材料化学以研究和开发新型功能和结构材料为目的,充分利用化学合成技巧,设计并合成出具有优异性能的新材料。这需要化学家充分利用固体物理、固体化学、材料科学等相关原理深刻理解材料的结构与性能关系,基于此的材料设计已成为新材料领域的重要研究方向。随着计算机技术的发展,材料设计的理论研究方法和模拟技术得到了迅速的发展,成为研究材料的晶体结构、电子结构和宏观物理性质的重要手段。其中由于材料的物理性质直接受其组成化学键性质的影响,化学键方法为材料设计提供了一种简便有效的途径。另外,材料化学还涉及新材料的合成、结构和性能表征,以及材料的生产和应用的整个过程。先进制备技术的探索成为新材料领域的另一个重要研究方向。本章首先介绍化学、物理和材料学家普遍使用的参考工具——元素周期表及其规律,然后介绍材料化学的研究方法,包括理论研究方法与模拟技术以及实验研究方法。
11元素周期律
任何材料都是由元素组成的,材料的组成元素是影响其物理、化学性质的重要因素。例如,ⅢⅤ型、ⅡⅥ型化合物是重要的半导体材料,稀土元素由于具有较多的成单电子和丰富的能级结构成为永磁材料和发光材料的重要组成元素。基于元素周期表,结合化学、物理、材料、数学等相关原理,回答“什么元素可制成什么化合物,具有什么样的结构和性质”这一中心问题,就能为材料设计提供理论依据。
1869年俄国化学家D.I. Mendeleev(门捷列夫)在总结大量科学实验成果的基础上发现了元素之间的内在联系——化学元素周期律,即化学元素按照原子序数的大小依次排列,元素的物理和化学性质呈现周期性的变化。元素周期律的发现,使人们能更好地掌握元素之间的内在本质关系,进而揭示物质内部结构、预测物质性质,大大加深了人类对物质世界的认识,对科学发展起了指导和推动作用,成为科学发展史上的里程碑。
111元素周期律的发展
1661年英国化学家R. Boyle提出元素的科学概念,从此化学被确立为一门科学。1789年法国化学家A.L. Lavoisier发表了历史上第一张化学元素表,对当时已发现的33种元素进行了分类［1］。1829年德国化学家J.W. Dbereiner提出了“三元素组”的分类方法。随着采矿、冶金、化工等工业的发展,人们对元素的认识也逐渐丰富起来,到了19世纪后半叶,已经发现了六十余种元素,为寻找元素间的规律提供了条件。1862年法国地质学家A.B. de Chancourtois首次将当时已知的62种化学元素按相对原子质量进行排序,设计了“螺旋线图”,他将其称为“大地螺旋”,并明确指出化学元素性质的变化规律具有周期性。1864年英国化学家J.A.R. Newlands把当时已知的元素按相对原子质量由小到大进行排序,七个为一行。他发现第一个和第八个元素性质相似,第二个和第九个元素的性质相似,依次类推。此现象类似音阶,故当时被称为“八音律”。1869年俄国化学家D.I. Mendeleev在前人工作的基础上对元素的物理化学性质进行总结,发表了论文《元素性质和原子量的关系》,阐明了元素之间明显的周期性变化规律［2］,并指出元素性质是相对原子质量的周期性函数。随后他公布了他的第一张元素周期表,当时只含有63种元素。1871年Mendeleev又一次对自己的周期表进行了修改和完善,把原来的纵向排列改为横向排列,并指出每纵列为一族且有主族副族之分，同时还给周期律下了定义:元素周期律就是元素性质随其相对原子质量变化呈现周期性变化的规律。1895年英国化学家W. Ramsay和英国物理学家L. Rayleigh发现了惰性气体氩而在1904年获得了诺贝尔奖。此发现预示了周期表中新的一族的存在,并促使其他惰性气体元素得以发现,最终为元素周期表增添了新的一族。1913年英国物理学家、化学家H.G.J. Moseley通过对元素X射线的研究提出了原子序数的概念,并将周期表按原子序数再次进行排列,更改了之前按相对原子质量排序的规则。美国科学家E.M. McMillan和G.T. Seaborg对超铀元素进行了大量研究,在合成93号元素镎和94号元素钚中所取得的经验为合成超铀元素开辟了道路,因此在1951年两人共同获得了诺贝尔化学奖。超铀元素的发现丰富了周期表,使周期表更加完整。
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