chapter材料科学基础实用

会计学1chapter材料科学基础实用

排列距离作用力固定体积形状

气态无规律远小无无

(gasstate)

液态

局部有序较近中等有无

(liquidstate)

固态

结晶有规律小强有有

(solid

state)

非晶局部有序小强有有2-1-1物质的形态

(StatesofMatter)

三种主要状态：2-1物质的形态及材料结构

(StatesofMatterandStructureofMaterials)

固体、液体都属于凝聚态物质第1页/共50页

材料结构：是影响材料性能的基本因素，随化学组成及外界条件改变宏观组织结构：＞10-4m肉眼可见‘‘Macroscopic’’图显微组织结构：10-4~10-8m显微镜观察‘‘Microscopic’’图原子或分子排列结构：10-10mOrganizationofatomsormolecules

原子中的电子结构：10-13mSubatomicstructure2-1-2材料结构的涵义

(Meaningof

MaterialStructure)

下一页第2页/共50页浇铸宏观组织结构返回第3页/共50页显微组织晶界返回返回目录图中每一多边形是一颗晶粒，晶粒之间的交界面称为晶界。由两颗以上晶粒所组成的材料称为多晶体材料。第4页/共50页2-2

原子结构

(AtomicStructure)

Whatareatomicstructuresandmodels,quantumnumbers,electronconfigurationsinatoms?第5页/共50页1.原子核由质子+中子组成质子质子数（Z）=原子序数=电子数正电荷中子中子数（N）中子质量=质子质量无电荷原子质量（A）质子质量+中子质量同位素：Z相同，N不同的原子原子量：某种元素中各同位素的原子质量平均值2-2原子结构

(AtomicStructure)

2-2-1原子

(Atom)原子核+核外电子电中性2.电子质量约1/184质子或中子负电荷绕核运动；速度1/10~1/100光速；波-粒二相性

轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层第6页/共50页玻尔原子结构模型－对经典模型的两点修正:（1）能级的分立性(E1-E2=hγ)（2）角动量的分立性(L=k(h/2π))k为整数

电子的波粒二相性

几率分布或电子云Figure2.1Figure2.3但不能解释电子衍射现象联系二象性的基本方程：

λ＝h/p=h/mv第7页/共50页量子力学的几个基本概念：（1）微观粒子的波粒两象性每个光子的能量：E＝hγ每个光子的动量：p＝hγ/c＝h/λ按照波动力学观点，电子和一切微观粒子都具有二象性，既具有粒子性，又具有波性。（2）海森堡测不准原理同时确定位置和动量，原则上是不可能的，若将其中一个量测量到任何的准确程度，则对另一个量的测量准确度就会相应降低：

Δx×Δp≈h/2π该原子表明了量子力学的一个基本特点：我们不能决定某一物理量的确切数值，而只能从宏观大量的测量中得到它的几率分布；如果要使这个几率范围达到极窄，则只有牺牲该体系中要测量的其他物理量精度才能达到。这与经典力学有着本质上的区别。（3）薛定谔方程人们往往用连续分布的“电子云”代替轨道来表示单个电子出现在各处的几率，电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大的地方。粒子在空间各点出现的几率只取决于波函数在空间各点强度的比例，而不取决于强度的绝对大小。爱因斯坦关系式第8页/共50页1.电子的统计性形态法描述

四个量子数

(QuantumNumbers)：

2-2-2原子中电子的空间位置和能量

(ElectronsinAtoms)

n,第一量子数（主～）：决定体系的能量

n=1，2，3….（整数），n=1时为最低能级

K，L，M….

l,第二量子数（角～）：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性

l=0，1，2，3，4（n-1）n=1，l=0spdfg状态n=2，l=0，1(即s,p)

ml,第三量子数（磁～）：决定体系角动量在磁场方向的分量

ml

=0，1，2，3有（2l+1）个

ms，第四量子数（自旋～）：决定电子自旋的方向+1/2或-1/2第9页/共50页3.泡利不相容原理：原子中每个电子必须有独自一组四个量子数，一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；或者说在同一原子中，最多只能有两个电子处于同样能量状态的轨道上，而且这两个电子的自旋方向必定相反。2.能量最低原则：电子总是按能量最低的状态分布。4.洪特规则：简并轨道，分占轨道最多，自旋方向相同。（例如碳原子在2p轨道上有2个电子，但2p轨道有3个）第10页/共50页1.电子壳层数目

