第一章原子结构与键合

1、第一章第一章原子结构和结合键原子结构和结合键金（金（Au）的（）的（111）面）面电化学沉积铜（电化学沉积铜（Cu）于）于金（金（Au）的表面）的表面Scanningtunnelingmicroscope(STM)扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜图片图片Fe原子在原子在Cu基板上原子像基板上原子像CO原子在原子在Pt基板上原子像基板上原子像(IBM)Xe原子在原子在Ni基板上原子像基板上原子像(IBM)Why Study Atomic Structure and Interatomic bondings? 重要原因之一：重要原因之一：键的类型，能够用于解释材料的性质。键的类型，能够用于解释材料的性

2、质。 举例：举例：“Graphite”石墨石墨“Diamond”金刚石金刚石通过本章学习，应该能够做到以下几点：通过本章学习，应该能够做到以下几点：1 1、两种原子模型两种原子模型的名称，及两者的差异；的名称，及两者的差异；2 2、能够描述主要的有关、能够描述主要的有关电子能量电子能量的量子力学原理；的量子力学原理；3 3、对于两个原子与离子，能够画出原子间距与吸引、排斥、对于两个原子与离子，能够画出原子间距与吸引、排斥的的能量简图能量简图，注意平衡间距和键能；，注意平衡间距和键能；4 4、理解重要的、理解重要的术语和基本概念术语和基本概念，包括主价键（离子键、共，包括主价键（离子键、共价键、

3、金属键）等，了解何种材料包含上述键。价键、金属键）等，了解何种材料包含上述键。学学 习习 目目 的的教教 学学 内内 容容 1.1原子结构原子结构1.1.1基本概念基本概念1.1.2原子中的电子原子中的电子1.1.3元素周期表元素周期表 1.2固态中的原子键固态中的原子键1.2.1键合力与能量键合力与能量1.2.2原子结合的基本类型原子结合的基本类型1.2.3范德瓦尔键范德瓦尔键1.1.1 1.1.1 基本概念基本概念1、基本电荷、基本电荷(Chargemagnitude)：1.6021x10-19C;2、质子、中子质量、质子、中子质量(Proton,Neutronmass)：1.67x10-

4、27kg3、电子质量、电子质量(Electronmass)：9.1091x10-31kg;4、原子数、原子数(AtomicnumberZ)=等于质子数等于质子数5、原子质量、原子质量(AtomicmassA)=Protonmass+Neutronmass6、同位素、同位素(Isotope)：质子数相同，但中子数不同：质子数相同，但中子数不同7、原子质量单位（、原子质量单位（Atomicmassunit(amu)）：）：为最常见的碳同位素为最常见的碳同位素12C的原子质量的的原子质量的1/121amu/atom(ormolecule)=1g/mol1.1.2原子中的电子原子中的电子电子的确定：电

5、子的确定： 法拉第（法拉第（Faraday）的电解电池实验，电子作为一个粒子的的电解电池实验，电子作为一个粒子的概概念念开始产生；开始产生；1891年，年，斯托尼（斯托尼（Stoney）提出提出“电子电子”名称名称，表示电量单位；，表示电量单位；1897年，年，Thomson阴极射线管实验，测定电子阴极射线管实验，测定电子质量质量约为氢原约为氢原子质量的子质量的1/1840；1909年，年，密利根（密利根（Millikan）油滴实验，测定电子油滴实验，测定电子电荷电荷e。量子力学中的原子模型量子力学中的原子模型第一个模型：玻尔原子模型（第一个模型：玻尔原子模型（BohrAtomicmodel）

6、原子核原子核轨道电子轨道电子重要特征：重要特征：1、电子的特定轨道；、电子的特定轨道；2、电子能量量子化，能级；、电子能量量子化，能级；3、能级跃迁。、能级跃迁。局限性：局限性：无法解释多电子系统，只适无法解释多电子系统，只适合氢原子，亦称为合氢原子，亦称为“玻尔氢玻尔氢原子模型原子模型”。第二个模型：几率波模型第二个模型：几率波模型（Wave-mechanicalmodel）微观粒子波粒二象性：微观粒子波粒二象性：1924年，德布洛意（年，德布洛意（deBroglie）在光的波粒二象性的启示下，提出微观）在光的波粒二象性的启示下，提出微观粒子波粒二象性的假说。粒子波粒二象性的假说。几率波模型

