中和反应制备，中和反应后真空除去多余的水。为了确保离子液体的纯净，将除水产物重新溶解在乙腈或四氢呋喃等有机溶剂中，用活性炭处理，最后真空除去有机溶剂得到离子液体。另外，通过季铵化反应也可以一步制备出多种离子液体。null离子液体的合成（以咪唑盐的离子液体为例）通常采用以下路线 原料从咪唑或甲基咪唑开始，合成过程经过烷基咪唑的季铵化反应，生成含卤负离子X-的离子液体。常规的做法是在适当的有机溶剂中加热回馏进行。烷基咪唑在产物中难于除去，卤代烃稍过量，有利于烷基咪唑的季铵化，反应完全。null（2）两步合成法 如果直接法难以得到目标离子液体，就必须使用两步合成法。首先通过季铵化反应制备出含目标阳离子的卤盐( [阳离子]X型离子液体)，然后用目标阴离子Y-置换出X-离子或加入Lewis酸MXy来得到目标离子液体。在第二步反应中，使用金属盐MY，常用的是AgY或NH4Y，这时产生AgX沉淀或NH3、HX气体而容易除去。null 为得到含目标阴离子Y-的离子液体，咪唑盐中间体还需与相应的盐M+Y-发生复分解反应null3）　离子液体的设计 使用离子液体的一个重要方面就是要能选择适合的阴阳离子，调整离子液体的性质。如熔点、粘度、疏水性。可以通过对离子液体的设计，如接入特定的官能团等，则能满足特殊的需要。null（1）阳离子 研究较多的是咪唑阳离子。一般认为不对称的二烷基咪唑盐有较低的熔点。由于1,3-二烷基咪唑阳离子与阴离子有比较弱的相互作用力，且比其它季铵盐具有更好的热力学稳定性，所以，常采用此阳离子核。1-烷基-3-甲基咪唑盐接入高接枝和紧密烷基链使粘度降低，改变阳离子核烷基链长度和阴离子的性质可影响离子液体的含水量、密度、粘度、表面张力、熔点、热力学稳定性等。对于一系列1-烷基-3-甲基咪唑盐，从丁基逐渐增加烷基链长度至辛基，其疏水性和粘度增加，而密度和表面张力值降低。null（2）阴离子 阴离子的种类较多，有众多的选择。碳甲硼烷盐（CB11H-12）是离子液体的一个新发现，因其是最惰性的阴离子。但是，1位上很容易烷基化而生成新的衍生物， 熔点稍高于室温。[1-C3H7-CB11H11]- 在45 ℃时熔融，此盐也容易用强的亲电试剂取代硼氢键，从而可系统地改变这一阴离子的性质，这是传统有机溶剂所不具备的性质。而且它们非常弱的亲核性和氧化还原惰性可以分离新的超酸。 多数离子液体粘度均比一般有机溶剂大，为解决此问，有报道用二氰胺使离子液体粘度大大降低。此阴离子与N-丁基-N-甲基四氢吡咯、四烷基铵盐、或1-乙基-3-甲基咪唑阳离子结合，生成的离子液体熔点低于-10oC。 null4）　离子液体的应用   离子液体有着广泛的应用研究，下面列举几个方面。   （1）化学反应 以离子液体作反应系统的溶剂有很多好处。首先为化学反应提供了不同于传统分子溶剂的环境，可能改变反应机理使催化剂活性和稳定性更好、转化率和选择性更高。离子液体种类多，选择余地大。将催化剂溶于离子液体中，与离子液体一起循环利用。产物的分离可用倾析、萃取、蒸馏等方法，因离子液体无蒸气压，液相温度范围宽，使分离易于进行。null纳米ZnO的制备null在1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体 ( (Bmim) PF6) 中直接用电化学聚合方法制备聚 噻吩膜;在离子液体中制备的聚噻吩膜具有良好的 稳定性和充放电能力.E/ V(vs. Ag/ AgCl)null（2）分离 分离提纯产物一直是合成化学的难题。用水提取分离只适用于亲水产物，蒸馏技术不适宜用于挥发性差的产物，使用有机溶剂又会引起交叉污染。现在全世界每年的有机溶剂消耗达50亿美元，对环境及人体健康构成极大威胁。随着人们环境保护意识的提高，绿色化学的呼声在全世界范围内越来越高。设计安全的、环境友好的分离技术显得越来越重要。离子液体具有独特的理化性能，非常适合作为分离提纯的溶剂。尤其是在液-液提取分离上，离子液体能溶解某些有机化合物、无机化合物和有机金属化合物。 null（3）离子液体电解质 离子液体是理想的电解质，离子液体具有高离子电导率( > 10-4 S/cm)，宽的电化学窗口( > 4V)。氧化还原过程中高离子移动速率( > 10-14 m/s)、低挥发性、不可燃、良好的热稳定性和化学稳定性等优点。近几十年来,人们期待将其作为低成本电解质应用于充电电池、光电电池、电镀等电化学装置中。null1.1.2.3 气体   气体（gas）分子间的距离很大，分子间的相互作用力很小，彼此之间不能约束，所以气体分子的运动速度较快，它的体积和形状都随着容器而改变。