华南理工大学 有机部分复习.docx
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华南理工大学有机部分复习
有机部分：
1.什么是晶体，其主要特征是什么？
晶体包含几种主要结构?
晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地
排列。
其主要特征是
（1）晶体拥有整齐规则的几何外形，周期性。
（2）晶体拥有固定的
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（4）晶体可以使
X光发生有规律的衍射。
周期性规律是晶体结构中最基本的特征。
对于元素晶体来说，有六方密堆结构、面心立方结构、体心立方结构、简单立方结构、
金刚石结构；对于化合物晶体来说，有NaCI结构、CsCI结构、闪锌矿结构等。
晶体按其内部结构可分为七大晶系和14种晶格类型。
七大晶系分别为立方晶系（也称
等轴晶系）、四方晶系、三方晶系、六方晶系、正交晶系（也称斜方晶系）单斜晶系、三斜晶系。
2.晶体有几种结合形式，说明每种结合形式的特点。
晶体有离子性结合、共价结合、金属性结合和范德瓦尔结合四种不同的基本形式。
离子键接合是原子间发生电子的转移，形成正、负离子，并通过静电作用形成的化学键。
特点是：
（1）离子键的本质是静电引力
（2）离子键没有方向性（3）离子键没有饱和性（4）键的离子性与元素的电负性有关
共价键接合是分子中原子间通过共用电子对结合而形成的化学键，本质是静电相互作用
力，结合力的大小决定于共用电子的数目和重叠方式。
共价结合有两个基本特征：
饱和性
和方向性”特点：
（1）原子结合力是共价键；
（2）共价键具有饱和性、方向性；（3）原子
晶体为复式格子；（4）结构稳定，结合能约为800kj/mol;（5）低温导电性差，为绝缘或半导体，熔点高、硬度高；（6）能透射红外线。
金属性结合：
。
是由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成，
金属性结合的基本特点是电子的共有化”，也就是说，在结合成晶体时，原来属于各原子的价电子不被束缚在原子上，而转变为在整个晶体内运动，它们的波函数遍及整个晶体。
特点:
（1）采取密堆积的形式；
（2）结合能较高。
约为200kj/mol；（3）导电性好、热导率高、密度大、延展性好；（4）对红外线和可见光反射能力强，不透明，能透紫外线。
范德瓦尔结合则往往产生于原来具有稳固的电子结构的原子或分子之间，如具有满完层
结构的惰性气体元素，或价电子已用于形成共价键的饱和分子。
它们结合为晶体时基本上保
持着原来的电子结构。
特点：
（1）FCC结构；
（2）结合能较低，约为几kj/mol，结合力弱；
氢键：
氢键是一种极性分子键，存在于HF、H20、NF3等分子间。
由于氢原子核外仅
有一个电子，在这些分子中氢的唯一电子已被其他原子所共有，故结合的氢端就裸露出带正
电荷的原子核。
这样它将与邻近分子的负端相互吸引，即构成中间桥梁，故又称为氢桥。
氢键具有饱和性和方向性。
特点：
（1）饱和性--只能形成一个氢键；
（2）氢键较弱；（3）结合
能较低；（4）熔点低、沸点低、硬度小、导电性差。
3.简述形成高分子特定结构的物理原因或本质，并介绍聚合物有哪些类型，其特点是什么?
