化學(xué)鍵的再研究

結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列顯微組織§1化學(xué)鍵的再研究1晶粒的大小、合金相的種類、數(shù)量和分布等參數(shù)。

結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列顯微組織2結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列顯微組織原子核外電子的排布方式顯著影響材料的電、磁、光和熱性能，還影響到原子彼此結(jié)合的方式，從而決定材料的類型

3晶態(tài)和非晶態(tài)。晶體結(jié)構(gòu)顯著影響材料的力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列顯微組織4原子結(jié)構(gòu)理論原子原子核質(zhì)子(10-8cm,1836倍)(10-8cm)(10-12cm)中子(10-8cm,1838倍)

電子

(10-13cm)

(9.1х10-28g)

5金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)其最外層的電子數(shù)很少，一般為1～2個(gè)，不超過3個(gè)。價(jià)電子678當(dāng)原子靠近到一定程度時(shí)，原子間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的作用力。結(jié)合力一、一次鍵和二次鍵9外層電子作用形式穩(wěn)定的八電子排布結(jié)構(gòu)接受或釋放額外電子共有電子10共有價(jià)電子→電子云→鍵無方向性和飽和性性能特點(diǎn)：

1)良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性；

2)正的電阻溫度系數(shù)；

3)良好的強(qiáng)度及塑性；

4)特有的金屬光澤。金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵一次鍵11金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵得失價(jià)電子→正負(fù)離子→①高熔點(diǎn)、高硬度、低塑②良好的電絕緣體等一次鍵12金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵共有電子對(duì)→鍵有飽和性→①高熔點(diǎn)、高硬度、低塑性②電絕緣體等一次鍵13范德瓦爾鍵

二次鍵形成：一個(gè)分子的正電荷部位與另一分子的負(fù)電荷部位間以微弱靜電引力相引而結(jié)合在一起稱為分子鍵。

特性：分子晶體因其結(jié)合鍵能很低，所以其熔點(diǎn)很低，硬度也低。但其絕緣性良好。14離子鍵

共價(jià)鍵金屬鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

方向性不明顯，配位數(shù)大

方向性明顯，配位數(shù)小，密度小

無方向性，配位數(shù)大，密度大

力學(xué)性能

強(qiáng)度高，劈裂性良好，硬度大

強(qiáng)度高，硬度大

有各種強(qiáng)度，有塑性

熱力性質(zhì)

熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有離子存在

熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有的含有分子

有各種熔點(diǎn)，導(dǎo)熱性好，液態(tài)的溫度范圍寬

電學(xué)性質(zhì)

絕緣體，熔體為導(dǎo)體

絕緣體，熔體為非導(dǎo)體

導(dǎo)電體（自由電子）

光學(xué)性質(zhì)

與各構(gòu)成離子的性質(zhì)相同，對(duì)紅外線的吸收強(qiáng)，多是無色或淺色透明的

折射率大，同氣體的吸收光譜很不同

不透明，有金屬光澤

結(jié)合鍵的特性15問題：金屬原子為什么趨于規(guī)那么排列？16二、鍵能曲線結(jié)合力與結(jié)合能以雙原子模型為例〔NaCl〕吸引力：正離子與負(fù)離子〔電子云〕間靜電引力，長程力排斥力：正離子間，電子間的作用力，短程力結(jié)合力＝吸引力＋排斥力;結(jié)合能＝吸引能＋排斥能17引力式中：Zi為化合價(jià)；q為一個(gè)電子的電荷；e0

為真空介電常數(shù)；x為離子間的距離。〔2-1〕18斥力式中，K和m都是常數(shù)，m＞2〔常見的實(shí)驗(yàn)值為m=12〕。比較方程〔2-1〕和〔2－2〕，可見，排斥力是在x很小時(shí)起主導(dǎo)作用，而吸引力是在較大距離時(shí)才占優(yōu)勢。〔吸引力長程力，排斥力為短程力〕〔2－2〕19離子間的平衡距離離子間的平衡距離可以由力的總和為零得到。即當(dāng)x滿足以下方程時(shí)：

20原子間必須保持一定的平衡距離，這是固態(tài)金屬中的原子趨于規(guī)那么排列的重要原因。21結(jié)合力與結(jié)合能x0就是原子之間中心到中心的平均距離，因此也叫做鍵長。〔力-距離曲線〕22原子間的鍵－能曲線23如果以x→∞時(shí)勢能為零處作為能量的零點(diǎn)，在吸引力作用下，兩個(gè)原子逐漸移近，引力愈來愈強(qiáng)，系統(tǒng)對(duì)外界做功，為負(fù)值吸引能排斥能總的能量24對(duì)應(yīng)U-x曲線上的最小值是兩個(gè)原子間的平衡距離。當(dāng)x>x0時(shí)，吸力大于斥力；當(dāng)x<x0時(shí)，吸力小于斥力；在x=x0處，吸力和斥力平衡。可見要將原子相互間拉開或壓縮都需要做功，都會(huì)引起能量的升高。時(shí)，

