金属的原子结构课件.ppt

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1、关于金属的原子结构关于金属的原子结构1现在学习的是第1页，共31页2本章主要内容本章主要内容1.1 金属的原子结构金属的原子结构1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构1.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构现在学习的是第2页，共31页3 (1)(1)同样是由碳元素组成的，为什么是硬度最高的物同样是由碳元素组成的，为什么是硬度最高的物质，而石墨却很软？质，而石墨却很软？(2)(2)为什么原子能结合成固体？为什么原子能结合成固体？(3)(3)材料中存在哪几种键合方式？材料中存在哪几种键合方式？材料中存在哪几种键合方式？材料中存在哪几种键合方式？(4)(4)决定键合方式的主要因素有哪些？决定键合方

2、式的主要因素有哪些？决定键合方式的主要因素有哪些？决定键合方式的主要因素有哪些？(5)(5)材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？思考思考现在学习的是第3页，共31页4硅表面原子排列 碳表面原子排列 现在学习的是第4页，共31页51.1 1.1 金属的原子结构金属的原子结构 n 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

3、（protein）为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒1.1.1 1.1.1 原子结构原子结构 现在学习的是第5页，共31页6-27-27-31质子：正电荷质子：正电荷m m1.672610 kg1.672610 kg原子核（原子核（nucleus)nucleus)中子：电中性中子：电中性m m1.674810 kg1.674810 kg电子（电子（electronelectron）：带负电，按能量高低排列）：带负电，按能量高低排列mm9.109510 kg9.109510 kg，约为质子的，约为质子的1/18361/1836e=1.602210-19CNA=6.0231023atom/

4、molM：原子量：原子量现在学习的是第6页，共31页7n n金属原子的外层价电子数比较少（通常金属原子的外层价电子数比较少（通常金属原子的外层价电子数比较少（通常金属原子的外层价电子数比较少（通常s s,p p 价电子数少价电子数少价电子数少价电子数少于于于于4 4）电子云正离子n n各个原子的价电子极易挣各个原子的价电子极易挣各个原子的价电子极易挣各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自脱原子核的束缚而成为自脱原子核的束缚而成为自脱原子核的束缚而成为自由电子，在整个晶体内运由电子，在整个晶体内运由电子，在整个晶体内运由电子，在整个晶体内运动，即弥漫于金属正离子动，即弥漫于金属正离子动，即

5、弥漫于金属正离子动，即弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电组成的晶格之中而形成电组成的晶格之中而形成电组成的晶格之中而形成电子云。子云。子云。子云。现在学习的是第7页，共31页81.1.2 1.1.2 金属键金属键n n这种在金属中的自由电子这种在金属中的自由电子这种在金属中的自由电子这种在金属中的自由电子与金属正离子相互作用所与金属正离子相互作用所与金属正离子相互作用所与金属正离子相互作用所构成的键合称为构成的键合称为构成的键合称为构成的键合称为金属键。金属键。金属键。金属键。n n金属键无方向性，饱和性。金属键无方向性，饱和性。金属键无方向性，饱和性。金属键无方向性，饱和性。n n金属键

6、的强弱和自由电子金属键的强弱和自由电子金属键的强弱和自由电子金属键的强弱和自由电子的多少、离子半径、电子的多少、离子半径、电子的多少、离子半径、电子的多少、离子半径、电子层结构等因素有关层结构等因素有关层结构等因素有关层结构等因素有关现在学习的是第8页，共31页9n在外电压的作用下，在外电压的作用下，自由电子可以定向移动，故有自由电子可以定向移动，故有导电性导电性。n金属受外力发生变形时，金属键不被破坏，金属受外力发生变形时，金属键不被破坏，故金属故金属有很好的有很好的延展性延展性。现在学习的是第9页，共31页10n金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故金金属可以吸收波长范围极广的光，

