无机材料科学基础第一章精.ppt

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1、无机材料科学基础第无机材料科学基础第一章一章第1页，本讲稿共82页2 (1)同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度最同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度最高的物质，而石墨却很软？高的物质，而石墨却很软？(2)为什么原子能结合成固体？为什么原子能结合成固体？(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？(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？(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？思考思考第2页，本讲稿共82页3第第1章章 无机材料的原子结构无机材料的原子结构与化学键与化学键第3页，本讲稿共82页4主要内容

2、主要内容1 原子结构原子结构2 元素周期表元素周期表3 原子间的键合原子间的键合4 材料的结合键与性能材料的结合键与性能第4页，本讲稿共82页51 1 原子结构原子结构 （Atomic Structure）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 保存物质化学特性原子（Atom）：化学变化中最小微粒第5页，本讲稿共82页6n n18971897年，汤姆逊发现电子年，汤姆逊发现电子,提出提出“葡萄干布丁葡萄干布丁”模型模型n n19101910年，卢瑟福散射试验，提出年，卢瑟福散射试验，提出“行星系

3、统行星系统”模模型型n n19131913年，玻尔模型年，玻尔模型1.1 物质结构理论发展简介物质结构理论发展简介第6页，本讲稿共82页7n n19131913年，玻尔在年，玻尔在年，玻尔在年，玻尔在普朗克量子论普朗克量子论普朗克量子论普朗克量子论、爱因斯坦光子说和卢瑟福的原爱因斯坦光子说和卢瑟福的原爱因斯坦光子说和卢瑟福的原爱因斯坦光子说和卢瑟福的原子模型子模型子模型子模型的基础上提出了原子结构理论的三点假设：的基础上提出了原子结构理论的三点假设：的基础上提出了原子结构理论的三点假设：的基础上提出了原子结构理论的三点假设：1)电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件电子不是

4、在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动，在这些轨道中电子的角动量等于的轨道上运动，在这些轨道中电子的角动量等于h/2的整数倍。的整数倍。2)电子处在上述轨道时，原子既不吸收能量，也不辐射能量。原子中电子处在上述轨道时，原子既不吸收能量，也不辐射能量。原子中有很多这种稳定的状态（简称定态），其中能量最低的定态称为基有很多这种稳定的状态（简称定态），其中能量最低的定态称为基态，能量较高的定态称为激发态。态，能量较高的定态称为激发态。3)当电子由一种定态跃迁至另一种定态时，就要吸收或放出能当电子由一种定态跃迁至另一种定态时，就要吸收或放出能量，其值恰好等于两种定态的能量差，它

5、与光的频率关系为量，其值恰好等于两种定态的能量差，它与光的频率关系为第7页，本讲稿共82页8n n玻尔原子理论的成功之处玻尔原子理论的成功之处1)提出了量子的概念2)成功地解释了氢原子光谱的实验结果3)用于计算氢原子的电离能n玻尔原子理论的局限性玻尔原子理论的局限性1)无法解释氢原子光谱的精细结构2)不能解释多电子原、分子或固体的光谱3)不能解释电子衍射现象第8页，本讲稿共82页9n n薛定谔方程薛定谔方程-微粒的波动方程微粒的波动方程波函数：描述核外电子运动状态的波函数：描述核外电子运动状态的 数学函数式。数学函数式。1926年，薛定谔年，薛定谔(Schrodinger)微观粒子的波动方程：

6、微观粒子的波动方程：波函数：波函数x,y,z：空间坐标：空间坐标 E：体系的总能量：体系的总能量V：势能：势能第9页，本讲稿共82页10n n波函数和原子轨道波函数和原子轨道波函数和原子轨道波函数和原子轨道1)波函数波函数是描述核外电子运动状态的数学函数式。是描述核外电子运动状态的数学函数式。2)波函数通常也叫原子轨道。原子在不同条件（波函数通常也叫原子轨道。原子在不同条件（n，l，m）下的波函数叫做不同的原子轨道，通常用）下的波函数叫做不同的原子轨道，通常用s，p，d，f等符号依次表示等符号依次表示l0，1，2，3的轨道的轨道3)波函数波函数描述了核外电子可能出现的一个空间区域描述了核外电子

