材料的原子结构和原子间的结合键.ppt

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1、材料的原子结构和原材料的原子结构和原子间的结合键子间的结合键现在学习的是第1页，共26页2022/10/52022/10/5第三章第三章材料的原子结构和原子间的结合键材料的原子结构和原子间的结合键现在学习的是第2页，共26页材料的原子结构和原子间的结合键材料的原子结构和原子间的结合键2022/10/52022/10/5内容简介：内容简介：本章主要讲述了各种材料的原子结构和原子特性，并介绍了原子间结合键种类及材料的分类。本章重点：本章重点：3.1 材料结构和原子特性；3.3 原子间的结合键；现在学习的是第3页，共26页2022/10/52022/10/5概述概述 在外界条件固定时，材料的性能取决

2、于材在外界条件固定时，材料的性能取决于材料内部的构造，即组成材料的原子种类和含量料内部的构造，即组成材料的原子种类和含量（称为成分）以及它们的排列方式和空间分布（称为成分）以及它们的排列方式和空间分布（称为组织结构）。我们研究材料结构与性能（称为组织结构）。我们研究材料结构与性能之间的关系，首先必须弄清楚组成材料的原子之间的关系，首先必须弄清楚组成材料的原子结构以及相互之间的结合特点。结构以及相互之间的结合特点。现在学习的是第4页，共26页第一节第一节 材料结构和原子特性材料结构和原子特性2022/10/52022/10/5学习目标：学习目标：1.了解材料结构的基本涵义；2.理解原子结构、量子

3、力学的基本概念。现在学习的是第5页，共26页材料结构和原子特性材料结构和原子特性材料结构的涵义：材料结构的涵义：材料结构是指组成材料的原子（或离子、分子）相互结合的材料结构是指组成材料的原子（或离子、分子）相互结合的方式或构成的形式（这些形式称为结构要素）以及结构要素按方式或构成的形式（这些形式称为结构要素）以及结构要素按一定次序的组合、排列及相互间的各种联系。一定次序的组合、排列及相互间的各种联系。材料结构包括以下内容：材料结构包括以下内容：1.组成材料原子（或离子、分子）的构造组成材料原子（或离子、分子）的构造 2.组成材料原子（或离子、分子）间的结合组成材料原子（或离子、分子）间的结合

4、3.组成材料原子（或离子、分子）的排列组成材料原子（或离子、分子）的排列 4.材料结构内存在的缺陷材料结构内存在的缺陷 材料结构从宏观到微观，即按研究的层次，材料结构从宏观到微观，即按研究的层次，大致可分为宏观组织结构、显微组织结构、原大致可分为宏观组织结构、显微组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构等。子或分子排列结构、原子中的电子结构等。现在学习的是第6页，共26页原子特性原子特性 原子结构原子结构二、原子特性二、原子特性（一）原子结构（一）原子结构 在结构上，原子核是由带正电荷的粒子即质在结构上，原子核是由带正电荷的粒子即质子和不带电荷的粒子即中子组成。质子数也即子和不带电荷的粒

5、子即中子组成。质子数也即原子序数（原子序数（Z），决定了元素的本性。核内质子），决定了元素的本性。核内质子和中子的总数决定了原于量。每个原子的原子和中子的总数决定了原于量。每个原子的原子核周围有电子围绕。核周围有电子围绕。原子的轨道电子或电子云，能被电力、磁力原子的轨道电子或电子云，能被电力、磁力和机械力所改变或干忧。这种改变和和干扰对和机械力所改变或干忧。这种改变和和干扰对工程材料的性能，如导电性、导热性、磁性和工程材料的性能，如导电性、导热性、磁性和抗腐蚀性等产生很大的影响。抗腐蚀性等产生很大的影响。现在学习的是第7页，共26页原子特性原子特性量子力学基本概念量子力学基本概念(二二)量子力

6、学几个基本概念量子力学几个基本概念 1微观粒子的波粒两象性微观粒子的波粒两象性 2海森堡测不准原理海森堡测不准原理 现在学习的是第8页，共26页原子特征原子特征核外电子核外电子（三）核外电子（三）核外电子 电子在原子中的运动状态是由主量子数、电子在原子中的运动状态是由主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数，对应着一角量子数、磁量子数和自旋量子数，对应着一个特定的波函数个特定的波函数。在多电子的原子中，电子。在多电子的原子中，电子的分布必须遵守泡利不相容原理、能量最低原的分布必须遵守泡利不相容原理、能量最低原理和最多轨道原理（洪特规则）。理和最多轨道原理（洪特规则）。现在学习的是第9页，共26

