工程材料基础-原子结构.pptx

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第二章原子结构与原子间结合键2.1原子结构2.2原子序数和原子质量2.3原子的电子层结构2.4原子的结合键 2.1原子结构原子组成：原子核和核外电子,原子核内又有质子和中子。原子电荷：质子带正电荷，中子不带电荷，因此原子核带正电荷，通过静电吸引，将带负电荷的电子束缚在其周围。每个质子和电子所带的电荷q均为1.602×10-19库仑。因为原子中质子和电子的数目相等，所以从整体看，原子是电中性的。原子尺寸：直径约为10-10m，但原子核直径很小，仅为约10-14m，其外部均为电子所包围。 续上页原子质量：原子的质量大部分集中在原子核内。一个质子具有1.673×10-24g质量，中子略重于质子，质量为1.675×10-24g，而一个电子的质量只有9.109×10-28g，仅为质子质量的1/1836。表2-1质子、中子和电子的质量与电荷粒子质量，g粒子电荷，库仑质子中子电子1.673×10-241.675×10-249.109×10-28+1.602×10-190-1.602×10-19 2.2原子序数和原子质量2．2．1原子序数元素的原子序数等于原子核中的质子数或核外电子数。每种元素均与一定的原子序数相对应，如铁的原子序数为26，其原子核有26个质子和26个核外电子。 2．2．2核素与同位素核素：原子核中具有一定质子数和一定中子数的原子。一种碳原子的原子核中有6个质子和6个中子，它的质量数是12，这种碳原子称碳-12核素，写为12C核素；另一种碳原子的原子核里有6个质子和7个中子，质量数为13，称碳-13核素，可写为13C核素。多核素元素与单核素元素。同位素：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素；即多核素元素中的不同核素互称为同位素。12C和13C是碳的同位素。稳定同位素与放射性同位素。 2.2.3原子质量与相对原子质量1.原子质量指某核素一个原子的质量。由于原子的绝对质量很小,常以12C一个原子质量的1/12作单位，称为“原子质量单位”，用“u”表示（1u=1.66×10-24g），因此12C的原子质量也就等于12u。 续上页元素原子的原子质量：元素的平均原子质量与核素12C原子质量的1/12之比。所谓元素的平均原子质量，是对一种元素含有多种天然同位素而说的，平均原子质量可由这些同位素的原子质量和丰度（指某同位素在所属的天然元素中所占的原子百分数）来计算。元素的原子质量用符号Ar(E)表示，E代表某元素，如氧的原子质量等于16.00，可表示为Ar(O)=16.00。它表示1个氧原子的平均质量是核素12C原子质量1/12的16.00倍。可见，元素的原子质量只是一种相对的比值。它的单位为一。 例题2-1：自然界的氢元素有两种同位素，实验测得1H的原子质量为1.007825u，丰度为99.985%，2H的原子质量为2.0140u，丰度为0.015%，试计算氢元素的平均原子质量和相对原子质量。解：氢元素的平均原子质量为：1.007825u×99.985%+2.0140u×0.015%=1.0079u根据元素的相对原子质量的定义，氢的相对原子质量为： 2.相对原子质量元素的相对原子质量：1mol某种元素的平均质量与1mol12C核素原子质量1/12之比，也是该元素6.023×1023个原子（阿伏伽德罗数NA）的质量，其单位为g/mol。各元素的相对原子质量均示于表2-2元素周期表中元素符号的下方。 例题2-2：(1)根据铜的相对原子质量，试求1个铜原子的质量。(2)1克铜中有多少铜原子？解:(1)铜的相对原子质量为63.54g/mol，因63.54g铜有6.023×1023个原子,因此,一个铜原子的质量为:63.54g/mol/6.023×1023个原子/mol=1.05×10-22g/原子(2)1克铜的原子数：6.023×1023个原子/mol/63.54g/mol=9.48×1021个原子/g 2.3原子的电子层结构2．3．1核外电子的运动状态原子中核外电子的运动状态（或分布情况），要用四个量子数加以描述。这四个量子数是：１．主量子数n２．角量子数l３．磁量子数m４．自旋量子数ms 1．主量子数n主量子数n是描述核外电子的能量和电子离核平均距离的参数，是决定电子能量大小的主要量子数。n值越大，电子离核的距离越远，电子的能量愈高。主量子数n可取零以外的正整数，即n=1,2,3…。每一个n值代表一个电子层或主能级层（主层），在光谱学上常用拉丁字母表示电子层：主量子数n1234567电子层符号KLMNOPQ 2．角量子数l角量子数l用于描述原子轨道或电子云的形状，并在多电子原子中和主量子数n一起决定电子的能量，故又称为副量子数。n确定后，角量子数l可取0到n-1，即l=0，1，2…（n-1）。如n=1,l只能取0；n=2，l可取0和1两个值。电子亚层或能层常用光谱符号表示：角量子数l0123电子亚层符号spdf l=0表示球形的s原子轨道或电子云；l=1表示哑铃形的p原子轨道或电子云；l=2表示花瓣形的d原子轨道或电子云，等等。图2-1是s、p和d原子轨道的平面图。在多电子原子中，同一电子层中的l数值越大，该电子亚层的能级越高，如在第三电子层有s、p和d等3个电子亚层，其中3d的能级高于3p的能级，3p的能级又高于3s的能级。图2-1s、p和d原子轨道的平面图 3．磁量子数m磁量子数m决定原子轨道在磁场中分裂，在空间伸展的方向。其取值受角量子数l的限制，当l一定，m可取0，±1，±2，…，±l，共有（2l+1）个数值，即原子轨道或电子云可以沿着（2l+1）个不同方向伸展，常用符号○或□表示。