又因为气体分子间的距离远远大于分子本身的体积，所以气体的密度较小，且很容易被压缩。任何气体都可以用降低温度或在临界温度以下压缩气体体积的方法使它变为液体。所以，对一定量的气体而言，它既没有一定的体积，也没有一定的形状，它总是充满盛它的容器。根据阿伏伽德罗假设（Avogadro’s Hypothesis），各种气体在相同的温度和压强下，在相同的体积里所包含的分子数都相同。null1.1.2.4 等离子体   等离子体（plasma）是电离的气体，由大量的自由电子和离子以及中性粒子组成的集合体，是物质的一种奇特聚集态。因此，等离子体又被称为物质的第四态或称等离子态。电离气体与普通气体明显不同，电离气体是带电粒子和中性粒子组成的集合体，普通气体则由电中性的分子或原子组成。 null 等离子体主要是利用等离子体发生器产生，即在低温下，通过电源以高频和高压的形式将气体介质激活，使之电离成等离子体。等离子体的温度依赖于等离子体的生成条件，特别是电流和压力。系统的电子温度和气体温度平衡时具有的温度为103~104K数量级的等离子体称为热等离子体。气体温度接近常温，而电子温度在1~105K的等离子体称为低温等离子体。热等离子体具有高能密度，用于强热源的金属切割和焊接。低温等离子体应用更为广泛，主要用于等离子体成膜、等离子体表面改性、等离子体蚀刻、射频激发离子镀、等离子体化学气相沉积等。 null1.1.3 相和相图   1.1.3.1 相与相数 在热力学上，把系统中物理性质和化学性质完全相同、均匀一致的部分称之为相（phase）。也就是说，在同一个相里，物质成分、结构与性质是完全均匀的。相与相之间有明显的物理界面，称为相界面（interface），在相界面上两相间的成分、结构与性质要发生突变。相具有三个特点。null（I）同一相的物理与化学性质完全均匀   一般来说，晶体结构相同的同种固体是一个相。即同一种物质尽管可以有不同的分散度，只要性质相同，仍为一个相。如将大颗粒CaCO3碎成小颗粒时，颗粒虽然不同，但它们的性质是相同的，颗粒不同的CaCO3仍属同一相。晶体结构不同的同种单质或化合物，则成为不同的相。不同物质之间，尽管相互分散得较均匀，仍不属同一相。 null（II）相与相之间有明显的宏观物理界面。   相有自身的物理和化学特性，越过相界面时物理或化学性质会发生突变。如水由液态变为气态时，越过了气、液相界面，其密度、折射率等性质就会改变。但应注意，具有明显界面的混合系统并非就是不同相，如粉碎的同一固体物质还是属于同一相。null（III）相的存在与物质的量无关。   如一滴液态水是一相，一桶液态水也还是一相。在体系内部，只有一个相的体系称为单相（均相）体系（homogeneous system）；若含有两个或两个以上的相的体系称为多相（非均相）体系（heterogeneous system）。在热力学上，把系统中所具有的相的总数称之为相数（number of phases），用符号φ表示。根据相的特点，气体、液体、固体可以有不同的相。 null 同一种物质在不同温度、压力等外界条件下，可具有不同的内部结构。在外界条件发生变化时，某物质由一种状态或结构转变成另一种状态或结构的过程称为相变（phase change）。因此，一个物质系统的相态和相数是随条件而变化的。如水在压力101.325 kPa、温度高于373.15K时为气态，相数为一；温度低于273.15K时为固态，相数为一；温度正好在273.15 K时为固、液两态，二相共存；而压力为0.611kPa、温度为273.16 K时为气、液、固三态，三相共存。 各种稳定的纯物质处于固态、液态、气态三个相（态）平衡共存时的状态，叫做该物质的三相点（triple point）。该点具有确定的温度和压强。 null1.1.3.2 物种数与组分数 任何一个物质体系都是由不同的被称为组分的元素或化合物所构成。物种数是系统中能独立存在的纯化学物质的种类数目，用符号s表示。如NaCl水溶液，尽管溶液中存在Na+、C1-和H+、OH-，由于它们均不能独立存在，所以NaCl水溶液的物种数是2，而不是6。 组分数（number of components）是指可以独立变化并足以确定热力学平衡体系中所有各相成分所需的最少物种数，用符号c表示。系统中的物种数，并不一定都是独立可变的数。因为某物种变化后，可能引起其他物种的变化。对于热力学平衡体系，组分数只能等于或小于所有各相的组成所需的最少物种数。 null 组分数和物种数是两个不同的概念，但有时两者却又是一致的。