通识大化-第二篇材料篇-201402

第二篇

材料篇本篇章节第四章

千姿百态的金属及其合金材料第五章古老而又充满生机的无机非金属材料第六章

生活在聚合物的世界里知识点导读原子结构：原子的组成、核外电子的运动方式、微观粒子的波粒二象性、核外电子的运动方式及波函数、描述核外电子运动的四个量子数核外电子排布和周期律、原子参数的周期性变化规律金属的通性、合金的性质金属键理论和金属性质的关系、金属键的能带理论知识点导读离子键、离子晶体的特点、简单离子晶体中离子的排布方式与离子半径的关系共价键、杂化轨道理论、杂化轨道的组成与分子空间结构的关系非金属的性质和非金属材料分子间作用力聚合反应聚合物的性质与功能Dalton,

John(1766-1844)原子理论AtomicTheory

(1803)不同元素代表不同原子分子是由原子在空间按一定方式或结构结合而成分子的结构直接决定其性能，分子进一步聚集成物体2.1原子结构1.原子的组成——原子理论1.原子的组成——天然放射性的发现HenryBecquerel，1852—19081.原子的组成——电子的发现阴极射线管汤姆生，电子带负电，质量为9.109389×10-31kg1906年，诺贝尔物理学奖。Rutherford原子结构模型原子有核即原子核核的体积极小；原子的正电荷和绝大部分质量集中在核上；电子像行星绕着太阳那样绕核运动。Rutherford’sexperimentonαparticlebombardmentofmetalfoil经典物理学概念遇到的难题带电微粒在力场中运动时总要产生电磁辐射并逐渐失去能量运动着的电子轨道会越来越小,最终将与原子核相撞并导致原子毁灭。Anunsatisfactoryatomicmodel经典物理学概念遇到的难题2.核外电子的运动方式——

氢原子光谱不连续光谱—原子发射光谱1913年，玻尔提出了原子结构理论的三点假设：电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定条件的轨道上运动，轨道的角动量等于h/2π的整数倍。电子在离核越远的轨道上运动，其能量越大。处于激发态的电子不稳定，可以跃迁到离核较近的轨道上，在跃迁的同时会以光子形式释放出光能。2.核外电子的运动方式——

玻尔(Bohr)理论2.核外电子的运动方式——玻尔(Bohr)理论NielsBohr1885-1962Copenhagen,DenmarkLaureate

oftheNobelPrizeinPhysics1922

玻尔原子理论的成功之处提出了量子的概念成功地解释了氢原子光谱的实验结果用于计算氢原子的电离能玻尔原子理论的局限性无法解释氢原子光谱的精细结构不能解释多电子原子、分子或固体的光谱3.微观粒子的波粒二象性光的波粒二象性普朗克的量子理论爱因斯坦的光子学说粒子性---光电效应波动性---干涉、衍射h:普朗克常数6.62×10-34J·sE,P－表征粒子性ν,λ－表征波动性由h定量相联系微观粒子的波粒二象性LouisdeBroglie

(1892-1983Paris,France)LaureateoftheNobelPrizeinPhysics1929电子通过Al箔和石墨的衍射图(a)(b)（1）薛定谔方程――微粒的波动方程4.核外电子的运动方式及波函数Ψ：波函数 x,y,z

：空间坐标E：体系的总能量 V：势能(2)波函数和原子轨道薛定谔方程的解：(x,y,z)

的具体函数形式。包含n,l,m

三个常数项的三变量函数：n,l,m三个量子数是薛定谔方程有合理解的必要条件。波函数和原子轨道波函数Ψ是量子力学中描述核外电子运动状态的数学函数式。波函数Ψ描述了核外电子可能出现的一个空间区域（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确定的几何轨迹。Ψ没有明确的物理意义，但||2

表示空间某处单位体积内电子出现的概率（概率密度）。概率密度和电子云(3)波函数的空间图像H原子的1s电子云因为像爱情一样

测不准

所以你的身影

总是一片飘忽的云(4)四个量子数主量子数(n):描述原子中电子出现概率最大区域离核的远近，或者说它决定电子层数取值:1,2,3,…n等正整数.电子层数n1234567光谱学符号KLMNOPQ

它表示原子轨道角动量的大小,原子轨道或电子云的形状,即电子亚层。

取值:0，1，2，3,…,（n－1）(共n个取值)l0123光谱学符号spdf电子云球形哑铃形花瓣形角量子数lTheallowedvaluesforangularmomentumquantumnumber,lnl1234(subshellsymbol0000s111p22d3f)s

