第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合

第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合主講：李懷勇Email:lihuaiyong@huaiyong.lee@TelQ:1本章章節(jié)結(jié)構(gòu)1.1原子結(jié)構(gòu)

1.1.1物質(zhì)的組成

1.1.2原子的結(jié)構(gòu)

1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)

1.1.4元素周期表1.2原子間的鍵合1.3高分子鏈

1.3.1近程結(jié)構(gòu)

1.3.2遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)2本章學(xué)習(xí)重點與難點4個量子數(shù)排布原則周期表鍵及特點高分子鏈的結(jié)構(gòu)3哲學(xué)思考物質(zhì)是由什么組成的？4物質(zhì)是由什么組成的3000年前，古希臘的一個城市米利都的泰勒斯提出：萬物都是由水聚散而成。古希臘最流行的是四元素說：萬物是由水，火、空氣、土組成。中國戰(zhàn)國時期鄒衡提出“五行說”：宇宙是由金、木、水、火、土組成。5物質(zhì)是由什么組成的2460年前，埃利亞的巴門尼德提出：宇宙是永遠(yuǎn)不變的基本粒子，像一個實心球，這個實心球是永遠(yuǎn)不變的基本粒子，是永恒存在的。米利都的留基波第一個提出原子論：一個整體由無數(shù)粒子組成，每個粒子是一個巴門尼德球，剛硬、立體而不可分割，所以稱為原子。原子在空間移動，聚散成物。原子性質(zhì)同一，形狀與規(guī)模不同。2430年前的德克里特提出：物質(zhì)由原子組成，虛空而真空的空間給原子運動提供場所。人類知識來源于物質(zhì)原子對感官的影響。原子是同一的，原子的特殊組合是變換的。6物質(zhì)的組成：71.1原子結(jié)構(gòu)原子的電子結(jié)構(gòu)8四大量子數(shù)主量子數(shù)n

-----決定電子能量，與核平均距離。軌道角動量量子數(shù)li

-----給出電子在同一殼層內(nèi)所處的能級磁量子數(shù)mi

-----給出每個軌道角動量子數(shù)的能級數(shù)或軌道數(shù)。自旋角動量量子數(shù)si

-----給出電子不同的自旋方向。910電子排布規(guī)則能量最低盡可能。Pauli不相容原理一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩電子Hund規(guī)則。盡可能原子序數(shù)大時，能級有重疊，有例外。這時就要參考能量最低原理。11各原子軌道的圖像摘自http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/12各原子軌道形狀1s132s142p153s163p173d184s194p204d214f225s235p245d255f265g27N22s2s*28泡利Wolfgang

Ernst

Pauli，(1900～1958)瑞士籍奧地利理論物理學(xué)家。1900年生于奧地利維也納。泡利在高中上學(xué)期間酷愛讀書，那時就自學(xué)了愛因斯坦的廣義相對論。高中畢業(yè)后，泡利去慕尼黑大學(xué)攻讀理論物理學(xué)，他的導(dǎo)師是理論物理學(xué)家索末菲（A.Sommerfeld，1868～1951）。泡利在大學(xué)第四學(xué)期應(yīng)導(dǎo)師之邀為義數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書》寫了一篇關(guān)于相對論的文章，該文長達(dá)250頁，還提出了自己的獨到見解。該文至今仍為相對論的權(quán)威著作。愛因斯坦讀后對泡利的才智和能力給予了高度評價。1922～1923年間，泡利在哥本哈根理論物理研究所在玻爾指導(dǎo)下進(jìn)行氫分子模型和反常塞曼效應(yīng)的研究工作。這段工作導(dǎo)致了他對不相容原理的發(fā)現(xiàn)。1923～1928年，泡利在漢堡大學(xué)擔(dān)任教師，著名的泡利不相容原理于1924年發(fā)表在《關(guān)于原子中電子群閉合與光譜復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聯(lián)系》一文中，該原理指出：原子中不可能有兩個或兩個以上的電子處于同一量子態(tài)。這一原理使當(dāng)時許多有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的問題得以圓滿解決，對于正確理解反常塞曼效應(yīng)、原子中電子殼層的形成、以及元素周期律都是必不可少的。泡利因此榮獲1945年諾貝爾物理學(xué)獎。1958年12月14日，泡利在瑞士蘇黎世逝世。在他的葬禮上，人們贊譽他是“理論物理學(xué)的良心”。29元素周期表元素周期表301.2原子間的鍵合31一、金屬鍵典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（非局域、非束縛）形成電子云，金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好32二、離子鍵多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物實質(zhì):金屬原子帶正電的正離子（Cation）

