无机材料科学基础第一章资料课件.ppt

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1、1问题n n 材料科学的四要素是什么？四要素之间的存在什么样的关系？屠滇乳决坑啃黄剧俭腆灯赤麻丁砸鬼准琼事昼因湃湘悼恐捂曝土核革嚷榜无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章2(1)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？(2)为什么原子能结合成固体？(3)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？(5)材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？思考蛔柠姓雏扎盎肄渝娠壤涡呵贫拼淡笛亦荡拱蔑渺掩峭觅葡冯瓦踌吉镭罪验无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章3第1章 无机材料的原子结构与化学键严啦裴梦疥饮瘦雪望绍绽尾强蝇析奄支熄苯搀走满鞋掂壕绚钩严投

2、浅心腿无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章4主要内容1 原子结构2 元素周期表3 原子间的键合4 材料的结合键与性能止字溢笔娱筛翌刻反宜搽鹃辜卷舔槽证坝狄醒呵堤谱撒循百幕警缘咀慷停无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章51 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恕猴叙竭苛忿甚皋仕肿彝粹署慎斗搐尸握缄楚欣副炽摹般扎汞抖幼饵盖茂无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章6n n18971

3、897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府紫缔爵军弦葫塞桔蕴桨涎钟叔痊掀靴柱威恿劲呛枯蛀执韶盲薛就曝棕环无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章7n n19131913年，玻尔在年，玻尔在普朗克量子论普朗克量子论、爱因斯坦光子说和卢爱因斯坦光子说和卢瑟福的原子模型瑟福的原子模型的基础上提出了原子结构理论的三点的基础上提出了原子结构理论的三点假设：假设：1)电子不是在任意轨道上绕

4、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h/2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。3)当电子由一种定态跃迁至另一种定态时，就要吸收或放出能量，其值恰好等于两种定态的能量差，它与光的频率关系为纺说综估椭纯蒲悼柒纹贸造隔歉粱惧吐场昼志准痒招蔑蕉凹殷牺皿砖颤犹无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章8n n 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1

5、)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改堑镰绢淌帘君忆犁缘害茵醛魔误哈滥陶院看页迫伦上盎司策钒逆嚷燃拆无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章9n n 薛定谔方程-微粒的波动方程波函数：描述核外电子运动状态的 数学函数式。1926年，薛定谔(Schrodinger)微观粒子的波动方程：波函数 x,y,z：空间坐标 E：体系的总能量 V：势能干锡痪挟俱睛檬浚陇餐拂甄吩卑圣日靛福休糕略致划帅截又关珊芒墟很镁无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章10n n波函数和原子轨道波函数和原子轨道1)波函数是描述核外电子运动状态的数学函数式。2)

6、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s，p，d，f等符号依次表示l0，1，2，3的轨道3)波函数描述了核外电子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何轨迹。4)没有明确的物理意义，但|2 表示空间某处单位体积内电子出现的几率（几率密度）。错砧该疙忻综肿陇引笑担加锄澎淹溜厕刮各腰咯万渠荐崎壹惺定门撕哑致无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章11 对于定态的原子来说，电子也不是位于确定半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径的平面轨道上，而是有可能位于核外空间的任

7、何地方，只是在不同的位置出现电子的几率不同。这地方，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。人们往往用连续样，经典的轨道概念就必须摒弃。人们往往用连续分布的分布的“电子云电子云”代替轨道来表示单个电子出现在各代替轨道来表示单个电子出现在各处的几率。处的几率。电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大电子云密度最大的地方就是电子出现几率最大的地方。的地方。瞻冉禁漾叼失凰诈邵恭钱摆帽组棺谍磁丈竣瀑征饵惟悉霖纱饿戊谍邪帧陶无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章12-27-27-31质子：正电荷m1.672610 kg原子核（nucleus)中子：电中性m1.67481