如在体系中没有化学反应，则 组分数 = 物种数 若在一定条件下发生化学反应并达到平衡，则 组分数 = 物种数 – 独立化学平衡数（R） null 在平衡体系中，除存在化学平衡式外，有时还有特殊的浓度限制条件。如NH3在高温下分解并达到平衡为：2NH3 = N2 + 3H2，体系中的三种物质之间存在一个化学平衡式，即R = 1。又因为此体系中N2与H2的摩尔比为1:3（因为N2和H2由NH3分解而得），指定了浓度比，这就是特殊浓度的限制条件。所以，只需指定NH3的量，便可确定该平衡体系的组成。这时 c = 3 - 1 -1= 1 null1.1.3.3 自由度与自由度数   可以在一定范围内任意改变而不引起相的产生与消失的最大的独立变动的强度因素（如温度、压力或浓度等）的数目，称为体系的自由度（degree of freedom），用符号ƒ表示。由于相的存在与物质的量无关，所以物质的量也就不影响相平衡，影响相平衡的仅是系统的强度因素。 自由度是热力学平衡体系的状态所需最少的独立强度性质的数目。 null 液态水有两个独立可变的因素，ƒ = 2； 当纯水与其蒸气共存互为平衡且要维持该平衡时，温度与压力两个强度性质之间只有一个可以独立变动的，另一个随之变化，此时ƒ ＝ 1； 当盐溶于水成为不饱和溶液单一相时，在液相不消失，同时也不生成新相的情况下，可在一定范围内独立变动的量为温度、压力、浓度，所以ƒ ＝ 3 ； 当饱和盐水溶液与固体盐二相共存时指定了温度与压力之后，饱和盐水的浓度为定值，这时ƒ ＝ 2。 null1.1.3.4 相律和相变   通常物质是以三种形态存在，即固态、液态、气态。也可称为固相、液相、气相。物质由一种状态或结构变成为另一种状态或结构的过程称为物质的变化即相变。相与相间必有明显可分的界面 。null 在单元复相体系中，两相平衡的条件是：两相的基本热力学函数之一的摩尔吉布斯(Gibbs)自由能或化学势（chemical potential）必须相等。 在多元复相体系中，多相平衡的条件是：在恒温、恒压条件下，体系中的任一组元在所有相中的化学势必须相等。 null 在任何多相平衡体系中，组分数、相数及自由度三者之间均是相互关联、相互制约的，且总是遵循一定的数量关系——相律（phase rule）。相律指在多相平衡系统中，联系系统内相数、组分数、自由度数及影响物质性质的外界因素（如温度、压力、重力场、磁场、表面能等）之间的数量关系的一种普遍性规律。 null1.1.3.5 相图分析   表示相平衡系统的状态与影响相平衡的强度因素之间关系的几何图形叫相平衡状态图，简称相图（phase diagrams）。相图是温度和压力对物质相态的影响的图形表示。相图可以提供有关相平衡的信息，是研究相平衡的基本工具。相图是由实验数据绘制得到的，可用成分及外界条件作为变量来绘制，但通常是用成分、温度及压力的变量来绘制，不是从理论上推导得出来。 null相平衡关系图 null 在相图中，相区按一定规则构成整个相图。这些规则是： （1）任何两相区的两侧必是两个单相区，而且它们所代表的相态分别是两相区所包含的两种相态。 （2）任何三相线都是水平线，在无相点重合的情况下三个相点分别位于水平线的两端和中间的某个交叉点，即三相线的两端分别顶着两个单相区，同时中间与另一个单相区相连。 （3）在临界点以下，任何两个相数相同的相区都不可能上下毗邻。即纵向观看相图，一个φ相区绝不会与另一个φ相区直接相连，由φ相区到另一个φ相区必定要经过φ±n（n为整数）个相区。故相图中的相区是上下交错的，称相区交错规则。这是相律的必然结论。null（I） 完全互溶双液系－蒸馏与分馏原理 null（II）盐－水体系   在简单低共熔体系中，诸如CaCl2和水组成的体系，这种盐水系统的相图（如图所示）与低共熔相似。盐溶于水，能使水的冰点降低 null（III）等边三角形表示三组分体系 （1）若有二个以上的三组分系统，它们的系统点的连线与三角形的某一边平行，则该线所对顶点其代表的％组成均相同。 （2）若两个三组分系统的系统点的连线通过某一顶点，则另外两个顶点所代表的组分的百分比相同。 （3）若两个三组分系统混 合成一个新的三组分系统，则 其系统点必位于原来两个三组 分系统的系统点连线上，并可 用杠杆规则求得其位置。 null（IV）二固体和一液体的水盐体系 如图所示，Adfe是含B含 C的溶液相，df和ef分别 是对B和对C的饱和溶液 线。f点叫共饱点，描有 结线的dfB和feC分别是固体B和固体C与溶液成两相平衡的二相区。落在二相区内的体系点遵循杠杆规则。△BCf区是二固一液三相区，落在三相区内的体系点（如O点）符合重心规则。