材料科學基礎第1章--原子結構和鍵合

1、 本章主要內容：本章主要內容： (1) 原子結構；原子結構； (2) 原子間鍵合方式；原子間鍵合方式； (3) 高分子鏈。高分子鏈。 掌握掌握基本概念和術語基本概念和術語 理解理解決定鍵合方式的主要因素決定鍵合方式的主要因素 能夠能夠用結合鍵的特征解釋材料的性能。用結合鍵的特征解釋材料的性能。 例如例如：用金屬鍵的特征解釋金屬材料的性能：用金屬鍵的特征解釋金屬材料的性能： 1.良好的導電、導熱性；（自由電子）良好的導電、導熱性；（自由電子） 2.良好的延展性。（既無飽和性又無方向性）良好的延展性。（既無飽和性又無方向性） 3.金屬光澤（？課后思考，下節(jié)課提問）金屬光澤（？課后思考，下節(jié)課提問）

2、 4.正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù)（？課后思考，下節(jié)課提問）（？課后思考，下節(jié)課提問） 1.1 原子結構原子結構 1.1.1 物質的組成物質的組成 物質是由無數(shù)微粒（分子、原子、離物質是由無數(shù)微粒（分子、原子、離子）按一定方式聚集而成的集合體。子）按一定方式聚集而成的集合體。 粒子粒子 1.1.2 原子結構原子結構(atomic structure) 原子是由原子核原子是由原子核(由帶由帶正電荷的質子和呈電中性的中子組成正電荷的質子和呈電中性的中子組成)和核外電子和核外電子(帶負電荷帶負電荷)構成。構成。 原子結構的特點：體積很小，質量大部分集中于原子結構的特點：體積很小，質量大部分集中于

3、原子核內，原子核的密度很大。原子核內，原子核的密度很大。 1.1.3 原子的電子結構原子的電子結構 電子云電子云(election atmosphere) 1.描述原子中一個電子的位置和能量用四個量子數(shù)描述原子中一個電子的位置和能量用四個量子數(shù)(quantum number)：主量子數(shù)（電子層）、軌道量子數(shù)（電子亞層）、：主量子數(shù)（電子層）、軌道量子數(shù)（電子亞層）、磁量子數(shù)（軌道數(shù)）、自旋角動量子數(shù)（自旋方向）。磁量子數(shù)（軌道數(shù)）、自旋角動量子數(shù)（自旋方向）。 2.核外電子排布遵循的規(guī)律：能量最低原理、核外電子排布遵循的規(guī)律：能量最低原理、Pauli不相容原不相容原理理(Pauli princ

4、iple)、Hund規(guī)則規(guī)則(Hund s rule)。圖1 原子結構 圖2 原子排列 1.1.4 元素周期表元素周期表 1.1.5 原子的電離能、電子親合能和電負性原子的電離能、電子親合能和電負性 （補充）（補充） 1.電離能電離能(ionization energy) 氣態(tài)原子失去一個電子成為一氣態(tài)原子失去一個電子成為一價正離子所需要的最低能量稱為第一電離能。從一價正離子失價正離子所需要的最低能量稱為第一電離能。從一價正離子失去一個電子成為二價正離子所需要的最低能量稱為第二電離能。去一個電子成為二價正離子所需要的最低能量稱為第二電離能。依此類推。電離能依此類推。電離能 的大小可以反映原子失

5、去電子的難易程度。的大小可以反映原子失去電子的難易程度。單位：電子伏特或千伏單位：電子伏特或千伏/摩爾。摩爾。 2.電子親合能電子親合能(electron affinity) 氣態(tài)原子獲得一個電子成為氣態(tài)原子獲得一個電子成為一價負離子所釋放的能量。一價負離子所釋放的能量。 3.電負性電負性(electronegativity) 原子在化合物中把電子吸引向自原子在化合物中把電子吸引向自己的本領。己的本領。 1.2 原子間的鍵合原子間的鍵合結合鍵結合鍵(binding bond) ： 1. 是指由原子結合成分子或固體的方式和結合力的大小。是指由原子結合成分子或固體的方式和結合力的大小。 2. 結合

6、鍵決定了物質的一系列物理、化學、力學等性質。結合鍵決定了物質的一系列物理、化學、力學等性質。 3.從原則上講，只要能從理論上正確地分析和計算結合鍵，就從原則上講，只要能從理論上正確地分析和計算結合鍵，就能預測物質的各項性質。因此，結合鍵的分析和計算乃是各種能預測物質的各項性質。因此，結合鍵的分析和計算乃是各種分子和固體電子理論的基礎。分子和固體電子理論的基礎。 4.目前還不能對各種物質的結合鍵進行準確的理論計算。目前還不能對各種物質的結合鍵進行準確的理論計算。 5. 各種鍵合本質上講都起源于原子核和電子間的靜電交互作用各種鍵合本質上講都起源于原子核和電子間的靜電交互作用即庫侖力。即庫侖力。 6

