物质的组成原子结构原子间的作用

1、第二章第二章 物质结构基础物质结构基础 (Structure of Matter)What are atomic structures and interatomic bonds ？ What are the equilibrium separation and the bonding energy between atoms What is the difference in structures between crystalline and noncrystalline materials What is solid solution What is the importance of

2、phase diagrams What is the characteristic of materials surface2-1 物质的形态及材料结构物质的形态及材料结构2-2 原子结构原子结构2-3 原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合 排列排列 距离距离 作用力作用力 固定体积固定体积 形状形状 气态气态 无规律 远 小 无 无 (gas state) 液态液态 局部有序 较近 中等 有 无 (liquid state) 固态固态 结晶 有规律 小 强 有 有 (solid state) 非晶 局部有序 小 强 有 有 2-1-1 物质的形态物质的形态 ( States of

3、 Matter ) 三种主要状态： 2-1 物质的形态及材料结构物质的形态及材料结构 (States of Matter and Structure of Materials) 材料结构： 是影响材料性能的基本因素， 随化学组成及外界条件改变 宏观组织结构： 10-4 m 肉眼可见 Macroscopic图 显微组织结构： 10-4 10-8 m 显微镜观察 Microscopic图 原子或分子排列结构：10-10 m Organization of atoms or molecules 原子中的电子结构： 10-13 m Subatomic structure 2-1-2 材料结构的涵义材料

4、结构的涵义 (Meaning of Material Structure) 下一页浇铸 宏观组织结构返回显微组织 晶界返回返回目录2-22-2 原子结构原子结构 (Atomic Structure) What are atomic structures and models, quantum numbers, electron configurations in atoms?Chapter 2 1. 原子核原子核 由质子+中子组成 质子 质子数（Z） = 原子序数 = 电子数 正电荷 中子 中子数（N） 中子质量 = 质子质量 无电荷 原子质量（A） 质子质量+中子质量 同位素： Z相同， N

5、不同的原子 原子量：元素（原子序数相同）中各同位素的原子质量平均值 2-2 原子结构原子结构 (Atomic Structure) 2-2-1 原子原子 (Atom) 原子核+核外电子 电中性 2. 电子电子 质量 约 1/184 质子或中子 负电荷 绕核运动； 速度1/101/100光速； 波-粒 轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层 Electrons in atoms Bohr model Wave-mechanical model both wavelike and particle-like characteristics. probability distributionor e

6、lectron cloud.Figure 2.1Figure 2.3 1. 电子的统计性形态法描述电子的统计性形态法描述 四个量子数四个量子数 (Quantum Numbers)： 2-2-2 原子中电子的空间位置和能量原子中电子的空间位置和能量 (Electrons in Atoms) n , 第一量子数： 决定体系的能量 n = 1，2，3.（整数）， n =1 时为最低能级 K，L，M . l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性 l = 0，1，2，3，4 （n -1） n =1，l = 0 s p d f g 状态 n =2，l = 0，1 (s, p) m l

7、, 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量 m l = 0，1，2，3 有（2 l+1）个 m s ，第四量子数：决定电子自旋的方向 +1/2，-1/2 3. 泡利不相容原理泡利不相容原理： 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数， 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子； 4. 能量最低原则能量最低原则： 电子总是按能量最低的状态分布。 5. 洪特规则洪特规则： 简并轨道，分占轨道最多，自旋方向相同。 1. 电子壳层数目电子壳层数目 n = 1，2，3，4，5 K L M N O 主壳层(shells) l = 0，1，2，3，4 由内向外 s p d f g 支壳层(subshe

8、lls) 2. 最多电子数目最多电子数目 K2，L8，M18 s2，p6，d10 3. 最外层最外层 s12，p16，d110 2-2-3 原子中电子壳层数目及填充方式原子中电子壳层数目及填充方式(排布）排布） (Electron Shells and Configurations in Atoms)表返回Table 2.1 The Number of Available Electron States in Some of the Electron Shells and Subshells 4. 排列次序排列次序 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s 举例 H: (1) 1s

9、1 Na: (11) 1s2 2s2 2p6 3s1 2-2-4 电子壳层的能级电子壳层的能级 (Energy Levels of Electron Shells) 愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定； 愈远离， 愈高， 不稳定。 电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道 高能级轨道（吸收能量） 电离能电离能： 从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需的能量。 电子亲合能电子亲合能： 原子接受一个额外的电子通常要释放能量，所放能量即电子亲合能。 2-2-5 电离能和亲合能电离能和亲合能 (Ionization Energy and Electron Affinity)电离电势表电离电势表下一页元素的第

