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第第 1 1 章章 原子结构和键合原子结构和键合第1页本章主要内容本章主要内容l1.1原子结构l1.2原子间键合l1.3高分子链第2页重点与难点重点与难点（1）描述原子中电子空间位置和能量4个量子数。（2）核外电子排布遵照规则。（3）元素性质、原子结构和该元素在元素周期表中位置三者之间关系。第3页1.1 1.1 原子结构原子结构1.1.1 1.1.1 物质组成物质组成 物质是由无数微粒（分子、原子、离子）物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成集合体；按一定方式聚集而成集合体；分子是能单独存在、且保持物质化学特分子是能单独存在、且保持物质化学特征一个微粒；征一个微粒；分子又由一些更小微粒即原子组成，原分子又由一些更小微粒即原子组成，原子是化学改变中最小微粒；子是化学改变中最小微粒；第4页1.1.2 1.1.2 原子结构原子结构(atomic structure)(atomic structure)近代科学试验表明：原子是由原子核近代科学试验表明：原子是由原子核(由带由带正电荷质子和呈电中性中子组成正电荷质子和呈电中性中子组成)和核外电子和核外电子(带负电荷带负电荷)组成组成 原子结构特点：体积很小，质量大部分集原子结构特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内。中于原子核内。第5页1.1.3 1.1.3 原子电子结构原子电子结构 电子云电子云(election atmosphere)(election atmosphere)形成：形成：电子含有波粒二象性，描述原子中一个电电子含有波粒二象性，描述原子中一个电子位置和能量用四个量子数子位置和能量用四个量子数(quantum number)(quantum number)：主量子数（电子层）主量子数（电子层）轨道量子数（电子亚层）轨道量子数（电子亚层）磁量子数（轨道数）磁量子数（轨道数）自旋角动量子数（自旋方向）自旋角动量子数（自旋方向）第6页 l主量子数主量子数nn 决定原子中电子能级，以及与核平均距离，决定原子中电子能级，以及与核平均距离，即表示电子所处量子壳层；即表示电子所处量子壳层；l轨道角动量量子数轨道角动量量子数l li i 给出电子在同一量子壳层内所处能级（电子给出电子在同一量子壳层内所处能级（电子亚层），与电子运动角动量相关；亚层），与电子运动角动量相关；l磁量子数磁量子数m mi i 给出每个轨道角动量量子数数能级数或轨道给出每个轨道角动量量子数数能级数或轨道数，决定电子云空间取向；数，决定电子云空间取向；l自旋角动量量子数自旋角动量量子数s si i 反应电子不一样自旋方向。反应电子不一样自旋方向。第7页 核外电子排布遵照规律：能量最低原理、核外电子排布遵照规律：能量最低原理、PauliPauli不不相容原理相容原理(Pauli principle)(Pauli principle)、HundHund规则规则(Hund s(Hund s rule)rule)。l能量最低原理能量最低原理电子排布总是先占据能量最低电子排布总是先占据能量最低内层，再由内向外进入能量较高壳层，尽可能使内层，再由内向外进入能量较高壳层，尽可能使体系能量最低。体系能量最低。lPauliPauli不相容原理不相容原理在一个原子中在一个原子中在一个原子中在一个原子中不可能有运动状态完全相同两个电子，主量子数不可能有运动状态完全相同两个电子，主量子数为为n n壳层，最多容纳电子壳层，最多容纳电子2n2n2 2。lHundHund规则规则在同一亚层中各个能级中，电子排在同一亚层中各个能级中，电子排布尽可能分占不一样能级，而且自旋方向相同。布尽可能分占不一样能级，而且自旋方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定，而且整个原子能量最低。是比较稳定，而且整个原子能量最低。第8页1.1.4 1.1.4 元素周期表元素周期表 元素是含有相同核电荷数同一类原子总元素是含有相同核电荷数同一类原子总称。称。元素周期表是元素周期规律详细表现形元素周期表是元素周期规律详细表现形式式,它反应了元素之间相互联络规律它反应了元素之间相互联络规律,元素在元素在周期表中位置反应了那个元素原子结构和一周期表中位置反应了那个元素原子结构和一定性质定性质.第9页第10页1.2 1.2 原子原子间键合间键合结合键结合键(binding bond)(binding bond)：结合键分为：化学键金属键、离子键、共价键结合键分为：化学键金属键、离子键、共价键 物理键范德华力、氢键物理键范德华力、氢键1.2.1 1.2.1 化学键（主价键、一次键）化学键（主价键、一次键）1.1.金属键金属键(metallic bond)(metallic bond)自由电子自由电子金属正离子间金属正离子间 特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。能够解释金属一些特征，如良好导电、导热能够解释金属一些特征，如良好导电、导热性，含有较高强度和良好延展性，含有金属光性，含有较高强度和良好延展性，含有金属光泽，正电阻温度系数泽，正电阻温度系数 。第11页金属键金属键特点：特点：特点：特点：电子共有化电子共有化电子共有化电子共有化,没有方向性。没有方向性。没有方向性。没有方向性。特征：特征：特征：特征：(1)(1)(1)(1)良好导电、导热性；良好导电、导热性；良好导电、导热性；良好导电、导热性；(2)(2)(2)(2)不透明，含有金属光泽；不透明，含有金属光泽；不透明，含有金属光泽；不透明，含有金属光泽；(3)(3)(3)(3)含有较高强度和良好塑含有较高强度和良好塑含有较高强度和良好塑含有较高强度和良好塑性；性；性；性；(4)(4)(4)(4)正电阻温度系数。