材料科学基础 第一单元

1、第第1 1章章 原子结构与键合原子结构与键合1.1 1.1 原子结构原子结构1.21.2原子间的键合原子间的键合 本章本章主要内容要求主要内容要求基本概念和术语基本概念和术语; ;原子间的结合键对材料性能的影响原子间的结合键对材料性能的影响; ;用结合键的特征解释材料的性能。如用金属用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的特征解释金属材料的性能：键的特征解释金属材料的性能： 1. 1.良好的延展性；良好的延展性； 2. 2.良好的导电、导热性；良好的导电、导热性；1.1.1 物质的组成物质的组成 一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而成的，这些微粒可能是

2、成的，这些微粒可能是分子分子、原子原子或或离子离子。 分子分子是能单独存在、并保持物质化学特性的是能单独存在、并保持物质化学特性的一种微粒。一种微粒。 分子又是由一些更小的微粒分子又是由一些更小的微粒原子原子所组成。所组成。原子是化学变化中的最小微粒；原子并不是物质原子是化学变化中的最小微粒；原子并不是物质的最小微粒。的最小微粒。 原子结构的特点原子结构的特点：1 1） 原子体积很小，直径约为原子体积很小，直径约为1010-10-10mm2 2）原子核直径更小，约为）原子核直径更小，约为1010-15-15mm3 3）原子质量大部分集中于原子核内，）原子质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很

3、大。原子核的密度很大。原子核原子核( (nucleus):):位于原子中心、带正电位于原子中心、带正电电电 子子( (electron) )：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云( (electron cloud) 9.1110-31 kg，约为质子的，约为质子的1/1836质子质子( (proton) )：正电荷：正电荷m1.672610-27 kg中子中子(neutron)：电中性：电中性m1.674810-27 kg 电子云电子云( (election atmosphere) election atmosphere) 电子在原子核外作

4、高速旋转运动，就好像带负电的电子在原子核外作高速旋转运动，就好像带负电的云雾笼罩在原子核周围，形象地称它为云雾笼罩在原子核周围，形象地称它为电子云电子云； 电子具有电子具有波粒二象性波粒二象性； 电子运动没有固定的轨道。电子运动没有固定的轨道。 主量子数、轨道角动量量子数、磁量子数、自旋角动量主量子数、轨道角动量量子数、磁量子数、自旋角动量量子数量子数1)1)主量子数主量子数 主量子数主量子数 n 决定原子中电子能量与核平均距离，表示电子所处的决定原子中电子能量与核平均距离，表示电子所处的量子壳层量子壳层。n 越大，电子离原子核的距离越远，电子的能量越高。越大，电子离原子核的距离越远，电子的能

5、量越高。 n只能取只能取1、2、3等正整数，分别称为等正整数，分别称为第一、二、三、第一、二、三、电子壳层电子壳层，相应地用大写英文字母相应地用大写英文字母 K、L、M、 表示。表示。 在一个原子中，在一个原子中， n 相同的电子处于同相同的电子处于同一个电子壳层一个电子壳层。钠原子结构中钠原子结构中K、L、M量量子壳层的电子分布状况子壳层的电子分布状况2）轨道角动量量子数轨道角动量量子数 角量子数角量子数 l 给出电子在同一量子壳层内所处的能级，给出电子在同一量子壳层内所处的能级，决定决定原子轨道的形状。原子轨道的形状。取值为取值为 0、1、2.n1。在多电子原子中，。在多电子原子中，当当

6、n 相同而相同而 l 不同时，电子的能量还有差别，又常将一个电子不同时，电子的能量还有差别，又常将一个电子壳层分为几个亚层。壳层分为几个亚层。 n1 时，时，l 0，K 层只有层只有 s 亚层；亚层； n2 时，时，l 0、1，L 层有层有 s、p 亚层；亚层； n3 时，时，l 0、1、2，M 层有层有 s、p、d 亚层亚层; n4 时，时，l 0、1、2、3，N 层有层有 s、p、d、f 亚层。亚层。 在多电子原子中，在多电子原子中， l 也决定着原子轨道的能量也决定着原子轨道的能量。当。当 n 相同时，相同时，随随 l 的增大，原子轨道的能量按照的增大，原子轨道的能量按照s，p，d，f，