7、并重新反射出，故金属晶体不透明，且有属晶体不透明，且有金属光泽金属光泽。n受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞，受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞，传递能量，传递能量，故金属是故金属是热的良导体热的良导体。现在学习的是第10页，共31页11n n金属主要是金属键结合，但也会出现一些非金属键，金属主要是金属键结合，但也会出现一些非金属键，如过渡族元素（特别是高熔点过渡族金属如过渡族元素（特别是高熔点过渡族金属WW、Mo等）等），它们的原子结合中也会出现少量的共价键结合，它们的原子结合中也会出现少量的共价键结合，这也是过渡族金属具有高熔点的原因。这也是过渡族金属具有高熔点

8、的原因。n n金属与金属形成的金属间化合物（如金属与金属形成的金属间化合物（如金属与金属形成的金属间化合物（如金属与金属形成的金属间化合物（如CuGeCuGe），尽管），尽管组成元素都是金属，但是由于两者的电负性不一样，组成元素都是金属，但是由于两者的电负性不一样，有一定的离子化倾向，于是构成金属键和离子键的有一定的离子化倾向，于是构成金属键和离子键的混合键。因此，它们具有一定的金属特性，但是不混合键。因此，它们具有一定的金属特性，但是不具有金属特有的塑性，往往很脆。具有金属特有的塑性，往往很脆。现在学习的是第11页，共31页12 晶体中的原子之间可以相互吸引，也可以相互排斥。设晶体中的原子之

9、间可以相互吸引，也可以相互排斥。设晶体中的原子之间可以相互吸引，也可以相互排斥。设晶体中的原子之间可以相互吸引，也可以相互排斥。设 f fa 代表代表代表代表引力，引力，引力，引力，f fr r 代表斥力，代表斥力，代表斥力，代表斥力，r r 代表原子间距离，则：代表原子间距离，则：代表原子间距离，则：代表原子间距离，则：式中式中式中式中 a a，b b，mm，n n 均为常数，其中均为常数，其中mm n n 。1.1.3 1.1.3 结合力结合力与结合能与结合能 原子间净作用力原子间净作用力f 为：为：现在学习的是第12页，共31页13现在学习的是第13页，共31页14现在学习的是第14页，

10、共31页15现在学习的是第15页，共31页16 原子能够结合为固体的根本原因，是原子或分子结合原子能够结合为固体的根本原因，是原子或分子结合原子能够结合为固体的根本原因，是原子或分子结合原子能够结合为固体的根本原因，是原子或分子结合起来后，体系的能量可以降低，即在分散的原子结合成晶起来后，体系的能量可以降低，即在分散的原子结合成晶起来后，体系的能量可以降低，即在分散的原子结合成晶起来后，体系的能量可以降低，即在分散的原子结合成晶体过程中，会有一定的能量释放出来。这个能量叫做结合体过程中，会有一定的能量释放出来。这个能量叫做结合体过程中，会有一定的能量释放出来。这个能量叫做结合体过程中，会有一定

11、的能量释放出来。这个能量叫做结合能。能。能。能。n n结合能越大，则原子结合越稳定。结合能越大，则原子结合越稳定。结合能越大，则原子结合越稳定。结合能越大，则原子结合越稳定。n n离子晶体、共价晶体的结合能最大；金属键结合次之，离子晶体、共价晶体的结合能最大；金属键结合次之，金属键结合中以过渡元素为最大；范德瓦尔斯键的结金属键结合中以过渡元素为最大；范德瓦尔斯键的结合能最小，只有几十合能最小，只有几十kJ/molkJ/mol。n n材料结合键的类型及结合能的大小对材料的性能有重材料结合键的类型及结合能的大小对材料的性能有重要的影响，特别是对物理性能和力学性能。要的影响，特别是对物理性能和力学性

12、能。现在学习的是第16页，共31页17n n熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时，原子振熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时，原子振熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时，原子振熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时，原子振动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化，所以熔点动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化，所以熔点动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化，所以熔点动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化，所以熔点与结合能有很好的对应关系。与结合能有很好的对应关系。与结合能有很好的对应关系。与结合能有很好的对应关系。n n共价键、离子键化合物结合能较高

