原子结构与键合.ppt

第一章 原子结构与键合四大量子数l主量子数n -决定电子能量，与核平均距离。l轨道角动量量子数li-给出电子在同一壳层内所处的能级。l磁量子数mi-给出每个轨道角动量子数的能级数或轨道数。l自旋角动量量子数si-给出电子不同的自旋方向。2电子排布规则l能量最低 电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。lPauli不相容原理 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两电子。lHund规则 在同一亚层中的各个能级中，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，半充满或全空时，能量最低。3族族周期表上竖的各列。同一族元素具有相同的外周期表上竖的各列。同一族元素具有相同的外壳层电子数，壳层电子数，从上到下电子层数增多，原子半径增大，从上到下电子层数增多，原子半径增大，失电子能力增加，金属性增强失电子能力增加，金属性增强，具有非常相似的化学，具有非常相似的化学性能。性能。周期周期周期表上竖的各行。同一周期各元素具有相周期表上竖的各行。同一周期各元素具有相同的层数，同的层数，从左到右核电荷数升高，失电子能力减弱，从左到右核电荷数升高，失电子能力减弱，非金属性增强非金属性增强。41.2 原子间的键合原子间的键合5键的形成在凝聚状态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形成了键。键分为一次键和二次键。6一、金属键l典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（非局域、非束缚）,并在整个晶体内运动，形成电子云。这种由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：既无饱和性又无方向性。l性质：良好导电、导热性能，延展性好7二、离子键多数盐类、碱类和金属氧化物实质: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）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。l性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体。静电引力离子键8三、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、导电能力差四、范德华力四、范德华力9包括：静电力、诱导力和色散力1、静电力发生在具有极性的分子之间例如：水的蒸发2、诱导力、诱导力发生在极性与非极性分子之间发生在极性与非极性分子之间3、色散力、色散力非极性分子之间靠瞬时偶极间相互作用。非极性分子之间靠瞬时偶极间相互作用。10特点：属物理键，系次价键，比化学键弱（12个数量级），但能很大程度改变材料性质（熔点，沸点，溶解度）。为什么高分子往往没有气态？11五、氢键 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 强度介于化学键与物理键之间，具有饱和性，方向性。XHY混合键 实际材料中单一结合键并不多，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。例如：（1）A族的Si、Ge、Sn元素的结合是共价键与金属键的混合。（2）陶瓷化合物中出现离子键与共价键混合的情况。12结合键的本质与原子间距固体原子中存在两种力：吸引力和排斥力。它们随原子间距的增大而减小。当距离很远时，排斥力很小，只有当原子间接近至电子轨道互相重叠时斥力才明显增大，并超过了吸引力。在某一距离下引力和斥力相等，这一距离r0相当于原子的平衡距离，称原子间距。13力（F）和能量（E）之间的转换关系：F=E=FddEd014下图为3类材料金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离的关系曲线，试指出它们各代表何种材料？15a、高分子b、金属c、离子晶体1.3高分子链高分子链16l高分子的结构高分子的结构 1.链结构链结构（Chain Structure）2.聚集态结构聚集态结构（Structure of Aggregation State）l链结构链结构近程结构：一级结构，属于化学结构，：一级结构，属于化学结构，包括构造，构型包括构造，构型。远程结构：二级结构，分子量，形态，：二级结构，分子量，形态，柔顺性，构象等。柔顺性，构象等。一、结构单元的化学组成一、结构单元的化学组成1.碳链高分子 17l主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得l如 PE，PVC，PP，PMMA2.杂链高分子杂链高分子 l主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，l如聚对苯二甲酸乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等近程结构3.元素有机高分子元素有机高分子 l 主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶等。184.无机高分子 l主链既不含C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。二、高分子链结构单元的键合方式1.均聚物结构单元键接顺序 单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只 有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：19头头尾尾头尾2.共聚物的序列结构 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为20无规共聚物无规共聚物（Random copolymer）交替共聚物交替共聚物（Alternating copolymer）嵌段共聚物嵌段共聚物（Block copolymer）接枝共聚物接枝共聚物（Graft copolymer）21三、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）u线性高分子(Linear polymers):加热后变软，甚至流动，可反复加工-热塑性塑料(Themalplastic)。u支化高分子(Branched polymers):u交联高分子(Crosslinked polymers):线性天然橡胶用S交联后变强韧耐磨。u体型(立体网状)高分子(Network on 3-dimentional polymers):链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行22四、高分子链的构型23l旋光异构体（Optical isomerism）由烯烴单体合成的高聚物由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称在其结构单元中有一不对称C C原子，故存在两种原子，故存在两种旋光异构单元旋光异构单元 ，有三种排列方式，有三种排列方式:间同立构：R取代基交替地处在主链平面两侧，取代基交替地处在主链平面两侧，即旋光立构单元交替。即旋光立构单元交替。全同立构：R取代基在主链平面一边，即全部由取代基在主链平面一边，即全部由一种旋光立构体。一种旋光立构体。无规立构：R取代基在主链平面两侧不规则排列取代基在主链平面两侧不规则排列。24 几何异构（Geometrical isomerism）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 顺式 反式 对于大分子链而言就有二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 远程结构一、高分子的大小（Molecular Size）高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性。平均相对分子质量。数均相对分子量 重均相对分子量2526l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（Molecular shape）l主链以共价键联结，有一定键长d和键角，每个单键都能内旋转（Chain twisting）故高分子在空间形态有mn-1(m为每个单键内旋转可取的位置数，n为单键数目)27l统计学角度高分子链取伸直统计学角度高分子链取伸直（straight）构象几率极小，构象几率极小，呈卷曲（呈卷曲（zigzag）构象几率极构象几率极大。大。28三、影响高分子链柔性的主要因素l 高分子链能改变其构象的性质称为柔性p 主链结构：起决定性作用，：起决定性作用，C-O,C-N,Si-O内旋内旋转势垒比转势垒比C-C低，从而使聚酯，聚酰胺，聚氨酯，低，从而使聚酯，聚酰胺，聚氨酯，聚二甲基硅氧烷等柔顺性好。聚二甲基硅氧烷等柔顺性好。p 取代基：取代基的极性，沿分子链排布距离，在：取代基的极性，沿分子链排布距离，在主链上对称性，体积等都有影响。主链上对称性，体积等都有影响。p 交联：因交联附近的单键内旋转受阻碍，交联度：因交联附近的单键内旋转受阻碍，交联度大时，柔顺性变差。大时，柔顺性变差。