7、g次序升高。次序升高。 不同电子亚层的电子云形状不同。不同电子亚层的电子云形状不同。3）磁量子数磁量子数 磁量子数磁量子数m 给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。 决定原子轨道在空间的取向决定原子轨道在空间的取向，它的取值为，它的取值为0, 1, 2, ， l ，因此，因此有有 2 l + 1 种取向。种取向。 l 0 时，时，m只能取只能取 0，s 亚层只有亚层只有 1 个轨道；个轨道； l 1 时，时， m可取可取 1、0、1，p 亚层有亚层有3个轨道；个轨道； 同理，同理，d 亚层有亚层有 5 个轨道，个轨道，f 亚层有亚层有7个轨道。个轨

8、道。4）自旋量子数自旋量子数 自旋量子数自旋量子数Si描述电子的自旋方向描述电子的自旋方向，它的取值为，它的取值为 +1/2 和和 -1/2，反映反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，用电子顺时针和逆时针两种自旋方向，用“”“”和和“ ”“ ”表示。表示。 综上所述，综上所述，n、 l 、m 三个量子数可以确定一个三个量子数可以确定一个 电电子轨道，而子轨道，而 n、 l、m 、Si 四个量子数可以确定电子的四个量子数可以确定电子的运动状态。运动状态。 电子壳层、电子亚壳层、原子轨道与量子数之间的关系电子壳层、电子亚壳层、原子轨道与量子数之间的关系n电子层电子层l电子亚层电子亚层m轨道数轨道数1

9、K01s012 L 012s2p01,0,+1133M0123s3p3d0-1,0,+1-2,-1,0,+1,+21354N01234s4p4d4f0-1,0,+12,-1,0,+1,+2-3,-2,-1,0,+1,+2,+31357 能量最低原理能量最低原理：电子的排布总是尽可能：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低使体系的能量最低，占据能占据能量最低量最低 的壳层，即的壳层，即 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-泡利不相容原理泡利不相容原理：在一个原子中不可能有：在一个原子中不可能有运动状态完

10、全相同的两个运动状态完全相同的两个电子电子，n n壳层最多只能容纳壳层最多只能容纳2n2n2 2个电子。个电子。洪德定则洪德定则：在：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不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。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。空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。1s2s2pCNO1s2 2s2 2p21s2 2s2 2p31s2 2s2 2p4核外电子的排布核外电子的排布举例：举例：按规则排布：按规则排布：1s2 2s2 2p6 3s

11、2 3p6 3d8 实际排布：实际排布：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2注注：对于对于序数较大序数较大的原子，的原子，d d和和f f能级开始被填充，相邻壳层的能能级开始被填充，相邻壳层的能级存在级存在重叠现象重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规则，呈现鲍林能，因此，其电子排布偏离上述规则，呈现鲍林能级图分布。级图分布。 例如例如2626FeFe原子的电子结构：原子的电子结构：元素（具有相同核电荷数的同一类原子总称，共元素（具有相同核电荷数的同一类原子总称，共116116种，核电荷数是划分元种，核电荷数是划分元素的依据素的依据同位素同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同

12、一元素的原子具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 元素有两种存在状态：游离态和化合态元素有两种存在状态：游离态和化合态7 7个横行个横行(7(7个周期）按原子序数递增的顺序从左至右排列个周期）按原子序数递增的顺序从左至右排列1818个纵行个纵行1616族，族，7 7个主族、个主族、7 7个副族、个副族、1 1个个族、族、1 1个零族；每个族最外层的个零族；每个族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。电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。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

13、层电子数为零族元素最外层电子数为8 8（氦为（氦为2 2） 价电子数价电子数 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 121314121314666666C C ，C ，C，C ，C 两个或多个原子形成分子或固体时，它们依靠什么样的结两个或多个原子形成分子或固体时，它们依靠什么样的

14、结合力聚集在一起，这就是原子间的键合问题。合力聚集在一起，这就是原子间的键合问题。 结合键结合键(binding bond)分为两大类分为两大类： 化学键化学键（主价键、一次键）（主价键、一次键）：金属键、离子键、共价键金属键、离子键、共价键 ， 键键力由弱到强。力由弱到强。 物理键（次价键、二次键）物理键（次价键、二次键）：范德华力、氢键。：范德华力、氢键。金属离子沉浸在自金属离子沉浸在自由电子的海洋中由电子的海洋中典型金属原子结构典型金属原子结构：最外层电子数很少，即：最外层电子数很少，即价电子价电子极易挣脱原子核之束极易挣脱原子核之束缚而成为缚而成为自由电子自由电子，形成电子云。金属中自

