第1章原子結(jié)構(gòu)與鍵合a-yao

第1章原子結(jié)構(gòu)與鍵合姚寶殿材料工程學(xué)院辦公室：行政樓1618室，電話：67791474Email:yaobd@材料科學(xué)基礎(chǔ)B決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，（原子）原子間相互作用，相互結(jié)合，（鍵合）原子或分子在空間的排列，（晶體結(jié)構(gòu)）以及原子集合體的形貌特征，（顯微組織）第1章原子結(jié)構(gòu)與鍵合1.1原子結(jié)構(gòu)1.2原子間的鍵合1.3高分子鏈1.1原子結(jié)構(gòu)1.1.1物質(zhì)的組成一切物質(zhì)都是由無數(shù)微粒按一定的方式聚集而成的。這些微?？赡苁欠肿印⒃踊螂x子。分子是能單獨(dú)存在，且保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的一種微粒。原子是化學(xué)變化中的最小微粒。原子結(jié)構(gòu)直接影響原子間的結(jié)合方式。第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合1.1.2原子的結(jié)構(gòu)原子由原子核及核外的電子構(gòu)成；原子核是由質(zhì)子和中子組成的。原子直徑約為10-10m，而原子核直徑僅10-15m。原子的質(zhì)量主要集中在原子核內(nèi)。因?yàn)槊總€(gè)質(zhì)子和中子的質(zhì)量大致為1.67X10-24g，而電子的質(zhì)量約為9.11X10-28g，僅為質(zhì)子的1/1836。1.1原子結(jié)構(gòu)1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)描述原子中一個(gè)電子的空間位置和能量可用四個(gè)量子數(shù)表示。主量子數(shù)n：決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即電子所處的量子殼層。軌道角量子數(shù)li：給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級(jí)（電子亞層）。磁量子數(shù)mi：給出每個(gè)軌道角動(dòng)量量子數(shù)的能級(jí)數(shù)或軌道數(shù)。自旋角量子數(shù)si：反映電子不同的自旋方向。1.1原子結(jié)構(gòu)1.主量子數(shù)n

決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即電子所處的量子殼層。它的取值為1、2、3…n越大，電子離原子核的距離越遠(yuǎn)，電子的能量越高。在一個(gè)原子中，常稱n相同的電子為一個(gè)電子層。當(dāng)n＝1、2、3、4、5、6、7時(shí)，分別稱為第一、二、三、四、五、六、七電子層，相應(yīng)地用符號(hào)K、L、M、N、O、P、Q表示。

2.軌道角量子數(shù)li

角量子數(shù)l決定原子軌道的形狀，它的取值為0、1、2….n-1。在多電子原子中，當(dāng)n相同而l不同時(shí),電子的能量還有差別又常將一個(gè)電子層分為幾個(gè)亞層。當(dāng)l=0、1、2、3時(shí)，分別稱為s、p、d、f亞層。在多電子原子中，l也決定著原子軌道的能量。當(dāng)n相同時(shí)，隨l的增大，原子軌道的能量升高。3.磁量子數(shù)mi

磁量子數(shù)m決定原子軌道在空間的取向。它的取值為0,±1，±2,±3因此有2l+1種取向。

l=0時(shí)，m只能取0，s亞層只有1個(gè)軌道；

l=1時(shí)，m可取-1、0、+1，p亞層有3個(gè)軌道。同理，d亞層有5個(gè)軌道，f亞層有7個(gè)軌道。n和l相同，但m不同的各原子軌道的能量相同，稱為簡(jiǎn)并軌道或等價(jià)軌道。4.自旋角量子數(shù)si

自旋量子數(shù)ms描述電子的自旋方向，它的取值為+1/2和-1/2，常用箭號(hào)↑和↓表示電子的兩種自旋方向。ms不能從求解薛定諤方程得到，它是后來實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)一步研究中引入的。綜上所述，n、l、m三個(gè)量子數(shù)可以確定一個(gè)原子軌道，而n、l、m、ms