7、. 根據(jù)電子圍繞原子的分布方式，可以將結合鍵分為五類：根據(jù)電子圍繞原子的分布方式，可以將結合鍵分為五類： 金屬鍵、離子鍵、共價鍵；金屬鍵、離子鍵、共價鍵； 分分子鍵（范德華力）和氫子鍵（范德華力）和氫鍵。鍵。 化學鍵化學鍵 物理鍵物理鍵 1.2.1 化學鍵（主價鍵、一次鍵）化學鍵（主價鍵、一次鍵） 1. 金屬鍵金屬鍵(metallic bond) 1）自由電子）自由電子彌漫于金屬正離子間彌漫于金屬正離子間 金屬原子的外層電子數(shù)比較少，且各個原子的價電子極易掙脫原子核的束縛而成為自由電子。 2）定義：）定義：由金屬正離子和自由電子之間互相作用所構成的鍵合稱為金屬鍵。 3）特點：）特點： 電子共有

8、化，無飽和性，無方向性。 4）可以解釋金屬的一些特征：）可以解釋金屬的一些特征： 如良好的導電、導熱性，具有較高的強度和良好的延展性，具有金屬光澤，正的電阻溫度系數(shù) 。 圖3 金屬鍵示意圖 2. 離子鍵離子鍵(ionic bond) 金屬正離子金屬正離子非金屬負離子之間非金屬負離子之間 特點：以離子為結合單位，結合力較強，特點：以離子為結合單位，結合力較強，決定離子晶體結構的是正負離子電荷及決定離子晶體結構的是正負離子電荷及幾何因素，有較高的配位數(shù)，無方向性幾何因素，有較高的配位數(shù)，無方向性和飽和性。和飽和性。 可以解釋離子晶體的一些特征，如較高可以解釋離子晶體的一些特征，如較高的熔點和硬度，

9、固態(tài)時為良好的絕緣體的熔點和硬度，固態(tài)時為良好的絕緣體而熔融態(tài)時具有良好的導電性。而熔融態(tài)時具有良好的導電性。 以以 NaCl為例：為例： 1）金屬原子放棄一個外層電子，非）金屬原子放棄一個外層電子，非金屬原子得到此電子使外層填滿，結金屬原子得到此電子使外層填滿，結果雙雙變得穩(wěn)定。果雙雙變得穩(wěn)定。 2）金屬原子失去電子帶正電荷，非）金屬原子失去電子帶正電荷，非金屬原子得到電子帶負電荷，雙雙均金屬原子得到電子帶負電荷，雙雙均成為離子成為離子 3） 離子鍵鍵的大小在離子周圍各個離子鍵鍵的大小在離子周圍各個方向上都是相同的，故沒有方向性和方向上都是相同的，故沒有方向性和飽和性。飽和性。 解釋：熔點高

10、、硬度高、固態(tài)下絕緣解釋：熔點高、硬度高、固態(tài)下絕緣性好、熔融時可以導電等。性好、熔融時可以導電等。 圖圖5 Cl與與Na形成離子鍵形成離子鍵圖圖4 NaCl 晶體晶體3. 共價鍵共價鍵(covalent bond) 兩個或多個原子間通過共用電子對而形成的化學鍵。兩個或多個原子間通過共用電子對而形成的化學鍵。 特點：以原子的形式共用電子對，具有飽和性和方特點：以原子的形式共用電子對，具有飽和性和方向性，配位數(shù)較小、各鍵間都有確定方位。向性，配位數(shù)較小、各鍵間都有確定方位。 可以解釋共價晶體的一些特征，如結合極為牢固，可以解釋共價晶體的一些特征，如結合極為牢固，結構穩(wěn)定，熔點高，質硬而脆，導電性

11、差。結構穩(wěn)定，熔點高，質硬而脆，導電性差。 圖7 SiO2四面體晶體結構 （由共價鍵方向性特點 決定） 圖6 形成共價鍵的SiO2 （藍色圓圈代表Si的價電子， 紅色圓圈代表O的價電子）表表1 幾種材料的結合能和熔點幾種材料的結合能和熔點 1.2.2 物理鍵（次價鍵、二次鍵）物理鍵（次價鍵、二次鍵） 1. 范德華力范德華力(Van Der Waals force) ，也叫分子鍵。，也叫分子鍵。 1）微弱的、瞬時的電偶極矩的感應作用）微弱的、瞬時的電偶極矩的感應作用 2）特點：除高）特點：除高分子材料外，鍵的結合分子材料外，鍵的結合不如化學鍵牢固，不如化學鍵牢固，無飽和性，無方向性。無飽和性，無

