第一章-原子结构和键合.ppt

1、2020/7/8，材料科学基金CAI课件-李可，1。材料的微观结构理解物质是由原子组成的，每个元素的原子结构和原子之间的键是决定材料性质的重要因素。决定材料性质的最基本的内部因素是每种元素的原子结构、原子之间的相互作用和结合、原子或分子在空间(晶体)中的排列、运动规律以及原子聚集体的形态特征。第一章原子结构和原子间成键，2020/7/8，材料科学基金CAI课件-李可，2。物质由原子组成。在材料科学中，我们最关心的是原子的电子结构，而原子结构直接影响原子之间的成键方式。原子的电子结构、原子间的键结、基本原子结构决定材料的分类：金属、非金属、陶瓷聚合物决定材料的性质：物理和化学力学，1原子结构，2

2、020年7月8日，材料科学基础CAI课件李可，3，I .物质结构物质由无数的粒子组成，并成为一个分子：它单独存在以保存物质的化学性质。dH2O=0.2nm纳米M(H2)是2 M(蛋白质)是百万原子：量子力学中化学变化的最小粒子，原子也可以细分为聚变和裂变(聚变一般指氘和氚聚合成氦的过程，而铀和钚的裂变是常见的)。E=MC2，2020年7月8日，材料科学基金CAI课件-李可，4，2，1879年汤慕荪发现的原子结构、电子，揭示原子的内部秘密。1911年，卢瑟福提出了原子结构的核模型。1913年，玻尔介绍了玻尔原子模型，2020/7/8，材料科学CAI课件李可，5，描述了原子中电子的空间和能量，可以

3、用四个量子数来表示。2020/7/8，基础材料科学CAI课件-李可，6，核外电子排列的三个原则，同态无电子(4个量子)，保证最小能量稳定性，2020/7/8，基础材料科学CAI课件-李可，7，4，元素周期表，元素：有116种同种原子带相同的核电荷，核电荷数是划分元素的基础。同位素：具有相同质子数和不同中子数的相同元素的原子元素有两种存在状态：自由态和结合态，2020年7月8日。材料科学基金CAI课件-李可，8，7横排18列，16组，7个主族，7个子族，1个第一族和1个惰性族从左到右按原子序数递增的顺序排列。2020/7/8，基础材料科学CAI课件-李可，9，原子序数核电荷数周期数电子壳数主族数

4、最外层电子数零族元素最外层电子数是8(氦是2)价电子，2020/7/8，基础材料科学CAI课件-李可，10，与其他原子的成键类型，成键键：当原子结合形成分子或固体时，原子之间的相互作用力称为键合力，也称为键合力。本质上，结合力来源于原子核和电子之间的静电相互作用(库仑力)。2020/7/8，材料科学基金CAI课件-李可，11，1。金属键，典型的金属原子结构：最外层几乎没有电子，也就是说，价电子很容易脱离原子核，成为自由电子。在形成电子云的金属中，自由电子和金属正离子之间形成的键称为金属键，其特征是电子共享，既不饱和也无方向性，并形成低能密集堆积结构。性质：良好的导电性和导热性，良好的延展性，配

5、位数：金属晶体大多密集堆积，配位数为12，少数金属为体心立方结构，配位数为8。碱金属、碱土金属和过渡元素的晶体是典型的金属晶体。过渡金属既有金属键又有共价键。前者提供良好的导电性和导热性，而后者提供强度。2020/7/8，材料科学基金CAI课件-李可，12，II。离子键，其特征是用离子而不是原子作为结合单元，要求正负离子交替排列，并且没有方向性(获得和损失电子的位置不确定)。不饱和性质：高熔点和硬度，良好的电绝缘体，小膨胀系数配位数：在离子晶体中，氯化钠(配位数6)，氯化铯(配位数8)。精华：带正电荷的金属原子的阳离子和带负电荷的非金属原子的阴离子，e，大部分盐类，碱类和金属氧化物，2020年

6、7月8日，材料科学基础CAI课件-李可，13，氯化钠氯化铯硫化锌，碱金属-卤素族，碱土金属-氧族，典型离子晶体结构：矿物如氯化钠，氯化铯，硫化锌(闪锌矿)，硅酸盐，陶瓷等。2020/7/8，材料科学基金CAI课件-李可，14，III。共价键，特征：共享电子对；协调数量少；它是定向的和饱和的。饱和：一个原子只能形成一定数量的具有方向性的共价键(除了S电子):原子只能在特定的方向上形成共价键。物理性能：结构稳定，熔点高(缺陷少)，质硬而脆(由方向性决定)，导电性差，硅-碳，镍-铝硅-硅，包括亚金属(碳，硅，锡，锗)，高聚物的本质和无机非金属材料(碳化物，氧化物等)。):它是由两个或两个以上的电负性

7、相差不大的原子通过共享电子对形成的，如氢分子、金刚石和单晶硅，2020年7月8日，材料科学基金CAI课件-李可，15，金刚石结构示意图，金刚石、硅/锗单晶都有这种正四面体键合方式，2020/。材料科学基金CAI课件-李可，16，4。范德瓦尔斯键，包括静电力、诱导力和分散力(概念，以及它们与温度和距离的关系)是物理键，它们不如化学键，但是可以在很大程度上改变材料的性质，例如熔点、沸点和溶解度。比如相互吸引的肥皂泡。高分子材料主要是范德华力，辅以化学键，所以没有气体，只有液体和固体。如有机玻璃和环氧树脂。2020/7/8，基础材料科学CAI课件李可，17，5。氢键存在于HF、H2O、NH3和其他分

8、子之间，可以看作是一种特殊的范德华力。氢键是冰中水分子之间的主要相互作用。它在聚合物中起着重要作用。在有机物和有机体中，分子和聚合物通过氢键相连。DNA复制和其他生命过程可以被视为氢键的打开和结合(酶的参与)。氢原子与两个原子(氧、氟、氮等)结合。)具有较大的电负性和较小的原子半径以形成氢键。本质：分子间偶极-偶极相互作用。氢原子中唯一的电子被其他原子共享(共价键)，裸露的原子核将吸引相邻分子的负端。氢桥氢键是饱和的和定向的。2020/7/8，基础材料科学CAI课件-李科，18，18，各种键合键主要特性的比较，2020/7/8，基础材料科学CAI课件-李科，19，1。哪四个量子数可以决定原子中电子的空间位置和能量？2.在多电子原子中，核外电子的排列应该遵循什么原则？3.铬的原子序数是24，它有四种同位素：4.31%的铬原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，2.38%含有30个中子。试着找出铬的相对原子质量。4.铜的原子序数是29，相对原子质量是63.54。