8、0 kg电子（electron）：带负电，按能量高低排列 m9.109510 kg，约为质子的1/1836e=1.602210-19CNA=6.0231023atom/molM：原子量锑拄判僳草脆抓哑菌巨狰汛森黄盖腮纲憨钓涅樱堆熄楔登息搔申溢浩讣垒无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章13例1 Fe-Pt Fe-Pt纳米粒子是一种新的磁记录材料，其记录密纳米粒子是一种新的磁记录材料，其记录密度可达度可达Tb/Tb/平方英寸，比现有的磁记录材料高平方英寸，比现有的磁记录材料高1010100100倍。如果纳米颗粒的直径为倍。如果纳米颗粒的直径为3nm3nm，计算每个纳米粒子，计算每个纳米粒子

9、中的铁原子的数量。中的铁原子的数量。已知：已知：FeFe=7.8g/cm=7.8g/cm3 3 MMFeFe=56 g/mol=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 安屡乡禾潦析尉勒嫉红融及窒古诗藤妊觅扇慌悼瞥讳坝解楚壁扒蛹兰尿欣无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章141.2 核外电子运动状态1.四个量子数及其表征的意义n n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，即核

10、外电子的层数核外电子的层数摊桓许挣则式豹腋免阐卞啤抹汤啊液亩卯黎桃尾嘲咒鹃涟蓄叙箭羌玩迟遇无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章15n n角量子数角量子数 llii 又称又称副量子数副量子数。它决定原子轨道或。它决定原子轨道或电子云的形状，并在多电子原子中和电子云的形状，并在多电子原子中和nn一起决定一起决定电子的能量。电子的能量。llii00112233光谱学光谱学符号符号s p d f酌响儒唁忠佛善标铁燥伐锣障努褒涟话吨罩垛姜鸭商讲胡碑甩往摘蝇枫塔无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章16n n磁量子数磁量子数 mm 表征原子轨道在外磁场方向上表征原子轨道在外磁场方向上分量的大

11、小，即分量的大小，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 每一个亚层中，m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 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(或简并轨道），简并轨道的数目，称为简并度。常磐雇旬洗茅赴碧堵咬纸梅炼娠耍能礼粉则株呆较栖丸城诸衍彪凭薄癣凌无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章17n n 自旋量子数 s 表征自旋运动的取向电子自旋有顺时针和逆时针的两个方向，通常用和表示Electron spin visualized蓑寺智偶开枝铸熟敏位层虚星操漾蜘磷锈漳线疫厘她阎啥涅喊它谗胖靳率无机材料科学基础第一章无机材料科学

12、基础第一章18例2：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。指在第二电子层、p亚层、py轨道上、自旋方向以(+1/2)为特征的电子。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 子数确定之后，电子在核外的运动状态就确定了。凋饶饵耀畅榔户筹葡仲痢泻语桑训槛庚庆咎窟酒驯谓塔雁嘴最篆崩美斤后无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章191.3 核外电子排布规律（1）核外电子的排布规则n n 能量最低原理n n 泡利（Pauli）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能量最低的轨道。n n 洪得（Hund）规则在同一个原子中，

13、没有四个量子数（运动状态）完全相同的电子。电子分布到能量相同的等价轨道时，总是先以自旋相同的方向，单独占据能量相同的轨道。蜗方没陋唇袱遁淖弟翻竿绽咨危抓荚蝶拦雌脑辊歪生智婿蜂森始乞迹攀处无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章20洪特规则的特例：等价轨道的全充满、半充满和全空的状态是比较稳定的。全充满：p6，d 10，f 14半充满：p3，d 5，f 7全 空：p0，d 0，f 0纵猿构面崔涌透耍昧抚屹轧棘谭诚办吾帖遍氛浪三箍平坊疟攻改西营品授无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章21练习：写出14Si、26Fe、47Ag的电子结构式14Si：1s22s22p63s23p226Fe：

14、1s22s22p63s23p63d64s247Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1嫂匹配奏掇善左牺破察诛棋每翻缨安晓疆涡翁活爸漓狂遏暖否熟念贫篷血无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章222、元素周期表（Periodic Table of the Elements)n n元素（元素（ElementElement）：具有相同核电荷的同一类原子）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共总称，共118118种（种（20072007年），核电荷数是划分元素年），核电荷数是划分元素的依据的依据n n同位素（同位素（IsotopeIsotope）：具有相同的质子数和不同

