工程材料基础(清华大学)-2[1].原子结构.ppt

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,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1.60210,-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,-10,m，,但原子核直径很小，仅为,约10,-14,m，,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,-24,g,质量，中,子略重于质子，质量为1.67510,-24,g，,而一个电子的质量只有9.10910,-28,g，,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,1.67310,-24,1.67510,-24,9.109,10,-28,+1.60210,-19,0,-,1.602,10,-19,2.2 原子序数和原子质量,221 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,。,222 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,12,C,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,13,C,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。,12,C,和,13,C,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,12,C,一个原子质量的1/12作单位，称为“,原子质量单位,”，用“,u”,表示（1,u=1.6610,-24,g），,因此,12,C,的原子质量也就等于12,u。,续上页,元素原子的原子质量：,元素的平均原子质量与核素,12,C,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,A,r(E),表示，,E,代表某元素，如氧的原子质量等于16.00，可表示为,A,r(O)=16.00。,它表示1个氧原子的平均质量是核素,12,C,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,1,H,的原子质量为1.007825,u，,丰度为99.985%，,2,H,的原子质量为2.014 0,u，,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：,1.007825,u99.985%+2.0140u0.015%=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：,1,mol,某种元素的平均质量与1,mol,12,C,核素原子质量1/12之比，也是该元素6.02310,23,个原子（阿伏伽德罗数,N,A,）,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63.54,g/mol，,因63.54,g,铜有,6.02310,23,个原子,因此,一个铜原子的质量为:,63.54,g/mol/6.02310,23,个原子/,mol=1.0510,-22,g/,原子,(2)1克铜的原子数：,6.02310,23,个原子/,mol/63.54g/mol=9.4810,21,个原子/,g,2.3 原子的电子层结构,231 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：,主量子数,n,角量子数,l,磁量子数,m,自旋量子数,m,s,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,n,1 2 3 4 5 6 7,电子层符号,K L M N O P Q,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,012 3,电子亚层符号,sp 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3,d,的能级高于3,p,的能级，3,p,的能级又高于3,s,的能级。,图,2-1,s,、,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（2,l+,1）,个数值，即原子轨道或电子云可以沿着（2,l+,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,m,s,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,m,s,表示。自旋方向只有顺时针和逆时针两种,故,m,s,=，,通常用符号、表示。