轨道球形p

轨道哑铃形d轨道有两种形状角量子数l◆与角动量的取向有关，取向是量子化的◆m可取0，±1,±2……±l◆值决定了ψ角度函数的空间取向◆m值相同的轨道互为等价轨道Theallowedvaluesformagneticquantumnumber,mlmnumberoforbital0(s)1(p)2(d)3(f)0

＋10－1

＋2＋10－1－2

＋3＋2＋10－1－2－31357磁量子数m

p

轨道(l=1,m=+1,0,－1)

m三种取值,三种取向,三条等价(简并)p

轨道.s

轨道(l=0,m=0):m

一种取值,空间一种取向,一条s

轨道.电子云伸展方向s,pd轨道(l=2,m=+2,+1,0,－1,－2):m五种取值,空间五种取向,五条等价(简并)d

轨道.电子云伸展方向d◆描述电子绕自轴旋转的状态◆自旋运动使电子具有类似于微磁体的行为◆

ms取值+1/2和－1/2，分别用↑和↓表示MagneticfieldscreenSmallclearancespaceSilveratomicraykiln自旋量子数ms原子中每个电子的出现概率大的区域可用n,l,m,ms

四个量子数来描述。同时，将一套量子数代入得到的ψ即表示该电子的运动状态等几率密度面及1s界面图1s等几率密度面1s界面图2p电子云的三种表示法如何看见原子？

扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscope,STM)FeatomsonCusurface.Ce&IonCuTheNobelPrizeinPhysics1986HeinrichRohrerandGerdBinnig北京大学纳米中心的学者通过AFM针尖对基质Au-Pa合金上的机械刻蚀，书写了世界上最小的唐诗（10微米×10微米）STM进行纳米刻蚀500nm250

0STM在Ti薄膜上进行纳米刻蚀Pauling近似能级图5.核外电子的排布（1）多电子原子的能级近似能级图是按原子轨道的能量高低排列的。每个小圆圈代表一个原子轨道。能量相同的轨道称简并轨道。l相同，E1s＜E2s＜E3s＜E4s，E2p＜E3p＜E4pn相同，Ens＜Enp＜End＜Enfn,l都不同，E4s＜E3d＜E4p——能级交错（1）多电子原子的能级能级交错的原因屏蔽效应

a.内层电子对外层电子的作用；

b.有效核电荷Z*；

c.屏蔽系数；

各电子层电子屏蔽作用的大小顺序为：

K>L>M>N>O>P……

各电子层能级相对高低的顺序为：

K<L<M<N<O<P……（1）多电子原子的能级钻穿效应外层电子钻到内部空间而靠近原子核的现象，通常称为钻穿作用。由于电子的钻穿作用的不同而使它的能量发生变化的现象称为钻穿效应。E4s<E3d能级交错（2）核外电子排布三原则能量最低原理；泡利不相容原理：同一个原子中没有四个量子数完全相同的电子；各原子轨道容纳电子的数目：洪德规则：

C6electrons核外电子排布

----洪德规则C1s22s22p2N7electronsN1s22s22p3O8electronsO1s22s22p4F9electronsF1s22s22p5Ne10electronsNe1s22s22p6电子填入轨道次序图例：K的原子序数为19不是而是核外电子排布洪德规则的特例：

等价轨道全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。

全充满：p6,d10,f14

半充满：p3,d5,f7

全空：p0,d0,f0电子结构式

[原子实]价电子：K——[Ar]4s1Cr——[Ar]3d54s16.核外电子排布核周期律每周期元素的数目◆共七个周期,对应于顺序图中的七个能级组◆序号还表达了该周期中原子开始建立的电子层。例如,第4周期开始建立n

=4的电子层，即开始建立N层电子。元素周期表dsblock每周期元素的数目等于相应能级组内轨道所能容纳的最多电子数。元素在周期表中所处的族序数：

主族、第I副族、第II副族：最外层电子数除第一周期外，各周期均以填充s

轨道的元素开始，并以填充p

轨道的元素告终。元素在周期表中的位置元素在周期表中的分区ns1~2ns2np1~6ns1~2(n-1)d1~9(n-2)f1~14(n-1)d0~1ns2ns1~2(n-1)d107.原子参数的周期性变化规律（1）有效核电荷数内层电子对外层电子的屏蔽作用有效核电荷数Z*：屏蔽系数

各电子层电子屏蔽作用的大小顺序为：

K>L>M>N>O>P……

各电子层能级相对高低的顺序为：

K<L<M<N<O<P……7.原子参数的周期性变化规律（2）原子半径第一电离能的周期性变化（3）电离能元素性质的周期性（4）电负性电负性：分子中原子吸引电子的能力

