1、第一章 原子结构和键合,固体材料的宏观使用性能（包括力学性能、物理性能和化学性能）和工艺性能（如铸造性能、压力加工性能、机械加工性能、焊接性能、热处理性能等）取决于其微观的化学成分、组织和结构。 化学成分不同的材料具有不同的性能，而相同成分的材料经不同处理使其具有不同的组织、结构时，也将具有不同的性能。,物质是由原子组成 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 复合材料 材料性能：物理 化学 力学,1、物质的组成 物质由无数微粒聚集而成，这些微粒可能是分子、原子 或离子。 分子：能单独存在且保存物质化学特性 分子由更小的微粒原子所组
2、成，在化学变化中，分子可 以分成原子，而原子却不能再分。 原子是化学变化中最小微粒,一、原子结构,2、原子的结构,因为原子中电子和质子的数目相等，所以从整体说来，原子是电中性的。,3、原子的电子结构,电子在原子核外空间作高速旋转运动，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云，后来就用电子云来代替轨道表示单个电子出现的概率。,电子具有波粒二象性，既然具有波动性，电子运动就没有固定的状态，就不可能位于某确定半径的平面轨道上，而是有可能出现在位于核外空间的任何地方，只是在不同位置出现的概率不同（就像射箭）。,电子云是电子在核外空间概率密度分布的形象描述。 电子云图象中每一个小黑点表
3、示电子出现在核外空间中的一次概率，电子云密度越大，就是表示电子出现的概率越大。,量子力学中反映微观粒子运动的基本方程称为薛定谔方程，它的解称为波函数，电子的状态和出现在某处的概率我们可以用波函数来描述，既原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定。,四个量子数依次是：主量子数 n、角量子数l、磁量子数m、自旋角动量量子个数ms。,主量子数 n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，取值正整数1、2、3、4 n越大，代表能量越高、离核约远。,1、2、3、4依次命名为K、L、M、N壳层。,轨道角动量量子数l：给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值0、1
4、、2 n-1。,在同一量子壳层里，L取值越大，表明轨道能量越高。即亚层电子的能量是按S,p,d,f,g的次序递增的。,为了方便常用小写的英文字母来标注： l：0 1 2 3 4s p d f g,例如n=2，就有两个轨道角动量量子数l=0,l=1,即L壳层中，根据电子能量差别，还包含有两个电子亚层。,而且不同电子亚层的电子云形状不同，如S层的电子云是以原子核为中心的球状，P亚层的电子云是纺锤形。,磁量子数m：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。我们把在量子壳层上具有一定的形状和伸展方向的电子云所占据的一个空间称为一个轨道。m的值和l有关，取值为0，1，2 l， 总数是2l+1。s,p,d,f
5、四个亚层就分别有1，3，5，7个轨道。磁量子数m与能量无关，n、l都相同时，各原子能量相同。,自旋角动量量子个数ms：反映电子不同的自旋方向，每个轨道上可容纳两个电子，自旋方向相反，一个电子顺时针运动，另一个逆时针运动，分别表示为+1/2，-1/2。当该轨道上只有一个电子时 ，该电子的自旋量子数的取值是任意的。,钠元素11个电子中每个电子的全部量子数,在多电子的原子中核外电子的排布规律遵循以下原则： （1）泡利不相容原理：一个原子轨道最多只能容纳二个电子,且这二个电子自旋方向必须相反，这就是泡利不相容原理。其实质就是一个原子中不可能有两个电子具有完全相同的运动状态，也就是不可能有两个电子具有完
6、全相同的四个量子数。对于一个原子轨道来说，n、l和m都是相同的，因此这个轨道中的各个电子其ms必须不相同，所以这一轨道中最多只能容纳自旋方向相反的两个电子。因此，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。,（2）能量最低原理：自然界有一条普遍的规律：体系能量越低的状态相对越稳定。这一规律也适用于原子结构。 电子总是占据能量最低的壳层，电子先排满能量最低的，再进入能量较高的壳层，而在同一电子亚层中，电子则依次按s、p、d、f、g的顺序排列。当然，前提是不违背泡利不相容原则。,我们知道，在氢原子中，原子轨道的能级只与主量子数n有关，n越大的轨道能级越高，n相同的轨道能级相同。所以各轨道的能级顺序应
7、为：1s2s2p3s3p3d4s。 但在多电子原子中，各轨道的能级不仅与主量子数有关，还与角量子数l有关。其原因是由于存在着电子间的相互作用。鲍林(LPauling)根据光谱实验结果，总结出了多电子原子的原子轨道近似能级图，如下图所示。,原 子 轨 道 近 似 能 级 图,图中小圆圈表示原子轨道，每个方框中的各轨道能量相近，合称为一个能级组,5s，4d和 5p轨道合称为第五能级组。,从图中可以看到，对于角量子数l相同而主量子数 n不同的各轨道，总是n越大能级越高。 例如 1s2s3s4s；3d4d5d。,对于主量子数和角量子数都不同的轨道，情况要复杂得多，有能级交错现象，如5s4d 、6s4f
8、5d等。,对于主量子数n相同而角量子数l不同的各轨道，总是l越大能级越高。,即nsnpndnf，例如3s3p3d。,核外电子填充顺序图,例如，Z10的 Ne原子，核外有 10个电子，首先在 1s轨道上填充两个电子，然后在2s轨道上填充两个电子，最后在 2p轨道上填充剩下的 6个电子，,26号的Fe原子，其电子的填充情况应为 1s22s22p63s23p64s23d6,轨道符号右上角的数值表示轨道中的电子数。,所以 Ne原子的电子组态应为 ：1s22s22p6,在原子序数比较大时，相邻壳层的能级有重叠现象。,能量最低原则解决了电子在能级不同的各轨道中的分布问题。 n和l都相同的三个p轨道，其能级
9、是相同的。这种能级相同的一组轨道称为等价轨道。 在等价轨道中电子又是如何分布的呢?洪德根据光谱数据总结出了电子在等价轨道中的分布规律，即洪德定则。,（3）洪德定则：电子在等价轨道中（即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。,4、元素周期表,元素：具有相同核电荷数的同一类原子总称，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,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）,元素有两种存在状态：游离态和化