7、可能出现的一个空间区域（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确定的几（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确定的几何轨迹。何轨迹。4)没有明确的物理意义，但没有明确的物理意义，但|2 表示空间某处单位体表示空间某处单位体积内电子出现的几率（几率密度）。积内电子出现的几率（几率密度）。第10页，本讲稿共82页11 对于定态的原子来说，电子也不是位于确定半径对于定态的原子来说，电子也不是位于确定半径对于定态的原子来说，电子也不是位于确定半径对于定态的原子来说，电子也不是位于确定半径的平面轨道上，而是有可能位于核外空间的任何地方，的平面轨道上，而是有可能位于核外空间的任何地方，的平面轨道上，而是有可

8、能位于核外空间的任何地方，的平面轨道上，而是有可能位于核外空间的任何地方，只是在不同的位置出现电子的几率不同。这样，经典只是在不同的位置出现电子的几率不同。这样，经典只是在不同的位置出现电子的几率不同。这样，经典只是在不同的位置出现电子的几率不同。这样，经典的轨道概念就必须摒弃。人们往往用连续分布的的轨道概念就必须摒弃。人们往往用连续分布的的轨道概念就必须摒弃。人们往往用连续分布的的轨道概念就必须摒弃。人们往往用连续分布的“电子电子电子电子云云云云”代替轨道来表示单个电子出现在各处的几率。代替轨道来表示单个电子出现在各处的几率。代替轨道来表示单个电子出现在各处的几率。代替轨道来表示单个电子出现

9、在各处的几率。电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大的地方。电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大的地方。电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大的地方。电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大的地方。第11页，本讲稿共82页12-27-27-31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 m9.109510 kg9.109510 kg，约为质

10、子的，约为质子的1/18361/1836e=1.602210-19CNA=6.0231023atom/molM：原子量：原子量第12页，本讲稿共82页13例例1 1 Fe-Pt纳米粒子是一种新的磁记录材料，其记录密度可达Tb/平方英寸，比现有的磁记录材料高10100倍。如果纳米颗粒的直径为3nm，计算每个纳米粒子中的铁原子的数量。已知：Fe=7.8g/cm3 MFe=56 g/mol解：假设纳米粒子是球状的，则其半径为1.5纳米 V=(4/3)(1.510-7cm)3=1.4137 10-20 cm3 m=7.8g/cm3 1.4137 10-20 cm3=1.102 10-19 g 第13页

11、，本讲稿共82页141.2 核外电子运动状态核外电子运动状态1.四个量子数及其表征的意义四个量子数及其表征的意义n n主量子数主量子数主量子数主量子数 n n 表征原子轨道离核的远近，即表征原子轨道离核的远近，即表征原子轨道离核的远近，即表征原子轨道离核的远近，即核外核外核外核外电子的层数电子的层数电子的层数电子的层数第14页，本讲稿共82页15n n角量子数角量子数角量子数角量子数 l li i 又称又称又称又称副量子数副量子数副量子数副量子数。它决定原子轨道或电。它决定原子轨道或电。它决定原子轨道或电。它决定原子轨道或电子云的形状，并在多电子原子中和子云的形状，并在多电子原子中和子云的形状

12、，并在多电子原子中和子云的形状，并在多电子原子中和n n一起决定电子的一起决定电子的一起决定电子的一起决定电子的能量。能量。能量。能量。l li i0 01 12 23 3光谱学符光谱学符光谱学符光谱学符号号号号spdf第15页，本讲稿共82页16n n磁量子数磁量子数磁量子数磁量子数 mm 表征原子轨道在外磁场方向上分量的表征原子轨道在外磁场方向上分量的表征原子轨道在外磁场方向上分量的表征原子轨道在外磁场方向上分量的大小，即大小，即大小，即大小，即原子轨道在空间的不同取向原子轨道在空间的不同取向原子轨道在空间的不同取向原子轨道在空间的不同取向 每一个亚层中，每一个亚层中，m有几个取值，其亚层