加工方法的影响因素？
在高分子中主要存在2种键，分别是非键合原子和基团之间存在范德华键合和基团与基
团之间的共价键。
原子与原子之间的作用力是吸引力还是排斥力取决于原子间的距离。
当原
子间的距离非常小时，它们之间将产生排斥力。
当原子间的距离非常大时，它们之间将产生吸引力。
，当原子间的距离刚好使得吸引力和排斥力处于相等的状态，即达到平衡态，此时分子中原子的几何排列就是其确定的分子结构。
通常对于由N值较小的分子组成的物质叫做齐聚物，从一种单体经聚合而得到的聚合物
称为均聚物”
从两种或两种以上单体合成的聚合物称为共聚物”
如果不同长度的侧链沿着（假想的）主链和沿着侧链是无规分布的，属无规支化高分子，由于它们类似于树木，故也叫树状高分子
高聚物的聚集态结构是在加工成型过程中形成的。
高分子材料使用性能直接取决于加工
成型过程中形成的聚集态结构
聚合物结构：
聚合物结构可分为链结构和聚集态结构。
链结构特点：
I链节本身的结构是由单体决定的，链节之间的连接方式（常称序列结构）对于缩聚物比较确定；若为加聚物，则单元链节的连接方式有头-尾、头-头或尾-尾相接之分，但大多数情况下以头-尾键接为主。
II结构单元的立体化学结构可有光学异构和顺反异构两种立体异构现象。
光学异构是由分子链中存有手型中心原子引起，若各手型中心的构型相同，称全同立构聚合物或等规聚
合物；若相邻构型相反并相间排列，则称间同立构聚合物或间规聚合物；若各手型中心无规
排列，即称无规聚合物。
III链的形状有线型、支链型和交联型（体型或网状）之分。
线型和支链型大分子彼此以
次价力相互作用，可溶于适当溶剂，加热也可熔化；交联型可视作许多线型或支链型大分子由共价键结合的网状或体型结构，交联度小的聚合物，加热可软化但不熔融，在溶剂中可溶
胀但不溶解；交联度大的则不溶解也不熔融。
高分子材料使用性能直接取决于加工成型过程中形成的聚集态结构。
链结构只是
间接影响高聚物材料的性能，而聚集态结构才是直接影响其性能的因素。
经验证明：
即使有同样链结构的同一种高聚物，由于加工成型条件不同，制品性能也有很大差
别。
例如：
缓慢冷却的PET（涤纶片）是脆性的；迅速冷却，双轴拉伸的PET（涤
纶薄膜）是韧性很好的材料。
所以，研究高分子聚集态结构特征、形成条件及其对
制品性能的影响是控制产品质量和设计材料的重要基础。
结晶取向程度不同，直接影响纤维和薄膜的力学性能；结晶大小和形态不同，可影响塑料制品的耐冲击强度、开裂性能和透明性。
4.导电高分子与传统高分子在结构上有何不同？
导电高分子为什么能导电？
如何进一步
提高其电导率？
举例说明其导电本质。
导电高分子是由具有共轭n键的高分子经化学或电化学掺杂”使其由绝缘体转变为导体
的一类高分子材料。
完全不同于由金属或碳粉末与高分子共混而制成的导电塑料。
导电高分
子的结构特征是由有高分子链结构和与链非键合的一价阴离子或阳离子共同组成。
在导电高
分子结构中，除了具有高分子链外，还含有由掺杂”而引入的一价对阴离子（p型掺杂）或对阳离子（n型掺杂）。
导电高分子与传统高分子在结构上的不同之处是在导电高分子的主链上含有交替的单
键和双键，从而形成了大的共轭n体系。
n电子的流动产生了导电的可能性。
高分子材料导电机制：
（1）一般高聚物主要是离子电导：
有强极性原子或基团的高聚物
在电场下产生本征解离，可产生导电离子。
非极性高聚物本应不导电。
但实际上要大许多数量级，原因是来自材料外部杂质（未反应的单体、残留催化剂、助剂以及水分）解离带来的。
（2）聚合物导体、半导体：