1932年，鲍林首先提出指定氟的电负性为4.0，电负性是一相对数值电负性越大，原子在分子中吸电子的能力越强一般情况下，金属元素的电负性小于2.0，非金属元素的电负性大于2.0元素电负性周期性变化元素的非金属性(1)金属在自然界中的存在形式天然金属矿：金、银、铂等。氧化物矿：铝土矿（Al2O3·nH2O）硫化物矿：辉铜矿（Cu2S）碳酸盐矿：方解石（CaCO3）氯化物矿：光卤石（KCl·MgCl2·6H2O）硫酸盐矿：石膏（CaSO4）硅酸盐矿：钾长石[K(AlSi3O8)]地球上金属资源极其丰富，矿石有七类：8.金属通性和通论(2)金属的分类有色金属重金属，密度大于5×103kg/cm3轻金属，密度小于5×103kg/cm3贵金属稀有金属S区金属碱金属

－密度、硬度小

－熔点、沸点低

－典型的轻金属碱土金属

－密度、硬度大

－金属键较强P区金属Ga、In、Tl、Ge 半导体材料Al、Pb、Bi 两性元素Sn、Pb、Bi 低熔合金过渡金属具有(n-1)d1-10ns1-2的价电子层构型熔点最高的金属：钨；熔点最低的金属：汞导电率：银＞铜＞金稀土金属银白色金属光泽，熔点高与氧在室温下就能生成稳定的氧化物着火温度低，一般为423K～453K易溶于稀酸导电性好，强顺磁性（3）合金机械混合物：熔融时互熔，凝固后分别结晶固溶体：以一种金属为溶剂，另一种金属或非金属为溶质金属化合物：CuZn、Cu5Zn2、CuZn3合金的三种基本类型：合金：由一种金属与一种或几种其它金属、非金属熔合在一起的具有金属特征的物质。纯金属与固溶体金属晶格中原子

分布示意图取代固溶体：Cu-Ag，Cu-Zn，Fe-Co间充固溶体：B、C、N、H等溶入过渡金属时9.金属晶体金属键由多个原子共有一些流动的自由电子所组成，金属沉浸在电子的海洋中.金属的性质密度大金属光泽导热可加工性导电性

2.2离子键1.离子键的形成离子键：由正负离子间静电引力形成的化学键离子化合物：由离子键形成的化合物电负性小的活泼金属原子——电负性大的活泼非金属原子——达到稀有气体原子稳定结构；两个电负性相差较大的原子之间——容易发生电子转移——形成正、负离子。1916年，柯塞尔(Kossel)提出了离子键理论离子键理论认为：从能量的角度来看：离子键的本质是静电作用力；离子键没有方向性；离子键没有饱和性；2.离子键的特点3.离子键的离子性与元素的电负性的关系电负性：用于衡量分子中原子吸电子的能力一般元素之间电负性差值越大，它们之间形成的离子键的离子性也越大。生成离子键的条件:

原子间电负性相差较大，一般要大于1.7左右。Electronegativity4.离子的特征（1）离子的电荷离子的电荷是形成离子键时原子的得失电子数正离子：+1、+2；+3、+4Fe3+:3d64s2

3d5

Mn2+:3d54s2

3d5

负离子：-1、-2；-3、-44.离子的特征（II）（2）离子的电子层构型2电子构型：Li+、Be2+8电子构型：Na+、Cl-、O2-18电子构型：Zn2+、Hg2+、Cu+、Ag+(18+2)电子构型：Pb2+、Sn2+8-17电子构型：Fe2+、Cr3+、Mn2+（3）离子的半径

平衡距离（核间距）

4.离子的特征（III）离子的大小负离子的半径较大，约为130-250pm正离子的半径较小，约为10-170pm5.离子晶体的类型AB型离子化合物的三种晶胞示意图r+/r－与配位数

NaCl，配位数6ABCD+++ADCB+ABCDABCD

当r+

继续增加，达到并超过时，即阳离子周围可容纳更多阴离子时，8配位。可以求得

总之，配位数与r+/r－之比相关：

0.225——0.414 4配位ZnS式晶体结构

0.414——0.732 6配位 NaCl式晶体结构

0.732——1.000 8配位 CsCl式晶体结构

若r+变小，当

，

则出现阴离子相切，阴离子阳离子相离的不稳定状态。配位数将变成4。+++++物质NaClKClCaOMgO熔点/K1074104128453073沸点/K1686169031233873一些离子化合物的熔点和沸点离子的电荷越高、半径越小，静电作用力就越强，熔点和沸点就越高。离子晶体的性质