自旋量子数,m,s,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,E,6,pOOO,5dOOOO,4fOOOOOOO,6sO,5pOOO,4dOOOOO,5sO,4pOOO,3dOOOOO,4sO,3pOOO,3sO,2pOOO,2sO,lsO,能级组,6(6,s4f5d6p),5(5,s4d5p),4(4,s3d4p),3(3,s3p),2(2,s2p),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：,E,1s,E,2s,E,3s,p,亚层的能量顺序是：,E,2p,E,3p,E,4p,能级图说明（一）,能级图说明（二,）,（4）主量子数,n,相同，而角量子数,l,不同的能级，,其能量随,l,的增大而升高，如：,E,ns,E,np,E,nd,E,nf,（5）,同一能级组中，可能出现不同电子层的能级。,如第5能级组中，除属于第5电子层的5,s,和5,p,能级,外，还有第4电子层的4,d。,表明当主量子数,n,和,角量子数,l,同时变化时，可能出现主量子数较大,的原子轨道的能量，反而比主量子数较小的某,些原子轨道的能量低，这种现象称为“能级交错”,例如：,E,4s,E,3d,，E,6s,E,4f,E,5d,等等。,为了判断多电子原子中,n,和,l,同时变化时，轨道能量的高低，除了从鲍林的近似能级图中查看外，我国化学家徐光宪在总结了光谱实验数据后，归纳出（,n+0.7,l,）,的规则，（,n+0.7,l,）,值愈大，能量就愈高。,例题,2-3,：,试比较,6,s,、,6p,、,4f,和,5,d,轨道的能量高低。,解：,6,s,轨道：,n,=6,l,=0,，（,n,+0.7,l,）,=6+0.7,0=6,6p,轨道：,n,=6,l,=1,，（,n,+0.7,l,）,=6+0.7,1=6.7,4f,轨道：,n,=4,l,=3,，（,n,+0.7,l,）,=4+0.7,3=6.1,5d,轨道：,n,=5,l,=2,，（,n,+0.7,l,）,=5+0.7,2=6.4,所以，,E,6s,E,4f,E,5d,E,6p,233 原子的电子层结构,1,核外电子的排布规律,（1）泡里（,Pauli）,不相容原理,在同一原子中，不可能有运动状态（亦即四个量子数）完全相同的两个电子存在。这一原,理也可表达为：在同一原子轨道中最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。泡里不相容原理实际上是对原子核外电子层上可容纳的电子数目作了限制。各电子层容纳的最多电子数是：(,下页,),n,=1(K,层),l,=0 (ls),m,=0 1,个轨道,m,s,=,可容纳2个电子,n,=2(L,层,),l,=0 (2s),l,=1 (2p),m,=0,-1,m,=0,+1,4,个轨道,可容纳8个电子,n,=3(M,层,),l,=0 (3s),l,=1 (3p),l,=2 (3d),m,=0,-1,m,=0,+1,-2,-1,m,=0,+1,+,2,9个轨道,可容纳18个电子,所以,各层可容纳的最多电子数为,2,n,2,个，这原理又称为电子层最大容量原理。,（,2,）能量最低原理,核外电子总是优先占据能量最低的轨道，然后才依次进入能级较高的原子轨道，使整个原子体系处于最低的能量状态。图2-3。,图2-3 原子轨道近似能级顺序图,电子进入各能级的先后次序为：,1,s;2s;2p;3s,3p;4s;3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;7s,5f,。,图中这一顺序用圆圈内“（,）”中的阿拉伯数字表示。,（,3,）洪特（,Hund,）,规则,电子在同一亚层能量相同的等价轨道上排布时，总是尽可能分占不同的轨道，并且自旋方向相同。,例如2,p,亚层有3个轨道，若有2个电子进入2,p，,则各占一个轨道且自旋平行，可写成 ，而不是 或 。,2原子的电子层结构,电子在核外的排布情况称为电子层结构。通常表示电子层结构有两种方法。,（1）原子轨道式,这种表示方式是用一个小方格或小圆圈代表一个原子轨道，在方格或圆圈下面注明该轨道的能级，方格或圆圈内用箭头表示电子的自旋方向。如：,7,N,8,O,1s,2s,2p,1s,2s,2p,（2）电子排布式,它是在亚层符号的左边注明电子层数，在亚层符号的右上角用阿拉伯数字表示所排列的电子数。,如4,p,3,：,4,表示电子层数,n=4，,是第4电子层的轨道；,p,代表亚层的符号即,l,=1，,表示属,p,轨道；,3 表示在此亚层上的电子数目。,根据这些原则，我们可以将原子序数为14的硅元素的原子核外电子排布式列为：1,s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,2,。,有时为了简化，常将内层电子构型用“原子实”来代替。所谓“原子实”是指原子中的内层电子结构与某一稀有气体元素的电子层结构相同的部分，用该稀有气体的元素符号加方括号来表示。如,Ne(,氖)、,Ar(,氩)和,Kr(,氪)的电子层结构分别为1,s,2,2s,2,2p,6,、1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,和1,s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,6,，,因此：,14,Si 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,2,可表示为：,Ne 3s,2,3p,2,33,As 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,3,可表示为：,Ar 3d104s24p3,51,Sb 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,6,4d,10,5s,2,5p,3,可表示为：,Kr 4d105s25p3,234 原子的电子层结构与元素周期律、周期表,元素周期律的内容是：,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。