13、，其中纯共价键的金刚石有最共价键、离子键化合物结合能较高，其中纯共价键的金刚石有最共价键、离子键化合物结合能较高，其中纯共价键的金刚石有最共价键、离子键化合物结合能较高，其中纯共价键的金刚石有最高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高高的熔点，金属的熔点相对较低，这是陶瓷材料比金属具有更高热稳定性的根本原因。热稳定性的根本原因。热稳定性的根本原因。热稳定性的根本原因。n n金属中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属金属中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属金属

14、中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属金属中过渡族金属具有较高的熔点，特别是难熔金属WW、MoMo、TaTa等熔点较高，这可能是由于这些金属的内层电子没有等熔点较高，这可能是由于这些金属的内层电子没有等熔点较高，这可能是由于这些金属的内层电子没有等熔点较高，这可能是由于这些金属的内层电子没有填满，使结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的填满，使结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的填满，使结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的填满，使结合键中有一定比例的共价键。具有二次键结合的材料如聚合物等，熔点偏低。材料如聚合物等，熔点偏低。材料如聚合物等，熔点偏低。材料如聚合物等，熔

15、点偏低。结合键与物理性能的关系熔点结合键与物理性能的关系熔点现在学习的是第17页，共31页18现在学习的是第18页，共31页19n n材料的密度与结合键类型有关。材料的密度与结合键类型有关。材料的密度与结合键类型有关。材料的密度与结合键类型有关。n n大多数金属有较高的密度，如大多数金属有较高的密度，如大多数金属有较高的密度，如大多数金属有较高的密度，如PtPt、WW、AuAu的密度在工程材料的密度在工程材料的密度在工程材料的密度在工程材料中最高。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有中最高。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有中最高。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有

16、中最高。金属的高密度有两个原因：一个是由于金属原子有较高的相对原子质量；另一个原因是因为金属键的结合方式较高的相对原子质量；另一个原因是因为金属键的结合方式较高的相对原子质量；另一个原因是因为金属键的结合方式较高的相对原子质量；另一个原因是因为金属键的结合方式没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常是没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常是没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常是没有方向性，所以金属原子中趋向于密集排列，金属经常是简单的原子密排结构。简单的原子密排结构。简单的原子密排结构。简单的原子密排结构。n n离子键和共价键结合时的情况。原子排列不可能非常

17、致密。共离子键和共价键结合时的情况。原子排列不可能非常致密。共离子键和共价键结合时的情况。原子排列不可能非常致密。共离子键和共价键结合时的情况。原子排列不可能非常致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制，离子键结合时则要满足正、负离子之间子键结合时则要满足正、负离子之间子键结合时则要满足正、负离子之间子键结合时则要满足正、负离子之间结合键与物理性能的关系密度结合键与物理性能的关系密度现在学习的是第19页，共31页20 的电荷

18、平衡的要求，相邻的原子数目都不如金属多，所以的电荷平衡的要求，相邻的原子数目都不如金属多，所以的电荷平衡的要求，相邻的原子数目都不如金属多，所以的电荷平衡的要求，相邻的原子数目都不如金属多，所以陶瓷材料的密度比较低。陶瓷材料的密度比较低。陶瓷材料的密度比较低。陶瓷材料的密度比较低。n n聚合物中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，聚合物中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，聚合物中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，聚合物中由于是通过二次键结合，分子之间堆垛不紧密，加上组成的原子质量比较小（加上组成的原子质量比较小（加上组成的原子质量比较小（加上组成的原子质量比较小（C C、

19、HH、OO），因此聚合物），因此聚合物），因此聚合物），因此聚合物的密度很低。的密度很低。的密度很低。的密度很低。n n与金属键结合的金属相比，由非金属键结合的陶瓷、与金属键结合的金属相比，由非金属键结合的陶瓷、聚合物一般在故态下不导电，它们可以作为绝缘体和聚合物一般在故态下不导电，它们可以作为绝缘体和绝热体在工程上应用。绝热体在工程上应用。结合键与物理性能的关系密度结合键与物理性能的关系密度现在学习的是第20页，共31页21n n工程材料的腐蚀是一种化学反应，实质是结合键的工程材料的腐蚀是一种化学反应，实质是结合键的形成和破坏。金属腐蚀时，金属离子离开金属就与形成和破坏。金属腐蚀时，金属离子

