材料科学基础第1章原子结构和键合

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1、第1章原子结构和键合(Atomicstructureandinteratomicbonding)本章主要内容：(1)原子结构；(2)原子间键合方式；(3)高分子链。掌握基本概念和术语理解决定键合方式的主要因素能够用结合键的特征解释材料的性能。例如：用金属键的特征解释金属材料的性能：1.良好的导电、导热性；（自由电子）2.良好的延展性。（既无饱和性又无方向性）3.金属光泽（？课后思考，下节课提问）4.正的电阻温度系数（？课后思考，下节课提问）1.1原子结构1.1.1物质的组成物质是由无数微粒（分子、原子、离子）

2、按一定方式聚集而成的集合体。粒子1.1.2原子结构(atomicstructure)原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。1.1.3原子的电子结构电子云(electionatmosphere)1.描述原子中一个电子的位置和能量用四个量子数(quantumnumber)：主量子数（电子层）、轨道量子数（电子亚层）、磁量子数（轨道数）、自旋角动量子数（自旋方向）。2.核外电子排布遵循的规律：能量最低原理

3、、Pauli不相容原理(Pauliprinciple)、Hund规则(Hund’srule)。图1原子结构图2原子排列1.1.4元素周期表1.1.5原子的电离能、电子亲合能和电负性（补充）1.电离能(ionizationenergy)气态原子失去一个电子成为一价正离子所需要的最低能量称为第一电离能。从一价正离子失去一个电子成为二价正离子所需要的最低能量称为第二电离能。依此类推。电离能的大小可以反映原子失去电子的难易程度。单位：电子伏特或千伏/摩尔。2.电子亲合能(electronaffinity)气态原子获得一

4、个电子成为一价负离子所释放的能量。3.电负性(electronegativity)原子在化合物中把电子吸引向自己的本领。1.2原子间的键合结合键(bindingbond)：1.是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。2.结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。3.从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，就能预测物质的各项性质。因此，结合键的分析和计算乃是各种分子和固体电子理论的基础。4.目前还不能对各种物质的结合键进行准确的理论计算。5.各种键合本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互

5、作用即库仑力。6.根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为五类：金属键、离子键、共价键；分子键（范德华力）和氢键。化学键物理键1.2.1化学键（主价键、一次键）1.金属键(metallicbond)1）自由电子—弥漫于金属正离子间金属原子的外层电子数比较少，且各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。2）定义：由金属正离子和自由电子之间互相作用所构成的键合称为金属键。3）特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。4）可以解释金属的一些特征：如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光

6、泽，正的电阻温度系数。图3金属键示意图2.离子键(ionicbond)金属正离子——非金属负离子之间特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性和饱和性。可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。以NaCl为例：1）金属原子放弃一个外层电子，非金属原子得到此电子使外层填满，结果双双变得稳定。2）金属原子失去电子带正电荷，非金属原子得到电子带负电荷，双双均成为离子3）离子键键的大小在离子周围各个方向上

7、都是相同的，故没有方向性和饱和性。解释：熔点高、硬度高、固态下绝缘性好、熔融时可以导电等。图5Cl与Na形成离子键图4NaCl晶体3.共价键(covalentbond)两个或多个原子间通过共用电子对而形成的化学键。特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。图7SiO2四面体晶体结构（由共价键方向性特点决定）图6形成共价键的SiO2（蓝色圆圈代表Si的价电子，红色圆圈代表O的价电子）表1几种材

8、料的结合能和熔点1.2.2物理键（次价键、二次键）1.范德华力(VanDerWaalsforce)，也叫分子键。1）微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用2）特点：除高分子材料外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，无方向性。2.氢键(hydrogenbond)1）分子间特殊作用力2）表达为：X—H—Y3）特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。4）氢键主要存在于高分子材料内。1.2