13、就有几个不同伸展方向有几个取值，其亚层就有几个不同伸展方向的同类原子轨道的同类原子轨道 磁量子数与电子能量无关，同一亚层的原子轨道，能量是相等的，磁量子数与电子能量无关，同一亚层的原子轨道，能量是相等的，叫等价轨道叫等价轨道(或简并轨道），简并轨道的数目，称为简并度。或简并轨道），简并轨道的数目，称为简并度。第16页，本讲稿共82页17n n自旋量子数自旋量子数 s 表征表征自旋运动的取向自旋运动的取向电子自旋有顺时针和逆电子自旋有顺时针和逆时针的两个方向，通常时针的两个方向，通常用用和和表示表示Electron spin visualized第17页，本讲稿共82页18例例2：已知核外某电子

14、的四个量子数为：已知核外某电子的四个量子数为：n=2;l=1;m=-1;ms=+1/2说明其表示的意义。说明其表示的意义。指在第二电子层、指在第二电子层、p亚层、亚层、py轨道上、自旋轨道上、自旋方向以方向以(+1/2)为特征的电子。为特征的电子。n 原子中每个电子的运动状态可用四个量子数来描述，原子中每个电子的运动状态可用四个量子数来描述，四个量四个量 子数确定之后，电子在核外的运动状态就确定子数确定之后，电子在核外的运动状态就确定了。了。第18页，本讲稿共82页191.3 核外电子排布规律核外电子排布规律（1）核外电子的排布规则）核外电子的排布规则n n能量最低原理能量最低原理n n泡利（

15、泡利（Pauli）不相容原理）不相容原理多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能地分布到多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能地分布到能量最低的轨道。能量最低的轨道。n n洪得（洪得（Hund）规则）规则在同一个原子中，没有四个量子数（运动状态）完在同一个原子中，没有四个量子数（运动状态）完全相同的电子。全相同的电子。电子分布到能量相同的等价轨道时，总是先以自旋电子分布到能量相同的等价轨道时，总是先以自旋相同的方向，单独占据能量相同的轨道。相同的方向，单独占据能量相同的轨道。第19页，本讲稿共82页20洪特规则的特例：等价轨道的全充满、半充满和全空洪特规则的特例：等价轨道的全充满、半充满和全空的

16、状态是比较稳定的。的状态是比较稳定的。全充满：全充满：p6，d 10，f 14半充满：半充满：p3，d 5，f 7全全 空：空：p0，d 0，f 0第20页，本讲稿共82页21练习：写出练习：写出14Si、26Fe、47Ag的电子结构式的电子结构式14Si：1s22s22p63s23p226Fe：1s22s22p63s23p63d64s247Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1第21页，本讲稿共82页222、元素周期表元素周期表（Periodic Table of the Elements)n n元素（元素（元素（元素（ElementElement）：具有相同

17、核电荷的同一类原子总称，）：具有相同核电荷的同一类原子总称，）：具有相同核电荷的同一类原子总称，）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共共共共118118种（种（种（种（20072007年），核电荷数是划分元素的依据年），核电荷数是划分元素的依据年），核电荷数是划分元素的依据年），核电荷数是划分元素的依据n n同位素（同位素（同位素（同位素（IsotopeIsotope）：具有相同的质子数和不同中子数）：具有相同的质子数和不同中子数）：具有相同的质子数和不同中子数）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子的同一元素的原子的同一元素的原子的同一元素的原子 n n元素有两种存在状态：游离态和化

18、合态（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（元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free Free State&Combined Form)State&Combined Form)第22页，本讲稿共82页23 元素的外层的电子结构随着原子序数的递增而呈周期元素的外层的电子结构随着原子序数的递增而呈周期性的变化规律称为元素周期律。元素周期表是元素周期律性的变化规律称为元素周期律。元素周期表是元素周期律的集中体现。的集中体现。第23页，本讲稿共82页24n n7 7个横行（个横行（个横行（个横行（Horizontal rows)Horizontal rows)周期

