第一章原子结构和键合-2015

1、2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克1材料科学基础材料科学基础主讲：李克主讲：李克 教授教授 绪论第一章第一章 原子结构与键合原子结构与键合第二章 固体结构第三章 晶体缺陷第四章 固体中原子及分子的运动第五章 材料的形变与再结晶第六章 单组元相图及纯晶体的凝固第七章 二元相图及其合金的凝固2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克2材料的微观结构材料的微观结构（Microstructure of Materials） 了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。 决定材料性质最为本质的内在因素包括： 组成材料各元素原子结构原子结构，原子间相

2、互作用和相互结合原子间相互作用和相互结合，原子或分子在空间的排列（晶体），运动规律，以及原子集合体的形貌特征 第一章第一章 原子结构与键合原子结构与键合Atomic Structure and Interatomic Bonding2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克3p物质(Substance)是由原子（atom）组成p在材料科学中，最为关心原子的电子结构p原子结构直接影响原子间的结合方式;原子的电子结构原子间键合本质p原子结构-决定材料分类：金属、非金属、陶瓷、高分子-决定材料性能：物理、化学、力学2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克4物质由无数微粒（Particles）聚

3、集而成分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万原子（Atom）： 化学变化中最小微粒量子力学中，原子还可以再分-聚变和裂变（聚变一般是指氘和氚聚变成氦的过程，常见裂变有铀、钚等的裂变） E = mC22022-4-5材料科学基础CAI课件-李克5二、原子的结构二、原子的结构n18791879年年 J.J J.J 汤姆孙汤姆孙 发现电子（发现电子（electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密n19111911年年 E.E.卢瑟福提出原子结构有核模型卢瑟福提出原子结构有核模型n191319

4、13年年 玻尔将玻尔将 nBohr atomic modelBohr atomic model M M. .P Pl la an nk k和和A A. .E Ei in ns st te ei in n量量子子论论原原子子结结构构的的量量子子理理论论R Ru ut th he er rf fo or rd d 原原子子有有核核模模型型- -2 2H H- -1 1A Al l原原子子（a at to om m) )r r = = 3 3. .7 7 1 10 0 n nm mr r = =1 1. .4 43 3 1 10 0 n nm m- -2 27 7- -2 27 7- -3 31 1

5、（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）质质子子：正正电电荷荷m m1 1. .6 67 72 26 61 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s) )：位位于于原原子子中中心心、带带正正电电中中子子：电电中中性性m m1 1. .6 67 74 48 81 10 0k kg g电电子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋转转，带带负负电电，按按能能量量高高低低排排列列，如如电电子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo ou ud d） m

6、 m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0k kg g，约约为为质质子子的的1 1/ /1 18 83 36 62022-4-5材料科学基础CAI课件-李克6iiinln1, spdfm i主量子数 ：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell轨道动量量子数 ：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2， ， ， shape of the electron subshell磁量子数：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-li1),1,0,1, spatial orientation of an electron

7、cloudsii，-(ll11自旋角动量量子数 ：表示电子自旋（spin moment）的方向，取值为 或-22描述原子中一个电子的空间和能量一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示三、原子的电子结构三、原子的电子结构单原子体系、多原子体系；单原子体系、多原子体系；对单个原子亦即孤立原子的电子处于不同对单个原子亦即孤立原子的电子处于不同的分立能级上，可通过求解薛定谔方程，由四个量子数组来描述其运动状态。的分立能级上，可通过求解薛定谔方程，由四个量子数组来描述其运动状态。对于多原子体系，电子在整个固体当中运动，薛定谔方程无法求解，必须引入对于多原子体系，电子在整

8、个固体当中运动，薛定谔方程无法求解，必须引入能带理论。能带理论。详见详见固体能带理论固体能带理论2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克7n核外电子的排布遵循的三个原则2 2全全充充满满半半充充满满 全全空空自自旋旋方方向向相相同同能能量量最最低低原原理理（M Mi in ni im mu um m E En ne er rg gy y p pr ri in nc ci ip pl le e) )电电子子总总是是占占据据能能量量最最低低的的壳壳层层 1 1s s- -2 2s s- -2 2p p- -3 3s s- -3 3p p- -4 4s s- -3 3d d- -4 4p p-

9、-5 5s s- -4 4d d- -5 5p p- -P Pa au ul li i不不相相容容原原理理（P Pa au ul li i E Ex xc cl lu us si io on n p pr ri in nc ci ip pl le e) ): : 2 2n nH Hu un nd d原原则则（H Hu un nd d R Ru ul le e) )没有状态相同的电子没有状态相同的电子(4个量子个量子)保证能量最低保证能量最低 稳定稳定2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克8四、元素周期表（四、元素周期表（Periodic Table of Elements)n元素元素（E

10、lement）：）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，种，核电荷数是划分元素的依据核电荷数是划分元素的依据n同位素同位素（Isotope）：）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子的原子 n元素有两种存在状态元素有两种存在状态：游离态和化合态（：游离态和化合态（Free State& Combined Form)1 12 21 13 31 14 46 66 66 6C C ，C C ，C C2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克97个横行（个横行（Horizontal rows)周期（周期（peri

11、od）按原子序数（按原子序数（Atomic Number)递增的顺序从左至右排列递增的顺序从左至右排列18个纵行（个纵行（column）16族（族（Group），），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个第个第族、族、1个零族（个零族（Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。上而下排列。2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克10周期规律：周期规律：原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数周期序数电子壳层数主族序数最外层电子数主族序数最外层电子数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8