10、一电离电势（元素的第一电离电势（ev/ev/原子）原子）H13.60 HE24.4Li5.39BE9.32B8.30C11.2N14.5O13.61F17.4NE21.56NA5.14MG7.64AL5.98SI8.15P10.3S10.01CL13.0AR15.76K4.34 BR11.8KR14.00Rb4.18 I10.4XE12.13CS389 返回目录2-3 原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合 (Atomic Interaction and Bonding) What are the interatomic bonds ? What are the equilibriu

11、m separation , distance and the bonding energy between atoms ? What is the Coordination Number of atom?Chapter 2 自然界一般由原子或分子组成物质或材料 结合方式： 基本结合：离子键、金属键、共价键 派生结合：分子间作用力、氢键 2-3-1 基本键基本键合 （Primary Interatomic Bonds) 1. 离子键离子键合 (Ionic Bonding)： 离子键 正离子负离子 库仑引力 特点：特点： 电子束缚在离子中； 正负离子吸引，达静电平衡； 电场引力无方向性; 构成三

12、维整体 晶体结构 ； 在溶液中离解成离子。 2-3 原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合 (Atomic Interaction and Bonding)Figure 2.9 特点特点： 由正离子排列成有序晶格； 各原子最 (及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性； 原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子； 价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。 2 . 金属键合金属键合 (Metallic Bonding)：Figure 2.11 两个原子共享最外壳电子的键合。 特点：特点： 两原子共享最外壳层电子对； 两原子相应轨道

13、上的电子各有一个，自旋方向必须相反； 有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。 3. 共价键合共价键合 (Covalent Bonding):4、混和键混和键合 (Mixed Bonding) 1） 电负性电负性 (electronegativity): 表示吸引电子的能力 同一周期 左 右 电负性增高 同一族 上 下 电负性降低 2）电负性对化学键的影响电负性对化学键的影响: 同种原子间无影响 异种原子相互作用时: 两元素电负性相差较大: 非金属非金属 成极性共价键 电负性相差很大: 金属 非金属 成离子键 电负性差值0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.

14、6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 离子性结合（%） 1 4 9 15 22 30 39 47 55 63 70 76 82 86 89 92 电负性差值：可判断无机非金属材料离子性结合键的比例 % ionic character = 1-exp-(0.25)(XA - XB)2100 (2.10) where XA and XB are the electronegativities for the respective elements. 作用力也是库仑引力（与离子键相同但弱得多,不存在电子交换） 1.分子间引力分子间引力（Intermolecular At

15、traction)： 分子（或电中性原子）间的结合力 又称范氏（van der Waals）力。 特点特点： 无方向性和饱和性 键能最小 2-3-2 派生键合派生键合（Secondary Bonding):Schematic illustration of van der Waalsbonding between two dipoles. A. 取向力: 分子永久偶极间相互作用 (Permanent dipole bonds) B. 诱导力: 被诱导的偶极与永久偶极间作用 (Polar molecule-induced dipole bonds) C. 色散力: 非极性分子间瞬时偶极间的作用

16、(Fluctuating induced dipole bonds)Figure 2.13 质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合，再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。 特点特点： 有方向性，饱和性； 分子内氢键；分子间氢键； 键能: 一般为几 十几 kcal/mol 2. 氢键氢键 (Hydrogen bond):Figure 2.15返回目录 原子间距离很大时, 相互作用很小; 距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式增大。 2-3-3 原子间距和空间排列原子间距和空间排列 (Interatomic Spacing and Forces) 1. 原

17、子间的距离和作用原子间的距离和作用 (Interatomic Separation and Interaction) （1）a，：平衡间距， 合力F= 0，能量U最低，结合能的负值； （2）a 增大，F为引力，U增大；a 减小，F为斥力，U大大增大。 平衡间距平衡间距（Equilibrium Spacing）就是斥力和引力相等的距离。aRCdaFFE)(FIGURE 2.8 (a) Thedependence of repulsive,attractive, and net forces on interatomic separation for two isolated atoms. (b)

18、 The dependence of repulsive,attractive, and net potential energies on interatomic separation for two isolated atoms. 孤立原子（非键合）的半径范氏半径 结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a，不同，半径不同 (a) 金属半径：金属键结合的原子距离的一半：a，/ 2 (b) 离子半径：a，= r+ + R- 2 . 原子半径和离子半径原子半径和离子半径 (Atomic Radius and Ionic Radius) 离子价影响离子半径离子价影响离子半径 (c) 共价半径：成