19、（周期（周期（周期（periodperiod）按原子序数）按原子序数）按原子序数）按原子序数（Atomic Number)Atomic Number)递增的顺序从左至右排列递增的顺序从左至右排列递增的顺序从左至右排列递增的顺序从左至右排列n n1818个纵行（个纵行（个纵行（个纵行（columncolumn）1616族（族（族（族（GroupGroup），），），），7 7个主族、个主族、个主族、个主族、7 7个副个副个副个副族、族、族、族、1 1个个个个族、族、族、族、1 1个零族（个零族（个零族（个零族（Inert GasesInert Gases）最外层的电子数）最外层的电子数）最外层的

20、电子数）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。相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。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周期序数电子壳层数周期序数电子壳层数主族序数最外层电子数主族序数最外层电子数主族序数最外层电子数主族序数最外层电子数 价电子数（价电子数（价电子数（价电子数（Valence electronValence electron）零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子

21、数为8 8（氦为（氦为（氦为（氦为2 2）第24页，本讲稿共82页25 每周期元素的数目等于相应能级组内轨每周期元素的数目等于相应能级组内轨道所能容纳的最多电子数。道所能容纳的最多电子数。元素在周期表中所处的元素在周期表中所处的周期序数周期序数该元素原该元素原子的子的电子层数电子层数 元素在周期表中所处的元素在周期表中所处的族序数族序数：主族、第主族、第I副族、第副族、第II副族：最外层电子数副族：最外层电子数第25页，本讲稿共82页26第26页，本讲稿共82页27习习 题题1 1、原子中一个电子的空间位置和能量可用哪、原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4 4个量子数来决定？个量子数来决定？

22、2 2、在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？、在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？3 3、在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？、在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？它的性质如何递变？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？它的性质如何递变？4 4、何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？、何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？5 5、铬的原子序数为、铬的原子序数为2424，它共有，它共有4 4中同位素：中同位素：(Cr)=4.31%(Cr)=4.31%的的CrC

23、r原子含有原子含有2626个中子，个中子，(Cr)=83.74%(Cr)=83.74%的的CrCr含有含有2828个中子，个中子，(Cr)=9.55%(Cr)=9.55%的的CrCr含有含有2929个中个中子，且子，且(Cr)=2.38%(Cr)=2.38%的的CrCr含有含有3030个中子，个中子，试试求求铬铬的相的相对对原子原子质质量。量。6 6、铜铜的原子序数的原子序数为为2929，相，相对对原子原子质质量量为为63.5463.54，它共有两种同位素，它共有两种同位素CuCu6363和和CuCu6565，试试求两种求两种铜铜的同位素之含量百分比。的同位素之含量百分比。7 7、锡锡的原子序

24、数的原子序数为为5050，它的，它的4f4f亚层亚层之外，其他内部之外，其他内部电电子子亚层亚层均已填均已填满满。试试从原子从原子结结构角度来确定构角度来确定锡锡的价的价电电子数。子数。8 8、铂铂的原子序数的原子序数为为7878，它的，它的5d5d亚层亚层中只有中只有9 9个个电电子，并且在子，并且在5f5f层层中没有中没有电电子，子，请问请问6s6s亚层亚层中有几个中有几个电电子？子？9 9、已知某元素原子序数、已知某元素原子序数为为3232，根据原子的，根据原子的电电子子结结构知构知识识，试试指出它属于哪指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性的个周期？哪个族？并判断其金属性的强强弱。

25、弱。第27页，本讲稿共82页28原子参数（原子参数（Atomic parameters）n 原子半径原子半径 Atomic radiusn 电离能电离能 Ionization energyn 电子亲和能电子亲和能 Electron affinityn 电负性电负性 Electronegativity第28页，本讲稿共82页293 3 原子间的键合原子间的键合 （Atomic Bonding）所谓所谓所谓所谓结合键结合键结合键结合键(bond)(bond)是指由原子结合成分子或固体的方是指由原子结合成分子或固体的方是指由原子结合成分子或固体的方是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合

26、键决定了物质的一系列物理、化式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。学、力学等性质。学、力学等性质。学、力学等性质。第29页，本讲稿共82页30 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 fafa 代表引力，代表引力，代表引力，代表引力，fr fr 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