20、离开金属就与外层价电子的失去有关。外层价电子的失去有关。结合键与化学性能的关系腐蚀结合键与化学性能的关系腐蚀现在学习的是第21页，共31页22n n晶体材料的硬度与晶体的结合键有关。一般来晶体材料的硬度与晶体的结合键有关。一般来说，共价键、离子键、金属键结合的晶体比分说，共价键、离子键、金属键结合的晶体比分子键结合的晶体的硬度高。子键结合的晶体的硬度高。结合键与力学性能的关系硬度结合键与力学性能的关系硬度现在学习的是第22页，共31页23n n弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大弹性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大弹

21、性模量是表征材料在发生弹性变形时所需要施加力的大小。小。小。小。n n在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变，在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变，在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变，在给定应力下，弹性模量大的材料只发生很小的弹性应变，而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。而弹性模量小的材料则发生比较大的弹性应变。n n结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结合键结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结合键结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结合

22、键结合能是影响弹性模量的主要因素，结合键之间的结合键能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性模量之间有很能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性模量之间有很能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性模量之间有很能越大，则弹性模量越大，结合键能与弹性模量之间有很好的对应关系。好的对应关系。好的对应关系。好的对应关系。结合键与力学性能的关系弹性模量结合键与力学性能的关系弹性模量现在学习的是第23页，共31页24结合键与力学性能的关系弹性模量结合键与力学性能的关系弹性模量n n金刚石具有最高的弹性模量，金刚石具有最高的弹性模量，金刚石具有最高的弹性模量，金刚石具有最高的弹性模量，E E1000GPa1000

23、GPan n工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等结合键能也比较高，工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等结合键能也比较高，工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等结合键能也比较高，工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等结合键能也比较高，它们的弹性模量为它们的弹性模量为它们的弹性模量为它们的弹性模量为250600GPa 250600GPa n n金属键结合的金属材料弹性模量要抵一些，常用金金属键结合的金属材料弹性模量要抵一些，常用金属材料的弹性模量约为属材料的弹性模量约为7070350GPan n聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为聚合物由

24、于二次键的作用，弹性模量仅为0.73.5GPa3.5GPa现在学习的是第24页，共31页25n n材料的强度与结合键能也有一定的联系。一般材料的强度与结合键能也有一定的联系。一般结合键能高，强度也高一些。结合键能高，强度也高一些。n n材料的强度在很大程度上还取决于材料的其他材料的强度在很大程度上还取决于材料的其他结构因素，如材料的组织，因此材料的强度可结构因素，如材料的组织，因此材料的强度可以在一个较大的范围内变化。以在一个较大的范围内变化。结合键与力学性能的关系强度结合键与力学性能的关系强度现在学习的是第25页，共31页26n n材料的塑性也与结合键类型有关，金属键结合的材料的塑性也与结合

25、键类型有关，金属键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键结合的材料具有良好的塑性，而离子键、共价键结合的材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。材料的塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。结合键与力学性能的关系塑性结合键与力学性能的关系塑性现在学习的是第26页，共31页27l金属键（金属键（Metallic bondingMetallic bonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极典型金属原子结构：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，形成电子云易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属金属中自

26、由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键键l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形特点：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，延展性好现在学习的是第27页，共31页28思考题思考题n n为什么第为什么第VIIIVIII族中铁钴镍有铁磁性，而同族的钌族中铁钴镍有铁磁性，而同族的钌铑钯铑钯,锇铱铂却没有锇铱铂却没有?常温下钆常温下钆GdGd也具有铁磁性也具有铁磁性？n n为什么银的颜色是银白的，而金的颜色是金黄为什么银的颜色是银白的，而金的颜色是金黄色的，物质的颜色与什么有关？色的，物质的颜色与什么有关