四個(gè)量子數(shù)可以確定電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。主量子數(shù)殼層序號(hào)次量子數(shù)亞殼層狀態(tài)磁量子數(shù)規(guī)定的狀態(tài)數(shù)目考慮自旋量子數(shù)后的狀態(tài)數(shù)目各殼層總電子數(shù)12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=2×12）8（=2×22）18（=2×32）32（=2×42）1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)多電子的原子中，核外電子的排布規(guī)律遵循三原則，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund規(guī)則。能量最低原理：電子的排布總是盡可能使體系的能量最低。Pauli不相容原理：一個(gè)原子不能有四個(gè)量子數(shù)都相同的兩個(gè)電子。在同一亞層的電子盡可能占據(jù)不同的能級(jí)，且自旋方向相同。1.1原子結(jié)構(gòu)1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)3.原子電子結(jié)構(gòu)示意圖原子的重要參數(shù)：原子序數(shù)原子量阿佛伽德羅常數(shù)原子量單位電負(fù)性1.1原子結(jié)構(gòu)鎂(原子序數(shù)12)原子結(jié)構(gòu)中K，L和M量子殼層的電子分布狀況1.1.4元素周期表具有相同核電荷數(shù)的一類原子為一種元素。元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式：元素在周期表中的位置反映了那個(gè)元素的原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì)。1.1原子結(jié)構(gòu)原子周期律——早在1869年，俄國化學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了元素性質(zhì)是按原子相對(duì)質(zhì)量的增加而程周期性的變化。這正是由于原子核外電子的排列是隨原子序數(shù)的增加呈周期性變化。族——周期表上豎的各列。同一族元素具有相同的外殼層電子數(shù)，同一族元素具有非常相似的化學(xué)性能。過渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB對(duì)應(yīng)著內(nèi)殼層電子逐漸填充的過程，把這些內(nèi)殼層未填滿的元素稱過渡元素。7個(gè)橫行（Horizontalrows)周期（period）按原子序數(shù)（AtomicNumber)遞增的順序從左至右排列

18個(gè)縱行（column）16族（Group），7個(gè)主族、7個(gè)副族、1個(gè)Ⅷ族、1個(gè)零族（InertGases）最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning??2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?1.1原子結(jié)構(gòu)1.2原子間的鍵合內(nèi)容提要：在所有固體中，原子是由鍵結(jié)合在一起。這些鍵提供了固體的強(qiáng)度和有關(guān)電和熱的性質(zhì)。例如：強(qiáng)鍵導(dǎo)致高熔點(diǎn)、高彈性系數(shù)、較短的原子間距及較低的熱膨脹系數(shù)。由于原子間的結(jié)合鍵不同，我們通常將材料分為金屬、聚合物和陶瓷3類。1.2原子間的鍵合鍵的形成——在凝聚狀態(tài)下，原子間距離十分接近，便產(chǎn)生了原子間的作用力，使原子結(jié)合在一起，就形成了鍵。鍵分為一次鍵和二次鍵：一次鍵——結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵。二次鍵——結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。1.2原子間的鍵合1.2.1金屬鍵金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。金屬鍵的基本特點(diǎn)：電子的共有化。無飽和性又無方向性每個(gè)原子趨于形成低能量的最密堆結(jié)構(gòu)。第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?1.2.1金屬鍵金屬的基本性質(zhì)：原子改變位置并不破壞金屬鍵，使金屬具有良好延展性；自由電子的存在，使金屬具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。1.2原子間的鍵合?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?1.2.2離子鍵離子鍵：正負(fù)靜電引力所構(gòu)成鍵合稱為離子鍵。正負(fù)離子靜電引力較強(qiáng)，因此離子晶體的熔點(diǎn)和硬度均較高。常溫下離子晶體很難產(chǎn)生自由運(yùn)動(dòng)的電子，因此，它們都是良好的電絕緣體。但當(dāng)其處在高溫熔融狀態(tài)時(shí)，正負(fù)離子在外電場(chǎng)作用下可以自由運(yùn)動(dòng)，即呈現(xiàn)離子導(dǎo)電性。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?1.2原子間的鍵合1.2.3共價(jià)鍵共價(jià)鍵：兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過共用電子對(duì)而形成的化學(xué)鍵。為使系統(tǒng)的能量最低，共價(jià)鍵鍵合要求配對(duì)的核外電子云達(dá)到最大的重疊。共價(jià)鍵特點(diǎn)：共價(jià)鍵之間都有確定的方位，且配對(duì)電子個(gè)數(shù)確定，具有方向性和飽和性。共價(jià)鍵的結(jié)合極為牢固。1.2原子間的鍵合1.2.3共價(jià)鍵共價(jià)晶體的性質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆。配位數(shù)比較小，密度較低。一般是絕緣體，其導(dǎo)電性能差。一般存在于亞金屬（碳、硅、錫、鍺等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中。?2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning?1.2原子間的鍵合第1章習(xí)題說明離子鍵、共價(jià)鍵、分子鍵和金屬鍵的特點(diǎn)。解：離子鍵、共價(jià)鍵、分子鍵和金屬鍵都是指固體中原子（離子或分子）間結(jié)合方式或作用力。

離子鍵是由電離能很小、易失去電子的金屬原子與電子親和能大的非金屬原子相互作用時(shí)，產(chǎn)生電子得失而形成的離子固體的結(jié)合方式。

共價(jià)鍵是由相鄰原子共有其價(jià)電子來獲得穩(wěn)態(tài)電子結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式。

分子鍵是藉分子（或原子）中電荷的極化現(xiàn)象所產(chǎn)生的弱引力結(jié)合的結(jié)合方式。當(dāng)大量金屬原子的價(jià)電子脫離所屬原子而形成自由電子時(shí)，由金屬的正離子與自由電子間的靜電引力使金屬原子結(jié)合起來的方式為金屬鍵。第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合2、比較金屬材料、陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合