第一章 原子结构和键合.ppt

1、材料科学基础,材料学院 陈锟,学习料料科学基础的意义,材料科学的内涵 材料科学是一个跨物理、化学等的学科。 材料科学的核心问题是材料的结构（Structure）和性能 （Property） 以及它们之间的关系。右图为材料科学与工程四要素。所以，先要了解 材料的结构是什么？,材料结构关系,材料的结构包括不同晶体结构和非晶体(原子结构），以及显微镜下的微观结构(微结构），哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才能实现控制结构的目的。 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能，加工性能。,结构：物质组合（结合）在一起的方式和方法。 E.g., 计算工具的结构，算盘和计算机同是计算工具，它们

2、的结构不同，它们的性能差别很大。 人体结构与猴体结构外观上相差不大，但（思维）性能相差很大。 性能：物质对外界载荷的反应。 高温、低温下的工作，及高加速度下。,第 1 章 原子结构和键合,物质是由原子组成 在材料科学中,最为关心原子的电子结构 原子的电子结构原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物理 化学 力学,本章主要内容要求,基本概念和术语 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 E.g.用金属键的特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数；2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性等。,1.1 原子结构,1.1.1 物质的组成 物质是由无数微粒

3、（分子、原子、离子）按 一定方式聚集而成的集合体。 分子：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2；M（蛋白质）为百万 原子：化学变化中最小微粒,原子结构,1.1.2 原子结构(atomic structure) 原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。 原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内，原子核的密度很大。,1.1 原子结构,1.1.3 原子的电子结构 电子云(electron atmosphere) 1.描述原子中一个电子 的位置和能量用四个量 子数(quantum number)： 主量子数n（电子层）、

4、轨道量子数l（电子亚层）、磁量子数m（轨道 数）、自旋角动量量子数 s（自旋方向）。,1.1 原子结构,1.1.3 原子的电子结构 2.核外电子排布遵循的规律： 能量最低原理:电子占据壳层时，能量最低。 Pauli不相容原理(Pauli principle):原子 中各电子态的4个量子数不同。 Hund规则(Hund s rule):电子分散占据不同 的能级。,1.1.4 元素周期表 元素：具有相同核电荷数的同一类原子总称， 共116种，核电荷数是划分元素的依据。 同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同 一元素的原子。 原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数 主族序数最外层电子数 零族元素最外

5、层电子数为8（氦为2）价电子数,1.1 原子结构,1.2 原子间的键合,结合键(binding bond) ： bond=joint 结合键分为： 化学键金属键、离子键、共价键 物理键范德华力、氢键 1.2.1 化学键（主价键、一次键） 金属键(metallic bond) 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。 特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。 性质：良好导电、导热性能，延展性好。,金属键,1.2 原子间的键合,2. 离子键(ionic bond) 金属正离子非金属负离子之间 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：以离子而不是以原子为结合单

6、元，结合力 较强。要求正负离子相间排列，且无方向性。 性质：熔点高、质硬脆、固态时为良好的绝缘体 而熔融态时具有良好的导电性。,图1.4-3 NaCl 晶体,共价键(covalent bond) 实质：由两个或多个电负性差不大的原子间 通过共用电子对而形成。 特点：具有饱和性和方向性，配位数较小、 各键间都有确定方位。 性质：熔点高，质硬而脆，导电性差。,1.2 原子间的键合,图1.4-5 由共价键方向性特点 决定了的SiO2四面体晶体结构,图1.4-4 形成共价键的SiO2, 蓝色圆圈代表Si的价电子， 红色圆圈代表O的价电子,1.2.2 物理键（次价键、二次键） 1.范德华力(Van De

7、r Waals bonding) 电偶极矩的感应作用 特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢 固，无饱和性，无方向性。,1.2 原子间的键合,Van der Waals bonding,2.氢键(hydrogen bonding) 分子间特殊作用力 极性分子键，存在于HF、H2O、NH3中 ，在高 分子中占重要地位。表达为：XHY 实质：氢原子中唯一的电子被其它原子所共 有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分 子的负端相互吸引氢桥。 特点：介于化学键与物理键之间，具有饱和 性和方向性，可存在于分子内或分子间。,1.2 原子间的键合,1.2.3 混合键 实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键

8、金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力 聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键,1.2 原子间的键合,1.2 原子间的键合,1.2.4 结合键与性能 1.物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共价键、 离子键化合物的Tm较高。 密度与结合键有关。-多数金属有高的密度， 原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结 合没有方向性，原子趋于密集排列。 导热、导电性 2.力学性能 强度 塑性,1.3 高分子链,高分子结构 链结构（chain structure） 聚集态结构（structure of aggregation state） 链结构 近程结构：一级结构 远程结构：二级结构,1.3 高分子链,1.3.1 近程结构（一级结构） 近程结构是指结构单元的化学组成、空间构型 、键接方式与序列等。 1.链结构单元的化学组成 碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子、 无机高分子 2.高分子链的构型 全同立构 间同立构 无规立构,高分子链的构型,无规立构,全同立构,间同立构,1.3 高分子链,1.3.2 远程