离子晶体的性质高的熔点、沸点和硬度熔融和水溶液导电比较脆，延展性较差1916年，G.N.Lewis提出了共价键理论2.3共价键共价键：原子间靠共用电子对结合起来的化学键共价化合物：由共价键形成的化合物1927年，Heitler和London应用量子力学求解氢分子的薛定谔方程。近代共价键理论：

价键理论（VB法）

杂化轨道理论 价层电子对互斥理论 分子轨道理论（MO法）1.共价键是如何形成的——氢分子的形成2.共价键的成键要素价键理论要点(1)自旋状态相反的未成对电子可相互配对成键如:H－HCl－ClH－ClN≡N“－”表示共用的电子对。(2)原子轨道的最大重叠原理(3)共价键的特征方向性和饱和性

(4)共价键的类型σ键头对头Π键肩并肩共价单键:一般为σ键，H－Cl

共价双键和叁键中：一个σ键外，其余的为π键。π键的活性高。

N≡N,HC≡CH共价键的特征——极性从共用电子对的角度：

普通的共价单键：两个原子各自贡献一个自旋方向相反的电子，通过轨道的重叠形成共价键配位键：共用电子对由成键原子的一个原子供给3.分子的空间构型杂化轨道理论杂化轨道——若干不同类型、能量相近的原子轨道混合起来，重新组成一组新的轨道。"forhisresearchintothenatureofthechemicalbondanditsapplicationtotheelucidationofthestructureofcomplexsubstances"LinusCarlPaulingTheNobelPrizeinChemistry1954.Wonthepeaceprizein1962.杂化轨道的类型（I）sp杂化，180°，直线型sp杂化轨道:BeCl2分子结构sp2

杂化，120°，平面三角形杂化轨道的类型（II）sp2杂化轨道:sp3杂化，109°28’，为四面体型CH4

分子的形成过程杂化轨道的类型（III）sp3杂化轨道:等性杂化与不等性杂化等性杂化：每个杂化轨道中所含成分都相同，杂化后整个体系能量最低。不等性杂化：由于孤电子对参加了杂化，得到性质不完全等同的杂化轨道。H2OO:NH3N:CH4,NH3,H2O杂化轨道理论要点原子在成键时状态变化——价电子激发——成键原子轨道“混杂”——重新组合成——形成杂化轨道。杂化条件——轨道能级相近。杂化前原子轨道数＝组合后杂化轨道数。杂化轨道成键能力>原未杂化轨道的成键能力形成的化学键键能大，生成的分子更稳定。5)中心原子杂化——杂化轨道形成σ键NumberofeffectivepairsArrangementofpairsHybridizationrequiredLinearsp2Trigonalplanarsp23Tetrahedralsp34Summaryof

hybridorbitaltheory小结乙烯CH2=CH2sp2

杂化，呈平面三角形乙烯:sp2

杂化,平面三角形乙炔CH≡CH

:sp杂化,直线型多重键键参数键能——共价键强弱的标志，在298.15k和100kPa下，1mol理想气体分子拆成气态原子所吸收的能量称为键的离解能，以符号D表示。键长——分子中两个相邻的原子核之间的平均距离，也称核间距。键角——键与键之间的夹角。键的极性——从正电荷指向负电荷。古老又年轻的碳材料

石墨金刚石金刚石：四面体---sp3石墨：平面六边形---sp2原子晶体

质点与质点的作用力是共价键力晶格结点上的质点是原子性质：有非常高的熔点和硬度。2.6

生活在聚合物的世界里——通用塑料“2号”HDPE：清洁用品、沐浴产品“4号”LDPE：保鲜膜、塑料膜等

“3号”PVC：目前很少用于食品包装

“5号”PP：微波炉餐盒

“6号”PS：碗装泡面盒、快餐盒

“1号”PET：矿泉水瓶、碳酸饮料瓶等

“7号”PC其它类：水壶、水杯、奶瓶

PVC1.高分子化学基础1920年，赫尔曼·施陶丁格（HermannStaudinger，1881-1965）把“高分子”概念引进科学领域，并确立了高分子溶液的粘度与分子量之间的关系,获1953年诺贝尔化学奖。高分子，又称聚合物、高聚物，其分子量比一般有机化合物要大得多，是由一千个以上原子通过共价键结合形成的，分子量高达1～100万。天然高分子的直接利用天然高分子的化学改性天然橡胶的硫化,硝化纤维的合成等淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等缩聚反应，自由基、配位、离子聚合等高分子合成高分子时代高分子材料的发展历程1907年，第一个合成高分子材料：酚醛塑料126HistoryofPolymerScienceStoneageBronzeageIronageSteelagePolymerageB.C.8000~B.C.4000B.C.4000~B.C.1000B.C.1000~A.D.1800A.D.1800~A.D.1900A.D.1900~Now127高分子科学的重要性“衣、食、住、行”——衣128高分子科学的重要性“衣、食、住、行”——食129高分子科学的重要性“衣、食、住、行”——住130高分子科学的重要性“衣、食、住、行”——行HyundaiQarmaQLexan®（PC）