27、？现在学习的是第28页，共31页29n n为什么第为什么第VIIIVIII族中铁钴镍有铁磁性，而同族的钌铑钯族中铁钴镍有铁磁性，而同族的钌铑钯,锇铱铂却没有锇铱铂却没有锇铱铂却没有锇铱铂却没有?常温下钆常温下钆常温下钆常温下钆GdGdGdGd也具有铁磁性？也具有铁磁性？也具有铁磁性？也具有铁磁性？n n铁磁性产生的条件：铁磁性产生的条件：铁磁性产生的条件：铁磁性产生的条件：原子内部要有末填满的电子壳层；原子内部要有末填满的电子壳层；原子内部要有末填满的电子壳层；原子内部要有末填满的电子壳层；及及及及RabRabRabRabr r之比大于之比大于3 3 3 3使交换积分使交换积分A A A A为

28、正。前者指的是为正。前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。构。现在学习的是第29页，共31页30n n为什么银的颜色是银白的，而金的颜色是金黄色的，物质为什么银的颜色是银白的，而金的颜色是金黄色的，物质为什么银的颜色是银白的，而金的颜色是金黄色的，物质为什么银的颜色是银白的，而金的颜色是金黄色的，物质的颜色与什么有关？的颜色与什么有关？的颜色与什么有关？的颜色与什么有关？n n物质都是由原子（或离子）构成，在这些粒子中有电子，电子分布在能量物质都是由原子（或离子）构成，在这些粒子中有电子，电子分布在能量物质都是由原子（或离子）

29、构成，在这些粒子中有电子，电子分布在能量物质都是由原子（或离子）构成，在这些粒子中有电子，电子分布在能量固定的几个轨道上，此时的状态称为基态，当光照射到物质上的时候，电固定的几个轨道上，此时的状态称为基态，当光照射到物质上的时候，电固定的几个轨道上，此时的状态称为基态，当光照射到物质上的时候，电固定的几个轨道上，此时的状态称为基态，当光照射到物质上的时候，电子会吸收照射光中的一部分能量产生跃迁，从能量低的轨道子会吸收照射光中的一部分能量产生跃迁，从能量低的轨道子会吸收照射光中的一部分能量产生跃迁，从能量低的轨道子会吸收照射光中的一部分能量产生跃迁，从能量低的轨道“跳跳跳跳”至能量至能量至能量至

30、能量高的轨道，称为激发态。这部分能量等于两个轨道能级之差。而这部分能高的轨道，称为激发态。这部分能量等于两个轨道能级之差。而这部分能高的轨道，称为激发态。这部分能量等于两个轨道能级之差。而这部分能高的轨道，称为激发态。这部分能量等于两个轨道能级之差。而这部分能量又对应于照射光中某一波段的光波，也就是这一段光被吸收了，反射回量又对应于照射光中某一波段的光波，也就是这一段光被吸收了，反射回量又对应于照射光中某一波段的光波，也就是这一段光被吸收了，反射回量又对应于照射光中某一波段的光波，也就是这一段光被吸收了，反射回我们眼睛的是未被吸收的那部分光。那么为什么不同的物质会有不同的颜我们眼睛的是未被吸收

31、的那部分光。那么为什么不同的物质会有不同的颜我们眼睛的是未被吸收的那部分光。那么为什么不同的物质会有不同的颜我们眼睛的是未被吸收的那部分光。那么为什么不同的物质会有不同的颜色呢？因为不同的原子内电子轨道能级差不一样，所以吸收的光波段不一色呢？因为不同的原子内电子轨道能级差不一样，所以吸收的光波段不一色呢？因为不同的原子内电子轨道能级差不一样，所以吸收的光波段不一色呢？因为不同的原子内电子轨道能级差不一样，所以吸收的光波段不一样，最终导致我们感觉到的反射光颜色不一样！样，最终导致我们感觉到的反射光颜色不一样！样，最终导致我们感觉到的反射光颜色不一样！样，最终导致我们感觉到的反射光颜色不一样！现在学习的是第30页，共31页感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第31页，共31页