7、的特点：几率波模型的特点：1、电子具有波动、粒子特性；、电子具有波动、粒子特性；2、电子不再是在特定轨道上运动，其位置描述为、电子不再是在特定轨道上运动，其位置描述为几率分布几率分布（Probabilitydistribution）、电子云（）、电子云（Electroncloud）。）。420222/cmcpEphhE德布洛意关系：德布洛意关系：E机械能；机械能；p动量；动量；m0实物粒子静止质量；实物粒子静止质量； -波动波动量频率；量频率； -波动量频率；波动量频率；h普朗克常数，普朗克常数，c 光速光速两种模型中电子分布的比较两种模型中电子分布的比较（a a）玻尔模型）玻尔模型（b b）

8、几率波模型）几率波模型两种模型中电子能态的比较两种模型中电子能态的比较（a a）玻尔模型）玻尔模型（b b）几率波模型）几率波模型量量子子数（数（Quantumnumber）主量子数（主量子数（principal,n）：K、L、M、N、O、代表主壳层，与离原子核的距离相关（代表主壳层，与离原子核的距离相关（2种模型通用）种模型通用）次量子数（次量子数（subshell,l）：s、p、d、f、代表亚壳层，及其轨道数，与电子云代表亚壳层，及其轨道数，与电子云形状相关形状相关磁量子数（磁量子数（magnetic,m）：-(l -1)、+(l -1)代表每个轨道中的能级、及其数目代表每个轨道中的能级、

9、及其数目自旋量子数（自旋量子数（spin,s）：-1/2,+1/2代表电子自旋方向，每个能级只能有代表电子自旋方向，每个能级只能有2种不同的自旋种不同的自旋原子核外电子的排布规律原子核外电子的排布规律3个原则个原则能量最低原理：能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。最低。从低能壳层到高能壳层（从低能壳层到高能壳层（K、L、M、N、 ）、从低能亚）、从低能亚层（轨道）到高能亚层次序（层（轨道）到高能亚层次序（s、p、d、f、 ）填充）填充Pauli不相容不相容原理（原理（exclusionprinciple）：）：每个电子能每个电子能态最多容纳态最多

10、容纳2个自旋相反的电子个自旋相反的电子洪德（洪德（Hund）法则：）法则：在同一亚层中的各个能级中，电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，而且自旋方向相同子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同各壳层、亚壳层可容纳的电子状态数各壳层、亚壳层可容纳的电子状态数电子的能级图电子的能级图电子能量水平随主量子数电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况和次量子数的变化情况1s22s22p63s23p64s23d104p6.从低能到高能轨道顺序，填充电子1s3s2p3p4p3d4d电电子子组组态态Eelectronconfigurationq电子能态电子能态（Energyst

11、ate）：）：每个电子的能量状态（值），每个电子的能量状态（值），用所处的亚层（轨道）表示用所处的亚层（轨道）表示q最底能态最底能态（Groundstate）：）：电子填充的最低能量状态电子填充的最低能量状态q电子组态电子组态：即即原子结构，核外所有电子依据原子结构，核外所有电子依据3个原则，个原则，占据壳层、亚层（轨道）的方式占据壳层、亚层（轨道）的方式钠（钠（Sodium）原子的填充能态）原子的填充能态1s22s22p63s1价电子价电子（Valence electron）：参与键的形成；参与键的形成；决定物理、化学性质决定物理、化学性质不同原子的电子组态不同原子的电子组态稳定电子组态：稳

