材料科学基础原子结构与键合答案

1、2021/1/42章章 目目 录录1.1 1.1 原子结构及其周期性原子结构及其周期性1.2 1.2 原子间的键合原子间的键合1.3 1.3 高分子链高分子链2021/1/43结结 构构 的的 四四 个个 层层 次次成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部结构决定了材料的性能。成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部结构决定了材料的性能。材料结构分为四个层次材料结构分为四个层次: 原子结构原子结构 原子结合键原子结合键 成分成分 原子排列原子排列 相结构相结构加工工艺加工工艺2021/1/441.1 1.1 原子结构及其周期性原子结构及其周期性原子核原子核 + + 电子电子1922

2、年获得诺贝尔奖（物理学）年获得诺贝尔奖（物理学）2021/1/45一、核外电子分布一、核外电子分布 核外电子的运动状态，由四个量子数决定。核外电子的运动状态，由四个量子数决定。 主量子数主量子数 n = 1 n = 1、2 2、3 3 距核远近、能量高低。距核远近、能量高低。 角量子数角量子数 l = 0 l = 0、1 1、2 2 电子云形状、能量高低。电子云形状、能量高低。 磁量子数磁量子数 m = 0 m = 0、 、 电子轨道空间取向电子轨道空间取向 自旋量子数自旋量子数 = = 电子自旋方向电子自旋方向12212021/1/46电子轨道电子轨道 将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解，

3、将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解，得到四种电子分布的波函数得到四种电子分布的波函数 电子轨道电子轨道s s 一种组态（球对称）一种组态（球对称） 2 2p p 三种组态（轴对称）三种组态（轴对称） 6 6d d 五种组态五种组态 10 10f f 七种组态七种组态 14 142021/1/47轨道空间分布示意图轨道空间分布示意图yxzxxzp-p-轨道空间分布示意图轨道空间分布示意图2021/1/48电子分布须遵循的两个原则：电子分布须遵循的两个原则：泡利不相容原则泡利不相容原则 一个原子中，不可能存在有四个量子数完全一个原子中，不可能存在有四个量子数完全 相同的两个电子。相同的两个电子。

4、能量最低原则能量最低原则 电子总是优先占据能量较低的轨道，使系统电子总是优先占据能量较低的轨道，使系统 的能量处于稳定的状态。的能量处于稳定的状态。2021/1/49二、原子结构的周期规律二、原子结构的周期规律 周期表中，周期数周期表中，周期数 代表了电子主层数代表了电子主层数n。1、元素的周期性、元素的周期性1、2、3为短周期，外层电子只有为短周期，外层电子只有s、p次层。次层。4、5、6、7为长周期，除为长周期，除s、p次层外，还有次层外，还有d层电子。层电子。6、7周期中，除周期中，除s、p、d外，还填入了外，还填入了f层电子。层电子。s sp pd df f2021/1/4102021

5、/1/4112 2、主族元素、主族元素 A AAA分别填入外层分别填入外层s s、p p电子（电子（2+6=82+6=8），原子的电负性和化学性质由此呈周期变化。），原子的电负性和化学性质由此呈周期变化。活泼金属活泼金属非金属非金属惰性元素。惰性元素。以半金属元素以半金属元素AA为中心，可作为材料使用；性质活泼的元素不宜用作材料。为中心，可作为材料使用；性质活泼的元素不宜用作材料。2021/1/4123 3、副族元素、副族元素 B BBB分别填入分别填入d内层电子（共内层电子（共10个）。个）。由于外层由于外层s电子为电子为1、2个，几乎相同，化学性质变化不大，统称个，几乎相同，化学性质变化不

6、大，统称“过渡族元素过渡族元素”。因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，稳定性上升。因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，稳定性上升。材料元素的重点选择区域。材料元素的重点选择区域。2021/1/4134 4、镧系、锕系、镧系、锕系分别填入分别填入f内层电子（共内层电子（共14个）。个）。因外层因外层s电子都是电子都是2，化学性质非常接近，统称，化学性质非常接近，统称“稀土元素稀土元素”。由于由于f层内有许多空轨道，相互间能级差很小，易于激发，因而具有重要的功能效应。层内有许多空轨道，相互间能级差很小，易于激发，因而具有重要的功能效应。 例如：长余辉稀土铝酸盐材料。例如：长余辉稀土

7、铝酸盐材料。2021/1/4145 5、电负性、电负性周期表中由左至右、由下到上，电负性周期表中由左至右、由下到上，电负性。同族、同周期元素有相似的性质特点。同族、同周期元素有相似的性质特点。例如：例如： 具有低温超导性，在它周围的、具有低温超导性，在它周围的、V V、也有、也有这一特性。这一特性。 S S化物、化物、化物同族，都有光电特性。化物、化物、化物同族，都有光电特性。s sp pd df f2021/1/4151.2 1.2 原子间的键合原子间的键合金属键（Metallic bonding）金属键（Metallic bonding）化学键（Chemical bonding）离子键（I

8、onic bonding）主化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding）主价键primary interatomic bonds价键primary interatomic bonds共价键（covalent bonding）共价键（covalent bonding）物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond物理键（physical bonding),次价键(Secondary bonding)ing)，亦称Van der Waals bonding，亦称Van der Waals bonding氢键（Hydrogen-bo

