原子结构和键合-1.ppt

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1、第一章第一章 原子的结构与键合原子的结构与键合材料的微观结构材料的微观结构 (Microstructure of Materials)）决定材料性质最为本质的内在因素：决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构;原子间相互作用，相互结合;原子或分子在空间的排列及运动规律，原子集合体的形貌特征 第一章第一章原子结构和键合原子结构和键合AtomicStructureandInteratomicBonding物质是由原子组成物质是由原子组成 材料科学中，最为关心原子的材料科学中，最为关心原子的电子结构电子结构原子的电子结构原子的电子结构原子间键合本质原子间键合本质决定材料分类：金属决定材

2、料分类：金属 陶瓷陶瓷 高分子高分子材材 料料 性性 能：物能：物 化化 力学力学1 原子结构原子结构（Atomic Structure ）1.11.1、物质的组成（、物质的组成（Substance ConstructionSubstance Construction）分子分子(Molecule)：单独存在且能保存物质化学特性单独存在且能保存物质化学特性dH2O=0.2nmM(H2)为为2M(protein)为百万为百万原子（原子（Atom）：化学变化中最小微粒化学变化中最小微粒1.2、原子的结构(structure of atomic)l18791879年年 J.J Thomson J.J

3、Thomson 发现电子（发现电子（electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密l19111911年年 E.RutherfordE.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型l19131913年年 N.BohrN.Bohr将将 lBohr atomic modelBohr atomic model 科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线，这种射线能使对着阴极的玻璃管发出薄时，阴极就发出一种射线，这种射线能使对着阴极的玻璃管发出荧光，叫做荧光，叫做阴极射

4、线阴极射线。1897 1897年他确认阴极射线是带负电的粒子。同时，他还研究了阴年他确认阴极射线是带负电的粒子。同时，他还研究了阴极射线在电场和磁场中的偏转，根据数据计算出这种带电粒子的极射线在电场和磁场中的偏转，根据数据计算出这种带电粒子的荷荷质比质比e/me/m。发现，发现，不同物质的阴极发出的射线都有相同不同物质的阴极发出的射线都有相同e/me/m值值，这，这表明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成物质的共有成分。表明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成物质的共有成分。汤姆生测得阴极射线粒子的荷质比，大约是氢离子的荷质比的汤姆生测得阴极射线粒子的荷质比，大约是氢离子的荷质比的2000

5、2000倍。倍。试验测出，试验测出，氢离子与阴极射线粒子的电荷大小基本相同氢离子与阴极射线粒子的电荷大小基本相同，这就说明阴极射线粒子的质量比氢离子的质量小得多，后来，人们这就说明阴极射线粒子的质量比氢离子的质量小得多，后来，人们就把这种粒子叫做电子就把这种粒子叫做电子。由于电子的发现，人们认识到原子是可再。由于电子的发现，人们认识到原子是可再分的，此后人们围绕原子结构问题推动了原子物理的发展分的，此后人们围绕原子结构问题推动了原子物理的发展.J.J ThomsonJ.J Thomson实验实验汤普森原子模型汤普森原子模型.swfswf根据汤姆生模型计算的结果，根据汤姆生模型计算的结果，粒子穿

6、过金箔后偏离原来方向的角度粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的。因为电子的质量很小，不到是很小的。因为电子的质量很小，不到粒子的七千分之一，粒子的七千分之一，粒于粒于碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样。运动方向不会发生明碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样。运动方向不会发生明显的改变；正电荷又是均匀分布的，显的改变；正电荷又是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到的原粒子穿过原子时，它受到的原子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消，使子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消，使粒于偏转的力粒于偏转的力不会很大。不会很大。然而实验却得到了出乎意料的结果。少数粒子却发生了较大的偏然

7、而实验却得到了出乎意料的结果。少数粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数粒子偏转角超过了转，并且有极少数粒子偏转角超过了90，有的甚至被弹回，偏转角，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到几乎达到180。实验中产生的。实验中产生的粒子大角度散射现象，使卢瑟福感到粒子大角度散射现象，使卢瑟福感到惊奇。因为这需要有很强的相互作用力，除非原子的大部分质量和电惊奇。因为这需要有很强的相互作用力，除非原子的大部分质量和电荷集中到一个很小的核上，大角度的散射是不可能的。荷集中到一个很小的核上，大角度的散射是不可能的。为了解释这个实验结果，卢瑟福在为了解释这个实验结果，卢瑟福在1911年提出了如下的原子核式年提出了如

8、下的原子核式结构学说：结构学说：在原子的中已有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部在原子的中已有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数，所以里绕着核旋转。原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是中性的。电子绕核旋转所需的向心力就整个原子是中性的。电子绕核旋转所需的向心力就是核对它的库仑是核对它的库仑引力。引力。E.RutherfordE.Rutherford实验实验卢瑟福散射实验卢瑟福散射实验.swfswf质

