《原子结构与键合》PPT课件.ppt

第一章第一章 原子结构与键合原子结构与键合1 1.1 .1 原子结构原子结构原子结构原子结构一、物质的组成一、物质的组成物质由无数微粒聚集而成：物质由无数微粒聚集而成：这些微粒可能是分子、原子或离子这些微粒可能是分子、原子或离子 分子：单独存在，并保存物质化学特性分子：单独存在，并保存物质化学特性 原子：化学变化中最小微粒原子：化学变化中最小微粒原子结构直接影响原子间的结合方式。原子结构直接影响原子间的结合方式。从从量量子子力力学学角角度度：原原子子并并不不是是物物质质的的最最小小微微粒粒，具有复杂结构。具有复杂结构。二、原子的结构二、原子的结构核外电子的排布规律l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数表示表示三、元素周期表三、元素周期表元素：具有相同核电荷的同一类原子总称，共元素：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116116种，核电荷数是划分元种，核电荷数是划分元素的依据素的依据同位素：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 元素有两种存在状态：游离态和化合态元素有两种存在状态：游离态和化合态7 7个横行：周期按原子序数递增的顺序从左至右排列个横行：周期按原子序数递增的顺序从左至右排列1818个纵行：个纵行：1616族族-7-7个主族、个主族、7 7个副族、个副族、1 1个个族、族、1 1个零族（个零族（Inert Inert GasesGases）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。）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。原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数周期序数电子壳层数主族序数最主族序数最 外外 层层 电电 子子 数数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8（氦为（氦为2）价电子数价电子数（Valence electron）1.2 1.2 原子间的键合原子间的键合一、金属键一、金属键 典典型型金金属属原原子子结结构构：最最外外层层电电子子数数很很少少，即即价价电电子子极极易易挣挣脱脱原原子子核核之之束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子，形形成成电电子子云云。金金属属中中自自由由电电子与金属正离子之间构成键合称为子与金属正离子之间构成键合称为金属键金属键l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l性质：良好导电、导热性能，延展性好二、离子键二、离子键 多数盐类、碱类和金属氧化物l 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，无饱和性三、共价键三、共价键 亚金属（C、Si、Sn、Ge），聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成l特点：饱和性，配位数较小，方向性（s电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 实质：金属原子 带正电的正离子 非金属原子 带负电的负离子 e 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体四、范德华力四、范德华力l包括：静电力包括：静电力、诱导力和色散力诱导力和色散力l属物理键属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质料性质 高分子材料中高分子材料中范德华力范德华力起重要作用，总的起重要作用，总的范德华力超过化学键的作用，所范德华力超过化学键的作用，所以在除去范德华力作用前化学键早已断裂。以在除去范德华力作用前化学键早已断裂。五、氢键五、氢键 极极性性分分子子键键：存存在在于于HFHF、H H2 2O O、NHNH3 3中中 ，在在高高分分子子中中占占重重要要地地位位，氢氢原原子子中中唯唯一一的的电电子子被被其其它它原原子子所所共共有有（共共价价键键结结合合），裸裸露露原原子子核核将将与与近近邻邻分分子子的的负负端相互吸引端相互吸引氢桥氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性介于化学键与物理键之间，具有饱和性无论何种结合键，固体原子间都存在两种力：吸引力和排斥力 原子间距离就是当引力等于斥力时原子之间的距离，此时原子间的相互作用势能最低 原子结合能离子键、共价键的结合能最高金属键次之范德华力最低，（氢键稍高点）高分子链高分子链一、近程结构一、近程结构（一）、结构单元的化学组成1.碳链高分子碳链高分子 聚乙烯聚乙烯l主链以主链以C C原子间共价键相联结原子间共价键相联结 加聚反应制得加聚反应制得l如如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯2.杂链高分子杂链高分子 涤纶涤纶l主链除主链除C C原子外还有其它原子如原子外还有其它原子如O O、N N、S S等，并以共价键联等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等3.3.元素有机高分子元素有机高分子 硅橡胶硅橡胶 主主链链中中不不含含C C原原子子，而而由由SiSi、B B、P P、AlAl、Ti Ti、AsAs等等元元素素与与O O组组成成，其其侧侧链链则则有有机机基基团团，故故兼兼有有无无机机高高分分子子和和有有机机高高分分子子的的特特性性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶4.无机高分子无机高分子 二硫化硅二硫化硅 聚二氯聚二氯氮化磷氮化磷l主链既不含主链既不含C C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解（二）、（二）、高分子链结构单元的键合方式高分子链结构单元的键合方式1.1.均聚物结构单元键接顺序均聚物结构单元键接顺序 单单烯烯类类单单体体中中 除除乙乙烯烯分分子子是是完完全全对对称称的的，其其结结构构单单元元在在分分子子链链中中的的键键接接方方法法只只有有一一种种外外，其其它它单单体体因因有有不不对对称称取取代代，故故有有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：头头头头尾尾尾尾头头尾尾双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同 2.2.共聚物的序列结构共聚物的序列结构 按结构单元在分子链内排列方按结构单元在分子链内排列方式的不同分为式的不同分为（三）、高分子链的结构（三）、高分子链的结构不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状热固性（thermosetting）（四）、高分子链的构型（四）、高分子链的构型链链的的构构型型系系指指分分子子中中原原子子在在空空间间的的几几何何排排列列，稳稳定定的的，欲欲改改变变之之须通过化学键断裂才行须通过化学键断裂才行l旋光异构体旋光异构体l由由烯烯烴烴单单体体合合成成的的高高聚聚物物 在在其其结结构构单单元元中中有有一一不不对对称称C C原原子子，故故存存在在两两种种旋旋光光异异构构单单元元 ，有有三三种种排排列列方式方式几何异构：几何异构：双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有键不能旋转，从而每一双就可能有 顺式 反式 两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 二、远程结构二、远程结构（一）、高分子的大小高分子的相对分子质量高分子的相对分子质量M M不是均一的，具有多分散性不是均一的，具有多分散性平均相对分子质量平均相对分子质量l高分子链中重复单元数目称为聚合度不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质，对加工和使用也有很大影响。数均相对分子量每链节的质量对力学性能起决定作用，（二）、高分子的形状（二）、高分子的形状主主链链以以共共价价键键联联结结，有有一一定定键键长长 d d和和键键角角，每每个个单单键键都都能能内内旋旋转转（Chain Chain twistingtwisting）故故高高分分子子在在空空间间形形态态有有m mn-1n-1(m m为为每每个个单单键键内旋转可取的位置数，内旋转可取的位置数，n n为单键数目为单键数目)统统计计学学角角度度高高分分子子链链取取 伸伸直直（straightstraight）构构象象几几率率极极小小，呈呈卷卷曲曲（zigzagzigzag）构象几率极大）构象几率极大高分子链的总链长高分子链的总链长 均方根均方根（三）、影响高分子链柔性的主要因素 高分子链能改变其构象的性质称为柔性高分子链能改变其构象的性质称为柔性