正电阻温度系数。正电阻温度系数。正电阻温度系数。第12页2.2.离子键离子键(ionic bond)(ionic bond)金属正离子金属正离子非非金属负离子之间金属负离子之间 特点：以离子为结合单位，结协力较强，特点：以离子为结合单位，结协力较强，决定离子晶体结构是正负离子电荷及几何原因，决定离子晶体结构是正负离子电荷及几何原因，有较高配位数，无方向性。有较高配位数，无方向性。能够解释离子晶体一些特征，如较高熔点能够解释离子晶体一些特征，如较高熔点和硬度，固态时为良好绝缘体而熔融态时含有和硬度，固态时为良好绝缘体而熔融态时含有良好导电性。良好导电性。第13页 一个材料由两种原子组成，且一个一个材料由两种原子组成，且一个是金属，另一个是非金属时轻易形是金属，另一个是非金属时轻易形成成离子键离子键 (Ion bond)(Ion bond)结合结合(如图如图1.4-1)1.4-1)。由。由NaClNaCl离子键形成能够归离子键形成能够归纳出离子键纳出离子键特点特点以下：以下：1.1.金属原子放弃一个外层金属原子放弃一个外层电子，非金属原子得到此电子使外电子，非金属原子得到此电子使外层填满，结果双双变得层填满，结果双双变得稳定稳定。2.2.金属原子失去电子带正金属原子失去电子带正电荷，非金属原子得到电子带负电电荷，非金属原子得到电子带负电荷，双双均成为荷，双双均成为离子离子 3.3.离子键键大小在离子周离子键键大小在离子周围各个方向上都是相同，所以，它围各个方向上都是相同，所以，它没有方向性。没有方向性。图图1.4-1 Cl1.4-1 Cl与与NaNa形成形成离子键离子键第14页 ClCl和和NaNa离子在引力和斥力作用下，相互保持离子在引力和斥力作用下，相互保持r r0 0距离，距离，即即F F0 0，能量，能量E E为最小（如图为最小（如图1.4-21.4-2）位置。每一个）位置。每一个ClCl（或（或NaNa）离子与其近邻）离子与其近邻NaNa（或（或ClCl）离子均保持这种最低）离子均保持这种最低能量关系，从而，形成能量关系，从而，形成NaClNaCl特有晶体结构，如图特有晶体结构，如图1.4-31.4-3所所表示。许多陶瓷材料主要是离子键结合。离子键结合能表示。许多陶瓷材料主要是离子键结合。离子键结合能比较高，所以陶瓷材料熔点也较高。表比较高，所以陶瓷材料熔点也较高。表1.4-1 1.4-1 列出了几列出了几个材料结合能和熔点。个材料结合能和熔点。图图1.4-2Cl和和Na离子保持离子保持r0距离图图1.4-3 1.4-3 NaCl 晶体第15页第16页3.3.共价键共价键(covalent bond)(covalent bond)两个或多个原子间共用电子对两个或多个原子间共用电子对 特点：以原子形式共用电子对，含有饱和特点：以原子形式共用电子对，含有饱和性性(只和一个电子配对）和方向性（使得电子只和一个电子配对）和方向性（使得电子云到达最大程度重合），配位数较小、各键云到达最大程度重合），配位数较小、各键间都有确定方位。间都有确定方位。能够解释共价晶体一些特征，如结合极为能够解释共价晶体一些特征，如结合极为牢靠，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电牢靠，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。性差。第17页图图1.4-51.4-5 由共价键方向性特点决定了SiO2四面体晶体结构图图1.4-4 1.4-4 形成共价键SiO2,蓝色圆圈代表Si价电子，红色圆圈代表O价电子第18页第19页第20页1.2.2 1.2.2 物理键（次价键、二次键）物理键（次价键、二次键）1.1.范德华力范德华力(Van Der Waals force)(Van Der Waals force)电偶电偶极矩感应作用极矩感应作用 特点：除高分子外，键结合不如化学键牢特点：除高分子外，键结合不如化学键牢靠，无饱和性，无方向性。靠，无饱和性，无方向性。2.2.氢键氢键(hydrogen bond)(hydrogen bond)分子间特殊作用力分子间特殊作用力 表示为：表示为：XHYXHY 特点：含有饱和性和方向性，可存在于分特点：含有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。氢键主要存在于高分子材料内。子内或分子间。氢键主要存在于高分子材料内。第21页1.2.3 1.2.3 混合键混合键实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键混合键l金属中主要是金属键，还有其它键如：共价键、离子金属中主要是金属键，还有其它键如：共价键、离子键键l陶瓷化合物中出现离子键和金属键混合陶瓷化合物中出现离子键和金属键混合l一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力华力l聚合物长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为聚合物长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键范德华力或氢键第22页材料材料l键类型结合能结合能 kJ/mol熔点熔点 MgO离子键离子键10002800NaCl离子键离子键640800C共价键共价键7133500SiC共价键共价键12302600Al金属键金属键324660Cu金属键金属键3391083Fe金属键金属键4061538第23页l33高分子链高分子链（High polymer Chain)High polymer Chain)第24页l近程结构（short-range Structure)l一、结构单元化学组成（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、聚酚等第25页l3.