25U稱為原子間的結(jié)合能或鍵能，它相當(dāng)于把原子完全拆散所需要的功。由于它在能量曲線上總處于最低點(diǎn)，所以也稱原子間的能阱或勢阱。阱越深即位能越低，表示結(jié)合能越大。26上述雙原子作用力模型，推廣到原子集合體中會(huì)有偏差，但根本原那么還是對(duì)的。因此，可以將金屬理想晶體看作是原子在能量的周期場中分布著，每個(gè)原子處于勢阱的底部。模型雖粗糙，但它有助于定性地去理解金屬和合金中有關(guān)結(jié)構(gòu)和性能方面的不少問題。27三、鍵的類型對(duì)材料性能的影響不同金屬—作用力曲線、作用能曲線的曲率、勢阱深度不同例：堿金屬鈉、鉀、鋰等，曲線在平衡點(diǎn)附近較平緩，勢阱小，說明原子間作用力弱或結(jié)合能小。銅、銀、金等那么正相反，說明結(jié)合力強(qiáng)、結(jié)合能大。28前一類金屬原子在平衡時(shí)，它的內(nèi)電子層實(shí)際上并沒有相接觸，或者說，正離子間還有相當(dāng)大的間隔，原子易壓縮，剛度小稱之為開放型金屬；后一類金屬那么不然，原子處于平衡時(shí)，其內(nèi)電子層已有相當(dāng)?shù)闹丿B，原子很不易壓縮，剛度大稱為封閉型金屬。封閉型金屬往往比開放型金屬的彈性模量大，熱膨脹系數(shù)小，熔點(diǎn)高，比熱大，強(qiáng)度也高。29從鍵-能曲線上能夠直接獲取一些重要的宏觀材料性能，特別是可以估算鍵能、平均鍵長、彈性模量和熱膨脹系數(shù)等。30鍵能、鍵長U可以解釋為將相距無限遠(yuǎn)的兩個(gè)離子或原子集合在一起時(shí)系統(tǒng)所作的功，或等同于將原子完全地相互分開所需向系統(tǒng)提供的能量。因此，在x0處U〔x〕的大小，即能量勢阱的深度，就是鍵的固有強(qiáng)度，即鍵能的度量，平衡間距x0對(duì)應(yīng)于鍵長；在外場作用下，鍵長和鍵能會(huì)發(fā)生變化。31彈性模量E考慮原子系統(tǒng)對(duì)外載荷的響應(yīng)。鍵-力曲線在平衡位置附近時(shí)近似于直線，在x0處曲線的斜率:就是將原子從其平衡位置移開時(shí)所需力的度量。數(shù)學(xué)上，在x0附近，位移dx與力成正比:32式中，a是幾何因子，E為材料特性，稱為楊氏模量或稱彈性模量。彈性模量是材料抵抗使原子別離的力(剛度)的度量。鍵-力曲線在平衡間距處的斜率越陡(也就是E值越高)，將原子從其平衡位置移開所需的力越大。因此，E值大的材料較為剛硬，更能抵抗外加載荷下的長度變化33值得注意的是，曲率半徑越小，剛度越高，這種關(guān)系的物理解釋為:能量勢阱的兩壁越陡，將原子從平衡位置移動(dòng)所需的能量越大。鍵-能曲線在x0處的曲率也正比于彈性模量:34線膨脹系數(shù)ath是與鍵-能曲線密切相關(guān)的另一個(gè)宏觀特性隨著溫度的升高，原子獲得能量，能夠“移升〞到能量勢阱的側(cè)壁。35圖鍵能曲線與線膨脹系數(shù)的關(guān)系〔a〕虛線穿過等能量線段的中點(diǎn)，說明平均間距隨能量〔溫度〕增加而增大〔b〕兩種材料的鍵能曲線，比較它們不同的線膨脹系數(shù)〔a〕〔b〕36圖a說明在相應(yīng)于能量E*的溫度下，有兩個(gè)相同E*的x值。如果假定原子在這兩個(gè)位置之間振動(dòng)，那么，中間點(diǎn)就表示平均間距。畫出一系列等能量線段，連接其中點(diǎn)，我們看到平均原子間距隨溫度升高而增大。在一定的溫度范圍內(nèi)，可以用線性方程表示這種關(guān)系：式中，xe為溫度T時(shí)的平衡間距，x0為參考溫度T0時(shí)的平衡間距，ath為線膨脹系數(shù)37隨著鍵-能曲線不對(duì)稱性的增