材料科学基础教案第一章.ppt

第一节 原子结构 第二节 原子间的键合 第三节 高分子链,第一章原子结构和键合 Atomic Structure and Interatomic Bonding,材料的微观结构（Microstructure of Materials） 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； 原子间相互作用、相互结合； 原子或分子在空间的排列和运动规律； 以及原子集合体的形貌特征物质(Substance)是由原子（atom）组成，而原子是由位于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的 在材料科学中，最为关心原子结构中的电子结构 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 决定材料性能：物理 化学 力学,※1原子结构 （Atomic Structure ）,一、物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）按一定方式聚集而成 这些微粒可能是分子、原子或离子 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 质量有大有小 体积很小 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）：并不是物质的最小微粒，而是化学变化中最小微粒。

在化学变化中，分子可以再分成原子，而原子却不能再分 原子结构直接影响原子间的结合方式二、原子的结构,1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 1913年 N.Bohr将 Bohr atomic model,,,原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的 中子——电中性 质子——带正电荷 电子——带负电荷 一个质子的正电荷量=一个电子的负电荷量 e=1.6022×10-19C 在中性原子中，电子数=质子数，原子呈电中性 原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级然而，原子的质量恰主要集中在原子核内 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1/1836三、原子的电子结构,,电子在原子核外空间做高速旋转运动，就像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象的称为电子云电子,粒子性,波动性,,波粒二象性,电子运动没有固定的轨道，可根据电子能量的高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现几率的大小。

能量低——在离核近的区域运动 能量高——在离核远的区域运动 在量子力学中，反映微观粒子运动的基本方程为薛定谔方程，它的解称为波函数 电子的状态和在某处的出现几率可用波函数来描述描述原子中一个电子的空间位置和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,1).主量子数n 2).轨道角量子数li 3).磁量子数mi 4).自旋角量子数si,描述原子中一个电子的空间位置和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,,,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 主量子数 ni=1, 2, 3, 4 (正整数) 量子壳层 =K, L, M, N,© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™,2).轨道角动量量子数li 给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）,与电子运动的角动量有关 li：0, 1, 2, 3, 4…n-1 能级：s, p, d, f, g 亚层电子能量递增 不同电子亚层的电子云形状不同 例如：主量子数n=2，则l1=0, l2=1. 即在L壳层中，根据电子能量差别，还包含两个电子亚层。

S亚层电子云： 以原子核为中心的球形,P亚层电子云：纺锤形,,3).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，决定了电子云的空间取向 每个Li下的磁量子数的总数为2Li+1. 举例： Li =2，则2×2+1=5，mi=-2，-1，0，+1，+2 如果把在一定的量子壳层上具有一定形状和伸展方向的电子云所占据的空间称为一个轨道，那么s,p,d,f四个亚层就分别有1，3，5，7个轨道 N=4(N壳层), Li=0,1,2,3 能级=s,p,d,f Mi=2Li+1=1,3,5,7 4).自旋角量子数si 反映电子不同的自旋方向 Si=+1/2和-1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，,,,,,核外电子的排布（electron configuration)规律,,,[1]能量最低原理(Minimum Energy principle) 电子的排布总是尽可能使体系的能量最低，电子总是先占据能量最低的壳层，只有当这些壳层布满后，电子才一次进入能量较高的壳层 壳层：K L M N 亚层：s p d f [2]泡利(pauli)不相容原理 在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不能有上述四个量子数都相同的两个电子。

主量子数为n的壳层，最多能容纳2n2个电子[3]洪德（Hund）定则 在同一亚层的各个能级，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同 当电子排布为全充满、半充满、全空时，比较稳定，整个原子能量最低 举例： 注意：当原子序数比较大，d,f能级被填充的情况下，相邻壳层的能级有重叠现象电子填充时可能出现内层尚未填满前就先进入下一壳层的情况 举例：,电子能量水平随主量子数和次量子数变化情况,三、元素周期表（periodic Table of the Elements),元素（Element）：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（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form),,,元素周期律：元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增而呈周期性的变化规律 7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)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（Inert Gases），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。

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 零族元素最外层电子数为8（氦为2） 价电子数（Valence electron）,,,※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom),,一、金属键（Metallic bonding）,典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），并在整个晶体内运动，弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云（electron cloud） 金属中自由电子与金属正离子之间相互作用构成的键合称为金属键 绝大多数金属均以金属键方式结合，基本特点——电子的共有化,特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构,性质：良好导电、导热性能，延展性好,,© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™,© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™,二、离子键（Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物以离子键方式结合。

特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列， 且无方向性，无饱和性 决定离子晶体结构的因素：正负离子的电核及几何因素 离子晶体中的离子一般具有较高的配位数,,,,,,实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation） 非金属原子 带负电的负离子（anion）,,e,© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™,性质：离子晶体中正负离子静电引力较强，结合 牢固，熔点和硬度均较高；很难产生自由运动的电子，是良好电绝缘体 例外：处于高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可自由运动，呈现离子导电性三、共价键（covalent bonding） 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料 实质：由二个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而成,© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™,© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™,特点：饱和性 配位数较小 ，方向性（s电子除外） 性质：共价键结合极为牢固，熔点高、质硬脆、导电能力差 方向性;形成共价键时，为使电子云达到最大程度的重叠，共价键具有方向性。

饱和性：当一个电子和另一个电子配对后，就不再和第三个电子配对，成键的功用电子对数目是一定的，即共价键的饱和性四、范德华力（Van der waals bonding),包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force) 属物理键 ，系次价键，没有方向性和饱和性，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质静电力(electrostatic) 由极性原子团或分子的永久偶极之间的静电相互作用所引起，其大小与绝对温度和距离的7次方成反比 诱导力(induction) 当极性分子和非极性分子相互作用时，非极性分子中产生诱导偶极与极性分子的永久偶极之间的相互作用力，大小与温度无关，与距离的7次方成反比 色散力(dispersive force) 由于某些电子运动导致原子瞬时偶极之间的相互作用力，大小与温度无关，与距离的7次方成反比 在非极性高分子材料中，色散力可占分子间范德瓦尔力的80-100%,五、氢键（Hydrogen bonding） 极性分子键，存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 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 氢键也属于次价键，键能介于化学键与范德瓦尔斯力之间，可以存在于分子内或分子间，具有饱和性和方向性。

氢键在高分子材料中特别重要，纤维素、尼龙、蛋白质等分子有很强的氢键，显示出特殊的结晶结构和性能© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™,※3高分子链（High polymer Chain),,,聚集态结构：高分子材料整体的内部结构，包括 晶态结构 非晶态结构 取向态结构 液晶态结构 织态结构,,,三次结构，描述高分子聚集体分子间如何堆砌,,高次结构，不同分子间或高分子与添加剂之间的排列或堆砌结构,3.1.高分子链的近程结构（short-range Structure),,分子链中原子的类型与排列，高分子链的化学结构分类，结构单元的键接次序，链结构的成分，高分子的支化，交联和端基等内容取代基围绕特定原子在空间的排布规律构型,,构造,近程结构,单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链 高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度 高分子链的化学组成不同，化学和物理性能也不同一、链结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) 1.碳链高分子 聚乙烯（见书9）,主链以C原子间共价键相联结，结构差别仅在于侧基不同 加聚反应制得，不易水解，大多数时典型的热塑性塑料 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀。