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上一篇文章回顾：化学是什么？-第5章 化学是能源的开拓者（2）
材料是人类用以制造社会生活所需的物品、器件和进行各项工程施工所需的物质，是具有某些特定性能的化学品。化学和其他科学技术结合在一起战天斗地、发展生产所依靠的物质就是材料。有了冶金化学家冶炼出的钢铁等各种金属材料，以及无机化学工程人员通过化学配料、烧结磨细所生产的水泥和玻璃，才能建设起高耸入云的大厦和拦截长江的三峡大坝。半导体材料的成功制备使现代个人电脑的体积下降到最初电子管电子计算机的百万分之一，而计算速度却快上千万倍。高分子材料的成功开发，使人类社会面貌变得丰富多彩，人们的衣着和生活处处都离不开它。材料化学家和物理学家一起，制造出能够直接将太阳能转换为电能的多晶硅和单晶硅，使太阳能的大规模利用成为可能。压电陶瓷能精确地测量出微弱的压力变化，用来制造地震测量装置，十分准确地报告地震发生的地点和烈度，及时进行施救，减少灾害引起的伤亡损失。用于制造人体器官的生物医用材料，将给人类提高生命质量、延长人的寿命带来希望。材料既是人类社会进步的里程碑，也是支撑起人类文明的支柱。
化学是什么？化学是一门与研制生产、分析测试和发展利用材料相关的基础科学。
地壳中含量最多的10种元素及其所占的质量分数（％）列于下表：![]()
由上表可见，铁在地壳中的含量仅次于氧、硅和铝，居第4位，它主要以＋2价和＋3价的氧化物和硫化物等矿物形态存在。铁的氧化物有3种：氧化亚铁（FeO）、三氧化二铁（Fe2O3）和四氧化三铁（Fe3O4）。FeO是黑色晶体，不稳定，在空气中受热会氧化成Fe3O4。Fe2O3是红棕色晶体，俗称赤铁矿。Fe3O4（FeO·Fe2O3）是具有磁性的黑色晶体，俗称磁铁矿。赤铁矿和磁铁矿都称铁矿石，是炼铁的主要原料。钢铁是铁和碳形成的合金体系的总称，是用量最大、对国计民生最重要的金属材料。它的优势地位源于下列因素：① 铁在地壳中含量多，许多地方铁矿富集，易于开采；② 铁矿石可通过热化学方法冶炼成金属，成本低廉；③ 金属铁富延展性及其他优良的物理性质；④ 容易在冶炼中添加其他物料，得到适应各种用途需要的合金；⑤ 可通过浇铸、压模、锻打、冷轧和淬火等多种处理工艺，改变其组成、形状和物性，满足使用的要求。2018年，我国的钢产量达到9亿吨，这为我国国民经济的发展提供了雄厚的物质基础。大量的铁是在炼铁高炉中用焦炭还原铁矿石得到的。冶炼时为了除去杂质和造渣的需要，需加石灰石和二氧化硅等原料。为了能源的充分利用和降低成本，炼铁高炉规模很大，是人工制造的最大的化学反应器，一个大型高炉每天可生产一万多吨生铁，而且一旦开炉冶炼，就要求日夜不停地生产，不能停顿冷却。图6.1.1示出炼铁高炉的结构及其中不同高度上主要的化学反应。![]()
图6.1.1 炼铁高炉示意图
纯铁是一种银灰色光泽的金属。常压下熔点为1538℃，沸点2738℃。在20℃时，密度为7.87g·cm-3。铁是磁性物质，这源于原子结构中3d轨道上存在的未成对电子。纯铁质软、强度差，只有把铁炼成钢并除去硫和磷等杂质，才有较高的硬度和强度。钢中的含碳量是影响钢的性质的关键。钢铁中含碳量小于0.02％的叫纯铁，大于2.0％的叫生铁，在此之间的叫钢。钢中含碳小于0.25％者为低碳钢，介于0.25％～0.60％者为中碳钢，大于0.6％者为高碳钢。从高炉出来的铁含碳约3％～4％，是生铁。
钢的化学性质和物理性质，例如耐腐蚀性、磁性、强度和韧性等依赖于它的化学组成和热处理工艺。在碳钢中加入一定数量的一种或多种其他元素，形成品种多样的合金钢，它的品种数目超过千种。冶金化学家根据用户订货时所要求的钢的性能，以及炼铁和炼钢时所用原料的化学成分，精心地进行配料、设计冶炼和热处理工艺，以达到用户所需求的性能。下面举几类不同用途的合金钢。（1）工具钢。适用于制作刀、斧、锉等，钢的性能要硬度高、耐磨性好。通常是在高碳钢中加入钼、钨等元素。