27、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，其中均为常数，其中均为常数，其中mm n n 。3.1 3.1 结合力结合力 （Bonding forces）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：第30页，本讲稿共82页31第31页，本讲稿共82页32第32页，本讲稿共82页33第33页，本讲稿共82页343.2 3.2 金属键金属键 （Metallic bonding）金属原子的外层价电子数比较少金属原子的外层价电子数比较少金属原子的外层价电子数比较少金属原子的外层价电子

28、数比较少（通常（通常（通常（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），且各），且各），且各），且各个原子的价电子极易挣脱原子核个原子的价电子极易挣脱原子核个原子的价电子极易挣脱原子核个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，在整个的束缚而成为自由电子，在整个的束缚而成为自由电子，在整个的束缚而成为自由电子，在整个晶体内运动，即弥漫于金属正离晶体内运动，即弥漫于金属正离晶体内运动，即弥漫于金属正离晶体内运动，即弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云。子组成的晶格之中而形成电子云。子组成的晶格之中而形成电子云。子组成的晶格之中而形成电子云。这种在金属

29、中的自由电子与金属这种在金属中的自由电子与金属这种在金属中的自由电子与金属这种在金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称正离子相互作用所构成的键合称正离子相互作用所构成的键合称正离子相互作用所构成的键合称为为为为金属键。金属键。金属键。金属键。第34页，本讲稿共82页35 金属键无方向性，饱和性金属键无方向性，饱和性。金属键的强弱和自由电子的多。金属键的强弱和自由电子的多少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关，少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关，很复杂。很复杂。n金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故金

30、属金属晶体不透明，且有金属光泽晶体不透明，且有金属光泽。n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，传递传递能量，能量，故金属是热的故金属是热的良导体良导体。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，故金属有很好的故金属有很好的延展性延展性，与离子晶体的情况相反。，与离子晶体的情况相反。第35页，本讲稿共82页36例例3 3n计算10 cm3的Ag中能够参与导电的电子的数量。已知：Ag=10.49

31、g/cm3 MAg=107.868 g/mol解：47Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 Ag只有一个价电子 m=10.49g/cm310cm3=104.9 g 5.851023 atom（1e/atom）=5.851023 e第36页，本讲稿共82页37n 当电负性小的活泼金属原子与电负性大的活泼非金当电负性小的活泼金属原子与电负性大的活泼非金属原子相遇时，它们都有达到稀有气体原子稳定结构属原子相遇时，它们都有达到稀有气体原子稳定结构的倾向；的倾向；n 由于两个原子的电负性相差较大，因此它们之间容易发由于两个原子的电负性相差较大，因此它们之间容易发生电子的

32、转移，形成正、负离子。生电子的转移，形成正、负离子。3.3 3.3 离子键离子键 （Ionic bonding）第37页，本讲稿共82页38离子键的特点离子键的特点n没有方向性；没有方向性；n没有饱和性；没有饱和性；NaCl 晶体晶体第38页，本讲稿共82页39由阴、阳离子按一定规则排列在晶格结点上形成的晶体为由阴、阳离子按一定规则排列在晶格结点上形成的晶体为离离子晶体子晶体。n 离子晶体中晶格结点上微粒间的作用力为离子键，这离子晶体中晶格结点上微粒间的作用力为离子键，这种力较强烈，故离子晶体的种力较强烈，故离子晶体的熔、沸点较高熔、沸点较高，常温下均为，常温下均为固体，且固体，且硬度较大硬度

33、较大。n 在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的们都是良好的绝缘体绝缘体。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。结合。第39页，本讲稿共82页40物质物质物质物质NaClNaClKClKClCaOCaOMgOMgO熔点熔点熔点熔点(K)(K)10741074104110412845284530733073一些离子化合物的熔点一些离子化合物的熔点 离子的电荷越高、半径越小，静电作用力离子的电荷越高、半径越小，静电作用力就越强，熔点就越高。就越强，熔点就越高。第40页，本讲稿共