12、方向性。 2. 氫鍵氫鍵(hydrogen bond) 1）分子間特殊作用力）分子間特殊作用力 2）表達為：）表達為：XHY 3）特點：具有飽和性和方向性，可存在于分子內或分子）特點：具有飽和性和方向性，可存在于分子內或分子間。間。 4）氫鍵主要存在于高分子材料內。）氫鍵主要存在于高分子材料內。 1.2.3 混合鍵混合鍵 （補充）（補充） 實際材料（金屬和陶瓷）中結合鍵多為混合鍵實際材料（金屬和陶瓷）中結合鍵多為混合鍵 金屬中主要是金屬鍵，還有其他鍵如：共價鍵、金屬中主要是金屬鍵，還有其他鍵如：共價鍵、離子鍵離子鍵 陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵和金屬鍵的混合陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵和金屬鍵的混合 一些

13、氣體分子以共價鍵結合，而分子凝聚時依一些氣體分子以共價鍵結合，而分子凝聚時依靠范德華力靠范德華力 聚合物的長鏈分子內部以共價鍵結合，鏈與鏈聚合物的長鏈分子內部以共價鍵結合，鏈與鏈之間則為范德華力或氫鍵之間則為范德華力或氫鍵1.2.4 結合鍵的本質及原子間距（補充）結合鍵的本質及原子間距（補充） 原子間距：兩原子在某距離下吸引力和排斥力相原子間距：兩原子在某距離下吸引力和排斥力相等，兩原子便穩(wěn)定在此相對位置上，這一距離等，兩原子便穩(wěn)定在此相對位置上，這一距離r0相當于原子間的平衡距。相當于原子間的平衡距。 把兩個原子平衡距離下把兩個原子平衡距離下的作用能稱為原子的結合能（的作用能稱為原子的結合能

14、（E）。結合能的大）。結合能的大小相當于把兩原子分開所需做的功，小相當于把兩原子分開所需做的功，E越大，原越大，原子結合越穩(wěn)定。離子鍵、共價鍵的子結合越穩(wěn)定。離子鍵、共價鍵的E最大；金屬最大；金屬鍵的次之；范德華力的最小。鍵的次之；范德華力的最小。原子能量與原子間距的關系 1.2.5 結合鍵與性能結合鍵與性能1.物理性能物理性能 熔點的高低代表了材料穩(wěn)定性程度。共、離子鍵化合物的熔點的高低代表了材料穩(wěn)定性程度。共、離子鍵化合物的Tm較高。較高。 密度與結合鍵有關。多數(shù)金屬有高的密度，原因為金屬有較密度與結合鍵有關。多數(shù)金屬有高的密度，原因為金屬有較高的相對原子質量，金屬鍵結合沒有方向性，原子趨

15、于密集高的相對原子質量，金屬鍵結合沒有方向性，原子趨于密集排列排列 導熱、導電性導熱、導電性 2.力學性能力學性能 彈性模量與結合能有較好的對應關系。彈性模量與結合能有較好的對應關系。 強度強度 塑性塑性1.3 高分子鏈高分子鏈1.3.1 近程結構（一級結構）近程結構（一級結構） 1.鏈結構單元鏈結構單元 2.分子結構分子結構 線型、支化、交聯(lián)結構線型、支化、交聯(lián)結構 3.共聚物結構共聚物結構 共聚物結構類型：無規(guī)則聚合物、交替聚合物、接枝共聚物、嵌段共聚共聚物結構類型：無規(guī)則聚合物、交替聚合物、接枝共聚物、嵌段共聚物物 4.高分子鏈的構型高分子鏈的構型 旋光異構（全同、間同、無規(guī)）、幾何異構

16、（順式、旋光異構（全同、間同、無規(guī)）、幾何異構（順式、反式）反式） 1.3.2 遠程結構遠程結構 （二級結構）（二級結構） 1.高分子大小高分子大小 2.高分子鏈的內旋構象高分子鏈的內旋構象 3.影響高分子鏈柔性的主要因素影響高分子鏈柔性的主要因素 主鏈結構、取代基、交聯(lián)主鏈結構、取代基、交聯(lián)類 型 作用力來源鍵合強弱 形成晶體的特點 離子鍵 原子得、失電子后形成負、正離子，正負離子間的庫侖引力 最強 無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點、高強度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導電 共價鍵 相鄰原子價電子各處于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫侖引力 強有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、即使在熔態(tài)也不導電 金屬鍵 自由電子氣與正離子實之間的庫侖引力 較強無方向性鍵、結構密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導熱導電性 分子鍵 原子間瞬時電偶極矩的感應作用 較弱無方向性鍵、結構密堆、高