主要是电子电导。
如果想进一步提高其电导率，则可以对高分子进行掺杂，没有经过掺杂处理的导电聚
合物电导率很低，属于绝缘体。
其原因在于导电聚合物的能隙很宽（一维半导体的
不稳定性），室温下反键轨道（空带）基本没有电子。
但经过氧化掺杂（使主链失去
电子）或还原掺杂（使主链得到电子），在原来的能隙中产生新的极化子、双极化子
或孤子能级，从而使得导电性达到半导体或导体的电导率范围。
由于在导电高分子中存在孤子、荷电孤子、极化子和双极化子等多种载流子，所以能提高其电导率。
5.您认为如何进一步发展导电高分子材料？
目前虽然导电高分子材料具有独特的性能，但是它的发展还不是很成熟，我觉得应该从以下几个方面进一步发展导电高分子材料：
（1）提高电导率：
与其他金属相比，导电高分子的电导率还是相对比较低。
（2）增加它在空气中的稳定性：
导电性高分子中氧原子对水是极不稳定的，这是妨碍其实用化的最大问题。
（3）提高它的加工成型性：
导电高分子主链中的共轭结构使分子链僵硬，不溶不熔，
从而给自由地成型加工带来困难。
（4）掺杂剂无毒：
掺杂剂多是有毒的，如：
AsF5、12、Br2等。
（5）增强它的经济性：
其价格比金属及普通塑料高，难以实用化。
（6）进一步研究导电高分子的导电机制：
目前导电高分子理论很难合理解释导电高
分子中出现的电导率及磁化率异常的主要原困等方面。
（7）研制新型导电高分子：
开发低能隙、本征型导电高分子，使得它的性能能得到进一步的提高。
（1）理论上还沿用无机半导体理论和掺杂概念，在高分子材料导电领域需要新理论的
发展；
（2）需要加强导电聚合物的自构筑、自组装分子器件的研究；（3）改进加工性能、
力学性能以及稳定性。
（4）提高电导率：
与其他金属相比，导电高分子的电导率还是相对比较低；（5）增加它在空气中的稳定性：
导电性高分子中氧原子对水是极不稳定的，
这是妨碍其实用化的最大问题。
（6）提高它的加工成型性：
导电高分子主链中的共轭
结构使分子链僵硬，不溶不熔，从而给自由地成型加工带来困难。
（7）掺杂剂无毒：
掺杂剂多是有毒的，如：
AsF5、12、Br2等。
（8）增强它的经济性：
其价格比金属及
普通塑料高，难以实用化。
（9）进一步研究导电高分子的导电机制：
目前导电高分子
理论很难合理解释导电高分子中出现的电导率及磁化率异常的主要原困等方面。
（10）
研制新型导电高分子：
开发低能隙、本征型导电高分子，使得它的性能能得到进一步的提高。
6.半导体高分子结构特征是什么？
为什么？
结构特征：
1、大的n-共轭分子；2、平面结构；3、强的n-n相互作用；4、已结晶。
聚合物半导体通常具有长的共轭主链，其电子高度离域，有利于电荷传输•这类材料
的本征电导率并不大，但经氧化或掺杂后，电导率可变化20多个数量级，表现出导体或
半导体的性质•许多共轭聚合物主链可视为扩展的生色团，表现出类似染料的光物理特性
如光致发光、光电导、非线性光学等•
KHHHHH
IIIIII
聚合物电致发光器件的基本结构属于夹心式结构，即有机层被两侧电极像三明治一样夹
在中间，并且一侧为透明电极以便获得面发光。
阳极一般为有高功函数的氧化锢一氧化锡玻
璃电极（ITO）,阴极一般为低功函数的金属如：
Mg,Ca,AI或金属合金Mg:
AI等作为电极。
在这种结构中,rro层作为透明电极，在可见光范围内几乎没有吸收；透光性很好，在二极管里面产生的光由此向外辐射。
最上面的金属电极可以用热蒸发的方法成膜
有机聚合物电致发光器件的理想能带图如下
Vac・Level
CB
j
L
E.