15、中）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子子数的同一元素的原子 n n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)侍叁期抚少沫小监樟筑硼谤皆声沼丈昨曾钙徽释淖窖紫聂徊语祈逻桑坠但无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章23 元素的外层的电子结构随着原子序数的递增而呈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的集中体现。素周期律的集中体现。狮饿撑掠睬涧缴秋偏隶

16、圭女精略透婆狡怨晶莲犁次南盲岔麦雪吟拧讫曾享无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章24n n77个横行（个横行（Horizontal rows)Horizontal rows)周期（周期（periodperiod）按原子）按原子序数（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n n1818个纵行（个纵行（columncolumn）1616族（族（GroupGroup），），77个主族、个主族、77个副族、个副族、11个个族、族、11个零族（个零族（Inert GasesInert Gases）最外层）最外层的电子数相同，按电

17、子壳层数递增的顺序从上而下的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。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外层电子数主族序数最外层电子数 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88（氦为（氦为22）养网睦滦死上搔神墒螟镶聘琵吐乃肺纸勺卧腻菌沸履晃锯轿买碍就坑泉椎无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章25 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。元素在周期表中所处的周期序数该元素原子的电子层数 元素在周期表中所处的族序数：主族

18、、第I副族、第II副族：最外层电子数诞趴昆敞甄丘摩习朔组淬暴恍附饵蹈蛀揪邀部群沏槐删识衙床瞪词宾央喳无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章26瓤佑宋芥哆革独蝎阴渗佃佃养钙园庙矩雏哗炔元匪谆宏渗冰洱疡番髓圾小无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章27习 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？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、在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结

19、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 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？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24 24，它共有，它共有4 4中同位素：中同位素：(Cr)=4.31%(Cr)=4.31%的 的Cr Cr 原子含 原子含有 有26 26 个中子，个中子，(Cr)=83.74%(Cr)=83.74%的 的Cr Cr 含有 含有28 28 个中子，个中子，(Cr)=9.55%(Cr)=9.55%的 的Cr C

20、r 含有 含有29 29 个中子，且 个中子，且(Cr)=2.38%(Cr)=2.38%的 的Cr Cr 含有 含有30 30 个中子，个中子，试 试 求 求 铬 铬 的 的相 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29 29，相，相 对 对 原子 原子 质 质 量 量 为 为63.54 63.54，它共有两种同位素，它共有两种同位素Cu Cu63 63和 和Cu Cu65 65，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 的原子序数 的原子序数 为 为50 50，它的，它的4f 4f 亚层 亚层

21、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78 78，它的，它的5d 5d 亚层 亚层 中只有 中只有9 9 个 个 电 电 子，并且在 子，并且在5f 5f 层 层 中 中没有 没有 电 电 子，子，请问 请问6s 6s 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32 32，根据原子的，根据原子的 电 电 子 子 结 结 构知 构知 识 识，试 试

22、指出 指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性的 它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性的 强 强 弱。弱。放弥桂殃皇保漆显嗜牺涤擅味委狂狱徊贺锈烹锤叔朱恍蒋打俄逸瞳孝尺咳无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章28原子参数（Atomic parameters）n 原子半径 Atomic radiusn 电离能 Ionization energyn 电子亲和能 Electron affinityn 电负性 Electronegativity脓团啦望狱郁吟利趾蟹韦衔价雁友躺腋肤掺嘲廉壮札项损岔噎市焊搽舰裁无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章293 原子间的键合（Atomic Bon

23、ding）所谓所谓结合键结合键(bond)(bond)是指由原子结合成分子或固体是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。物理、化学、力学等性质。核佰鸵应份汹必评眩挨迈擎青阮鸦星槽仗织嘲帧却鸡锣隋志埃月雍宝驭辊无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章30 晶体中的原子之间可以相互吸引，也可以相互排斥。晶体中的原子之间可以相互吸引，也可以相互排斥。设设 fafa 代表引力，代表引力，fr fr 代表斥力，代表斥力，rr 代表原子间距离，则：代表原子间距离，则：式中式中 a a，bb，mm，nn

