材料科學(xué)基礎(chǔ)—原子的結(jié)構(gòu)和鍵合性質(zhì)

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)原子的結(jié)構(gòu)和鍵合性質(zhì)穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)：最外殼層中同一亞層各軌道上，全充滿最穩(wěn)定、半充滿、全空的狀態(tài)較穩(wěn)定原子結(jié)構(gòu)與鍵合 原子結(jié)構(gòu)全充滿半充滿全空電離能 電負(fù)性 原子得到電子的能力(奪取其電子需要較大能量） 非金屬元素電離能和電負(fù)性比金屬元素大 價(jià)電子原子結(jié)構(gòu)與鍵合 原子結(jié)構(gòu)元素周期表金屬鉻的價(jià)電子數(shù)：+1+2+3+4+5+6各元素原子半徑各異 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 原子結(jié)構(gòu)原子間的鍵合原子結(jié)合的方式：金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵范德瓦耳力氫鍵原子結(jié)構(gòu)與鍵合 原子結(jié)構(gòu)金屬鍵自由電子 電子氣（電子海） 結(jié)合力： 正離子與電子氣之間的靜電力（庫(kù)侖力）原子間的鍵合金屬鍵特點(diǎn)：電子共有化無(wú)飽和性：一個(gè)離子對(duì)周

2、圍電子海內(nèi)所有電子都有引力無(wú)方向性： 離子與電子之間作用力方向不限定 密堆結(jié)構(gòu) 單種離子盡量彼此緊密靠近 原子間的鍵合金屬鍵材料性質(zhì)：良好導(dǎo)電良好導(dǎo)熱性延展性好容易與其它元素起反應(yīng)金屬光澤原子間的鍵合延展性好 1.2.2 離子鍵 兩種不同原子接近時(shí)，其一原子外層電子轉(zhuǎn)移到另一原子外層軌道內(nèi)，產(chǎn)生一個(gè)異號(hào)離子對(duì)，正負(fù)離子因庫(kù)侖力相互吸引，結(jié)合在一起。原子間的鍵合有電子轉(zhuǎn)移的鍵合:化學(xué)鍵離子鍵特點(diǎn)：電負(fù)性相差較大的原子結(jié)合，一般為金屬與非金屬（材料必然由兩種以上元素組成）正負(fù)離子相間排列離子尺寸差異是具體排列方式重要因素（幾何因素）離子鍵無(wú)方向性和飽和性（只考慮庫(kù)侖力因素） +原子間的鍵合離子鍵材

3、料性質(zhì)：熔點(diǎn)高正負(fù)離子靜電力強(qiáng)，結(jié)合牢固硬度高 同上原因固態(tài)絕緣性好 （熔融及在溶液中離子可參與導(dǎo)電）脆性大原子間的鍵合+F原子間的鍵合離子鍵物體的脆性共價(jià)鍵電負(fù)性相差不大的原子通過(guò)共用電子對(duì)的方式產(chǎn)生結(jié)合力共價(jià)鍵一對(duì)電子的電子云局部重合高分子材料以共價(jià)鍵為主無(wú)機(jī)非金屬材料中有相當(dāng)大比例原子間的鍵合共價(jià)鍵特點(diǎn)方向性 與電子云的方向性特點(diǎn)對(duì)應(yīng)飽和性HCO極性CH4 甲烷HCH 鍵角10928 H20 水HOH 鍵角104.5 表示共價(jià)鍵的鍵線原子間的鍵合共價(jià)鍵材料性質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（不溶解）熔點(diǎn)高硬度高脆性大不導(dǎo)電C 金剛石（ 鉆石）熔點(diǎn)3550 硬度是金屬的數(shù)千倍原子間的鍵合范德瓦耳力 具有偶極子的

4、原子和分子間的庫(kù)侖力 偶極子：電荷相等的一對(duì)帶電體，如果各 自電荷中心不重合，稱為偶極子。原子間的鍵合原子及分子產(chǎn)生偶極子的方式及其范德瓦耳力：靜電力 誘導(dǎo)力色散力范德瓦耳力靜電力 極性分子之間的引力原子間的鍵合范德瓦耳力誘導(dǎo)力原子間的鍵合范德瓦耳力色散力（倫敦力）原子間的鍵合范德瓦耳力范德瓦耳力特點(diǎn)物理鍵：無(wú)電子轉(zhuǎn)移次價(jià)鍵：結(jié)合力很小,大約為主價(jià)鍵力的1%10%主價(jià)鍵：金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵范德瓦耳力無(wú)方向性、無(wú)飽和性分子之間結(jié)合成的物質(zhì)中普遍存在，也稱為分子力 原子間的鍵合范德瓦耳力氫鍵 表達(dá)式： XH Y 式中X和Y代表F，O，N等電負(fù)性大非金屬原子 為共價(jià)鍵， 氫鍵。原子間的鍵合氫鍵性