7、页第二节第二节 原子间作用力和结合能原子间作用力和结合能 学习目标：学习目标：1.掌握原子的聚集态分类；掌握原子的聚集态分类；2.了解原子间作用力和结合能。了解原子间作用力和结合能。现在学习的是第10页，共26页原子的聚集态原子的聚集态一、原子的聚集态：一、原子的聚集态：除了在某些特殊条件下之外，元素难得以原子态存在，除了在某些特殊条件下之外，元素难得以原子态存在，基本上均以分子或液态及固态存在，后二者统称为凝聚态。基本上均以分子或液态及固态存在，后二者统称为凝聚态。根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类：液体、液根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类：液体、液晶、橡胶态、玻璃态和晶态

8、。晶、橡胶态、玻璃态和晶态。现在学习的是第11页，共26页聚集态原子间作用力和结合能聚集态原子间作用力和结合能二、聚集态原子间作用力和结合能二、聚集态原子间作用力和结合能图3-1 势能及作用力与原子间距离的关系 现在学习的是第12页，共26页聚集态原子间作用力和结合能聚集态原子间作用力和结合能 从图从图3-1可看到，当原子间距可看到，当原子间距 r 很大时，原很大时，原子之间的作用力很小；当原子离开得更远时子之间的作用力很小；当原子离开得更远时（无限距离），相互间作用力趋近于零，位能（无限距离），相互间作用力趋近于零，位能也是如此。当原子间距离也是如此。当原子间距离 r 较小时，存在着很较小时

9、，存在着很大的吸引力，势必把原子拉在一起，当原子更大的吸引力，势必把原子拉在一起，当原子更接近即接近即 r=r0 时，终于达到原子间吸引力与时，终于达到原子间吸引力与排斥力相平衡，换言之，力的和等于零，此时排斥力相平衡，换言之，力的和等于零，此时原子对的位能为最小值，该能量代表了原子间原子对的位能为最小值，该能量代表了原子间的键能，该位置是原子最稳定的构型，该间距的键能，该位置是原子最稳定的构型，该间距称为平衡间距。称为平衡间距。现在学习的是第13页，共26页第三节第三节 原子间的结合键原子间的结合键 学习目标：学习目标：1.掌握结合键的概念；掌握结合键的概念；2.了解各种结合键了解各种结合键

10、现在学习的是第14页，共26页原子间的结合键原子间的结合键 原子之间的结合力，也称结合键它主要原子之间的结合力，也称结合键它主要表现为原子间吸引力和排斥力的合力结果。表现为原子间吸引力和排斥力的合力结果。结合键可大致分为两类：化学键和物理键结合键可大致分为两类：化学键和物理键或称一次键和二次键。化学键（一次键）通常或称一次键和二次键。化学键（一次键）通常指离子键、共价键和金属键，而物理键（二次指离子键、共价键和金属键，而物理键（二次键）则是范德瓦尔斯键和氢键键）则是范德瓦尔斯键和氢键现在学习的是第15页，共26页原子间的结合键原子间的结合键原子间的结合键原子间的结合键金属键分子键共价键离子键氢

11、键现在学习的是第16页，共26页离子键离子键一、离子键：一、离子键：正离子和负离子由于静电引力相互吸引，当它们充分接正离子和负离子由于静电引力相互吸引，当它们充分接近时会产生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键近时会产生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。离。离子键要求正负离子相间排列，而且要使异号离子之间的引力最子键要求正负离子相间排列，而且要使异号离子之间的引力最大，同号离子之间的斥力最小。大，同号离子之间的斥力最小。离子键的结合力比较大，所以离子晶体的硬度高，强离子键的结合力比较大，所以离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。例如度大，热膨胀系数小，但脆性大。例如MgO、

12、Al2O3和和钢中的某些非金属夹杂等钢中的某些非金属夹杂等 。现在学习的是第17页，共26页共价键共价键二、共价键：二、共价键：由共用价电子对产生的化学键叫做共价键。由共用价电子对产生的化学键叫做共价键。由共价键形成的由共价键形成的晶体为共价晶体。共价晶体中的粒子为中性原子，所以也晶体为共价晶体。共价晶体中的粒子为中性原子，所以也叫做原子晶体。具有代表性的共价晶体为金刚石。叫做原子晶体。具有代表性的共价晶体为金刚石。共价键的结合力很大，所以共价晶体具有强度高、硬度大、共价键的结合力很大，所以共价晶体具有强度高、硬度大、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低等性质，结构也比较稳定。脆性大、熔点高、沸点

13、高和挥发性低等性质，结构也比较稳定。由于相邻原子所共有的电子不能自由运动，共价晶体的导电能由于相邻原子所共有的电子不能自由运动，共价晶体的导电能力较差。力较差。现在学习的是第18页，共26页金属键金属键三、金属键三、金属键 正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来，这种结合力就叫做金属键起来，这种结合力就叫做金属键。由金属键结合起来的晶体为金。由金属键结合起来的晶体为金属晶体。属晶体。由于存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性，自由电子能由于存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性，自由电子能吸收光波能量，产生跃迁，从而