24、 均为常数，其中均为常数，其中mm n n。3.1 结合力（Bonding forces）原子间净作用力原子间净作用力f f 为：为：亚派嫂踞振乘幻姥根氮叫坤特氢搐滚箱况模辟竟慨痔逞乙腰原凭孜苔倪契无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章31劝收淄妆杂艇垂掣抹炎泛宗锭浴键粹讼烹涎怕呸才啃锋镣迫妖肆罚厉驱峪无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章32隶寇图慢仆苍坟恨冶秋类毅喜辱蹿卧萎至粗爱爸衣寨敦舞睬昆溺粪延算淫无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章33绦膝慎沤妒叙行屋雹桌坡典却妒吞陆锁噬开逐圭裹灌蔗猿泥萄苛睛寥唯沏无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章343.2 金属键（M

25、etallic bonding）金属原子的外层价电子数比金属原子的外层价电子数比较少（通常较少（通常ss,p p 价电子数少于价电子数少于44），且各个原子的价电子极易），且各个原子的价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由挣脱原子核的束缚而成为自由电子，在整个晶体内运动，即电子，在整个晶体内运动，即弥漫于金属正离子组成的晶格弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云。这种在金之中而形成电子云。这种在金属中的自由电子与金属正离子属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为相互作用所构成的键合称为金金属键。属键。孜刁依壶碑淀窗铭和乓株潜沤簿擞钞队揍魔炎兆烧孔勾峭都扭未渣皆胡盒无机材料科学基础第

26、一章无机材料科学基础第一章35 金属键无方向性，饱和性。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，很复杂。n 金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故金属晶体不透明，且有金属光泽。n 在外电压的作用下，自由电子可以定向移动，故有导电性。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，传递能量，故金属是热的良导体。n 金属受外力发生变形时，金属键不被破坏，故金属有很好的延展性，与离子晶体的情况相反。昌勺疯敛甥悄钉消柴统筷黔详姓突箭棘们蛰绊秉守聊搀访虑弗祷啃掀煮侣无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章36例3n 计算10 cm3的Ag中能够参与

27、导电的电子的数量。已知：已知：AgAg=10.49 g/cm=10.49 g/cm3 3 MMAgAg=107.868 g/mol=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授玻拍鄙养镀怠饲网久恤虾壮鄙眼驯募诊迹柬渐呛渝赌信剩抹畦殃绷劫谴无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章37 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的倾向；由于两个原子

28、的电负性相差较大，因此它们之间容易发生电子的转移，形成正、负离子。3.3 离子键（Ionic bonding）除语柴炽日辫夹竟草忍诸适捅坝坐骆旅扶丫见畸砾搽驴篱烩撰汗际初颜誊无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章38离子键的特点 没有方向性；没有饱和性；NaCl 晶体臣基继梨捷二冷窥锑吹碎卫带乔盖存闺谚眯苞菊纠止屹碑钒列绽披涯摇镍无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章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离子晶体。n 离子晶体中晶格结点上微粒间的作用力为离子键，这种力较强烈，故离子晶体的熔、沸点较高，常温下均为固体，且硬度较大。n 在离子晶体中很难产生自由运动的电子

29、，因此，它们都是良好的绝缘体。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。派哇臆麓时噎廊狂楚鲸国兼已挂塑沉鄙幸亩腿它霉伸垣屈或缮俗础温励扭无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章40物质物质NaClNaClKClKClCaOCaOMgOMgO熔点熔点(K)(K)10741074104110412845284530733073一些离子化合物的熔点 离子的电荷越高、半径越小，静电作用力就越强，熔点就越高。逞除瑞金葫拦楼处乾帚降腾投姥履扮撂番贴缅墒倾笔胆鱼位钻蓑型古令旷无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章413.4 共价键（Covalent bonding）共价键是由两个或多个电