34、82页413.4 3.4 共价键共价键 （Covalent bonding）共价键是由两个或多个电负性相差不大的共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。原子间通过共用电子对而形成的化学键。第41页，本讲稿共82页43 共价键中共有电子对不能自由运动，因此共价结合形共价键中共有电子对不能自由运动，因此共价结合形共价键中共有电子对不能自由运动，因此共价结合形共价键中共有电子对不能自由运动，因此共价结合形成的材料一般是绝缘体，其导电能力差。共价键在亚金属成的材料一般是绝缘体，其导电能力差。共价键在亚金属成的材料一般是绝缘体，其导电能力差。共价键在亚金属成的材料一般是绝

35、缘体，其导电能力差。共价键在亚金属（C,Si,SnC,Si,Sn等）、聚合物和无机非金属材料中起重要作等）、聚合物和无机非金属材料中起重要作等）、聚合物和无机非金属材料中起重要作等）、聚合物和无机非金属材料中起重要作用。用。用。用。2003 Brooks/Cole Publishing/Thomson Learning第43页，本讲稿共82页44 共价键理论的两个基本要点，决定了共价键具有的两种特性，共价键理论的两个基本要点，决定了共价键具有的两种特性，即即饱和性饱和性和和方向性方向性。n饱和性饱和性 根据自旋方向相反的两个未成对电子，可以配对形成一个共根据自旋方向相反的两个未成对电子，可以配

36、对形成一个共价键，推知一个原子有几个未成对电子，就只能和同数目的自旋方向相反价键，推知一个原子有几个未成对电子，就只能和同数目的自旋方向相反的未成对电子配对成键，即原子所能形成共价键的数目受未成对电子数所的未成对电子配对成键，即原子所能形成共价键的数目受未成对电子数所限制。这一特征称为共价键的饱和性。限制。这一特征称为共价键的饱和性。n方向性方向性 原子轨道中，除原子轨道中，除s s轨道是球形对称没有方向性外，轨道是球形对称没有方向性外，p p，d d，f f原原子轨道中的等价轨道，都具有一定的空间伸展方向。在形成共价键子轨道中的等价轨道，都具有一定的空间伸展方向。在形成共价键时，只有当成键原

37、子轨道沿合适的方向相互靠近，才能达到最大程时，只有当成键原子轨道沿合适的方向相互靠近，才能达到最大程度重叠，形成稳定的共价键。因此，共价键必然具有方向性，度重叠，形成稳定的共价键。因此，共价键必然具有方向性，称称为共价键的方向性。为共价键的方向性。共价键的特征共价键的特征第44页，本讲稿共82页45 化学键的极性大小常用离子性来表示化学键的极性大小常用离子性来表示。所谓化学键的离。所谓化学键的离子性，就是把完全得失电子而构成的离子键定为离子性子性，就是把完全得失电子而构成的离子键定为离子性100%100%；把非极性共价键定为离子性；把非极性共价键定为离子性0%0%；如果离子性大于；如果离子性大

38、于50%50%，可，可以认为该化学键属于离子键。纯粹的离子键是没有的，绝以认为该化学键属于离子键。纯粹的离子键是没有的，绝大多数的化学键，既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共大多数的化学键，既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，它们都具有双重性。对某一具体的化学键来讲，只价键，它们都具有双重性。对某一具体的化学键来讲，只是哪一种性质占优势而已。是哪一种性质占优势而已。第45页，本讲稿共82页元素的电负性体现了各种元素的原子在形成价键时吸引电元素的电负性体现了各种元素的原子在形成价键时吸引电子的能力子的能力 鲍林用电负性差值鲍林用电负性差值XXAXB来计算化合物中离子键的成份。来计算化合物中离子

39、键的成份。差值越大，离子键成分越高。差值越大，离子键成分越高。离子键分数与电负性差值（离子键分数与电负性差值（XAXB）的关系）的关系第46页，本讲稿共82页473.5 3.5 范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力（Van Der waals bonding）n分子之间的作用力是分子之间的作用力是1873年由荷兰物理学家范德华首先提出来的，年由荷兰物理学家范德华首先提出来的，故又称范德华力，本质上也属于一种电性引力。故又称范德华力，本质上也属于一种电性引力。n是存在于分子间或分子内非键合原于间的相互作用力。两分子间的范德是存在于分子间或分子内非键合原于间的相互作用力。两分子间的范德华力华力F(r)及相互作