12、定电子组态：Stableelectronconfiguration最外、价电子壳层完全填充，最外、价电子壳层完全填充，如：如：He、Ne、Ar等惰性气体；等惰性气体；获得、失去、或共享电子，达获得、失去、或共享电子，达到稳定组态，如离子；到稳定组态，如离子；轨道杂化（轨道杂化（Hybrid），如碳的），如碳的sp3杂化杂化1.1.3元素周期表（元素周期表（Periodictable）Inert gas0HalogenVIIAAlkaliIAAlkali earthIIAIIIA IVA VA VIAIIIB IVBVBVIB VIIBIBIIBVIII稀土系Rare earth series锕

13、系Actinide series元素周期表元素周期表元素周期表是元素周期表是元素周期律的具体表现形式元素周期律的具体表现形式，三者有密切联系。三者有密切联系。元素的电负性元素的电负性(Electronegativity)1.2.1键合力与能量键合力与能量（BondingForcesandEnergy）吸引力（吸引力（Attractiveforce）FA；排斥力（排斥力（Repulsiveforce）FR；FN=FA+FR净力净力（Netforce）FN吸引能（吸引能（Attractiveenergy）EA；排斥能（排斥能（Repulsiveenergy）ER；净能净能（Netpotential

14、energy）EN1.2固态中的原子键固态中的原子键REE EArRrArNNdrFdrFdrF平衡距离平衡距离r0Equilibriumspacing；当当FA+FR=0时的原子间距时的原子间距当当r=r0时，时，E0称为结合能称为结合能（Bondingenergy），将，将2个原子无限分个原子无限分离所需能量。离所需能量。通常通常r0 0.3nm(3)力力势能势能原子间距原子间距力、能量与原子间距离曲线力、能量与原子间距离曲线4 对于固态原子，都存在一个结合能对于固态原子，都存在一个结合能E E0 0；4 结合能大，结合能大， 则熔点高；则熔点高；4 室温下，结合能决定固体、液体、气体状态

15、；室温下，结合能决定固体、液体、气体状态；4 力与原子间距离曲线形状力与原子间距离曲线形状物质刚硬度相关；物质刚硬度相关；4 能量与原子间距离曲线形状能量与原子间距离曲线形状物质热膨脹相关物质热膨脹相关1.2.2原子结合的基本类型原子结合的基本类型PrimaryInteratomicBonds（一次健）（一次健）离子键（离子键（IonicBonding）：电负性相差大的原子相互靠近时，电负性相差大的原子相互靠近时，成为正负离子，通过库仑静电引力形成。成为正负离子，通过库仑静电引力形成。例如：例如：NaCl,MgO吸引能：吸引能：排斥能：排斥能：(n8)无方向性（无方向性（Non-directi

16、onal）键能在键能在38eV/atom范围范围rAEAnRrBE 共价键（共价键（CovalentBonding）：电负性相差不大的原子相互靠电负性相差不大的原子相互靠近时，原子间不产生电子转移，借共用电子对所产生的力结合。近时，原子间不产生电子转移，借共用电子对所产生的力结合。例如：例如：diamond,Si,Ge,GaAs,InSb,SiC,H2,Cl2,F2,CH4,H2O,HNO3,HF方向性方向性（directional）；）；最多键数最多键数：8-N，N价电子价电子数；如：数；如：Cl的的N为为7，最多形成，最多形成1个共价键。个共价键。強強(diamond)或或弱弱(Bi)；高

17、分子材料高分子材料为典型例子。为典型例子。离子键离子键与与共价键共价键q离子键离子键与与共价键共价键可可共存共存；q2种键的存在取决于不同元素在周种键的存在取决于不同元素在周期表中相对位置期表中相对位置q及及电负性电负性；q原子间距愈远原子间距愈远，电负性差愈大，离子键性愈强，电负性差愈大，离子键性愈强%离子键性离子键性=XA，XB为元素的电负性为元素的电负性1002BA)X0.25(Xe11金属键金属键MetallicBonding当金属原子处于聚集状态时，几乎所有的原子都将它们的价当金属原子处于聚集状态时，几乎所有的原子都将它们的价电子贡献出来，为整个原子集体所共有，形成所谓电子贡献出来，