（2）结构钢。适用于架设桥梁铁轨和建造房屋等，要求具有坚和韧的特点，坚是指它能经得起各种应力的考验，韧是指它在承受巨大负荷的情况下也不断裂，只是发生一点塑性变形。通常是在中碳钢中加入锰、硅等元素形成。（3）超高强度钢。适用于制造装甲车、坦克和潜艇等，它能较好地抵抗枪弹和炮弹。生产这类钢材，除选用合适的化学成分的钢外，特别要注意热处理工艺。（4）不锈钢。在海水或酸性溶液中不会生锈的钢，它具有耐热性和抗氧化性，抗腐蚀能力高，适用于制造化工厂中的反应器、海水净化装置及多种家用设备。耐酸不锈钢中通常含Cr（16％～18％）、Ni（6％～8％）及其他元素。（5）硅钢。用于制造电力变压器中的铁芯，它含硅量高。
钢铁材料的生产从19世纪起产量不断增加，成本不断降低。在材料工业中，一直占统治性的主导地位。20世纪60年代，合成高分子材料的发展，部分取代了钢铁材料。但不同国家情况差别较大，到20世纪末，美国钢铁生产进入饱和期后，他们从经济和环境保护出发，减少本国钢产量，进口部分钢铁，并大力发展新材料。日本和欧共体也开始进入饱和期。在21世纪，我国钢产量跃居世界第一，2014年全球钢产量达到16.6亿吨，中国钢产量达8.2亿吨，约占全球产量的50％，这为我国经济和社会的高速发展提供了雄厚的物质基础。在未来钢铁材料的生产中，化学仍起重要作用，要考虑原料的可持续供应；要努力降低能耗，降低二氧化碳和污染物的排放；要开发生产自主品牌新的超细晶、高均匀性、高性能的优质特种钢材。
铝是地表蕴藏量最多的金属元素。由于铝是活泼金属，极易和氧气反应结合，冶金化学家采用电解熔融氧化物生产。三氧化二铝（晶体名称为刚玉）熔点很高，2050℃，需熔化在冰晶石（Na3AlF6）中，在950～960℃进行电解得到金属铝。铝是一种银白色金属，熔点660℃，沸点2519℃，密度2.702 g·cm-3，仅为铁的1/3，其比强度可与合金钢相比。铝的导电性、电热性及耐蚀性均较优良。铝在大气中虽极易与氧气作用，但在金属铝表面生成一层牢固而致密的Al2O3薄膜，即可防止铝继续氧化，使铝材稳定光亮，而不会出现像钢材生锈的现象。铝没有低温脆性，而有可塑性和较好的延展性；在0℃以下，随着温度降低，其强度和塑性却均有提高，而不降低；铝无磁性，冲击铝材不会产生火花。由于金属铝具有上述特性，以及铝-镁系、铝-锰系合金的成分和组织比较简单，塑性好，焊接性好，特别是耐腐蚀性好；铝-镁-锌系、铝-镁-铜系、铝-镁-硅系等系列合金的强度较高。化学家在研究以铝为基础的各种合金体系的组成、结构和性能，制作出成本低廉、性能优异的金属材料方面，已作出重大贡献。现在航空、电子、汽车、火车、建筑等各行各业已广泛地采用由铝合金通过冷热加工而得的薄板、管材、线材、箔材和棒材。铝中加入少量锂（及其他元素）所制成的铝锂合金，具有质轻而比强度和比刚度高的特点，是航空、航天的理想结构材料。例如，一架大型民航客机的蒙皮改用铝锂合金，飞机重量可减轻50 kg，为提高航速、节约燃油作出很大贡献。