l=0时，m=0，原子轨道或电子云只有一个伸展方向；l=1时，m=-1、0、+1，有3个数值，p原子轨道或电子云分别沿着x，y和z三个方向伸展。l=2时，m=0,±1，±2，有5个数值，即d原子轨道或电子云有5个不同伸展方向的轨道。磁量子数与电子能量无关。l相同，m不同的原子轨道，即形状相同，空间取向不同的原子轨道，其能量是相同的。 4．自旋量子数ms原子中的电子除了绕核运动外，还可自旋。用于描述电子自旋方向的量子数称为自旋量子数，用符号ms表示。自旋方向只有顺时针和逆时针两种,故ms=，通常用符号↑、↓表示。自旋量子数ms对电子所处的能量没有影响。这样用四个量子数就可以描述电子在原子中的复杂运动状态，即四个量子数可以确定某一电子在原子核外某一电子层的电子亚层中的运动，它的电子云或原子轨道在空间的某一方向伸展，且本身有一定的自旋方向。这样可以近似地把这四个量子数看成是电子在空间位置的坐标。 2.3.2多电子原子轨道的能级能量E6pOOO5dOOOO4fOOOOOOO6sO5pOOO4dOOOOO5sO4pOOO3dOOOOO4sO3pOOO3sO2pOOO2sOlsO能级组6(6s4f5d6p)5(5s4d5p)4(4s3d4p)3(3s3p)2(2s2p)1(ls)图2-2原子轨道近似能级图美国化学家鲍林（Pauling）根据光谱实验结果，总结出多电子原子中原子轨道能量高低，并排列给出近似能级图，见左图 （1）能级图是按能量的高低顺序，而不是按原子轨道距核的远近排列的。图中将能量相近的轨道划为一组（即虚线方框内的轨道），称为能级组。共有7个能级组，它的能量依1、2、3、…能级组的顺序逐次增高。（2）在近似能级图中，每个小圆圈表示一个原子轨道，如第二能级组中有四个小圆圈，它代表有四个原子轨道。（3）角量子数l相同的能级，其能量由主量子数n决定，n越大，能量越高，如：s亚层的能量顺序是：E1s3550范德华ArCl27.73.1-189-101金属HgAl68324-39660氢键NH3H2O3551-780 各键特点比较共价键、离子键化合物的熔点较高，其中纯共价键的金刚石具有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。 大多数金属有高的密度，如铂、钨、金的密度达到工程材料中的最高值。金属的高密度有两个原因：第一，金属元素有较高的相对原子质量；第二，金属键没有方向性；所以金属原子总是趋于密集排列，常得到简单的原子密排结构。相反，对于离子键或共价键结合的情况，原子排列不可能很致密，共价结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离子结合则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，所以陶瓷材料的密度较低。聚合物由于其二次键结合，分子链堆垛不紧密，加上组成原子的质量较小（C、H、O），在工程材料中具有最低的密度数据。此外，金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非金属键结合的陶瓷、聚合物则在固态下不导电，它们可以作为绝缘体或绝热体在工程上应用。 2.力学性能弹性模量是材料应力－应变曲线上弹性变形段的斜率，以E表示之，其意义为：即E相当于发生单位弹性变形所需的应力。可把原子结合比喻成很多小弹簧的连结（图2-11）。结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，则“弹簧”越“硬”，原子之间距离的移动所需的外力就越大，即弹性模量越大。结合键能与弹性模量两者间有很好的对应关系。 工程材料的强度与结合键能也有一定的联系，一般来说，结合键能高的，强度也高一些;材料的塑性与结合键类型有关，金属键赋予材料良好的塑性，而离子键、共价键结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。图2-11原子间结合力性质的模型 小结(一)原子由质子、中子和电子三种粒子构成。原子核带正电荷，通过静电吸引，将带负电荷的电子束缚在其周围，从整体看，原子是电中性的。原子核直径很小，但原子质量大部分集中在原子核内；电子占据了几乎所有原子体积，但只占据了很小的原子质量。电子，特别是外层电子，决定了原子的电子、力学、化学和热性能等主要性能。原子中核外电子的运动状态（或分布情况），用四个量子数加以描述。这四个量子数是：主量子数n，角量子数l，磁量子数m和自旋量子数ms。多电子的原子中原子轨道的能量高低由近似能级图给出。原子处于基态时，核外电子的排布必须三条规律：泡里（Pauli）不相容原理、能量最低原理和洪特（Hund）规则。据此可以确定大多数元素基态原子中电子的排布情况，即其电子层结构。通常表示电子层结构有两种方法：原子轨道式和电子排布式。 小结(二)元素周期律即元素的性质随着原子序数（核电荷数）的递增而呈周期性地变化。随着核电荷数的递增各元素原子的外电子层结构呈周期性地重复排列。因此，原子核外电子排布的周期性变化正是元素周期律的本质原因，元素周期表则是各元素原子核外电子排布呈周期性变化的反映。元素周期表中的周期、族和元素分区等均与元素原子的外电子层结构有关。原子、离子或分子间的结合力称为结合键。一般把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。不同的结合键具有不同的结合力，因而具有不同结合键的材料具有不同的性能特点。 谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH