材料科学基础—原子的结构和键合性质

1、材料科学基础原子的结构和键合性质稳定的电子结构：最外壳层中同一亚层各轨道上，全充满最稳定、半充满、全空的状态较稳定原子结构与键合 原子结构全充满半充满全空电离能 电负性 原子得到电子的能力(夺取其电子需要较大能量） 非金属元素电离能和电负性比金属元素大 价电子原子结构与键合 原子结构元素周期表金属铬的价电子数：+1+2+3+4+5+6各元素原子半径各异 原子结构与键合 原子结构原子间的键合原子结合的方式：金属键离子键共价键范德瓦耳力氢键原子结构与键合 原子结构金属键自由电子 电子气（电子海） 结合力： 正离子与电子气之间的静电力（库仑力）原子间的键合金属键特点：电子共有化无饱和性：一个离子对周

2、围电子海内所有电子都有引力无方向性： 离子与电子之间作用力方向不限定 密堆结构 单种离子尽量彼此紧密靠近 原子间的键合金属键材料性质：良好导电良好导热性延展性好容易与其它元素起反应金属光泽原子间的键合延展性好 1.2.2 离子键 两种不同原子接近时，其一原子外层电子转移到另一原子外层轨道内，产生一个异号离子对，正负离子因库仑力相互吸引，结合在一起。原子间的键合有电子转移的键合:化学键离子键特点：电负性相差较大的原子结合，一般为金属与非金属（材料必然由两种以上元素组成）正负离子相间排列离子尺寸差异是具体排列方式重要因素（几何因素）离子键无方向性和饱和性（只考虑库仑力因素） +原子间的键合离子键材

3、料性质：熔点高正负离子静电力强，结合牢固硬度高 同上原因固态绝缘性好 （熔融及在溶液中离子可参与导电）脆性大原子间的键合+F原子间的键合离子键物体的脆性共价键电负性相差不大的原子通过共用电子对的方式产生结合力共价键一对电子的电子云局部重合高分子材料以共价键为主无机非金属材料中有相当大比例原子间的键合共价键特点方向性 与电子云的方向性特点对应饱和性HCO极性CH4 甲烷HCH 键角10928 H20 水HOH 键角104.5 表示共价键的键线原子间的键合共价键材料性质结构稳定（不溶解）熔点高硬度高脆性大不导电C 金刚石（ 钻石）熔点3550 硬度是金属的数千倍原子间的键合范德瓦耳力 具有偶极子的

4、原子和分子间的库仑力 偶极子：电荷相等的一对带电体，如果各 自电荷中心不重合，称为偶极子。原子间的键合原子及分子产生偶极子的方式及其范德瓦耳力：静电力 诱导力色散力范德瓦耳力静电力 极性分子之间的引力原子间的键合范德瓦耳力诱导力原子间的键合范德瓦耳力色散力（伦敦力）原子间的键合范德瓦耳力范德瓦耳力特点物理键：无电子转移次价键：结合力很小,大约为主价键力的1%10%主价键：金属键、离子键、共价键范德瓦耳力无方向性、无饱和性分子之间结合成的物质中普遍存在，也称为分子力 原子间的键合范德瓦耳力氢键 表达式： XH Y 式中X和Y代表F，O，N等电负性大非金属原子 为共价键， 氢键。原子间的键合氢键性

5、质饱和性：氢原子尺寸小，而其它原子比较大，一旦氢与一原子形成的氢键，由于负离子之间的相互排斥，另一个电负性大的原子就难于再接近氢原子。这就是氢键的饱和性。原子间的键合氢键氢键性质方向性：先形成的共价键电偶极XH与原子Y发生氢键结合时只有当XH-Y在同一条直线上时结合力最强。 原子间的键合氢键氢键性质属于物理键氢键结合力比范德瓦耳力大，但小于化学键，属于次价键具有无饱和性和方向性原子间的键合氢键氢键在高分子材料中较为重要氢键原子间的键合氢桥1.3 高分子链1.3.1 高分子的近程结构1 链结构单元的化学组成乙烯（小分子）分子式： C2H4结构式: CH2=CH2聚乙烯（PE）分子 （高分子）原子

6、间的键合原子间的键合高分子链单体单元(结构单元、重复单元、链节)书写法：链节数n又称聚合度聚乙烯高分子链单体：乙烯原子间的键合高分子链原子间的键合高分子链聚合物、高聚物、高分子化合物、高分子材料 许多高分子依靠分子力结合成为高分子材料：聚乙烯高分子粒子碳链高分子杂链分子 主链不仅含碳，还含氧、氮、硫等原子均聚物由同一种单体聚合而成共聚物由两种以上的单体聚合而成侧基原子间的键合高分子链主链1.3.1 高分子的近程结构 1 链结构单元的化学组成 1 原子结构与键合单体单元(结构单元、重复单元、链节)2 分子链几何形态（1）线型（2）支化（3）交联（4）体型（三维网状分子结构）高分子近程结构3 结构

7、单元的键接方式 a 均聚物结构单元的链接 顺序异构 单体具有不对称取代基产生的三种结构变化：单体单元取代基R高分子近程结构键接异构异戊二烯的聚合高分子近程结构单体具有多处双键，产生键接异构b 共聚物的序列结构2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.（a） 交替（b） 无规（c） 嵌段（d） 接枝高分子近程结构4高分子链的构型a 旋光异构（立体异构）旋光异构体 单体单元上侧基和取代基位置造成异构体互为镜影对称，称为旋光异构体。 两种镜向乳酸分子不能叠加重合旋光异构体 高分子近程结构高分子链的全同立构一种旋光异构体单元键接而成高分子链的间同立构两种旋光异构体单元交替键接而成高分子链的无规立构两种旋光异构体单元无规键接高分子近程结构b 几何异构单键电子云轴对称（键）， 原子可绕键旋转。双键电子云非轴对称（键）， 原子不能绕键选择。键键高分子近程结构顺式异戊二烯 双键不能旋转，从而就可能有：顺式、反式