19、键电子云的最大重叠（非球形，多用键长） 单键、双键、三键 温度影响半径温度影响半径 3. 配位数配位数 (Coordination Number)-CN： （影响半径）（影响半径） 大部分工程材料具有多个原子组成的配位团 配位数是一个原子具有的第一邻近（原子或离子）数第一邻近（原子或离子）数 （Number of nearest-neighbor atoms） H-1 Mg为6 Si或C为4 影响因素 共价共价，围绕一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目 卤族配位数为1；氧族为2。 原子的有效堆积有效堆积，离子化合物具有较高配位数，最常见为6。 元元 素素金金 属属 原原 子子离离 子子共共

20、 价价 键键CN半径半径(nm)价价 CN半径半径 (nm) 键键 长长 / 2 （nm）碳碳 单单 键键双双 键键三三 键键00770065006硅硅 4+ 6 4+ 400420038 单单 键键 0117氧氧 2- 8 2- 6 2- 40.0420.0380.444 单单 键键 双双 键键 0.0750.065氯氯 2- 2 1- 8 1- 60.1400.1270.181 单单 键键 0099钠钠80.01875 1+ 60.097 镁镁120.161 2+ 60.066 铝铝120.1431 3+ 6 3+ 40.0540.046 铁铁8120.12410.127 2+ 6 3+

21、60.0740.064 铜铜120.1278 1+ 60.096 1 键长键长(bond distance): 两相邻原子间达运动平衡时能量最小的距离 金属键和离子键： 无方向性，无键长，三维空间（集体效应）：体积和电荷 共价键：有方向性(和饱和性)，键长为相连原子间的距离， 共价半径之和 同周期 电荷大 键长小 同族 由上到下 键长增大 2 键能键能(bond energy): 1mol 物质结合键分裂放出的能量, 表示结合的强弱。 化学键 物理键（分子键） 化学键中: 共价键 离子键 金属键 共价键中: 叁键双键单键 氢键 范氏键 2-3-4 各种键性比较各种键性比较 （Compariso

22、n among Various Bonds)键性表2-4 多原子体系电子的相互作用与稳定性多原子体系电子的相互作用与稳定性 （Electron Interaction and Stability of Polyatomic System) What is the Hybrid Orbital of atoms? What is the Molecular Orbital in compounds? What is the Fermi Energy Level in metals? What is the Energy Band Structures in solids? 杂化轨道：原子不同轨道

23、原子不同轨道线性组合后的线性组合后的新原子轨道新原子轨道 杂化后，数目不变； 空间分布、能级状态改变，有利成键 杂化轨道与配位原子空间排列的方式2-4 多原子体系电子的相互作用与稳定性多原子体系电子的相互作用与稳定性 （Electron Interaction and Stability of Polyatomic System) 2-4-1杂化轨道和分子轨道杂化轨道和分子轨道(Hybrid Orbital and Molecular Orbital) 1杂化轨道杂化轨道理论2xxdp23xdsp223yxdsp2223yxxddspxyyzxzdddsp33N23CO24SO24SiF 中心

24、原子的杂化轨道中心原子的杂化轨道 配位原子的空间排列配位原子的空间排列 实实 例例 spx spxpy sp3 直 线 形 直 线 形 平 面 三 角 形 四 面 体 形 三 方 双 锥 形 四 方 锥 形 八 面 体 形 五 方 双 锥 形 CO2, XeF2 BF3, SO3, SiH4, PF5, SOF4 Sb(C6H5)5 SF6, IF7 组合成分子轨道分子轨道的条件（1）能量相近； （2）轨道最大重叠；（3）对称性匹配： 符号相同，为成键轨道 符号相反，为反键轨道 2分子轨道分子轨道理论 不同原子轨道原子轨道的线性组合 轨道：通过键轴，无节面， 以键轴为对称轴的对称轨道 如： s

25、-s, s-p， p-p 三种分子轨道： （1）轨道和键 键：由成键电子构成的共价键 单电子键：成键轨道1个电子，能量降低=EE1 正常键： 成键轨道2个电子，能量降低2 三电子键：成键轨道2个电子，反键轨道1 个电子，能量降低 轨道：通过键轴，有一个（= 0）节面 如： py - py ，pz - pz 键：由成键电子构成的共价键 （2）轨道和键 轨道：通过键轴， 有两个（= 0）的节面 键：由成键电子构成的共价键 分子轨道电子排布 与原子轨道填充三原则相同 （3）轨道和键同核双原子分子的能级和电子排布同核双原子分子的能级和电子排布 T= 0 K（基态 ground state）时，最高的被电子充满能级 能量为EF， 以下能级全满， 以上能级全空。 2-4-2 费米能级费米能级 (Fermi energy Level)-金属金属 费米分布费米分布(Fermi distribution) ： T0 K时，某些电子受到激发，移到费米