材料科学基础 第一单元

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,材料科学根底,第,1,章 原子结构与键合,1.1,原子结构,1.2,原子间的键合,本章主要内容要求,根本概念和术语;,原子间的结合键对材料性能的影响;,用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的特征解释金属材料的性能：,1.良好的延展性；,2.良好的导电、导热性；,物质的组成,一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而成的，这些微粒可能是,分子,、,原子,或,离子,。,分子,是能单独存在、并保持物质化学特性的一种微粒。,分子又是由一些更小的微粒,原子,所组成。原子是化学变化中的最小微粒；原子并不是物质的最小微粒。,1.1,原子结构,原子结构的特点：,1 原子体积很小，直径约为10-10m,2原子核直径更小，约为10-15m,3原子质量大局部集中于原子核内，原子核的密度很大。,1.1.2,原子的结构,原子核,(,nucleus,):,位于原子中心、带正电,电 子,(,electron,),：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云,(,electron cloud),9.1110,-31,kg,，约为质子的,1/1836,质子,(,proton,),：正电荷,m,1.672610,-27,kg,中子,(neutron),：电中性,m,1.674810,-27,kg,2轨道角动量量子数,角量子数 l 给出电子在同一量子壳层内所处的能级，决定原子轨道的形状。取值为 0、1、2.n1。在多电子原子中，当 n 相同而 l 不同时，电子的能量还有差异，又常将一个电子壳层分为几个亚层。,n1 时，l 0，K 层只有 s 亚层；,n2 时，l 0、1，L 层有 s、p 亚层；,n3 时，l 0、1、2，M 层有 s、p、d 亚层;,n4 时，l 0、1、2、3，N 层有 s、p、d、f 亚层。,在多电子原子中， l 也决定着原子轨道的能量。当 n 相同时，随 l 的增大，原子轨道的能量按照s，p，d，f，g次序升高。,不同电子亚层的电子云形状不同。,3磁量子数,磁量子数m 给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。,决定原子轨道在空间的取向，它的取值为0, 1, 2, ， l ，因此有 2 l + 1 种取向。,l 0 时，m只能取 0，s 亚层只有 1 个轨道；,l 1 时， m可取 1、0、1，p 亚层有3个轨道；,同理，d 亚层有 5 个轨道，f 亚层有7个轨道。,4自旋量子数,自旋量子数Si描述电子的自旋方向，它的取值为 +1/2 和 -1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，用“和“ 表示。,综上所述，,n,、,l,、,m,三个量子数可以确定一个 电子轨道，而,n,、,l,、,m,、,S,i,四个量子数可以确定电子的运动状态。,电子壳层、电子亚壳层、原子轨道与量子数之间的关系,n,电子层,l,电子亚层,m,轨道数,1,K,0,1s,0,1,2,L,0,1,2s,2p,0,1,0,+1,1,3,3,M,0,1,2,3s,3p,3d,0,-1,0,+1,-2,-1,0,+1,+2,1,3,5,4,N,0,1,2,3,4s,4p,4d,4f,0,-1,0,+1,2,-1,0,+1,+2,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,1,3,5,7,核外电子的排布,规律,能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低，占据能量最低 的壳层，即,1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-,泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，n壳层最多只能容纳2n2个电子。,洪德定那么：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，而且自旋方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。,1s,2s,2p,C,N,O,1s,2,2s,2,2p,2,1s,2,2s,2,2p,3,1s,2,2s,2,2p,4,核外电子的排布,举例：,按规那么排布：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d8,实际排布：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2,注：对于序数较大的原子，d和f能级开始被填充，相邻壳层的能级存在重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规那么，呈现鲍林能级图分布。,例如26Fe原子的电子结构：,元素具有相同核电荷数的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据,同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子,元素有两种存在状态：游离态和化合态,7个横行(7个周期按原子序数递增的顺序从左至右排列,18个纵行16族，7个主族、7个副族、1个族、1个零族；每个族最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。