1-原子结构和键合概述.ppt

第一章原子结构和键合第一章原子结构和键合第一章原子结构和键合第一章原子结构和键合Atomic Structure and Atomic Structure and InteratomicInteratomic Bonding Bonding 物质(Substance)是由原子（atom）组成，而原子由质子和中子组成，以及核外的电子所构成。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 化 力学材料的微观结构材料的微观结构（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，运动规律，以及原子集合体的形貌特征。11原子结构原子结构 （Atomic Structure Atomic Structure）一、物质的组成（Substance Construction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒二、原子的结构二、原子的结构l18189797年年 J.J Thomson J.J Thomson 发现电子（发现电子（electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密l19111911年年 E.RutherfordE.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型l19131913年年 N.BohrN.Bohr将将 lBohr atomic modelBohr atomic model l核外电子的排布（electron configuration)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（quantum quantum numbersnumbers）表示表示三、元素周期表元素周期表（periodic Table of the Elements)periodic Table of the Elements)l元素（元素（Element）：）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是种，核电荷数是划分元素的依据划分元素的依据l同位素（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具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 l l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（Free State&Combined Form)l7个横行（个横行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序数（按原子序数（Atomic Number)递增递增的顺序从左至右排列的顺序从左至右排列l18个纵行（个纵行（column）16族（族（Group），），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个个族、族、1个零族个零族（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。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）l22原子间的键合原子间的键合 (Bonding type with other atom)Bonding type with other atom)l一、金属键（一、金属键（Metallic bondingMetallic bonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electronvalence electron）极易极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electronFree electron），），形成电子云形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键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，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好l二、离子键（Ionic bonding)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。性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体l三、共价键（covalent bonding）l 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（Cation）非金属原子 带负电的负离子（anion）e l四、范德华力（Van der waals bonding)l包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)l属物理键，系一种次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 l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 介于化学键与物理键之间，具有饱和性l4 4 结合键的本质及原子间距结合键的本质及原子间距 不论何种类型的结合键，固体原子间总存在两种力：一是吸引力，来源于异类电荷间的静电吸引；二是同种电荷间的排斥力。当两个原子无限远时，原子间不发生作用，作用能可视为零。当距离在吸引力作用下靠近时，体系的位能逐渐下降，到达平衡距离，位能最低；当原子距离进一步靠近，就必须克服反向排斥力，使作用能重新升高。R0：平衡距离，称原子间距。E0：平衡距离楼下的作用能定义为原子的结合能。结合能数据是利用测定固体的蒸发热而得到的，又称结合键能。l5 5 结合键与性能结合键与性能 1.物理性能 熔点的高低代表了材料稳定性的程度。2.力学性能l1 1 晶体与非晶体晶体与非晶体 固体原子根据原子（或原子团、分子）的排列可分为两大类：晶体与非晶体。晶体：原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则重复排列。而非晶体内部原子的排列是无序的。晶体由于其空间不同方向上原子排列特征不同，因而沿着不同方向所测得的性能数据不同，称为各向异性；而非晶体在各个方向上的原子排列可视为相同，因此沿任何方向测得的性能是一致的，故表现为各向同性。通常，金属与合金、大部分陶瓷（如氧化物，碳化物，氮化物等）以及少数高分子材料等是晶体；而多数高分子材料及玻璃等原子或分子结构较为复杂的材料则为非晶体，常也把玻璃态作为非晶态的代名词。三、原子排列方式三、原子排列方式l2 2 原子排列的研究方法原子排列的研究方法 材料研究中采用X射线或是电子束来进行研究，其原理就是光学中的干涉和衍射。这就是著名的布拉格定律。l1 1 组织的显示与观察组织的显示与观察 所谓材料的组织就是指各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量，尺寸大小，形状及分布等特征。能用肉眼观察到，称为组织为宏观组织，而更多的情况下则要用金相显微镜或是电子显微镜才能观察到内部的组织，故又称显微组织或是金相组织。首先对观察的试样部位进行反复的磨光和抛光，以获得平整而光滑的表面，然后经化学浸蚀。化学的目的是将晶界显示出来。三、晶体材料的组织三、晶体材料的组织2.单相组织 具有单一相的组织为单相组织，即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。描述单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。等轴晶、柱状晶。3.多相组织 归纳为，所谓组织就是指材料中两个相（或多相）的体积分数为多少，各个相的尺寸、形状及分布特征如何。第五节 材料的稳态结构与亚稳态结构 材料最终得到什么结构必须综合考虑结构形成的热力学条件和动力学条件。所谓的动力学条件，是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或是结构转变必须存在一个推动力，只有这样，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，热力学并不能回答，以为它并不考虑过程的速度，而过程是否发生还依赖于动力学条件，即反应速度。此外，体系最终得到的结构还取决转变过程的外界条件，如温度、压力、冷却速度等。