12、（氦为（氦为2） 价电子数价电子数（Valence electron） 电离核核电电荷荷 ，原原子子半半径径 能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 最最外外层层电电子子数数相相同同，电电子子层层数数 ，原原子子半半径径 电电离离能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金属属性性 ，非非金金属属性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金属属性性 ，非非金金属属性性 2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克112 原子间的键合原子间的键合 ( Bonding type)金金属属键键（M Me et ta al ll li ic c

13、 b bo on nd di in ng g）化化学学键键（C Ch he em mi ic ca al l b bo on nd di in ng g）离离子子键键（I Io on ni ic c b bo on nd di in ng g） 主主价价键键p pr ri im ma ar ry y i in nt te er ra at to om mi ic c b bo on nd ds s共共价价键键（c co ov va al le en nt t b bo on nd di in ng g）物物理理键键（p ph hy ys si ic ca al l b bo on nd di

14、in ng g) ), , 次次价价键键( (S Se ec co on nd da ar ry y b bo on nd di in ng g) )，亦亦称称V Va an n d de er r W Wa aa al ls s b bo on nd di in ng g氢氢键键（H Hy yd dr ro og ge en n- -b bo on nd di in n和g g) ) 介介于于化化学学键键 范范德德华华力力之之间间结合键：原子结合形成结合键：原子结合形成分子或固体分子或固体时，原子间产生的相互作用力，称时，原子间产生的相互作用力，称为结合力，也叫结合键。为结合力，也叫结合键。

15、结合力从本质上讲，都起源于原子核和电子间的静电交互作用（库伦结合力从本质上讲，都起源于原子核和电子间的静电交互作用（库伦力）。力）。 分子间作用力，通过物理键结合未产生新的物质。分子间作用力，通过物理键结合未产生新的物质。原子间作用力，通过化学键结合产生新的物质。原子间作用力，通过化学键结合产生新的物质。2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克12一、金属键（Metallic bonding）l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l性质：良好导电、导热性能，延展性好l配位数：金属晶体多采取配位数为12的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为8。金属中自由电子与金属正

16、离子之间构成键合称为金属键。金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。第族碱金属、第族碱土金属及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。过渡金属兼有金属键和共价键，前者提供良好的导电性和导热性，后者提供强度。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（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），），形成电子云形成电子云（electron cloud）2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克13二、离子键（Ionic bonding)l特点：以离子而不是

17、以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性（得失电子位置不确定），无饱和性l性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体，膨胀系数小l配位数：离子晶体中最大的配位数为8。氯化钠(配位数为6)，氯化铯(配位数为8)。静静电电键键引引力力 离离子子 实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation） 非金属原子 带负电的负离子（anion） e 多数盐类、碱类和金属氧化物中存在离子键。2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克14氯化钠氯化钠 氯化铯氯化铯 硫化锌硫化锌碱金属碱金属- -卤族卤族 碱土金属碱土金属- -氧族氧族 A-BA-BB-B锌族锌族- -氧族氧族 典型离子晶体结构典型离子晶体

18、结构: :氯化钠、氯化铯、硫化锌（闪锌矿）等氯化钠、氯化铯、硫化锌（闪锌矿）等矿物、硅酸盐、陶瓷等矿物、硅酸盐、陶瓷等2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克15三、共价键（covalent bonding）键电对键键两键间极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中l特点：共用电子对；配位数较小；有方向性、饱和性。有饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键有方向性（s电子除外）：原子只能在特定方向上形成共价键l

19、物理性质：结构稳定、熔点高（缺陷少）、质硬脆（方向性决定）、导电能力差Si-C, Ni-AlSi-Si包括亚金属（C、Si、Sn、 Ge），高分子聚合物和无机非金属材料（碳化物、氧化物等）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，如氢分子、金刚石、单晶硅2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克16金刚石结构示意图金刚石结构示意图金刚石、硅金刚石、硅/锗的单晶中都有这种正四面体成键方式锗的单晶中都有这种正四面体成键方式2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克17 四、范德华力（Van der waals bonding) 电应邻电华偶偶极极矩矩的的感感作作用用近近原原子子

20、相相互互作作用用荷荷位位移移偶偶极极子子( (d di ip po ol le es s）范范德德力力l包括：静电力、诱导力和色散力（概念，及与温度、距离的关系）（概念，及与温度、距离的关系）l属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质，如熔点、沸点、溶解度等。比如肥皂泡相互吸引。高分子材料以分子间作用力-范德华力和氢键为主，化学键为辅故没有气态，只有液态、固态。如有机玻璃、环氧树脂。石墨的晶体结构石墨的晶体结构2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克18五、氢键（Hydrogen bonding） 氢键为极性分子键，存在于HF、H2O、NH3等分子间，可视为特殊的可视为特殊的范德华力。范德华力。氢键是冰中水分子之间主要的相互作用。氢键是冰中水分子之间主要的相互作用。在高分子中占重要地位，有机物、生物体中，分子和高分子靠氢键连接。有机物、生物体中，分子和高分子靠氢键连接。DNA复复制和其他生命过程可视为氢键的键开与键合（酶的参与）。制和其他生命过程可视为氢键的键开与键合（酶的参与）。氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子(O、F、N等)结合，构成氢键。本质：分子间电偶极距相互作用。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氢键具有饱和性和方向性。2022-4-5材料科学基础CAI课件-李克1