n=1，2，3，4，5KLMNO主壳层(shells)

l=0，1，2，3，4由内向外

spdfg支壳层(subshells)2.最多电子数目

K~2，L~8，M~18（即2n2

）

s~2，p~6，d~103.最外层（价电子）s—1~2，p—1~6，d—1~10

价电子是与物质的物理、化学性质最密切相关的电子2-2-3原子中电子壳层数目及填充方式(排布）

(ElectronShellsandConfigurationsinAtoms)表第11页/共50页返回Table2.1TheNumberofAvailableElectronStatesinSomeoftheElectronShellsandSubshells主量子数为n的壳层中最多容纳2n2个电子第12页/共50页4.排列次序

1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s

举例

H:(1)1s1Na:(11)1s22s22p63s1

有些过渡元素中4s电子的能量低于（但接近于）3d电子的能量，导致能级出现交叉。如Ti，Mn等。

2-2-4电子壳层的能级

(EnergyLevelsofElectronShells)

愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定；愈远离原子核，电子能级愈高，电子愈不稳定。电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道高能级轨道（吸收能量）高能级轨道低能级轨道（释放能量）第13页/共50页电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需的能量。金属的电离能较小

电子亲合能：原子接受一个额外的电子通常要释放能量，所放能量即电子亲合能。非金属如卤素的亲合能较大2-2-5电离能和亲合能

(IonizationEnergy

andElectronAffinity)电离电势表下一页第14页/共50页元素的第一电离电势（ev/原子）H13.60

HE24.4Li5.39BE9.32B8.30C11.2N14.5O13.61F17.4NE21.56NA5.14MG7.64AL5.98SI8.15P10.3S10.01CL13.0AR15.76K4.34

BR11.8KR14.00Rb4.18

I10.4XE12.13CS3．89

返回目录惰性气体的电离能最高碱金属原子则有最小的电离电势第15页/共50页电离势的数值大小主要取决于原子的有效核电荷、原子半径、以及原子的电子构型。（1）同一周期的元素具有相同的电子层数，从左到右有效核电荷增大，原子的半径减小，原子核对外层电子的引力加大。因此，越靠右的元素，原子越不易失去电子，电离势也就大。（2）不同周期元素的电子层数不同，最外层电子数相同原子半径增大起主要作用，因此，半径越大，原子核对电子引力越小，原子越易失去电子，电离势就越小。（3）电子构型是影响电离势的第三个因素，某些元素具有全充满和半充满的电子构型，稳定性能较高，因此电离势较高。第16页/共50页2-3

原子之间的相互作用和结合

(AtomicInteractionandBonding)

Whataretheinteratomicbonds?Whataretheequilibriumseparation,distanceandthebondingenergybetweenatoms?WhatistheCoordinationNumberofatom?第17页/共50页

自然界一般由原子或分子组成物质或材料（“八电子层”结构）结合方式：基本结合：离子键、金属键、共价键派生结合：分子间作用力、氢键2-3-1基本键合（PrimaryInteratomicBonds)1.离子键合(IonicBonding)：离子键正离子————负离子库仑引力

特点：①电子束缚在离子中；②正负离子吸引，达静电平衡；③无方向性和饱和性；④在溶液中离解成离子。2-3原子之间的相互作用和结合

(AtomicInteractionandBonding)Figure2.9第18页/共50页

特点：①由正离子排列成有序晶格；②各原子最(及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；③原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；④价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。2.金属键合

(MetallicBonding)：Figure2.11第19页/共50页

两个原子共享最外壳电子的键合。

特点：①两原子共享最外壳层电子对；②两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；③有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。3.共价键合

(CovalentBonding):第20页/共50页非极性共价键：共有电子对称分布于两个原子之间，如H2极性共价键：共用电子对不是对称地分布于两个原子之间，而是靠近某原子，如HF配位共价键：是两个共用电子仅由键合原子之一单独提供时发生，如H+与NH3结合成铵离子第21页/共50页4、混和键合

(MixedBonding)