10、合态,二、原子间的键合,1、金属键,典型金属原子结构：最外层电子数很少，且属于各个原子的价电子极易 挣脱原子核的束缚而成为自由电子，并在整个晶体内运动，而形成电子云。,金属中自由电子与金属正离子之间相互作用构成键合称为金属键。,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。,性质：良好导电导热性能，延展性好,问题1：良好导电、导热性能的原因？（自由电子的存在）,问题2：金属具有良好延展性的原因？,由于金属键即无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构，当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使金属具有良好的延展性。,
11、金属变形时，由金属键结合的原子可变换相对位置,图 金属键、金属的导电性和金属的变形,2、离子键,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，且异号离子之间吸引力最大，同号离子之间斥力 最小，故离子键无方向性，无饱和性。,多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。,性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。,氯化钠离子键合示意图,一般离子晶体中正负离子静电引力强，结合牢固，所以离子晶体大多具有高熔点、高硬度，而且在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。,问题：从离子键的角度解释离子晶体的特点？,但在高温熔融状态时，正负离子在外电场下可以自由运动， 此
12、时即呈现离子导电性。,左图 NaCl离子晶体 上图 离子键材料导电性,亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料中占 有重要地位。,三、共价键,实质：由二个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而成 。,根据共用电子对在两成键原子之间是否偏离或接近某一个原子，共价键又分为非极性键和极性键。,极性键：共用电子对偏于某一个原子。 非极性键：共用电子对位于成键原子。,共价晶体在形成共价键时，除依赖电子配对外，还依赖于电子云的重叠，电子云重叠愈大，结合能愈大，结合能愈强。原子的结构表明，除s轨道的电子云呈球状对称，而其它轨道的电子云都有一定的方向性。例如，p轨道呈哑铃状。,在形成共价
13、键时，为使电子云达到最大限度的重叠，共价键具有方向性，键的分布严格服从键的方向性。,共价键具有饱和性：一个电子和另一个电子配对以后，就不再和第三个电子配对。,共价键是有方向性的，对硅来说在形成的四面体结构中，每个共价键之间的夹角约为109。,由于共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小，因此共价键的结合较为牢固，所以共价键晶体具有结构稳定、硬度高、熔点高。,共价键晶体其延展性很差，这是因为共价键材料在外力作用下可能发生键的破断。因此，共价键材料是脆性的。,共价键晶体导电能力差，这是因为束缚在相邻原子间的共用电子对不能自由的运动，所以共价结合形成的材料一般都是绝缘体。,共价键性质：熔点
14、高、质硬脆、延展性差、导电能力差,许多陶瓷和聚合物材料是完全地或部分地通过共价键结合的，这就解释了玻璃掉到地上会破碎以及砖是良好绝缘材料的原因。,共价键特点：具有方向性（s电子除外），在形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠。 饱和性：一个电子只和一个电子配对。,图 共价键的断裂,四、范德华力,包括：静电力、诱导力和色散力。,由分子或原子团的极化而形成的范德华力，在水中，氧得电子往往向远离氢的方向集中，形成的电荷差使水分子间呈现微弱结合。,在聚乙烯中，连接聚合物的氯原子带负电荷，而氢原子带正电荷，链之间是范德尔键的弱结合。（b）将力作用在聚合物上时，就破坏了范德瓦尔键，键之间开始滑动。,范
15、德华力属物理键，没有方向性和饱和性，但是分子或原子团内部的原子之间则由强有力的共价键或离子键连接。将水加热到沸点就破坏了范德华力，因而水变成蒸汽，但是要破坏将氧和氢连接在一起的共价健则需要高得多的温度。,高分子材料的相对分子量很大，其总的范德华力甚至超过化学键的键能，故在去除所有的范德华力作用前化学键早已经断裂了，所以高分子往往没有气态，只有液态和固态。,特点：属物理键 ，系次价键，除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，无方向性。,不同的高分子聚合物之所以具有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要的因素。,5、氢键,氢键是一种极性分子键 , 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子
16、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 氢键的特点：具有饱和性和方向性。,值得指出的是，实际晶体不一定只有一种键，可能是多种键合的混合，至少范德华力就是普遍存在的一种力。不过在某一键合为主键的情形下，其他弱键就可以忽略。,例如，钢中常存的渗碳体相Fe3C，其中铁原子之间为纯粹的金属键结合，铁原子和碳原子之间可能存在金属键和离子键；石墨晶体既有共价键，也存在金属键和范德瓦尔键。,作业,1、原子间的结合键共有几种？各自的成键原因和特点？ 2、从结合键的角度解释金属晶体的特点？ 3、从离子键的角度解释离子晶体的特点？ 4、从结合键角度分类，材料可以分为哪几类。各自的特点是什么？,从结合键的角度，材料分为金属材料，陶瓷材料，高分子材 料，复合材料。金属材料：主要以金属键为主，大多数金属硬度和强度较高， 韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好。陶瓷材料：以共价键和离子键为主，熔点高，硬度高，耐热， 耐磨，脆性大，难以加工高分子材料：分子内部以共价键为主，分子间以分子键和氢键 为主，耐蚀性、绝缘性好，密度小，加工成型性好，强度不高、 硬度较低，耐热性较差。 复合材料：可由多种结合键组成，强度高，韧性好。比强度、 比刚度高，抗疲劳性好。,
