材料科学基础_原子与结构键合课件

第一章原子结构和键合第一章原子结构和键合第一章原子结构和键合第一章原子结构和键合Atomic Structure and Interatomic BondingAtomic Structure and Interatomic Bonding物质(Substance)是由原子（atom）组成在材料科学中，最为关心原子的电子结构原子的电子结构原子间键合本质决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力学材料的微观结构材料的微观结构（Microstructure of Materials）决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构，原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规律，以及原子集合体的形貌特征 11原子结构原子结构 （Atomic Structure Atomic Structure）一、物质的组成（Substance Construction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒第一章原子结构和键合Atomic Structure an1二、原子的二、原子的结结构构l18791879年年 J.J Thomson J.J Thomson 发现电子（发现电子（electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密l19111911年年 E.RutherfordE.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型l19131913年年 N.BohrN.Bohr将将 lBohr atomic modelBohr atomic model 二、原子的结构1879年 J.J Thomson 发现2l核外电子的排布（electron configuration)规律l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum quantum numbersnumbers）表示表示核外电子的排布（electron configuration3材料科学基础_原子与结构键合课件4材料科学基础_原子与结构键合课件5l22原子间的键合原子间的键合 (Bonding type with other atom)Bonding type with other atom)l一、金属键（一、金属键（Metallic bondingMetallic bonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electronvalence electron）极易极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electronFree electron），），形成电子云形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构l性质：良好导电、导热性能，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好2原子间的键合(Bonding type with o6l二、离子键（Ionic bonding)多数盐类、碱类和金属氧化物l 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体l三、共价键（covalent bonding）l 亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 l特点：饱和性 配位数较小，方向性（s电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 实质：金属原子 带正电的正离子（Cation）非金属原子 带负电的负离子（anion）e 二、离子键（Ionic bonding)特点：以离子而不是7l四、范德华力（Van der waals bonding)l包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)l属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 l五、氢键（Hydrogen bonding）极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性四、范德华力（Van der waals bonding)包8l33高分子链高分子链（High polymer Chain)High polymer Chain)3高分子链（High polymer Chain)9l近程结构（short-range Structure)l一、结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito)l1.碳链高分子 聚乙烯l主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得l如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯l杂链高分子 涤纶l主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等近程结构（short-range Structure)主链以10l3.元素有机高分子 硅橡胶 l l主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶l4.无机高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷l主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解3.元素有机高分子 硅橡胶 主11二、高分子链结构单元的键合方式二、高分子链结构单元的键合方式（bonding tapebonding tape）l1.均聚物结构单元键接顺序 单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：头头尾尾头尾双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同 二、高分子链结构单元的键合方式（bonding tape）112l2.共聚物的序列结构（Copolymers）l 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为2.共聚物的序列结构（Copolymers）13三、高分子链的结构（structure）不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状热固性（thermosetting）三、高分子链的结构（structure）不溶于任何溶剂，14四、高分子链的构型四、高分子链的构型（Molecular configurationsMolecular configurations）l链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行四、高分子链的构型（Molecular configurat15l旋光异构体（stereoisomerism）l由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方式旋光异构体（stereoisomerism）16几何异构（Geometrical isomerism）双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有 顺式 反式 两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 几何异构（Geometrical isomerism）顺式 17远程结构（远程结构（Long-range Structure)Long-range Structure)l一、高分子的大小（Molecular Size）l高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性l平均相对分子质量远程结构（Long-range Structure)一、高分18l高分子链中重复单元数目称为聚合度不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质，对加工和使用也有很大影响。数均相对分子量每链节的质量对力学性能起决定作用，高分子链中重复单元数目称为聚合度不仅影响高分子溶液和熔体的流19l二、高分子的形状（Molecular shape）l主链以共价键联结，有一定键长 d和键角，每个单键都能内旋转（Chain twisting）故高分子在空间形态有mn-1(m为每个单键内旋转可取的位置数，n为单键数目)l统计学角度高分子链取 伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大l高分子链的总链长 l均方根三、影响高分子链柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）二、高分子的形状（Molecular shape）三、影响高20