1）电负性

(electronegativity):表示吸引电子的能力同一周期左右电负性增高同一族上下电负性降低

2）电负性对化学键的影响:

同种原子间无影响异种原子相互作用时:

两元素电负性相差较大:非金属——非金属成极性共价键电负性相差很大:金属——非金属成离子键

电负性差值0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.2离子性结合（%）14915223039475563707682868992

电负性差值：可判断无机非金属材料离子性结合键的比例第22页/共50页

离子性％={1-exp[-(0.25)(XA

-XB)2]}×100(2.10)XA

、XB

分别为相应元素的电负性第23页/共50页

作用力也是库仑引力（与离子键相同但弱得多,不存在电子交换）

1.分子间引力（IntermolecularAttraction)：分子（或电中性原子）间的结合力又称范氏（vanderWaals）力。

特点：①无方向性和饱和性②键能最小2-3-2派生键合（SecondaryBonding):SchematicillustrationofvanderWaalsbondingbetweentwodipoles.

A.

取向力:分子永久偶极间相互作用

B.诱导力:被诱导的偶极与永久偶极间作用

C.色散力:非极性分子间瞬时偶极间的作用（最普遍、最主要的一种力）

Figure2.13第24页/共50页质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F）结合，再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。

特点：①有方向性，饱和性；②分子内氢键；分子间氢键；③键能:一般为几~十几kcal/mol

大于分子间力，小于化学键2.

氢键

(Hydrogenbond):Figure2.15返回目录水分子中的氢键结合模型第25页/共50页各种键型的比较键能的定义：在101.3kPa，298K条件下，断开1molAB（理想气体，标准状态）为A、B过程的焓变，称为AB键的键能。一般来说，化学键最强（其中，以金属键能为最小），氢键次之，分子键最弱。具体见课本第33页表2－8所示第26页/共50页

原子间距离很大时,相互作用很小;

距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式增大。2-3-3原子间距和空间排列

(InteratomicSpacingandForces)

1.原子间的距离和作用

(InteratomicSeparationandInteraction)

（1）a，：平衡间距，合力F=0，能量U最低，结合能的负值；（2）a

增大，F为引力，U增大；a

减小，F为斥力，U大大增大。

平衡间距（EquilibriumSpacing）就是斥力和引力相等的距离。第27页/共50页

孤立原子（非键合）的半径——范氏半径结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a，不同，半径不同(a)金属半径：金属键结合的原子距离的一半：a，/2(b)离子半径：a，=r++R-

2.原子半径和离子半径

(AtomicRadiusandIonicRadius)第28页/共50页键长：两个相邻原子之间能量为最小值时的距离（即平衡间距）就是键长。(c)共价半径：成键电子云的最大重叠（非球形，多用键长）单键、双键、三键改变原子中心之间的距离的因素：1）温度：温度升高，平均距离增加2）离子价态：原子间距：Fe>Fe2＋>Fe3＋

Cl->Cl3）相邻原子的数目：相邻原子数越多，来自邻近原子的电子斥力越大，从而原子间距也增大说明材料具有热膨胀性第29页/共50页

离子价影响离子半径

第30页/共50页3.配位数

(CoordinationNumber)-CN：（影响半径）

大部分工程材料具有多个原子组成的配位团配位数是一个原子具有的第一邻近（原子或离子）数目

（Numberofnearest-neighboratoms）

Mg为6Si或C为4第31页/共50页

原子配位数的影响因素：①共价键数，围绕一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目如卤族配位数为1；氧族为2。由于共价键具有饱和性和方向性，因此配位原子的数目及其所形成的共价键之间的夹角，决定了材料中原子的空间排列方式。②原子的有效堆积，这主要出现在离子键合和金属键合的情况下。对于离子键合来说，由于异性离子互相接近会放出能量，所以离子化合物通常具有较高的配位数，但前提是不引起同性电荷的强排斥力。因此，离子化合物具有较高配位数（最常见为6）。第32页/共50页只要不引起相同电荷离子间的强相互排斥力，即要求近邻异号离子尽可能地多，离子化合物通常通常具有高的配位数。配位数与最小半径比配位数半径比r/R3重≥0.1554重≥0.2256重≥0.4148重≥0.73212重≥1.0R－配位负离子；r－中心正离子第33页/共50页1键长(bonddistance):两相邻原子间达运动平衡时能量最小的距离金属键和离子键：无方向性，无键长，三维空间（集体效应）：体积和电荷共价键：有方向性(和饱和性)，键长为相连原子间的距离，共价半径之和同一周期电荷大键长小（因为核的引力增大）同—族由上到下键长增大