15、由电子与金属正离子之间构，形成电子云。金属中自由电子与金属正离子之间构成的键合称为金属键。成的键合称为金属键。l金属键特点金属键特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构（面心，体心，密排六方）形成低能量密堆结构（面心，体心，密排六方）l金属的性质：良好导电、导热性能，延展性好金属的性质：良好导电、导热性能，延展性好 1.1.2.2 离子键离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合 特点特点：1)以离子为结合单位以离子为结合单位，正负，正负离子相间排列，无方向性和离子相间排列，无

16、方向性和饱和性。饱和性。2) 结合力较强结合力较强，较高的熔，较高的熔点和硬度，固态时为良好的点和硬度，固态时为良好的电绝缘体。电绝缘体。实质：金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带实质：金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起。正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起。 由由NaClNaCl离子键（如下图）的形成可以得出：离子键（如下图）的形成可以得出： 1. 1.金属原子放弃一个外层电子，非

17、金属原子得到此电子金属原子放弃一个外层电子，非金属原子得到此电子使外层填满，结果双双变得使外层填满，结果双双变得稳定稳定。 2. 2.金属离子带正电荷，非金属离子带负电荷；金属离子带正电荷，非金属离子带负电荷； 3. 3. 离子键的大小在离子周围各个方向上都是相同的，没离子键的大小在离子周围各个方向上都是相同的，没有方向性。有方向性。1.2.3 1.2.3 共价键共价键左图：形成共价键的左图：形成共价键的SiOSiO2 2, , 蓝色蓝色是是SiSi的价电子，红色是的价电子，红色是O O的价电的价电子子极性键极性键: :共用电子对偏于某成键原子共用电子对偏于某成键原子非极性键非极性键: : 位

18、于两成键原子中间位于两成键原子中间共价键共价键l亚金属（亚金属（C C、SiSi、SnSn、 GeGe），聚合物和无机非金属材料），聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性接近的原子间通过共用电子对而成实质：由二个或多个电负性接近的原子间通过共用电子对而成例如：形成共价键的例如：形成共价键的SiOSiO2 21. 1.方向性方向性：亚层：亚层p p，d d等的电子云有一定的方向性，形成共价键时，为使电子等的电子云有一定的方向性，形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠，共价键有方向性云达到最大限度的重叠，共价键有方向性2. 2. 饱和性饱和性：当一个电子和另外一个电子配对后，不再和第

19、三个电子配对，成：当一个电子和另外一个电子配对后，不再和第三个电子配对，成键的共用电子对数目一定。键的共用电子对数目一定。3. 3. 配位数小配位数小：共价键晶体中各个键之间都有确定的方位：共价键晶体中各个键之间都有确定的方位4. 4.共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有稳定的结构，高熔点，质硬脆共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有稳定的结构，高熔点，质硬脆5. 5.导电性差导电性差：“共用电子对共用电子对”不能自由运动，故为绝缘体，导电性差不能自由运动，故为绝缘体，导电性差 共价键特点和性质共价键特点和性质l静电力静电力是由极性原子或分子的是由极性原子或分子的永久偶极之间永久偶极之间的静电相

20、互作用所引起的，的静电相互作用所引起的，大小与绝对温度和距离的大小与绝对温度和距离的7 7次方成反比；次方成反比；l诱导力诱导力是当极性分是当极性分( (原原) )子和非极性分子和非极性分( (原原) )子相互作用时，非极性分子中子相互作用时，非极性分子中产生产生诱导偶极诱导偶极与极性分子的与极性分子的永久偶极间永久偶极间的相互作用力，大小与温度无的相互作用力，大小与温度无关，但与距离的关，但与距离的7 7次方成反比；次方成反比；l色散力色散力是由于某些电子运动导致原子是由于某些电子运动导致原子瞬时偶极瞬时偶极间的相互作用力，其大间的相互作用力，其大小与温度无关，但与距离的小与温度无关，但与距

21、离的7 7次方成反比。次方成反比。1.2.4 范德华力范德华力定义：定义：原先相互独立的原子或分子由于近邻原子的相互作用原先相互独立的原子或分子由于近邻原子的相互作用引起电荷位引起电荷位移而形成偶极子移而形成偶极子，由于，由于偶极子感应作用偶极子感应作用形成的键合，形成的键合，包括静电力、诱导力包括静电力、诱导力和色散力。和色散力。+-+-原子或分子偶极子原子或分子偶极子属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 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 极性分子键，存在于极性分子键，存在于HFHF、HH2 2O O、NHNH3 3中，氢原子中唯一的电中，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有子被其它原子所共有( (共价键结合共价键结合) )，裸露原子核将与近邻分子，裸露