9、ndin氢键（Hydrogen-bondin和g) g) 介于化学键范德华力之间介于化学键范德华力之间l1 1、金属键（、金属键（ ）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（ ）极易）极易 挣脱原子核之束缚而挣脱原子核之束缚而成为自由电子（成为自由电子（ ），形成电子云（），形成电子云（ ）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键键l性质：良好导电、导热性能，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好2021/1/4162、离子键（ ) l 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离

10、子相间排列，且无方向性，无饱和性l 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体l3、共价键（ ）l 亚金属（C、 ），聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 l 键电对键键两键间极极 性性( (P Po ol la ar r b bo on nd di in ng g) ): :共共 用用子子偏偏 于于 某某 成成原原 子子非非 极极 性性（ N No on np po ol la ar r b bo on nd di in ng g) ): : 位位 于于成成原原 子子 中中l特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力

11、差 实质： 金属原子 带正电的正离子（） 非金属原子 带负电的负离子（） 2021/1/4174 4、范德华力、范德华力次价键，偶极作用，没有方向性和次价键，偶极作用，没有方向性和饱和性。键能弱（几数十）。饱和性。键能弱（几数十）。5 5、氢键：、氢键：次价键。次价键。H H与电负性很大、原子半径较小与电负性很大、原子半径较小的的O O、F F、N N等结合而产生的较强的键力，等结合而产生的较强的键力，几十几十 ，有方向性和饱和性。，有方向性和饱和性。2021/1/4181.3高分子链（ ）链结结态结（S St tr ru uc ct tu ur re e o of f a ag gg gr

12、re eg ga at ti io on n s st ta at te e) )（C Ch ha ai in n S St tr ru uc ct tu ur re e) )构构高高分分子子构构聚聚集集构构应 发剂过键将单单应 缩应 学应释产（p pl lo oy yc co on nd de en ns sa at ti io on n) ) （p po ol ly ya ad dd di it ti io on n) ) 加加聚聚反反添添加加引引通通共共价价分分子子聚聚合合 体体聚聚合合反反聚聚反反化化反反，放放出出副副品品 结结属学结链结远结结态链顺近近程程构构：一一次次构构 于于化化

13、构构构构程程构构：二二次次构构 分分子子量量、形形、的的柔柔性性、构构象象2021/1/419近程结构（ )一、结构单元的化学组成（ )1.碳链高分子HHCCHH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l2.2.杂链高分子杂链高分子 涤纶涤纶OOHHCCOCCOHH 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2021/1/4203.3.元素有机高分子元素有机高分子 硅橡胶硅橡胶 主链中不含主链中不含C C原子，而由、原子，而由、 B B

14、、P P 、 、等元素与、等元素与O O组成，其侧链则有机基团，故兼组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶性，如硅橡胶l4.无机高分子 二硫化硅l 33CHSiOCH/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCll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，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解聚二氯氮化磷2021/1/421二、高分子链结构单元的键合方式（二、高分子链结构单元的键合方式（ ）1.1.均聚物结构单元键

15、接顺序均聚物结构单元键接顺序 单烯类单体中单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：头头22CHCHCHCHCHClClCl222CHCHCHCHCHClCl尾尾222CHCHCHCHCHClCl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同 2021/1/4222.2.共聚物的序列结构（）共聚物的序列结构（） 按结构单元在分子链内排列方式的不同

16、分为按结构单元在分子链内排列方式的不同分为无规共聚物（Random copolymer）交替共聚物（ alteranting copolymer）嵌段共聚物（ block copolymer）接枝共聚物（graft copolymer）2021/1/423o线热变软动热链联线胶联变强韧状性性高高分分子子（l li in ne ea ar r p po ol ly ym me er rs s） : : 加加后后，甚甚至至流流，可可反反复复加加工工 塑塑性性（t th he er rm m p pl la as st ti ic c）支支高高分分子子（b br ra an nc ch he ed

17、d p po ol ly ym me er rs s）：交交高高分分子子（c cr ro os ss sl li in nk ke ed d p po ol ly ym me er r）：性性天天然然橡橡用用S S交交后后耐耐磨磨体体型型（立立体体网网）高高分分子子（n ne et tw wo or rk k o on n t th hr re ee e- -d di im me en ns si io on na al l p po ol ly ym me er r) ) 三、高分子链的结构（）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（） 2021/1/424四、高分子链

18、的构型（ ）链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行2021/1/425l旋光异构体（）l由烯烴单体合成的高聚物 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 ，有三种排列方式处链两侧两单处链边体间无规（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configurationR取代基交替地在主平面， 即旋光异构元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一种旋光异构同立构全同立构立构链两侧规则s):R取代基在主平面不排列2021/1/426几何异构（ ） 双烯类单体定

19、向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有 顺无顺顺反序反交替全全反3HCHHHCCCCHH3HCHHCCCCHHH顺式 反式 对于大分子链而言就有二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 顺顺式式（c ci is s- -s st tr ru uc ct tu ur re e) )反反式式（t tr ra an ns s- -s st tr ru uc ct tu ur re e) )两种异构体之分，称为几何异构2021/1/427远程结构（远程结构（ ) )一、高分子的大小（ ）高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性平均相对分子质量数对质为数数对质为质数niiiniiiiiiiii均相分子量M =x M, x分子分 均相分子量M =x M, x分子分 numberaverage molecul numberaverage molecular weightar weight重均相分子量Mww M, w量分 重均相分子量Mww M, w量分 weight-average molecular weig weight-average molecular weightht2021/1/428l