原子结构的研究证明：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性质周期性变化的本质原因。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。下面分别讨论周期表中的周期、族以及组（区）的划分与原子中电子层结构的关系。,1,.周期与原子电子层结构的关系,周期表中有七个横行，表示七个周期。可以看出,：,(1)每一周期从第1主族1,A,元素,n,s,1,开始，到形成稳定的稀有,气体特有的,n,s,2,n,p,6,（He,为,ls,2,）,电子层结构时结束。,(2)周期表中每出现一个周期，外层电子就进入一个新的能,级（见表2-4）。因此，元素所在的周期数，等于该元,素原子所具有的电子层数（即能级组数）。,(3),各周期元素的数目，等于相应能级组中原子轨道所能容,纳的电子总数。,周期与能级组的关系,周期,相应能级组中原子轨道,新增电子数,元素数,一,ls,2,2,二,2,s2p,8,8,三,3,s3p,8,8,四,4,s3d4p,18,18,五,5,s4d5p,18,18,六,6,s4f5d6p,32,32,七,7,s5f6d,未满,未完,2族与原子电子层结构的关系,周期表中共有,18,个纵行，每,1,纵行表示,1,个族，而族又有主族和副族之分。其中标有,1,A,至,8,A,的为第,1,到第,8,主族，标有,1,B,至,8,B,的为第,1,到第,8,副族。周期表中主族和副族各半，但主族是,8,个纵行，而副族有,10,个纵行。,族与原子结构中外层电子结构：,（1）同一主族元素具有相同的外层电子结构，所,谓外层电子结构是指能参与形成化学键的电,子。由于元素的性质主要决定于原子的外层,电子结构，所以同一主族元素具有相似的性质。,（2）同一副族元素具有相同或相似的外层电子结,构，但次外层电子多数未填满。总体上讲同,一副族元素性质也具有相似性，但族与族间,元素性质递变不明显，且规律性较差。,3.元素分区与原子电子层结构的关系,1,A,8,A,1,2,A,3,A,4,A,5,A,6,A,7,A,2,s,区,3,3,B,4,B,5,B,6,B,7,B,8,B,1,B,2,B,4,d,区,ds,区,p,区,5,6,7,镧系,锕系,f,区,周期表中的元素可根据元素原子的核外电子排布的特征，分为五个区:,从元素在周期表中的位置推断出原子的电子层结构；知道了原子的电子层结构，也能确定元素在周期表中的位置。,例题2-4：,已知某元素的原子序数为,26,，写出该元素原子的电子排布式，并指出该元素所属的区、周期和族，以及是何元素。,答：由原子序数26可知该无素原子核外有26个电子。,根据核外电子排布规则，其核外的电子排布式为：,1,s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,6,4s,2,或,Ar3d,6,4s,2,。,故该元素属,d,区，位于第四周期，8,B,族，是铁（,Fe）,元素。,例题2-5,已知某元素属于周期表中第四周期，7,A,族。试写出该元素的电子排布式，并指出它属于何区及其原子序数和元素名称。,答：根据该元素在第四周期可以断定最高能,级组数是4，又因为属7,A,族，所以外电,子层构型为：4,s,2,4p,5,，,它应属于,p,区元素。,其电子排布式为：,1,s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,5,或,Ar3d,10,4s,2,4p,5,，,总共有35个电子，故该元素的原子序数,应为35，是元素溴（,Br）。,235,原子结构与元素性质,1.原子半径,经常用到的原子半径有原子的共价半径、金属半径和范德华半径等。表2-6列出了元素的原子半径。原子半径在50220,pm,之间。从表2-6可看出，元素的原子半径呈周期性变化。,2.元素的电离能,元素的原子失去电子形成正离子的难易程度，可用电离能来衡量。使某元素一个基态的气态原子失去一个电子成为一价正离子所需的最低能量，称为该元素原子的第一电离能，常用符号,I,1,表示，即：,A,代表任一元素,气态,A,+,再失去一个电子成为二价正离子所需的最低能量，称为第二电离能,I,2,，,即：,依此类推，可有第三电离能,I,3,、,第四电离能,I,4,等。,对于任一元素的原子，其电离能的大小顺序是：,I,1,I,2,I,3,3550,范德华,Ar,Cl,2,7.7,3.1,-189,-101,金属,Hg,Al,68,324,-39,660,氢键,NH,3,H,2,O,35,51,-78,0,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,m,s,。,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。,