金属的原子结构.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质,同样是由碳元素组成的,为什么是硬度最高的物质,同样是由碳元素组成的,为什么是硬度最高的物质,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?而石墨却很软?而石墨却很软?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?为什么原子能结合成固体?为什么原子能结合成固体?
2、(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
3、 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
4、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/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 价电子数少于价电子数少于价电子数少于价电子数少于4 4)电子云正离子n n各个原子的价电子极易挣脱各个原子的价电子极易挣脱各个原子的价电子极易挣脱各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电原子核的束缚而成为自由电原
5、子核的束缚而成为自由电原子核的束缚而成为自由电子,在整个晶体内运动,即子,在整个晶体内运动,即子,在整个晶体内运动,即子,在整个晶体内运动,即弥漫于金属正离子组成的晶弥漫于金属正离子组成的晶弥漫于金属正离子组成的晶弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云。格之中而形成电子云。格之中而形成电子云。格之中而形成电子云。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
6、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
7、属键不被破坏,故金属有很故金属有很好的好的延展性延展性。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,故金属金属可以吸收波长范围极广的光,并重新反射出,故金属晶体不透明,且有晶体不透明,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,如过金属主要是金属键结合,但也会出现一些非金属键,如过金属主要是金属键结合,但也会出现一些非金属键,如过金属主要是
8、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渡族元素(特别是高熔点过渡族金属渡族元素(特别是高熔点过渡族金属渡族元素(特别是高熔点过渡族金属WW、MoMo等),它们等),它们等),它们等),它们的原子结合中也会出现少量的共价键结合,这也是的原子结合中也会出现少量的共价键结合,这也是的原子结合中也会出现少量的共价键结合,这也是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。过渡族金属具有高熔点的原因。过渡族金属具有高熔点的原因。过渡族金属具有高熔点的原因。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
9、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),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,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
10、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。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 a 代表引力,代表引力,代表引力,代表引力,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,
11、b b,mm,n n 均为常数,其中均为常数,其中均为常数,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原子间净作用力原子间净作用力f f 为:为: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,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,是原子或分子结合起来原子能够结合为固体的根本原因,是原子或分子结合起来原子能够结合为固体的根本原因,是原子或分子结合起来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
12、原子结合成晶体过程中,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,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,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。这个能量叫做结合能。会有一定的能量释放出来。这个能量叫做结合能。会有一定的能量释放出来。这个能量叫做结合能。会有一定的能量释放出来。这个能量叫做结合能。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,金离子晶体、共价晶体的结合能最大;金属键结合次之,金离
13、子晶体、共价晶体的结合能最大;金属键结合次之,金离子晶体、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;范德瓦尔斯键的结合能最属键结合中以过渡元素为最大;范德瓦尔斯键的结合能最属键结合中以过渡元素为最大;范德瓦尔斯键的结合能最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,只有几十小,只有几十小,只有几十小,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要材料结合键的类型及结合能的大小对材料的性能有重要材料结合键的类型及结合能的大小对材料的性能有重要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
14、性能。的影响,特别是对物理性能和力学性能。的影响,特别是对物理性能和力学性能。的影响,特别是对物理性能和力学性能。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,原子振动足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,所以熔点与结合能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
15、能有很好的对应关系。有很好的对应关系。有很好的对应关系。有很好的对应关系。n n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
16、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填满,等熔点较高,这可能是由于这些金属的内层电子没有填满,等熔点较高,这可能是由于这些金属的内层电子没有填满,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。具有二次键结合的材料如聚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使结合键
17、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。合物等,熔点偏低。合物等,熔点偏低。合物等,熔点偏低。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的密度在工程材的密度在工程材的密度在工程材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
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