2键能(bondenergy):1mol物质结合键分裂放出的能量,

表示结合的强弱。化学键>物理键（分子键）化学键中:共价键≈离子键>金属键共价键中:叁键>双键>单键氢键>范氏键

2-3-4各种键性比较

（ComparisonamongVariousBonds)键性表第34页/共50页2-4多原子体系电子的相互作用与稳定性

（ElectronInteractionandStabilityofPolyatomicSystem)WhatistheHybridOrbitalofatoms?WhatistheMolecularOrbitalincompounds?WhatistheFermiEnergyLevelinmetals?WhatistheEnergyBandStructuresinsolids?第35页/共50页

杂化轨道：原子不同轨道线性组合后的新原子轨道能量相近、轨道类型不同的原子轨道重新组合成新的杂化轨道

杂化后：轨道数目不变；但空间分布、能级状态改变杂化轨道比原来未杂化轨道的成键能力更强，形成的化学键键能更大，生成的分子更稳定。杂化轨道与配位原子空间排列的方式2-4多原子体系电子的相互作用与稳定性

（ElectronInteractionandStabilityofPolyatomicSystem)

2-4-1杂化轨道和分子轨道(HybridOrbitalandMolecularOrbital)

1．杂化轨道理论第36页/共50页

中心原子的杂化轨道

配位原子的空间排列

实例spx

spxpy

sp3

直线形

直线形

平面三角形

四面体形

三方双锥形

四方锥形

八面体形五方双锥形CO2,

XeF2

BF3,SO3,

SiH4,

PF5,SOF4

Sb(C6H5)5SF6,IF7第37页/共50页

组合成分子轨道的条件（1）对称性匹配（前提条件）：（2）轨道最大重叠；（3）能量相近；符号相同，为成键轨道符号相反，为反键轨道

2．分子轨道理论

不同原子轨道的线性组合

第38页/共50页σ轨道：通过键轴，无节面，以键轴为对称轴的对称轨道如：s-s,s-p，p-p

三种分子轨道：

（1）σ轨道和σ键

第39页/共50页σ键：由成键σ电子构成的共价键（头对头）单电子σ键：成键轨道1个电子，能量降低β=｜Eφ－Eφ1｜正常σ键：成键轨道2个电子，能量降低2β

三电子σ键：成键轨道2个电子，反键轨道1个电子，能量降低β第40页/共50页π轨道：通过键轴，有一个（ψ=0）节面如：py-py

，pz-pzπ键：由成键π电子构成的共价键（肩并肩）

（2）π轨道和π键

第41页/共50页δ轨道：通过键轴，有两个（ψ=0）的节面δ轨道不能由s或p原子轨道组成，但若键轴方向为z方向，则由两个dxy或d(x2-y2)轨道重叠而成的轨道是δ轨道。在某些过渡金属化合物中有这种分子轨道。

δ键：由成键δ电子构成的共价键分子轨道电子排布

与原子轨道填充三原则相同（即能量最低原则、鲍林不相容原理、洪特规则）

（3）δ轨道和δ键

第42页/共50页同核双原子分子的能级和电子排布借助光谱实验来确定的分子轨道的能量高低顺序。第43页/共50页

定义：T=0K（基态groundstate）时，最高的被电子充满能级能量为EF，以下能级全满，以上能级全空。2-4-2费米能级

(FermienergyLevel)---对于金属而言

费米分布(Fermidistribution)

：

T＞0K时，某些电子受到激发，移到费米能级以上的能级，达到平衡的分布分布函数：某能级E被电子占据的几率只是温度的函数第44页/共50页1）

T=0，E＜EF：f（E）=1E＞EF：f（E）=02）T≠0，E=EF：根据分布函数表达式得f（E）=1/2这表明，当T≠0时，在费米能级EF，被电子填充的几率和不被填充的几率是相等的

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