5、質(zhì)飽和性：氫原子尺寸小，而其它原子比較大，一旦氫與一原子形成的氫鍵，由于負(fù)離子之間的相互排斥，另一個(gè)電負(fù)性大的原子就難于再接近氫原子。這就是氫鍵的飽和性。原子間的鍵合氫鍵氫鍵性質(zhì)方向性：先形成的共價(jià)鍵電偶極XH與原子Y發(fā)生氫鍵結(jié)合時(shí)只有當(dāng)XH-Y在同一條直線上時(shí)結(jié)合力最強(qiáng)。 原子間的鍵合氫鍵氫鍵性質(zhì)屬于物理鍵氫鍵結(jié)合力比范德瓦耳力大，但小于化學(xué)鍵，屬于次價(jià)鍵具有無(wú)飽和性和方向性原子間的鍵合氫鍵氫鍵在高分子材料中較為重要?dú)滏I原子間的鍵合氫橋1.3 高分子鏈1.3.1 高分子的近程結(jié)構(gòu)1 鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成乙烯（小分子）分子式： C2H4結(jié)構(gòu)式: CH2=CH2聚乙烯（PE）分子 （高分子）原子

6、間的鍵合原子間的鍵合高分子鏈單體單元(結(jié)構(gòu)單元、重復(fù)單元、鏈節(jié))書寫法：鏈節(jié)數(shù)n又稱聚合度聚乙烯高分子鏈單體：乙烯原子間的鍵合高分子鏈原子間的鍵合高分子鏈聚合物、高聚物、高分子化合物、高分子材料 許多高分子依靠分子力結(jié)合成為高分子材料：聚乙烯高分子粒子碳鏈高分子雜鏈分子 主鏈不僅含碳，還含氧、氮、硫等原子均聚物由同一種單體聚合而成共聚物由兩種以上的單體聚合而成側(cè)基原子間的鍵合高分子鏈主鏈1.3.1 高分子的近程結(jié)構(gòu) 1 鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成 1 原子結(jié)構(gòu)與鍵合單體單元(結(jié)構(gòu)單元、重復(fù)單元、鏈節(jié))2 分子鏈幾何形態(tài)（1）線型（2）支化（3）交聯(lián)（4）體型（三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)）高分子近程結(jié)構(gòu)3 結(jié)構(gòu)

7、單元的鍵接方式 a 均聚物結(jié)構(gòu)單元的鏈接 順序異構(gòu) 單體具有不對(duì)稱取代基產(chǎn)生的三種結(jié)構(gòu)變化：?jiǎn)误w單元取代基R高分子近程結(jié)構(gòu)鍵接異構(gòu)異戊二烯的聚合高分子近程結(jié)構(gòu)單體具有多處雙鍵，產(chǎn)生鍵接異構(gòu)b 共聚物的序列結(jié)構(gòu)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.（a） 交替（b） 無(wú)規(guī)（c） 嵌段（d） 接枝高分子近程結(jié)構(gòu)4高分子鏈的構(gòu)型a 旋光異構(gòu)（立體異構(gòu)）旋光異構(gòu)體 單體單元上側(cè)基和取代基位置造成異構(gòu)體互為鏡影對(duì)稱，稱為旋光異構(gòu)體。 兩種鏡向乳酸分子不能疊加重合旋光異構(gòu)體 高分子近程結(jié)構(gòu)高分子鏈的全同立構(gòu)一種旋光異構(gòu)體單元鍵接而成高分子鏈的間同立構(gòu)兩種旋光異構(gòu)體單元交替鍵接而成高分子鏈的無(wú)規(guī)立構(gòu)兩種旋光異構(gòu)體單元無(wú)規(guī)鍵接高分子近程結(jié)構(gòu)b 幾何異構(gòu)單鍵電子云軸對(duì)稱（鍵）， 原子可繞鍵旋轉(zhuǎn)。雙鍵電子云非軸對(duì)稱（鍵）， 原子不能繞鍵選擇。鍵鍵高分子近程結(jié)構(gòu)順式異戊二烯 雙鍵不能旋轉(zhuǎn)，從而就可能有：順式、反式