40、用能及相互作用能E(r)是分子之间距离是分子之间距离r的函数如图所示。的函数如图所示。n作用能作用能:28kJ/mol当当r=r0时时,F(r)=0r第47页，本讲稿共82页48原原子子结结合合：电电子子云云偏偏移移，结结合合力力很很小小，无无方方向向性性和饱和性。和饱和性。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。分子键与分子晶体分子键与分子晶体第48页，本讲稿共82页49 在高分子材料中总的范德华力超过化学键的作用，故在去除所有的范德华力作用前化学键早已断裂了，所以高分子往往没有气态，只有固态和液态。思考思考 为什么高分子材料只有固态和液态，而没有气态

41、。第49页，本讲稿共82页503.6 3.6 氢键氢键 （Hydrogen bonding）在在在在 HFHF，HH2 2OO，NHNH3 3 等物质中，分子都是通过极性共价键等物质中，分子都是通过极性共价键等物质中，分子都是通过极性共价键等物质中，分子都是通过极性共价键结合的（见前面关于共价键的讨论），而分子之间则是通过氢结合的（见前面关于共价键的讨论），而分子之间则是通过氢结合的（见前面关于共价键的讨论），而分子之间则是通过氢结合的（见前面关于共价键的讨论），而分子之间则是通过氢键连接的。下面以水为例加以说明。键连接的。下面以水为例加以说明。键连接的。下面以水为例加以说明。键连接的。下面以

42、水为例加以说明。第50页，本讲稿共82页51第51页，本讲稿共82页52 氢键将相邻的水分子连接起来，起着桥梁的作用，氢键将相邻的水分子连接起来，起着桥梁的作用，氢键将相邻的水分子连接起来，起着桥梁的作用，氢键将相邻的水分子连接起来，起着桥梁的作用，故又称为氢桥。故又称为氢桥。故又称为氢桥。故又称为氢桥。从上面的讨论可知，形成氢键必须满足以下两个条从上面的讨论可知，形成氢键必须满足以下两个条从上面的讨论可知，形成氢键必须满足以下两个条从上面的讨论可知，形成氢键必须满足以下两个条件：件：件：件：（1 1）分子中必须含氢。）分子中必须含氢。）分子中必须含氢。）分子中必须含氢。（2 2）另一个元素必

43、须是显著的非金属元素（）另一个元素必须是显著的非金属元素（）另一个元素必须是显著的非金属元素（）另一个元素必须是显著的非金属元素（F F，O O 和和和和 N N 分别是分别是分别是分别是 B B，B B 和和和和 B B 族的第一个元素）族的第一个元素）族的第一个元素）族的第一个元素）。这样才能形成极性分子，同时形成一个裸露的质。这样才能形成极性分子，同时形成一个裸露的质。这样才能形成极性分子，同时形成一个裸露的质。这样才能形成极性分子，同时形成一个裸露的质子。子。子。子。第52页，本讲稿共82页53思考思考n nHFHF的相对分子质量较低，为什么的相对分子质量较低，为什么HFHF的沸腾温度

44、的沸腾温度（19.419.4o oC C）要比）要比HClHCl的沸腾温度（的沸腾温度（-85-85o oC C）高？）高？第53页，本讲稿共82页54氢键对化合物性质的影响第54页，本讲稿共82页55n n离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电子的离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电子的离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电子的离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电子的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的原子，因此，这几种键都称为原子，因此，这

45、几种键都称为原子，因此，这几种键都称为原子，因此，这几种键都称为化学键化学键化学键化学键。n n在形成分子键和氢键时，原子的外层电子分布没有在形成分子键和氢键时，原子的外层电子分布没有在形成分子键和氢键时，原子的外层电子分布没有在形成分子键和氢键时，原子的外层电子分布没有变化，或变化极小，它们仍属于原来的原子。因此，变化，或变化极小，它们仍属于原来的原子。因此，变化，或变化极小，它们仍属于原来的原子。因此，变化，或变化极小，它们仍属于原来的原子。因此，分子键和氢键就称为分子键和氢键就称为分子键和氢键就称为分子键和氢键就称为物理键物理键物理键物理键。n n一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。