非金屬原子帶負(fù)電的負(fù)離子（anion）

性質(zhì)：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體特點：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無方向性，無飽和性33三、共價鍵（covalentbonding）亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料實質(zhì)：由二個或多個電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對而成特點：飽和性配位數(shù)較小，方向性（s電子除外）性質(zhì)：熔點高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差34四、范德華力起源？穩(wěn)定的惰性氣體也會液化、固化。包括：靜電力、誘導(dǎo)力和色散力1、靜電力發(fā)生在具有極性的分子之間例如：水的蒸發(fā)352、誘導(dǎo)力發(fā)生在極性與非極性分子之間3、色散力非極性分子之間靠瞬時偶極間相互作用。特點：屬物理鍵，系次價鍵，比化學(xué)鍵弱，但能很大程度改變材料性質(zhì)為什么高分子往往沒有氣態(tài)？36五、氫鍵

極性分子鍵存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價鍵結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引——氫橋強(qiáng)度介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性37六、各種結(jié)合鍵的特點比較

離子鍵、共價鍵和金屬鍵都涉及到原子外層電子的重新分布，這些電子在鍵合后不再僅僅屬于原來的原子，因此，這幾種鍵都稱為化學(xué)鍵。相反，在形成分子鍵和氫鍵時，原子的外層電子分布沒有變化，或變化極小，它們?nèi)詫儆谠瓉淼脑?。因此，分子鍵和氫鍵就稱為物理鍵。一般說來，化學(xué)鍵最強(qiáng)，氫鍵和分子鍵較弱。381.3高分子鏈高分子材料：以高分子鏈為基本組成單元有機(jī)合成高分子材料39高分子鏈結(jié)構(gòu)40一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成1.碳鏈高分子聚乙烯主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結(jié)加聚反應(yīng)制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯2.雜鏈高分子滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等近程結(jié)構(gòu)413.元素有機(jī)高分子硅橡膠

主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側(cè)鏈則有機(jī)基團(tuán)，故兼有無機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠4.無機(jī)高分子二硫化硅

聚二氯—氮化磷主鏈既不含C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解421.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序單烯類單體中除乙烯分子是完全對稱的，其結(jié)構(gòu)單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭—頭尾—尾頭—尾雙烯類高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式432.共聚物的序列結(jié)構(gòu)

按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為44三、高分子鏈的幾何形態(tài)不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀—熱固性（thermosetting）

45四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecularconfigurations）鏈的構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，欲改變之須通過化學(xué)鍵斷裂和重組才行由單體的異構(gòu)類型（旋光異構(gòu)體和幾何異構(gòu)體）不同，高分子鏈也表現(xiàn)出不同的構(gòu)型46旋光異構(gòu)體（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元，有三種排列方式47有規(guī)律48幾何異構(gòu)（Geometricalisomerism）

雙烯類單體定向聚合時，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有順式反式兩種異構(gòu)體之分，對于大分子鏈而言就有稱為幾何異構(gòu)二甲基丁二烯

二甲基丁二烯

49一、高分子的大?。∕olecularSize）高分子的相對分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性平均相對分子質(zhì)量遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)50高分子鏈中重復(fù)單元數(shù)目稱為聚合度不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質(zhì)，對加工和使用也有很大影響。數(shù)均相對分子量每鏈節(jié)的質(zhì)量對力學(xué)性能起決定作用，51二、高分子的形狀（Molecularshape）主鏈以共價鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長d和鍵角θ，每個單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chaintwisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1(m為每個單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目)統(tǒng)計學(xué)角度高分子鏈取伸直（straight）構(gòu)象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構(gòu)象幾率極大52三、影響高分子鏈柔性的主要因素高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性53作業(yè)題有一共聚物ABS