,1.1.4,元素周期表,原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数,主族序数最外层电子数 零族元素最外层电子数为8氦为2,价电子数,两个或多个原子形成分子或固体时，它们依靠什么样的结合力聚集在一起，这就是原子间的键合问题。,1.2,原子间的键合,结合键(binding bond)分为两大类：,化学键主价键、一次键：金属键、离子键、共价键 ， 键力由弱到强。,物理键次价键、二次键：范德华力、氢键。,1.2.1,金属键,金属离子沉浸在自,由电子的海洋中,典型金属原子结构,：最外层电子数很少，即,价电子,极易挣脱原子核之束缚而成为,自由电子,，形成电子云。金属中自由电子与金属正离子之间构成的键合称为金属键。,金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构面心，体心，密排六方,金属的性质：良好导电、导热性能，延展性好,1.,2.2,离子键,大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合,特点,：,1),以离子为结合单位,，正负离子相间排列，无方向性和饱和性。,2),结合力较强,，较高的熔点和硬度，固态时为良好的电绝缘体。,实质：金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起。,由NaCl离子键如以下图的形成可以得出：,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.金属离子带正电荷，非金属离子带负电荷；,3. 离子键的大小在离子周围各个方向上都是相同的，没有方向性。,1.2.3,共价键,左图：形成共价键的,SiO,2,蓝色是,Si,的价电子，红色是,O,的价电子,极性键,:,共用电子对偏于某成键原子,非极性键,:,位于两成键原子中间,共价键,亚金属C、Si、Sn、 Ge，聚合物和无机非金属材料,实质：由二个或多个电负性接近的原子间通过共用电子对而成,例如：形成共价键的,SiO,2,1.方向性：亚层p，d等的电子云有一定的方向性，形成共价键时，为使电子云到达最大限度的重叠，共价键有方向性,2. 饱和性：当一个电子和另外一个电子配对后，不再和第三个电子配对，成键的共用电子对数目一定。,3. 配位数小：共价键晶体中各个键之间都有确定的方位,4.共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有稳定的结构，高熔点，质硬脆,5.导电性差：“共用电子对不能自由运动，故为绝缘体，导电性差,共价键特点和性质,静电力,是由极性原子或分子的,永久偶极之间,的静电相互作用所引起的，大小与绝对温度和距离的,7,次方成反比；,诱导力,是当极性分,(,原,),子和非极性分,(,原,),子相互作用时，非极性分子中产生,诱导偶极,与极性分子的,永久偶极间,的相互作用力，大小与温度无关，但与距离的,7,次方成反比；,色散力,是由于某些电子运动导致原子,瞬时偶极,间的相互作用力，其大小与温度无关，但与距离的,7,次方成反比。,1.2.4,范德华力,定义：,原先相互独立的原子或分子由于近邻原子的相互作用,引起电荷位移而形成偶极子,，由于,偶极子感应作用,形成的键合，,包括静电力、诱导力和色散力。,+,-,+,-,原子或分子偶极子,属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质,极性分子键，存在于,HF,、,H,2,O,、,NH,3,中，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。,具有饱和性和方向性，键能介于化学键与范德华力之间，在高分子中占重要地位。,1.2.5,氢 键,HF,氢键示意图,H,F,H,F,氢 键,实际材料的,键性,1. 金属材料,工程应用的金属材料，原子间的结合键根本上为金属键，皆为金属晶体材料。还有其他键如：共价键、离子键。,2. 陶瓷材料,陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合，但离子键是主要的。,3. 高分子材料,聚合物的大分子内的原子之间由很强的共价键结合，而大分子链与链之间的结合力为较弱的范德华力或氢键。,一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力,一根本概念,金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键,二根本问题,1各种结合键的特点，结合键对材料性能的影响。,2用结合键的特征解释材料的一些性能。特别是用金属键的特征解释金属材料的性能良好的延展性；良好的导电、导热性。,本章小结,思考题,1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？,2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些个原那么？,3.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？,4.原子间的结合键共有几种？各自特点如何？,