18、为整个原子集体所共有，形成所谓“电子电子云云”。贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电。贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电子间产生静电作用而结合起来，这种结合方式称为子间产生静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键金属键。价电子海价电子海离子核离子核 电电子海子海（seaofelectron）电子云电子云（electroncloud）胶体胶体（glue）；离离子核心子核心（ioncores），不具方向性；不具方向性；键能：键能：0.7eV/atomforHg8.8eV/atomforW良导电、导热体，延展性好良导电、导热体，延展性好1.2.3范德瓦尔键范德瓦尔键（Seco

19、ndaryBonding二次健）二次健）JohannesDiderikVanderWaals(18371923)4TheNobelPrizeinPhysics19104forhisworkontheequationof4stateforgasesandliquids偶极子（偶极子（Dipoles）间的范德瓦尔键）间的范德瓦尔键一些高分子材料和陶瓷，它们的分子往往具有极性，即分子的一部分往往带正电荷，而另一部分则往往带负电荷。一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起，这种结合方式称为范德瓦尔键，也称“分子键”。+Atomicormoleculardipo

20、lesv 由微弱静电吸引力结合，键能弱：0.1 eV/atom(10 kJ/mol);v 存在于所有原子或分子间；振动感应极化键振动感应极化键（FluctuatingInducedDipoleBonds）电对称原子或分子，由于热振动引起正负电中心偏移，电对称原子或分子，由于热振动引起正负电中心偏移，产生产生瞬间极化瞬间极化；是范德瓦尔键中是范德瓦尔键中最弱的键最弱的键；例如：例如：H2，Cl2等，熔、沸点很低。等，熔、沸点很低。极性分子极性分子 PolarmoleculeHCl+ 分子自身存在永久极化，分子自身存在永久极化， 即正负电中心偏移；即正负电中心偏移； 极性分子使近邻非极性分极性分子

21、使近邻非极性分 子极化子极化（感应极化）（感应极化），产，产 生结合力；生结合力； 键能略大于振动感应极化键能略大于振动感应极化 键。键。极化极化HCl分子图示分子图示永久极性键永久极性键Permanentdipolebonds氢键为典型例子：如氢键为典型例子：如H2O，HF，NH3等；等；键能比其它类型范德瓦尔键能大，达键能比其它类型范德瓦尔键能大，达0.52eV/Molecule.氢氢键键Hydrogenbond 由由氢原子同时与两个氢原子同时与两个电负性很大，而原子半径较小的原电负性很大，而原子半径较小的原子（，等）相结合而产生的具有比一般次价键大子（，等）相结合而产生的具有比一般次价键

22、大的键力，具有的键力，具有饱和性饱和性和和方向性方向性。 氢键在高分子材料中特别重要。氢键在高分子材料中特别重要。 结结合合键键的的特特性性离子键离子键共价键共价键金属键金属键结构特点结构特点无方向性或方向性不明无方向性或方向性不明显，配位数大显，配位数大方向性明显，配位数小，方向性明显，配位数小，密度小密度小无方向性，无饱和性，无方向性，无饱和性，配位数极大，密度大配位数极大，密度大力学特点力学特点强度高，膨胀系数小，强度高，膨胀系数小，劈裂性良好，硬度大劈裂性良好，硬度大强度高，硬度大强度高，硬度大有各种强度，有塑性有各种强度，有塑性热学特点热学特点熔点高，膨胀系数小，熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在熔体中有离子存在熔点高，膨胀系数小，熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子熔体中有的含有分子有各种熔点高，导热性有各种熔点高，导热性好，液态的温度范围宽好，液态的温度范围宽电学特点电学特点绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为非导体绝缘体，熔体为非导体导电体导电体根据原子间键和的不同，将材料分为金属、陶瓷和高分子根据原子间键和的不同，将材料分为金属、陶瓷和高分子材材料料中中的的键键范德瓦尔键（二次键）范德瓦尔键（二次键）共价键共价键金属键金属键半导体半导体聚合物聚合物离子键离子键陶瓷和玻璃陶瓷和玻璃金属金属各种物质的键能