元素有机高分子 硅橡胶ll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，故兼有没有机高分子和有机高分子特征，现有很高耐热和耐寒性，又含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，这类元素成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解第26页二、高分子链结构单元键合方式二、高分子链结构单元键合方式（bonding tapebonding tape）l1.均聚物结构单元键接次序 单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称，其结构单元在分子链中键接方法只有一个外，其它单体因有不对称取代，故有三种不一样键接方式（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一样 第27页l2.共聚物序列结构（Copolymers）l 按结构单元在分子链内排列方式不一样分为第28页三、高分子链结构（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）第29页四、高分子链构型四、高分子链构型（Molecular configurationsMolecular configurations）l链构型系指分子中原子在空间几何排列，稳定，欲改变之须经过化学键断裂才行第30页l旋光异构体（stereoisomerism）l由烯烴单体合成高聚物 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，有三种排列方式第31页几何异构（Geometrical isomerism）双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但因为含有双键，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 第32页远程结构（远程结构（Long-range Structure)Long-range Structure)l一、高分子大小（Molecular Size）l高分子相对分子质量M不是均一，含有多分散性l平均相对分子质量第33页l高分子链中重复单元数目称为聚合度不但影响高分子溶液和熔体流变性质，对加工和使用也有很大影响。数均相对分子量每链节质量对力学性能起决定作用，第34页l二、高分子内旋转构象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高分子链总链长 l均方根三、影响高分子链柔性主要原因（the main influencing factors on the molecular flexibility）高分子链能改变其构象性质称为柔性（Flexibility）第35页l四、高分子链构象统计l高分子链能改变其构象性质称为柔性，所以高分子柔顺性是以其所能采取构象数目来衡量，然而高分子链含有成千上万个构象，难以测出其实际数目；l高分子构象越多，柔顺性越好，则蜷曲越严重，所以普通采取其两端间直线距离也即末端距h来衡量其柔顺性即构象数目。第36页本章内容提要本章内容提要l物质是由原子组成，而原子是由位于原子中心带正电原子核和和外高速运转带负电电子所组成。在材料学中，普通人们最关心是原子结构中电子结构。电子在核外空间作高速运转时，就好像带电荷云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。电子现有粒子性又有波动性，即含有二象性。电子运动没有固定轨道，但可依据电子能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现几率大小。第37页l依据量子力学理论，电子状态是用波函数来描述，原子中一个电子空间位置和能量可用4个量子数来表示l主量子数决定电子中电子能级，以及与核平均距离，即表示电子所处量子壳层；l轨道角动量量子数给出电子在同一量子壳层内所处能级（电子亚层）；l磁量子数给出每个轨道角动量数能级数或轨道数；l自旋角动量量子数反应电子不一样自旋方向。第38页l在多电子原子中，核外电子排布规律遵照以下3个规则：l能量最低原理电子排布总是先占据能量最低内层，再由内向外进入能量较高壳层，尽可能使体系能量最低。lPauli不相容原理在一个原子中在一个原子中不可能有运动状态完全相同两个电子，主量子数为n壳层，最多容纳电子。lHund规则在同一亚层中各个能级中，电子排布尽可能分占不一样能级，而且自旋方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定，而且整个原子能量最低。第39页l元素周期表反应了元素外层电子结构伴随原子序数（核中带正电质子数）递增，展现周期性改变规律。可依据元素在周期表中位置，推断他原子结构和特定性质。l原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起。因为原子结合键不一样，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。原子电子结构决定了原子键合本身，原子间结合键可分为化学键和物理键两大类。第40页