XenoyiQ®（PBT）

Noryl®（PPO）BayerAll-plastic-carMakrolon（PC）Desmopan（TPU）梦幻飞机-波音787B787复合材料应用情况“现代大型客机复合材料用量已经成为其先进性和市场竟争力的标志！”133HistoryofPolymerScience前期：天然高分子阶段早在人类社会发展的最初阶段，人类已经开始利用各种天然高分子。

来源于植物：淀粉、纤维素（谷物、草木、果壳、胶漆）

来源于动物：蛋白质、壳聚糖（皮毛、角质、丝、虫壳）134HistoryofPolymerScience第一阶段：第一世界大战爆发前，人工合成聚合物的出现C.Shönbein1846：第一种人造纤维-硝化纤维素J.W.Hyatt1868：第一种热塑性塑料-赛璐珞1830：第一种硫化橡胶C.Goodyear1907：第一种热固性塑料-BakeliteL.Baekeland制约因素:高分子制品废弃后对环境的污染解决途径:（1）延长使用寿命：减少废弃（2）回收利用：低性能应用；降解（3）自然降解：自然分解回归自然“在人类历史上,几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对人类社会做出如此巨大的贡献。”—O.Vogl.,D.G.Joycox,TrendsinPolymerScience高分子材料应用的利与弊天然高分子——纤维素β–glucose天然高分子——蛋白质高分子也叫聚合物分子或大分子，具有高的相对分子量，其结构必须是由多个重复单元所组成，并且这些重复单元实际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。Polymermolecule,Macromolecule

聚氯乙烯（1）高分子的组成高分子小分子聚合反应Polymerization单体能够进行聚合反应，并构成高分子基本结构组成单元的小分子。高分子化合物PolymericSubstanceMonomer或称聚合物，是由许多单个高分子（聚合物分子）组成的物质。生成高分子的过程链原子构成高分子主链骨架的单个原子。聚丙烯聚乙二醇高分子的分子结构重复组成高分子分子结构的最小的结构单元。链节（重复结构单元）每个聚合物分子所含单体单元的数目。聚合度聚合物分子结构中由单个单体分子生成的最大的结构单元。单体单元

聚合物单体单体单元聚合度2n聚对苯二甲酸乙二酯，涤纶，PETn高分子的聚合度聚苯乙烯苯乙烯n性质和用途塑料纤维橡胶涂料胶粘剂功能高分子以聚合物为基础，加入（或不加）各种助剂和填料，经加工形成的塑性材料或刚性材料。具有可逆形变的高弹性材料。纤细而柔软的丝状物，长度至少为直径的100倍。高分子的分类143根据高分子的使用用途划分：塑料（Plastics）橡胶（Rubbers）纤维（Fiber）涂料（Coating）

粘合剂（Adhesive）功能高分子（Functionalpolymer）Classification

ofPolymers聚合物是由一系列分子量（或聚合度）不等的同系物高分子组成，这些同系物高分子之间的分子量差为重复结构单元分子量的倍数，这种同种聚合物分子长短不一的特征称为聚合物的多分散性。聚合物的分子量或聚合度是统计的，是一个平均值，叫平均分子量或平均聚合度。平均分子量的统计可有多种标准，其中最常见的是重均分子量和数均分子量。I.聚合物的多分散性II.

平均分子量（2）高分子的多分散性与平均分子量数均分子量∑niMi

Mn=∑NiMi==w/n∑ni按分子数统计平均，定义为聚合物中分子量为Mi的分子的数量分数Ni与其分子量Mi乘积的总和,以Mn以表示。重均分子量按质量统计平均，定义为聚合物中分子量为Mi的分子所占的重量分数Wi与其分子量Mi的乘积的总和。以Mw表示。∑wiMi∑niMi

2

Mw=∑WiMi==∑wi∑niMiWi=wi/w，wi=niMi(3)聚合物从哪里来——聚合反应加成聚合反应缩合聚合反应加成聚合反应：由低分子量的化合物通过自相加成而转变为高分子量化合物的反应。LDPE烯烃的加成聚合反应KarlZiegler(Germany)GiulioNatta(Italy)1898-19731903-1979Th