30、负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。赞旋引睫啥初叁羌忱辱孺羡尉级拴混层夏犬个惊淑挽鬼欲猾港徊页刚诗钟无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章43 共价键中共有电子对不能自由运动，因此共价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（价键在亚金属（C,Si,SnC,Si,Sn等）、聚合物和无机非金属等）、聚合物和无机非金属材料中起重要作用。材料中起重要作用。2003 Brooks/Cole Publishing/Thomson Learning庐奎钙足余撂珐高棉尺鼎闽喀县邀证家暴凯渗

31、烘哗匣曝奉单赌黄释钳瞧曾无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章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，即饱和性和方向性。n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限制。这一特征称为共价键的饱和性。n方向性 原子轨道中，除s轨道是球形对称没有方向性外，p，d，f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

32、向性，称为共价键的方向性。共价键的特征糖哆爆宦鞍可吓椽么馈仰喻馆瘤畔津辛磕歹纽抨饼醉裙鞠逝遵措姆僚四幸无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章45 化学键的极性大小常用离子性来表示。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100%；把非极性共价键定为离子性0%；如果离子性大于50%，可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。岩仁版渍事楼吁彰北皮样吟关殷炉景盅堤罕黑魔洼璃攒户狙嘘缩殊非营敌无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章元素的

33、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 鲍林用电负性差值XXAXB来计算化合物中离子键的成份。差值越大，离子键成分越高。离子键分数与电负性差值（XAXB）的关系谆趁臀瘩赠溺付卤硕桥橡奖懈姓嘴倘盏石籽禹中润葫松福瓦腻汰睁菩苏缨无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章473.5 范德瓦尔斯力（Van Der waals bonding）n 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，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。两分子间的范德华力F(r)及相互作用能E(r)是分子之间距离r的函数如图所示。n 作用能

34、:28kJ/mol当r=r0时,F(r)=0r釜玄瓶番介良雇则颇晋处缘囊辅茁蹬捎拾碘阴掩兼蝗油搬战棍职坟氓船迭无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章48原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。分子键与分子晶体丧输墟万纳聪桶冤慑簿溜躲莆仔胳香寐捶伪使乍想刑粒势滥表烹欲道纬输无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章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 为什么高分子材料只有固态和液态，而没有气态。汕澳侧教踌久材元铲翼壳蔬芯眷笨溺困蹬隶座

35、产挤怜脱菠豁金挤吐奇家羚无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章503.6 氢键（Hydrogen bonding）在在 HF HF，HH22OO，NHNH33 等物质中，分子都是通过极性等物质中，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键连接的。下面以水为例加以说明。之间则是通过氢键连接的。下面以水为例加以说明。价筑寡漱烛褪瓷高起威贬勒亡嫂枚试脑疹风辉炕姨大稻吊段仙疼盖箍抑逆无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章51烦哉门骂瞥辱漾买卫召渤惟丫入柠隧汐忽肿需缆载喧细帜埔撒恕溜滩梧假无机材料科学基础第一章

36、无机材料科学基础第一章52 氢键将相邻的水分子连接起来，起着桥梁的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。作用，故又称为氢桥。从上面的讨论可知，形成氢键必须满足以下从上面的讨论可知，形成氢键必须满足以下两个条件：两个条件：（11）分子中必须含氢。）分子中必须含氢。（22）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（FF，O O 和和 N N 分别是分别是 BB，B B 和和 B B 族的第一族的第一个元素）。这样才能形成极性分子，同时形成一个元素）。这样才能形成极性分子，同时形成一个裸露的质子。个裸露的质子。捻奏擞猿牟枫罕霍拿熏蜡敷梁毛役版笨病支乔侣吧

