金屬的原子結構

關于金屬的原子結構12本章主要內容1.1金屬的原子結構1.2金屬的晶體結構1.3實際金屬的晶體結構第2頁,共31頁，2024年2月25日，星期天3

同樣是由碳元素組成的，為什么是硬度最高的物質，而石墨卻很軟？為什么原子能結合成固體？材料中存在哪幾種鍵合方式？決定鍵合方式的主要因素有哪些？材料的哪些性能和其鍵合方式有密切的關系？

思考第3頁,共31頁，2024年2月25日，星期天4硅表面原子排列碳表面原子排列第4頁,共31頁，2024年2月25日，星期天51.1金屬的原子結構

物質的組成（SubstanceConstruction）物質由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：單獨存在，保存物質化學特性dH2O=0.2nmM(H2)為2M（protein）為百萬原子（Atom）：化學變化中最小微粒1.1.1原子結構

第5頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6ìì??í????í????-27-27-31質子：正電荷m＝1.6726×10kg原子核（nucleus)中子：電中性m＝1.6748×10kg電子（electron）：帶負電，按能量高低排列m＝9.109510kg，約為質子的1/1836e=1.6022×10-19CNA=6.023×1023atom/molM：原子量第6頁,共31頁，2024年2月25日，星期天7金屬原子的外層價電子數(shù)比較少（通常s,p價電子數(shù)少于4）電子云正離子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，在整個晶體內運動，即彌漫于金屬正離子組成的晶格之中而形成電子云。第7頁,共31頁，2024年2月25日，星期天81.1.2金屬鍵這種在金屬中的自由電子與金屬正離子相互作用所構成的鍵合稱為金屬鍵。金屬鍵無方向性，飽和性。金屬鍵的強弱和自由電子的多少、離子半徑、電子層結構等因素有關第8頁,共31頁，2024年2月25日，星期天9在外電壓的作用下，自由電子可以定向移動，故有導電性。

金屬受外力發(fā)生變形時，金屬鍵不被破壞，故金屬有很好的延展性。第9頁,共31頁，2024年2月25日，星期天10金屬可以吸收波長范圍極廣的光，并重新反射出，故金屬晶體不透明，且有金屬光澤。受熱時通過自由電子的碰撞及其與金屬離子之間的碰撞，傳遞能量，故金屬是熱的良導體。第10頁,共31頁，2024年2月25日，星期天11金屬主要是金屬鍵結合，但也會出現(xiàn)一些非金屬鍵，如過渡族元素（特別是高熔點過渡族金屬W、Mo等），它們的原子結合中也會出現(xiàn)少量的共價鍵結合，這也是過渡族金屬具有高熔點的原因。金屬與金屬形成的金屬間化合物（如CuGe），盡管組成元素都是金屬，但是由于兩者的電負性不一樣，有一定的離子化傾向，于是構成金屬鍵和離子鍵的混合鍵。因此，它們具有一定的金屬特性，但是不具有金屬特有的塑性，往往很脆。第11頁,共31頁，2024年2月25日，星期天12晶體中的原子之間可以相互吸引，也可以相互排斥。設fa