钛具有其他金属难以比拟的特性，它熔点高达1668℃，密度较小，为4.5 g·cm-3，介于铝和铁之间；线膨胀系数小，为8.5×10-6/℃，是铝的1/3、铁的2/3；金属钛受热时热应力小；导热性差，仅为铁的1/5、铝的1/13。钛的强度高，加入适量的合金元素，可得强度极高的合金，在-253～600℃之间，比强度居常用金属材料之首。钛的表面容易形成一层致密的氧化物保护膜，因而具有优异的抗腐蚀性能。钛对海水的抗腐蚀性特别强，在常温下不和无机酸、有机酸和碱起反应，但能溶于热盐酸、热硝酸及各种浓度的氢氟酸。钛合金的耐蚀性比金属钛更优异。上述高强度、低密度的钛合金材料，在航空工业和军事工业中备受关注重用。一架波音777型飞机用钛合金材料达57吨，一架美国F15战斗机用钛合金24.5吨。钛合金是重要的战略物资材料。钛材料的耐蚀性，使它在医疗、化工、石油等行业得到广泛应用，如生产尿素的反应塔、氯碱和氯酸盐电解的电极、纯碱工业、海水淡化中的诸多设备都要用钛合金，甚至个人生活中所戴的高品位的眼镜框架也用钛合金制造。钛合金具有优秀的生物兼容性、耐腐蚀、无磁性等优良性质，这使它成为重要的生物医用材料，用以制造植入人体的人造骨和关节。钛-镍合金具有形状“记忆”功能，通称形状记忆合金。用这种合金加工成一定的形状后，加热到一定温度再冷却，用外力将它变成另一种形状，随后再加热到一定温度，它又自动恢复到原先加工成的形状。这种形状记忆合金有重要的应用。例如，我国嫦娥一号登月卫星的太阳能电池板采用形状记忆合金制作成伸展形的两翼，卫星发射前将它加热冷却，折叠成层状，紧贴在卫星表面的外侧，待卫星发射升空后加热，它就会自动伸展成平整的两翼。又如用形状记忆合金作合金管的接头，先将该管加工成内径稍小于待接管外径的套管，在接管前将此套管在室温下加以机械扩管，使其内径稍大于待接管的外径，将它和待接管套接在一起，将接头加热，接管外径恢复到原来较小的内径，将两管牢固而紧密地连接在一起。随着电脑和智能手机等的高速发展，制造触摸屏的重要材料金属元素铟的用量随之高速增加，若按现在的增长速度继续使用铟，其资源的储备量只够再使用20年。研究开发新材料铟的问题已摆在材料化学家面前。
合成高分子材料是指通过化学合成的方法得到分子量在一万到百万甚至更高的一类化合物，它常由一种或多种单体以共价键重复地连接而成。高分子在自然界中大量存在，食用的淀粉、蛋白质，穿的棉、麻、丝、毛，住的竹和木都是高分子，连人体本身大部分的结构物质也是高分子。通过化学方法合成所得的高分子，从20世纪后半叶起得到了迅速发展，除人们已熟知的塑料、橡胶、纤维三大类合成材料外，还包括涂料、胶黏剂、液晶、离子交换树脂、生物医用高分子材料、复合材料以及各种高功能高分子材料。高分子工业是随着石油化工的发展而发展起来的，它的工业结构可示意如表6.2.1。高分子材料快速发展的原因：一方面是原料丰富、适合现代化生产、经济效益高；另一方面是高分子材料具有许多优越性能，适合社会发展的需求。人们从高分子发展的面貌，也就看到了化学的面貌，实际地了解化学是什么。![]()
生产高分子材料的原料，目前主要是原油。原油大部分制成汽油、煤油和柴油等燃料油，只是利用它燃烧放出的热能。组成油料的C和H等原子，变成CO2和H2O排放到大气中，没有加以利用，而且CO2成为温室气体，影响环境气候，没有物尽其用，实在可惜。化学家多么盼望原油的大部分能作为生产高分子的原料，身价百倍地成为人们日常所需的高分子制品。现代社会进行的工农业生产和日常生活，无一不和高分子材料相联系：① 农业生产所用的农用薄膜、粮食果品的包装；② 建房的油漆、室内的家具、包裹电线的绝缘材料；③ 工业生产的飞机、汽车、火车等交通工具；④ 人们日常用到的器皿，穿戴的衣帽鞋袜，随身携带的手机、电脑等，都和高分子材料有关。化学在研制和加工高分子材料中起了关键作用。化学就在你的身边，和你的生活紧密地结合在一起。下面从高分子纤维、高分子薄膜和生物医用高分子三方面了解它们和化学的关系。