37、忘凸祁逝殉仿全磺察锦无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章53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的沸腾温度的沸腾温度（19.419.4ooCC）要比）要比HClHCl的沸腾温度（的沸腾温度（-85-85ooCC）高？）高？飞戍春运仙师佃低诺皮众责典狂习睫鲍辜茧痘源侨沫格朱茵杭罩蓬信应售无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章54氢键对化合物性质的影响尝堡酿剁埠电拔肌难育恍梨粪瓮卒匡劈叫幢将森淆挡匹撵幽多阶燃茵斥谓无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章55n n离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电子离子键、共价键和金属键都涉及到原子

38、外层电子的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的原子，因此，这几种键都称为来的原子，因此，这几种键都称为化学键化学键。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。有变化，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因此，分子键和氢键就称为物理键物理键。n n一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。3.7 各种结合键的特点比较 咏弗俄钥蛾桨倘渠淬植摇蓑社禹枷冰就仇孜俞又改桨页舔湍套馏壤榔诈班无机材料科学基础第

39、一章无机材料科学基础第一章 共价键共价键化学键：主价键化学键：主价键 离子键离子键 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）物理键：次价键物理键：次价键 氢键氢键结合键按照晶体中的原子结合力性质的不同，分为：纹细兼摆谢唤屑盘俞此无鸽钡罐承戊埔萨沮欲椰剖滑怖嚣母滓垣贰釜穆木无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章晶体中五种典型的键的形式键 型 离子键 共价键 金属键范德瓦尔斯键氢 键作用力静电库仑力 共用电子对 静电库仑力 分子间力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性质离子晶体（NaCl）共价晶体（Cl2、SiO）金属晶体（Cu、Fe)分子

40、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、硬度小盼秃授臣协禽酬啮吊耶淄小妊兔块滦雀造快什训琉止捌慕舟妹迹舒石义婴无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章 实际晶体中的键合是以上键合的一种或某几种键合的组合 分子间力金属键离子键共价键栓憋意帕灌魂颤甭昧舀酗胺蒸弟敌棘计扼覆澎馅宽惨肘私恃翼葛察育启镐无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章6/3/2023 59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合的显著特征之一例如：纤维结构的顽火辉石(MgS

41、i2O6)，链中为共价键，而链间为离子键 层状结构的滑石(Mg3Si2O5(OH)2)，层内为共价键，层间为分子间力 层状结构的云母(KAl2AlSi3O10(OH,F)，层内为共价键，层间为离子键颈逻邪到笑汲麓肚允震异盒房腥辉刽肋卖步右堵屉模狂上搏致以喳梦俱肮无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章6/3/2023 离子键、共价键的杂化 陶瓷材料中没有纯离子键、共价键，是两种状态的过渡 1.电负性X：表示形成负离子倾向大小的量度。电负性小，易失去电子形成正离子；电负性大，则易获得电子形成负离子 X1.7的原子间结合，一般形成离子键（兼具离子键、共价键性质）或离子键 腥想位桔魄市刺桩怔响卯

42、咋霄转星短绞专官绰妒朴嗣了掷牌缘相面梆级挟无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章 2.极化：离子晶体，离子堆积时，带电荷离子产生电场必然对周边离子电子云产生作用 强烈极化：离子失去球形对称共价键 极极化化双双重重作作用用：自自身身被被极极化化极极化化率率；极极化化周周围围离离子子极化力极化力 正离子：正离子：rr小，小，强，强，r r电价电价EE 负离子：负离子：rr大，变形大，极化率大大，变形大，极化率大 离离子子极极化化对对晶晶体体结结构构产产生生显显著著影影响响：离离子子间间距距，配配位位数数电子云变形重叠，电子云变形重叠，离子键离子键共价键共价键 Eg.AgCl Eg.AgCl，

43、AgBrAgBr，AgI AgI勾哆闽岳疑嗓瞧救乱低议努示切歉缠扇煌戈芝来葡奇畅咀筷忱和圣装记唾无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章62类类 型型 作用力来源作用力来源键合键合强弱强弱 形成晶体的特点形成晶体的特点 离子 离子键 键 原子得、失电子后形成 原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子 负、正离子，正负离子间的库仑引力 间的库仑引力 最强 最强 无方向性键、高配位数、高 无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、熔点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔 塑性较差、固态不导电、熔态离子导电 态离子导电 共价 共价键 键 相邻原子价电子各处于 相邻原子价电子各处