14、表现出有金属光泽、不透明。吸收光波能量，产生跃迁，从而表现出有金属光泽、不透明。另外，金属键无所谓的饱和性和方向性。另外，金属键无所谓的饱和性和方向性。现在学习的是第19页，共26页分子健（范德瓦尔斯力）分子健（范德瓦尔斯力）四、分子健（范德瓦尔斯力）四、分子健（范德瓦尔斯力）范德瓦尔斯键有范德瓦尔斯键有3个来源：个来源：偶极间的静偶极间的静电力（葛生力）电力（葛生力）诱导力（德拜力）诱导力（德拜力）色散力色散力（伦敦力）（伦敦力）晶体几种不同结合键中，晶体几种不同结合键中，离子键结合能最离子键结合能最高，共价键其次，金属键第三，而范德瓦尔键高，共价键其次，金属键第三，而范德瓦尔键最弱。最弱。

15、现在学习的是第20页，共26页氢键氢键五、氢键：五、氢键：在含氢的物质中，特别是含氢的聚合物中，在含氢的物质中，特别是含氢的聚合物中，经常可以见到由氢离子所引起的键。一般一个经常可以见到由氢离子所引起的键。一般一个中性氢原子只和一个另外的原子形成共价键。中性氢原子只和一个另外的原子形成共价键。但是在一定的条件下，一个氢原子可以同时与但是在一定的条件下，一个氢原子可以同时与两个电子亲合能大的，半径较小的原子（两个电子亲合能大的，半径较小的原子（F、O、N等）相结合，这种结合力叫等）相结合，这种结合力叫氢键。氢键。氢键结合起来的晶体为氢键晶体。水、冰氢键结合起来的晶体为氢键晶体。水、冰中都有氢键，

16、化工材料硼酸就是典型的氢键晶中都有氢键，化工材料硼酸就是典型的氢键晶体。体。现在学习的是第21页，共26页第四节第四节 原子间结合键与材料类型及性质原子间结合键与材料类型及性质 学习目标：学习目标：1.了解原子间结合键与材料类型的关系；了解原子间结合键与材料类型的关系；2.了解原子间结合键与材料性质的关系。了解原子间结合键与材料性质的关系。现在学习的是第22页，共26页原子间结合键与材料类型原子间结合键与材料类型一、原子间结合键与材料类型一、原子间结合键与材料类型 工程上主要根据固体中的结合键的特点或工程上主要根据固体中的结合键的特点或本性将材料分为以下四类：本性将材料分为以下四类：（1）金属

17、材料）金属材料 （2）高分子材料）高分子材料 （3）陶瓷材料）陶瓷材料 （4）复合材料）复合材料现在学习的是第23页，共26页原子间结合键与材料性质原子间结合键与材料性质二、原子间结合键与材料性质二、原子间结合键与材料性质(一一)原子间结合键与材料的弹性模量原子间结合键与材料的弹性模量 金属材料弹性模量的主要由晶体中原子的本金属材料弹性模量的主要由晶体中原子的本性，晶格类型以及晶格常数等因素决定。性，晶格类型以及晶格常数等因素决定。在无机非金属材料中，金刚石具有极高的弹在无机非金属材料中，金刚石具有极高的弹性量性量；硅酸盐材料一般也具有较高的弹性模量；硅酸盐材料一般也具有较高的弹性模量，原因在

18、于硅酸盐材料的结合键主要是共价键，原因在于硅酸盐材料的结合键主要是共价键和离子键，故键合力大。和离子键，故键合力大。有机高分子材料的弹性模量很低，且在相当有机高分子材料的弹性模量很低，且在相当大的范围内变化，这与其结合键的性质有关。大的范围内变化，这与其结合键的性质有关。现在学习的是第24页，共26页原子间结合键与材料性质原子间结合键与材料性质（二）原子间结合键与材料其它性能（二）原子间结合键与材料其它性能 材料的密度由原子量、原子半径和配位数控材料的密度由原子量、原子半径和配位数控制。制。强度受双原子模型的合力曲线的影响强度受双原子模型的合力曲线的影响 电导率与原子键的性质密切相关。电导率与原子键的性质密切相关。现在学习的是第25页，共26页思思 考考 题题思思 考考 题题1材料结构的具体涵义是什么？他们与性能的关系如何？材料结构的具体涵义是什么？他们与性能的关系如何？3说明三大类材料的键性及与其性质的关系。说明三大类材料的键性及与其性质的关系。2.从原子外层电子相互作用角度，说明各种结合键的具体特征。从原子外层电子相互作用角度，说明各种结合键的具体特征。现在学习的是第26页，共26页