代表引力，fr

代表斥力，r

代表原子間距離，則：

式中

a，b，m，n

均為常數(shù)，其中m<n

。1.1.3結合力與結合能

原子間凈作用力f為：第12頁,共31頁，2024年2月25日，星期天13第13頁,共31頁，2024年2月25日，星期天14第14頁,共31頁，2024年2月25日，星期天15第15頁,共31頁，2024年2月25日，星期天16原子能夠結合為固體的根本原因，是原子或分子結合起來后，體系的能量可以降低，即在分散的原子結合成晶體過程中，會有一定的能量釋放出來。這個能量叫做結合能。結合能越大，則原子結合越穩(wěn)定。離子晶體、共價晶體的結合能最大；金屬鍵結合次之，金屬鍵結合中以過渡元素為最大；范德瓦爾斯鍵的結合能最小，只有幾十kJ/mol。材料結合鍵的類型及結合能的大小對材料的性能有重要的影響，特別是對物理性能和力學性能。第16頁,共31頁，2024年2月25日，星期天17熔點的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。材料加熱時，原子振動足夠破壞原子之間的穩(wěn)定結合，于是發(fā)生熔化，所以熔點與結合能有很好的對應關系。共價鍵、離子鍵化合物結合能較高，其中純共價鍵的金剛石有最高的熔點，金屬的熔點相對較低，這是陶瓷材料比金屬具有更高熱穩(wěn)定性的根本原因。金屬中過渡族金屬具有較高的熔點，特別是難熔金屬W、Mo、Ta等熔點較高，這可能是由于這些金屬的內層電子沒有填滿，使結合鍵中有一定比例的共價鍵。具有二次鍵結合的材料如聚合物等，熔點偏低。結合鍵與物理性能的關系－－熔點第17頁,共31頁，2024年2月25日，星期天18第18頁,共31頁，2024年2月25日，星期天19材料的密度與結合鍵類型有關。大多數(shù)金屬有較高的密度，如Pt、W、Au的密度在工程材料中最高。金屬的高密度有兩個原因：一個是由于金屬原子有較高的相對原子質量；另一個原因是因為金屬鍵的結合方式沒有方向性，所以金屬原子中趨向于密集排列，金屬經常是簡單的原子密排結構。離子鍵和共價鍵結合時的情況。原子排列不可能非常致密。共價鍵結合時，相鄰原子的個數(shù)要受到共價鍵數(shù)目的限制，離子鍵結合時則要滿足正、負離子之間結合鍵與物理性能的關系－－密度第19頁,共31頁，2024年2月25日，星期天20的電荷平衡的要求，相鄰的原子數(shù)目都不如金屬多，所以陶瓷材料的密度比較低。聚合物中由于是通過二次鍵結合，分子之間堆垛不緊密，加上組成的原子質量比較?。–、H、O），因此聚合物的密度很低。與金屬鍵結合的金屬相比，由非金屬鍵結合的陶瓷、聚合物一般在故態(tài)下不導電，它們可以作為絕緣體和絕熱體在工程上應用。結合鍵與物理性能的關系－－密度第20頁,共31頁，2024年2月25日，星期天21工程材料的腐蝕是一種化學反應，實質是結合鍵的形成和破壞。金屬腐蝕時，金屬離子離開金屬就與外層價電子的失去有關。結合鍵與化學性能的關系－－腐蝕第21頁,共31頁，2024年2月25日，星期天22晶體材料的硬度與晶體的結合鍵有關。一般來說，共價鍵、離子鍵、金屬鍵結合的晶體比分子鍵結合的晶體的硬度高。結合鍵與力學性能的關系－－硬度第22頁,共31頁，2024年2月25日，星期天23彈性模量是表征材料在發(fā)生彈性變形時所需要施加力的大小。在給定應力下，彈性模量大的材料只發(fā)生很小的彈性應變，而彈性模量小的材料則發(fā)生比較大的彈性應變。結合能是影響彈性模量的主要因素，結合鍵之間的結合鍵能越大，則彈性模量越大，結合鍵能與彈性模量之間有很好的對應關系。結合鍵與力學性能的關系－－彈性模量第23頁,共31頁，2024年2月25日，星期天24結合鍵與力學性能的關系－－彈性模量金剛石具有最高的彈性模量，E＝1000GPa工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等結合鍵能也比較高，它們的彈性模量為250~600GPa金屬鍵結合的金屬材料彈性模量要抵一些，常用金屬材料的彈性模量約為70～350GPa聚合物由于二次鍵的作用，彈性模量僅為0.7～3.5GPa第24頁,共31頁，2024年2月25日，星期天25材料的強度與結合鍵能也有一定的聯(lián)系。一般結合鍵能高，強度也高一些。材料的強度在很大程度上還取決于材料的其他結構因素，如材料的組織，因此材料的強度可以在一個較大的范圍內變化。結合鍵與力學性能的關系－－強度第25頁,共31頁，2024年2月25日，星期天26材料的塑性也與結合鍵類型有關，金屬鍵結合的材料具有良好的塑性，而離子鍵、共價鍵結合的材料的塑性變形困難，所以陶瓷材料的塑性很差。結合鍵與力學性能的關系－－塑性第26頁,共31頁，2024年2月25日，星期天27金屬鍵（Metallicbonding）典型金屬原子結構：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，形成電子云金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱為金屬鍵特點：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結構性質：良好導電、導熱性能，延展性好第27頁,共31頁，2024年2月25日，星期天28思考題為什么第VIII族中鐵鈷鎳有鐵磁性，而同族的釕銠鈀,鋨銥鉑卻沒有?常溫下釓Gd也具有鐵磁性？為什么銀的顏色是銀白的，而金的顏色是金黃色的，物質的顏色與什么有關？第28頁,共31頁，2024年2月25日，星期天29為什么第VIII族中鐵鈷鎳有鐵磁性，而同族的釕銠鈀,鋨銥鉑卻沒有?常溫下釓Gd也具有鐵磁性？鐵磁性產生的條件：

①原子內部要有末填滿的電子殼層；

②及Rab／r之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結構。第29頁,共31頁，2024年2月25日，星期天30為什么銀的顏色是銀白的，而金的顏色是金黃色的，物質的顏色與什么有關？物質都是由原子（或離子）構成，在這些粒子中有電子，電子分布在能量固定的幾個軌道上，此時的狀態(tài)稱為基態(tài)，當光照射到物質上的時候，電子會吸收照射光中的一部分能量產生躍遷，從能量低的軌道“跳