46、一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。3.7 3.7 各种结合键的特点比较各种结合键的特点比较 第55页，本讲稿共82页 共价键共价键共价键共价键化学键：主价键化学键：主价键化学键：主价键化学键：主价键 离子键离子键离子键离子键 金属键金属键金属键金属键 范德瓦尔斯键（范德华力）范德瓦尔斯键（范德华力）范德瓦尔斯键（范德华力）范德瓦尔斯键（范德华力）物理键：次价键物理键：次价键物理键：次价键物理键：次价键 氢键氢键氢键氢键结合键结合键按照晶体中的原子结合力性质的不同，分为：按照晶体中的原子结合力性质的不同，分为：

47、第56页，本讲稿共82页晶体中五种典型的键的形式晶体中五种典型的键的形式键键 型型离子键离子键共价键共价键金属键金属键范德瓦尔范德瓦尔斯键斯键氢氢 键键作用力作用力静电库仑力共用电子对静电库仑力分子间力特点特点无方向性无饱和性方向性饱和性无方向性无饱和性饱和性方向性晶体晶体性质性质离子晶体（NaCl）共价晶体（Cl2、SiO）金属晶体（Cu、Fe)分子晶体（干冰CO2）冰（H2O）熔点高、硬度大、导电性能差、膨胀系数小熔点高、硬度大、导电性能差良好的导电性、导热性、延展性、塑性不导电、熔沸点低、硬度小不导电、熔沸点低、硬度小第57页，本讲稿共82页 实际晶体中的键合是以上键合的一实际晶体中的键

48、合是以上键合的一种或某几种键合的组合种或某几种键合的组合 分子间力分子间力金属键金属键离子键离子键共价键共价键第58页，本讲稿共82页2022/12/159无机矿物的键合特征无机矿物的键合特征：各种键合的并存混合键的存在是无机矿物键各种键合的并存混合键的存在是无机矿物键合的显著特征之一合的显著特征之一例如：例如：纤维结构的顽火辉石纤维结构的顽火辉石(MgSi2O6)，链中为共链中为共价键，而链间为离子键价键，而链间为离子键 层状结构的滑石层状结构的滑石(Mg3Si2O5(OH)2)，层内为层内为共价键，层间为分子间力共价键，层间为分子间力 层状结构的云母层状结构的云母(KAl2AlSi3O10

49、(OH,F)，层内，层内为共价键，层间为离子键为共价键，层间为离子键第59页，本讲稿共82页2022/12/1 离子键、共价键的杂化离子键、共价键的杂化 陶陶瓷瓷材材料料中中没没有有纯纯离离子子键键、共共价价键键，是是两两种种状状态的过渡态的过渡 1.1.电电负负性性X X：表表示示形形成成负负离离子子倾倾向向大大小小的的量量度度。电电负负性性小小，易易失失去去电电子子形形成成正正离离子子；电电负负性性大大，则则易易获获得得电子形成负离子电子形成负离子 X1.7X1.7X1.7的原子间结合，一般形成离子键的原子间结合，一般形成离子键 （兼具离子（兼具离子键、共价键性质）或离子键键、共价键性质）

50、或离子键 第60页，本讲稿共82页 2.2.极极化化：离离子子晶晶体体，离离子子堆堆积积时时，带带电电荷荷离离子子产产生生电电场必然对周边离子电子云产生作用场必然对周边离子电子云产生作用 强烈极化：离子失去球形对称强烈极化：离子失去球形对称共价键共价键 极极极极化化化化双双双双重重重重作作作作用用用用：自自自自身身身身被被被被极极极极化化化化极极极极化化化化率率率率；极极极极化化化化周周周周围围围围离离离离子子子子极极极极化力化力化力化力 正离子：正离子：正离子：正离子：r r小，小，小，小，强，强，强，强，rr电价电价电价电价 EE 负离子：负离子：负离子：负离子：r r大，变形大，极化率大