9、子:带有正电荷，m1.6726101.672610-27-27kgkg原子原原子子核核:位于原子中心、带正电位于原子中心、带正电核外电子核外电子:核外高速旋转，带负电，按能量高低排列核外高速旋转，带负电，按能量高低排列,形成电子云形成电子云 m m9.1095109.109510kgkg，约为质子的约为质子的1/18361/1836中子:电中性，m1.6748101.674810-27-27kgkg主量子数主量子数n nq 它它规规定定了了核核外外电电子子离离核核的的远远近近和和能能量量的的高高低低。n n取取正整数正整数1 1，2 2，3 3，4 4等。等。qn n值值越越大大，表表示示电电

10、子子离离原原子子核核越越远远，能能量量越越高高。反反之之n n越小，则电子离核越近，能量越低。越小，则电子离核越近，能量越低。q这这也也相相当当于于把把核核外外电电子子分分为为不不同同的的电电子子层层，凡凡n n相相同同的的电电子子属属于于同同一一层层。习习惯惯用用K,L,M,N,O,PK,L,M,N,O,P来来代代表表n=1n=1，2 2，3 3，4 4，5 5，6 6的电子层。的电子层。l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbersquantum numbers）表示表示轨道角动量量子数轨道角动量量子数l li

11、 il描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbersquantum numbers）表示表示l描述的是电子在原子核外出现的几率密度随空间角度的变化，即决定原子轨道或电子云的形状。lli可可取取小于n的正整数，即0，1，2，n-1，如n=4，l可以是0，1，2，3，相应的符号是s,p,d,f l 当n相同时，li越大，电子的能量越高。因此，常把n相同，li不同的状态称为电子亚层，一个电子层可以分为几个亚层。l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum n

12、umbersquantum numbers）表示表示磁量子数磁量子数M Mi il规定电子运动状态在空间伸展的取向。m的数值可取0，1，2，l。l对某个运动状态可有2i+1个伸展方向。ls轨道的l=0,所以只有一种取向，它是球对称的。P轨道i=1,m=-1,0,+1,所以有三种取向，用px,py,和pz表示。l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbersquantum numbers）表示表示自旋角动量量子数自旋角动量量子数s si il电子除绕原子核运动外，它本身还做自旋运动。l电子自旋运动有顺时针和逆时针两个方

13、向，分别用si=+1/2和si=-1/2表示，也常用和符号表示自旋方向相反的电子。l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbersquantum numbers）表示表示小结：小结：四四个个量量子子数数规规定定了了核核外外电电子子的的运运动动状状态态，每每个个电电子子都都可可以以用用上上述述的的四四个个量量子子数数的的一一套套数数据据来来描描述述其其运运动动状状态态（对对应应着着一一个个波波函函数数），同同一一原原子子中中没没有有四四个个量量子子数数完完全全相相同同的的电电子子。换换句句话话说说，在在同同一一原原子子

14、中中的的各各个个电电子子，它它们们的的运运动动状状态态不不可可能能完完全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同的。全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同的。l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbersquantum numbers）表示表示 四个量子数的意四个量子数的意义义电子运动状态电子运动状态量量子子数数意意义义作作用用轨道运动状态轨道运动状态主量子数主量子数n“轨轨道道”半半径径大大小小决定决定“电子层电子层”角量子数角量子数li“轨道轨道”形状形状决决定定“电电子子亚亚层层”磁量子数磁量子数Mi

15、“轨道轨道”的取向的取向决决定定“电电子子轨轨道道”自旋运动状态自旋运动状态自旋量子数自旋量子数si电子自旋方向电子自旋方向决定轨道电子数决定轨道电子数l核外电子的排布（electron configuration)规律全充满全充满半充满半充满 全空全空自旋方向相同自旋方向相同能量最低原理（能量最低原理（Minimum Energy principle)Minimum Energy principle)电子总是占据能量的壳层电子总是占据能量的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（不相容原理（PauliPauli Exclusion pri

16、nciple):2n Exclusion principle):2n2 2 Hund原则（原则（HundHund Rule)Rule)泡利泡利(PauliPauli)不相容原理不相容原理在在同同一一原原子子中中，不不可可能能有有四四个个量量子子数数完完全全相相同同的的电电子子存存在在。每每一一个个轨轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。l核外电子的排布（electron configuration)规律 泡利泡利(PauliPauli)不相容原理不相容原理在在同同一一原原子子中中，不不可可能能有有四四个个量量子子数数完完全全相相同同的的电电子子存存在

