ch1 原子结构与键合.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,*,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,*,“结构”含义丰富，大致分四个层次：,原子结构、原子结合键、材料中原子的排列、晶体材料的显微组织。,1.1,原子结构,（Atomic Structure）,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。,1.1.2,原子结构(,atomic structure),原子是由原子核(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，原子核的密度很大。,金属原子的结构特点：,1.1.3,原子的电子结构,电子云(,electron atmosphere),1.描述原子中一个电子的位置和能量用四个量子数(,quantum number)：,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）。,2.核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、,Pauli,不相容原理(,Pauli,principle)、Hund,规则(,Hund,s rule)。,第一章 原子的结构与键合,1879年,J.J Thomson,发现电子（,electron),揭示了原子内部秘密,1911年,E.Rutherford,提出原子结构有核模型,1913年,N.Bohr,将,Bohr atomic model,核外电子的排布,（,electron configuration),规律,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数,（,quantum numbers）,表示,1.1.4,元素周期表,（,periodic Table of the Elements),元素（,Element）：,具有相同核电荷的同一类原子总称，共,116,种，核电荷数是划分元素的依据,同位素（,Isotope）：,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（,Free State&Combined Form),7,个横行（,Horizontal rows),周期（,period）,按原子序数（,Atomic Number),递增的顺序从左至右排列,18个纵行（,column）16,族（,Group），7,个主族、7个副族、1个族、1个零族（,Inert Gases）,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。,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,（,Valence electron）,1.1.5,原子的电离能、电子亲合能及电负性,（补充内容）,1.,电离能(,ionization energy),气态原子失去一个电子成为气态一价正离子所需的最低能量称第一电离能；从,1,价正离子再失去,1,个电子成为,2,价正离子所需的最低能量，称为第二电离能，依次类推。,电离能的大小可以反映原子失去电子的难易程度。,单位：电子伏特或千卡,/,摩尔,2.,电子亲合能(,electron affinity),气态原子获得,1,个电子成为,1,价负离子时所释放的能量。,3.,电负性(,electronegativity,),原子在化合物分子中把电子吸引向自己的本领。,例：双原子分子,AB,，,若,A,电负性大，分子极性,若,B,电负性大，分子极性,鲍林（,Pauling,L,）作元素电负性表,1.2,原子间的结合键(,binding bond),按结合力分为,一次键,和,二次键,两类,一次键,，又称化学键或主价键，键力由弱到强依次是：,金属键,离子键,共价键,二次键,又称物理键或次价键，主要有,范德华键,和,氢键,两种。,一、一次键（化学键、主价键）,1.,金属键,(,metallic bond),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,(,ionic bond),特点：,结合力较强,硬度、熔点高,绝缘,图,Cl,与,Na,形成离子键,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,(,Ion bond),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。,Cl,和,Na,离子在引力和斥力作用下，相互保持,r0,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。,图,Cl,和,Na,离子保持,r0,的距离,图,NaCl,晶体,3.,共价键,(,covalent bond),特点：,结合极为牢固,有明显的方向性,结构稳定,熔点高,硬而脆,二、二次键（物理键、次价键）,靠原子之间的偶极吸引结合而成,1.,范德华键（,Van,der,waals,bond),特点：,没有方向性、饱和性,键力低于一次键。,2.,氢键（,Hydrogen bond）,特点：,表达式：,XHY,有饱和性、方向性,对高分子材料重要。,三,.,混合键,金属键中也有共价键、离子键混和；陶瓷中离子键与共价键混合。,可用下式确定,AB,中离子结合的相对值。,离子结合,(%)=,例：,MgO,X,Mg,=1.31,X,O,=3.44,（电负性）代入,得 离子结合比例,=68%(,离子键结合,),GaAs X,Ga,=1.81,X,As,=2.18.,代入,得 离子结合比例,=4%,（共价键结合）,四、结合键的本质及原子间距,原子的,结合能,E0,平衡距离下的作用能,相当于把两个原子完全分开所需的功。,结合能,，又称结合键能，其值越大，原子结合愈稳定，熔点亦越高。（见,表,1.1,）,五、,结合键与性能,1.,物理性能,熔点,密度,导热、导电性,2.,力学性能,弹性模量,E,（模型图）,强度,塑性,1.3 原子的排列方式,一、晶体与非晶体,绝大部分陶瓷、少数高分子材料、金属及合金是晶体,多数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体,区别：,原子（分子）规排,固定熔点,各向异性,凝固与结晶,二、高分子链,（,High polymer Chain),1.,近程结构,（,short-range structure),单体 链节 聚合度,二、高分子链,1.,近程结构（,short-range structure),(2),分子结构,线型,支化,交联,二、高分子链,1.,近程结构,（,short-range structure),(3),共聚物的结构,无规,交替,嵌段,接枝,二、高分子链,1.,近程结构,（,short-range structure),(4),高分子链的构型,全同立构,间同立构,无规立构,2.,远程结构（,long-range structure),高分子的大小,高分子链的内旋转构象,（,flash rotate,）,影响高分子链柔性,(Flexibility),的因素,主链,取代基,交联,1.4,晶体材料的组织,组织,、显微,组织,、金相,组织,显微镜下观察到,的各种晶粒的组合特征，即相对量，尺寸大小，形状及分布等。,易随成分及加工工艺而变化,是影响材料性能的极敏感而重要的结构因素。,相,成分相同、结构相同、与其它部分明显有界面,分开的均匀组成部分。,一、单相组织,例：晶粒、等轴晶、柱状晶等,二、多相组织,例：多相合金,稳态,能量最低,亚稳态结构,能量相对较高,1.,热力学条件,热力学第二定律,等温等容,A,U,TS,等温等压,G,H,TS,自发进行,A,0 G,0,2.,动力学条件（反应速度）,阻力：,v,Aexp,(-Q/RT),Q,激活能,外部条件 温度、压力、冷却速度均有关。,1.,5,材料的稳态与亚稳态结构,相关概念和术语,1,、金属键、离子键、共价键、分子键、氢键,2,、单体、链节、缩聚、共聚,3,、构型、旋光异构、全同立构、间同立构、无规立构、几何异构,4,、构象、柔性,5,、组织、相,6,、稳态、亚稳态,基本问题,原子间的结合键对材料性能的影响,本章重点和难点,用金属键的特征解释金属材料的性能,-,正的电阻温度系数；,良好的延展性；,良好的导电、导热性；,具有金属光泽,了解高分子链的结构,第一章 材料的结构与键合（基本要求）,