化学纤维是指用天然的或人工合成的高分子化合物为原料，经化学加工制成的纤维，又称人造纤维，简称化纤。根据原料来源的不同，化纤可分为两类：（1）再生纤维。以天然高分子物质，如纤维素为原料制得。例如人造棉、大豆蛋白纤维等。（2）合成纤维。以石油、天然气等为原料，先制得单体（如乙烯、丙烯、氯乙烯……），再聚合得到高分子化合物，利用抽丝设备，制成各种合成纤维，它不仅生产率高、产量大，且具有比天然纤维更优越的性能。它的强度大、弹性高、耐磨、耐化学腐蚀、不会发霉、不怕虫蛀、不缩水，做成的衣服挺括美观、坚固耐用，不仅改善人们的衣着，而且在工农业生产、国防和尖端科技方面有十分重要的用途。因此合成纤维的发展极为迅速，大规模投产的品种多达四五十种，其中生产数量大而最重要的是锦纶、涤纶、腈纶和丙纶等。
锦纶为尼龙纤维的简称，由于高分子链间存在氢键，尼龙丝坚固耐磨，易洗美观。涤纶是聚酯纤维，织成的布料具有牢固、易洗、快干、免熨烫、挺括舒展等特点，深受大家喜爱。腈纶是可代替羊毛的聚丙烯腈，具有柔软轻盈和保暖力强的特点，在阴湿天气摸起来也是温暖的，它还抗细菌和蛀虫，若制成絮片状的“太空棉”，有高于鸭绒的保暖性。维纶为聚乙烯醇纤维的简称，有“合成棉花”的美誉，它吸湿性比棉花大，用维纶做的衣服没有闷气的感觉。丙纶是聚丙烯纤维的简称，它质轻而强度大，耐腐蚀，吸湿性几乎为零，用它抽成细丝纤维织成的布，轻、薄、透气而不会被雨淋湿，雨水在布面上形成小水珠，一抖即落，广泛用于制作工作服和雨衣、蚊帐、渔网等。现在世界的纺织业已大大发展，织布很少用单一品种的纤维，而是根据人们的需要以及各种纤维的特长，混纺而成。常见的纺织品：人造棉、涤纶弹力呢、锦纶丝袜、腈纶毛线和丙纶地毯等，都是用纯的合成纤维或合成纤维和天然纤维（棉、毛、丝、麻）按不同比例混纺而得。世界纺织纤维的产量和演变可由表6.2.2看出，化纤产量的份额明显越来越多。
表6.2.2 化纤产量和所占份额
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膜的基本功能是从物质群中有选择地透过或输送特定的物质，例如分子、离子、电子和光子等。农业生产中用的农用薄膜是由聚氯乙烯吹制而成，其功能是能透过阳光而不透气，用它建立小温室，可以保持湿度、温度并得到阳光。利用膜的分离功能，已在许多方面得到实际应用，例如：![]()
由聚二甲基硅氧烷（![]()
）制成的薄膜，相对不同气体透过系数不同，氧和氮的透过系数比约为2。利用这个特性可用于富集氧气，用于炼钢可提高钢铁的质量和产量，用于燃烧炉可以节约能源，热效率高，节约时间。用醋酸纤维素膜按图6.2.1组成海水淡化的装置，因它只让水通过薄膜而不让盐通过，将左边盐水加压（＞3 MPa）超过海水渗透压，通过薄膜到右边的水就是淡水。海水淡化是极为重要、关系到国计民生的大工程，是摆在化学家面前的重要研究课题。![]()
合成高分子材料在医疗方面的应用，近年来有很大的发展。人的肌体随着年龄增长不可避免地走向衰老，各个器官的机能逐渐减退；另外，疾病和意外事故也会造成器官和组织的破坏和损伤。如何解决这些问题，器官移植是个理想办法，但由于人体对外来器官有排异作用，加之器官的来源和保存有很多困难，所以研究和应用人工合成的生物医学材料制作的器官，就成为医学和化学的重要课题和任务。除各种合金、陶瓷等类材料外，合成高分子材料应用和研究的面更广。
硅橡胶是指以硅原子代替碳原子合成的一类橡胶，它无毒无味、透气性好，对血液具有适应性，广泛应用于制造人工血管、心瓣膜、心脏、起搏器、气管、咽喉、食道、胆道、膀胱、角膜等器官。硅橡胶是指以硅原子代替碳原子合成的一类橡胶，它无毒无味、透气性好，对血液具有适应性，广泛应用于制造人工血管、心瓣膜、心脏、起搏器、气管、咽喉、食道、胆道、膀胱、角膜等器官。作为生物医学材料的塑料，除具备一定的强度、韧性和血液相容性外，还要不被水解、不释放小分子。它在人体内外各个器官都已有应用，如表6.2.3所示。
表6.2.3 各种塑料在医学上的应用
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