17、在。每每一一个个轨轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。能量最低原理能量最低原理多多电电子子原原子子处处在在基基态态时时，核核外外电电子子的的分分布布在在不不违违反反泡泡利利原原理理的的前前提提下下，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。全充满全充满半充满半充满 全空全空自旋方向相同自旋方向相同能量最低原理（能量最低原理（Minimum Energy principle)Minimum Energy principle)电子总是占据能量的壳层电子总是占据能量的壳层 1s-2

18、s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（不相容原理（PauliPauli Exclusion principle):2n Exclusion principle):2n2 2 Hund原则（原则（HundHund Rule)Rule)l核外电子的排布（electron configuration)规律 泡利泡利(PauliPauli)不相容原理不相容原理在在同同一一原原子子中中，不不可可能能有有四四个个量量子子数数完完全全相相同同的的电电子子存存在在。每每一一个个轨轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。能量最低

19、原理能量最低原理多多电电子子原原子子处处在在基基态态时时，核核外外电电子子的的分分布布在在不不违违反反泡泡利利原原理理的的前前提提下下，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。洪特洪特(HundHund)规则规则原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时，将尽可能单独分布在不原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时，将尽可能单独分布在不同的轨道，而且自旋方向相同同的轨道，而且自旋方向相同(或称自旋平行或称自旋平行)。全充满全充满半充满半充满 全空全空自旋方向相同自旋方向相同能量最低原理（能量最低原理（Minimum Energy

20、 principle)Minimum Energy principle)电子总是占据能量的壳层电子总是占据能量的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（不相容原理（PauliPauli Exclusion principle):2n Exclusion principle):2n2 2 Hund原则（原则（HundHund Rule)Rule)l核外电子的排布（electron configuration)规律 泡利泡利(PauliPauli)不相容原理不相容原理在在同同一一原原子子中中，不不可可能能有有四四个个量量子子数数完完全全相相同同

21、的的电电子子存存在在。每每一一个个轨轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。能量最低原理能量最低原理多多电电子子原原子子处处在在基基态态时时，核核外外电电子子的的分分布布在在不不违违反反泡泡利利原原理理的的前前提提下下，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。洪特洪特(HundHund)规则规则原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时，将尽可能单独分布在不原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时，将尽可能单独分布在不同的轨道，而且自旋方向相同同的轨道，而且自旋方向相同(或称自旋平行或称

22、自旋平行)。全充满全充满半充满半充满 全空全空自旋方向相同自旋方向相同能量最低原理（能量最低原理（Minimum Energy principle)Minimum Energy principle)电子总是占据能量的壳层电子总是占据能量的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（不相容原理（PauliPauli Exclusion principle):2n Exclusion principle):2n2 2 Hund原则（原则（HundHund Rule)Rule)三、元素周期表元素周期表（periodic Table of the El

23、ements)periodic Table of the Elements)l元素（元素（Element）：）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是种，核电荷数是划分元素的依据划分元素的依据l同位素（同位素（Isotope）：）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子ll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（FreeState&CombinedForm)l7个横行（个横行（Horizontalrows)周期（周期（period）按原子序数（按原子序数（Atom

24、icNumber)递增递增的顺序从左至右排列的顺序从左至右排列l18个纵行（个纵行（column）16族（族（Group），），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个个族、族、1个零族个零族（InertGases）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。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。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主族序数最主族序数最外外层层电电子子数数零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8（氦为（氦为2）价电子数价电子数（Valenceelectron）l22原子间的键合原子间的键合 (Bonding t

25、ype with other atom)Bonding type with other atom)l一、金属键（一、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（典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electronvalence electron）极易极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子（挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electronFree electron），），形成电子云形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合

26、称为金属键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：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构特点：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l二、离子键（Ionic bonding)多数盐类、碱类和金属氧化物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 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）e l三、共价键（covalent bonding）l 亚金属（C、Si、S

27、n、Ge），聚合物和无机非金属材料l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l四、范德华力（Van der waals bonding)l包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)l属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 l五、氢键（Hydrogen bonding）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

28、分子的负端相互吸引氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性l33高分子链高分子链（High polymer Chain)High polymer Chain)l近程结构（short-range Structure)l一、结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito)l1.碳链高分子 聚乙烯l主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得l如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯l杂链高分子 涤纶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，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l3.元素有机高分子 硅橡胶 l

29、 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l4.无机高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷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二、高分子链结构单元的键合方式（bonding tapebonding tape）l1.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

30、（以氯乙烯为例）：头头尾尾头尾双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同 l2.共聚物的序列结构（Copolymers）l 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为三、高分子链的结构（structure）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）四、高分子链的构型（Molecular configurations）l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l旋光异构体（stereoisomerism）l由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方

31、式几何异构（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 两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 远程结构（远程结构（Long-range Structure)Long-range Structure)l一、高分子的大小（Molecular Size）l高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性l平均相对分子质量l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，l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)l统计学角度高分子链取 伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大l高分子链的总链长 l均方根三、影响高分子链柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）