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*
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HTL
EML
VI
i
1
1
BOWO
原因:
I具有共轭双键的化合物，相间的
n键与n键相互作用（n-n共轭效应），生成大n键。
由
于大n键各能级间
可的距离较近电子容易激发
:
在光照或其他条件下，产生载流子，使得高分
子能够导电。
II通过掺杂使材料获得载流子，从而具有导电性。
7•简单分析无机材料与高分子的导电性能差异。
导电高分子的掺杂概念来源于无机半导体，但与无机半导体的掺杂有本质区别。
主要有：
1掺杂率：
导电高分子的掺杂率在1%〜50%，通常超过6%才有较高的电导率,
2）掺杂后的载流子存在形式：
掺杂剂掺杂导电高分子后，在导电高分子中形成
孤子、荷电孤子、极化子和双极化子等各种载流子，同时掺杂剂本身形成了带正电
或负电的对离子依附在导电高分子链上。
而无机半导体掺杂后形成了电子或空穴两
种载流子。
3）掺杂后的结构：
导电高分子掺杂后主链原子发生了位移，但掺杂剂不能嵌人
到主链原子之间，只能存在于导电高分子的主链与主链之间。
而无机半导体的掺杂
剂是嵌入到无机半导体的晶格中。
7.如何描述高分子的聚集态结构？
它的结晶性如何？
如何分析其结晶度？
高分子的聚集态结构：
高分子链之间的排列和堆砌结构。
高聚物的基本性质取决于高分子的链结构，而其本体性质则取决于高分子的聚集态结构。
根据高分子的链
的排列，可分为晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指高聚物包含有一定数量的，
良好有序的微小晶粒，与普通晶体一样具有三维远程有序结构，可用樱状胶束模型
和折叠链结构模型来描述。
非晶态结构是指高分子链无规排列，可用无规线团结构模型和链束学说来描述。
由于高分子链内以原于共价键连接，分子链间存在VanderWaals力或氢键相互
作用，使得其结晶时，自由运动受阻，妨碍其规整堆砌排列。
使高聚物只能部分结
晶并且产生许多畸变晶格及缺陷一一结晶不完善。
所谓结晶高聚物，实际上是部分结
晶，其结晶度常常在50%以下。
链结构对结晶能力的影响：
1）链的对称性：
好，高2）链的规整性：
好，高3）
共聚物的结构：
4）分子链的柔顺性：
适当的柔顺性5）分子链的支化：
破坏结晶能
力6）分子链之间的交联：
破坏结晶能力7）高分子的分子间作用力：
大，高
外界条件对结晶能力的影响：
聚合物的链结构是决定其是否能够结晶的必要条
件，但聚合物是否能够形成结晶及结晶的程度，还要受其它一些外界条件的影响。
1）
温度和时间2）压力和应力3）杂质4）溶剂
可用X射线衍射来分析其结晶度，X射线衍射测得高聚物尺寸正是高分子链段（或
重复单元）的长度。
密度法（最常用，最简单的方法）：
原理：
分子链在晶区的堆砌密度大，所以晶
区密度大，比容小；分子链在非晶区的堆砌密度小，非晶区密度小，比容大。
X射线衍射法：
原理：
部分结晶的高聚物中结晶部分和无定形部分对X射线衍射
强度的贡献不同，利用衍射仪得到衍射强度与衍射角的关系曲线，再将衍射图上的
衍射峰分解为结晶和非结晶两部分。
8.什么是晶向和晶面？
以简单立方结构为例，画出（100）,（110）和（111）晶面示意图。
布拉伐格子的格点可以看成分列在一系列相互平行直线系上，这些直线系称为晶
列。
每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。
晶面：
布拉伐格子的格点还可以看成分列在平行等距的平面系上.这样的平面称
为晶面.
在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面叫作晶面（Faces）。
晶体在自发生长过
程中可发育出由不同取向的平面所组成的多面体外形，这些多面体外形中的平面称
为晶面（crystalface）。
晶面基本上是光滑平整的平面；但仔细观察时，常可见微有凹凸而表现出具规则形状的各种晶面花纹。
晶面实质上就是晶格的最外层面网。
10.用能带模型解释说明导体、半导体和绝缘体的本质区别，特别分析半导体结构可能
具备哪些特性。
我们可以通过考察晶体电子填充能带的状况来判断晶体的导电性能。
如果晶体电子恰好
填满了最低的一系列能带，能量再高的能带都是空的，而且最高的满带与最低的空带之间存在一个很宽的禁带（如Eg^5eV）,那么，这种晶体就是绝缘体。
图5-6-3（c）给出了这种
晶体电子填充能带的状况。
如果晶体的能带中，除了满带外，还有不满带，那么，这种晶体就是金属。
不满带电子存在外电场时，整个电子分布将向着电场反方向移动，从而可以导电。
半导体晶体电子填充能带的状况与绝缘体的没有本质不同，只是最高满带与最低空带之
间的带隙较窄（为Eg=1~3eV）,这样，在T=OK时，晶体是不导电的。
E5-6-3盘耳轴钵卅导储彌型
半导体可能具有的特性是在一定的温度下，将有部分电子从满带顶部被激发到空带的底
部，使最高的满带及最低的空带都变成部分填充电子的不满带，晶体因而具有一定的导电能
力，且导电性质介于金属和绝缘体之间。
半导体异质结构就是将不同材料的半导体薄膜，依次先后沉积在同一基座上。
基本特征：
（1）量子效应：
