上海交通大学材料科学基础ch.ppt

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1、第1章原子结构和键合本章主要内容1.1原子结构1.2原子间的键合1.3高分子链重点与难点（1）描述原子中电子的空间位置和能量的4个量子数。（2）核外电子排布遵循的规则。（3）元素性质、原子结构和该元素在元素周期表中的位置三者之间的关系。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）按一定方式聚集而成的集合体；分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒；分子又由一些更小的微粒即原子组成，原子是化学变化中最小的微粒；1.1.2原子结构(atomicstructure)近代科学实验表明：原子是由原子

2、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。1.1.3原子的电子结构电子云(electionatmosphere)的形成：电子具有波粒二象性，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）主量子数n——决定原子中电子能级，以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层；轨道角动量量子数li——给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）

3、，与电子运动的角动量有关；磁量子数mi——给出每个轨道角动量量子数数的能级数或轨道数，决定电子云的空间取向；自旋角动量量子数si——反映电子不同的自旋方向。核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauliprinciple)、Hund规则(Hund’srule)。能量最低原理——电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由内向外进入能量较高的壳层，尽可能使体系的能量最低。Pauli不相容原理——在一个原子中在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳电子2n2。Hund规

4、则——在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定的，并且整个原子的能量最低。1.1.4元素周期表元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。元素周期表是元素周期规律的具体表现形式,它反映了元素之间的相互联系规律,元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质.1.2原子间的键合结合键(bindingbond)：结合键分为：化学键－金属键、离子键、共价键物理键－范德华力、氢键1.2.1化学键（主价键、一次键）金属键(metalli

5、cbond)自由电子——金属正离子间特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。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，具有金属光泽，正的电阻温度系数。金属键特点：电子共有化,没有方向性。特性：良好的导电、导热性；(2)不透明，具有金属光泽；(3)具有较高的强度和良好的塑性；(4)正的电阻温度系数。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。可以解释离子晶体的一些特征，

6、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。一种材料由两种原子组成，且一种是金属，另一种是非金属时容易形成离子键(Ionbond)的结合(如图1.4-1)。由NaCl离子键的形成可以归纳出离子键特点如下：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都是相同的，所以，它没有方向性。图1.4-1Cl与Na形成离子键Cl和Na离子在引力和斥力作用下，相互保持r

7、0的距离，即F＝0，能量E为最小（如图1.4-2）的位置。每一个Cl（或Na）离子与其近邻的Na（或Cl）离子均保持这种最低的能量关系，从而，形成NaCl特有的晶体结构，如图1.4-3所示。许多陶瓷材料主要是离子键结合的。离子键的结合能比较高，所以陶瓷材料的熔点也较高。表1.4-1列出了几种材料的结合能和熔点。图1.4-2Cl和Na离子保持r0的距离图1.4-3NaCl晶体3.共价键(covalentbond)两个或多个原子间共用电子对特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性(只和一个电子配对）和方向性（使得电子云达到最

8、大限度重叠），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1.4-5由共价键方向性特点决定了的SiO2四面体晶体结构图1.4-4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1.2.2物理键（次价键、二次键）1.范德华力(