第1章原子结构与键合a-yao

第1章原子结构与键合姚宝殿材料工程学院办公室：行政楼1618室，电话：67791474Email:yaobd@材料科学基础B决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构，（原子）原子间相互作用，相互结合，（键合）原子或分子在空间的排列，（晶体结构）以及原子集合体的形貌特征，（显微组织）第1章原子结构与键合1.1原子结构1.2原子间的键合1.3高分子链1.1原子结构1.1.1物质的组成一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。分子是能单独存在，且保持物质化学性质的一种微粒。原子是化学变化中的最小微粒。原子结构直接影响原子间的结合方式。第一章原子结构与键合1.1.2原子的结构原子由原子核及核外的电子构成；原子核是由质子和中子组成的。原子直径约为10-10m，而原子核直径仅10-15m。原子的质量主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的1/1836。1.1原子结构1.1.3原子的电子结构描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。轨道角量子数li：给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）。磁量子数mi：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。自旋角量子数si：反映电子不同的自旋方向。1.1原子结构1.主量子数n

决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。它的取值为1、2、3…n越大，电子离原子核的距离越远，电子的能量越高。在一个原子中，常称n相同的电子为一个电子层。当n＝1、2、3、4、5、6、7时，分别称为第一、二、三、四、五、六、七电子层，相应地用符号K、L、M、N、O、P、Q表示。

2.轨道角量子数li

角量子数l决定原子轨道的形状，它的取值为0、1、2….n-1。在多电子原子中，当n相同而l不同时,电子的能量还有差别又常将一个电子层分为几个亚层。当l=0、1、2、3时，分别称为s、p、d、f亚层。在多电子原子中，l也决定着原子轨道的能量。当n相同时，随l的增大，原子轨道的能量升高。3.磁量子数mi

磁量子数m决定原子轨道在空间的取向。它的取值为0,±1，±2,±3因此有2l+1种取向。

l=0时，m只能取0，s亚层只有1个轨道；

l=1时，m可取-1、0、+1，p亚层有3个轨道。同理，d亚层有5个轨道，f亚层有7个轨道。n和l相同，但m不同的各原子轨道的能量相同，称为简并轨道或等价轨道。4.自旋角量子数si

自旋量子数ms描述电子的自旋方向，它的取值为+1/2和-1/2，常用箭号↑和↓表示电子的两种自旋方向。ms不能从求解薛定谔方程得到，它是后来实验和理论进一步研究中引入的。综上所述，n、l、m三个量子数可以确定一个原子轨道，而n、l、m、ms

四个量子数可以确定电子的运动状态。主量子数壳层序号次量子数亚壳层状态磁量子数规定的状态数目考虑自旋量子数后的状态数目各壳层总电子数12341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142（=2×12）8（=2×22）18（=2×32）32（=2×42）1.1.3原子的电子结构多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则。能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。Pauli不相容原理：一个原子不能有四个量子数都相同的两个电子。在同一亚层的电子尽可能占据不同的能级，且自旋方向相同。1.1原子结构1.1.3原子的电子结构3.原子电子结构示意图原子的重要参数：原子序数原子量阿佛伽德罗常数原子量单位电负性1.1原子结构镁(原子序数12)原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况1.1.4元素周期表具有相同核电荷数的一类原子为一种元素。元素周期表是元素周期律的具体表现形式：元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。1.1原子结构原子周期律——早在1869年，俄国化学家已发现了元素性质是按原子相对质量的增加而程周期性的变化。这正是由于原子核外电子的排列是随原子序数的增加呈周期性变化。族——周期表上竖的各列。同一族元素具有相同的外壳层电子数，同一族元素具有非常相似的化学性能。过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这些内壳层未填满的元素称过渡元素。7个横行（Horizontalrows)周期（period）按原子序数（AtomicNumber)递增的顺序从左至右排列

18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族（InertGases）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。©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™1.1原子结构1.2原子间的键合内容提要：在所有固体中，原子是由键结合在一起。这些键提供了固体的强度和有关电和热的性质。例如：强键导致高熔点、高弹性系数、较短的原子间距及较低的热膨胀系数。由于原子间的结合键不同，我们通常将材料分为金属、聚合物和陶瓷3类。1.2原子间的键合键的形成——在凝聚状态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形成了键。键分为一次键和二次键：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。1.2原子间的键合1.2.1金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点：电子的共有化。无饱和性又无方向性每个原子趋于形成低能量的最密堆结构。第一章原子结构与键合©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™1.2.1金属键金属的基本性质：原子改变位置并不破坏金属键，使金属具有良好延展性；自由电子的存在，使金属具有良好的导电和导热性能。1.2原子间的键合©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™1.2.2离子键离子键：正负静电引力所构成键合称为离子键。正负离子静电引力较强，因此离子晶体的熔点和硬度均较高。常温下离子晶体很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当其处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™1.2原子间的键合1.2.3共价键共价键：两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。为使系统的能量最低，共价键键合要求配对的核外电子云达到最大的重叠。共价键特点：共价键之间都有确定的方位，且配对电子个数确定，具有方向性和饱和性。共价键的结合极为牢固。1.2原子间的键合1.2.3共价键共价晶体的性质结构稳定、熔点高、质硬脆。配位数比较小，密度较低。一般是绝缘体，其导电性能差。一般存在于亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中。©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™1.2原子间的键合第1章习题说明离子键、共价键、分子键和金属键的特点。解：离子键、共价键、分子键和金属键都是指固体中原子（离子或分子）间结合方式或作用力。

离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲和能大的非金属原子相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。

共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。

分子键是藉分子（或原子）中电荷的极化现象所产生的弱引力结合的结合方式。当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属键。第一章原子结构与键合2、比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合