因中间层的能级较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层只有几十埃的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而
改变。
（2）迁移率变大：
班内导体的自由电子主要是由于外加杂质的共吸纳，因此在一般的
半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。
然而在异质结中，可将杂质
加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其较低的能量。
因此在空间上，电子与杂质是分开，所以电子的行动就不会因为杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可
以大大增加。
（3）奇异的二度空间特性：
因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不
能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供一个非常好
的物理系统可用于低维度的物理特性；（4）人造材料工程学：
半导体一支结构之中间层或是
两旁的夹层，可因需要不同而改变。
11.如何理解能级和能带？
形成能带的物理本质是什么？
能级用来解释原子核外电子运动轨道的。
电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个
轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。
在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。
晶体是由大量的原子有序堆积而成的。
由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。
能带理论就是认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，并且共有化电子是
在晶体周期性的势场中运动；结果得到：
共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式，能量是由准连续能级构成的许多能带。
12.以高分子材料为例，针对热性能，评述一下材料结构与性能的关系。
对于高分子材料，即使是同种单体构成，由于合成工艺不同，生成的聚合物结构即链结构或取代基空间取向不同，性能也不同。
如聚乙烯中的HDPE、LDPE和LLDPE，他们化学
组成完全一样，由于分子链结构不同其性能也就不同。
高分子材料的热学性能包括玻璃化温度，熔点，热容，热传导，热稳定性，热辐射。
1）玻璃化温度
玻璃化温度是高分子的链段从冻结到运动（或反之）的一个转变温度，而链段运动是通过
主链的单键内旋转来实现的。
因此凡是能影响到高分子链柔性的因素，都对Tg有影响。
减弱高分子链或增加分子之间作用力的因素，如引入刚性基团或极性基团，交联和结晶都使
Tg升高，而增加高分子链的柔性的因素，如加入塑性剂或溶剂，引入柔性基团都使Tg降低。
2）高分子链结构对熔点的影响：
对着科学技术的发展，对耐热材料的需求，强有力的推动了耐热高分子材料的研制和对结构与熔点关系的规律性的研究。
提高熔点可以从两方面考虑，一方面是增加熔融热，另一方面是减少熔融熵。
但是必须指出，熔点的高低是由这两方面因素共同决定。
其中熔融热与分子之间相互作用力大小有关，熔融熵的大小决定于熔融时体积变化和分子链可能存在的构像树木的变化。
13．以高分子材料为例，讨论聚集态形成过程和性能预期。
高聚物的结晶过程包括：
晶核生成和晶粒生长两个阶段
成核：
均相成核：
源于分子的热运动产生的分子链局部有序排列，因而不是同时出现的；异相成核：
源于杂质或熔融的残存结构或特意加入的成核剂或容器壁作为晶体的生长点，称“预定核”。
生长：
晶核生成以后，分子链便向晶核进一步扩散并作规整堆砌使晶粒生长变大。
结晶度增加时，硬度、冲击强度、拉伸强度、伸长率、蠕变、应力松弛等力学性能会发生变化；密度增大；结晶高聚物通常呈乳白色，不透明，结晶度升高，塑料耐热性升高。
14．半导体高分子除了在发光显示、照明、太阳电池等方面具有潜在应用价值，探讨一下在其他领域的应用。
1.半导体高分子可以用来制备有机薄膜晶体管，可以作为OTFT用来驱动发光器件，虽
然目前来说它的电子迁移率较低、工作电压较高
2.与硅材料相较，有机半导体高分子可采用较简易的低温工艺生产，所产出的器件不但成本比较低，并具备高度可调谐特性，所以有可能取代传统的硅芯片
3..半导体高分子可用于作为某些传感器，例如大气传感器，半导体高分子通过与大气某些介质作用，可以改变其电导率，从而可以检测出该介质，当除去介质后，半导体高分子的电导率又可以恢复。
4.半导体高分子可以作为雷达隐身材料，由于半导体高分子的导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体之间变化,从而通过调节它的带隙使得它有不同的吸波性能，从而可以作为雷达隐身材料
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