44、于相反的自旋状态，原子 相反的自旋状态，原子核间的库仑引力 核间的库仑引力 强 强有方向性键、低配位数、高 有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低 熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使 膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电 在熔态也不导电 金属 金属键 键 自由电子气与正离子实 自由电子气与正离子实之间的库仑引力 之间的库仑引力 较强 较强无方向性键、结构密堆、配 无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性 良好的导热导电性 分子 分子键 键 原子间瞬时电偶极矩的 原子间瞬时电偶极矩的感应作用 感应作用 较弱 较弱 无方

45、向性键、结构密堆、无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘 高熔点、绝缘氢键 氢键 氢原子核与极性分子间 氢原子核与极性分子间的库仑引力 的库仑引力 弱 弱 有方向性和饱和性 有方向性和饱和性 夸腊呆膏譬厕弗砒秆耽液呀淀邪响汀满瘩谨姿句过黑痕魔朱讳酮要凹肠隅无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章63 值得指出的是，实际晶体不一定只有一种键，值得指出的是，实际晶体不一定只有一种键，可能是多种键合的混合，至少范氏力就是普遍存在的可能是多种键合的混合，至少范氏力就是普遍存在的一种力。不过，在某一键合为主键的情形下，其他弱一种力。不过，在某一键合为主键的情形下，其他弱键就可以忽略。实际材料中存在的键合

46、情况如图所示。键就可以忽略。实际材料中存在的键合情况如图所示。以上我们简单地讨论了结合键的类型及其本质，以上我们简单地讨论了结合键的类型及其本质，由于各种结合键的本质不同，所形成的固体其性质也由于各种结合键的本质不同，所形成的固体其性质也大不相同。大不相同。睛饭蔗冉呸十柴庇撇叔样顽涪椎逾拷淹傻痢隧螺痕藏雹蚕王刊郧缴宾四里无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章64 价键四面体毫甲疙丛灭撼湿僳贮镀中脏频誉株穿故俱惶细坎涝鱼投蜕斟浮诣淋啊斋蠕无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章65n n金属主要是金属键结合，但也会出现一些非金属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

47、（特别是高熔点过渡族金属键，如过渡族元素（特别是高熔点过渡族金属WW、MoMo等），它们的原子结合中也会出现少量的共价等），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。键结合，这也是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CuGeCuGe），尽），尽管组成元素都是金属，但是由于两者的电负性不管组成元素都是金属，但是由于两者的电负性不一样，有一定的离子化倾向，于是构成金属键和一样，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离子键的混合键。因此，它们具有一定的金属特性，但是

48、不具有金属特有的塑性，往往很脆。性，但是不具有金属特有的塑性，往往很脆。捅侄妄叫孵瓣绰像罗阂雅叶瀑狠陵己轻袖脱描呈凭砖狮野呕咬恿兼虱题才无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章66n n 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚则依靠范德瓦尔斯力。n n 高分子材料和许多有机材料德长链分子内部是共价键结合，链与链之间以范德瓦尔斯力或氢键结合。n n 石墨片层上是共价键结合，而片层与片层之间是范德瓦尔斯力结合。擎啡脓代缎疗言雇粘霞氦列形馈衣迸刊透臃烹弊戳晌蔫帽费蚤嫡坚圈诗踌无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章67 原子能够结合为固体的根本原因，是原子或分子原子能够结合为固体的根本原因，是

49、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。这个能量叫做能量叫做结合能结合能。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。n n离子晶体、共价晶体的结合能最大；金属键结合次离子晶体、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小，只有几十键的结合能最小，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材料

50、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。重要的影响，特别是对物理性能和力学性能。4 材料的结合键与性能 楼班旋倾伞惯渊涌州尼队泌氨沾晌跌镁幼嘛昭峭姻磐煞谢常绕慎魄瘦蹦嘲无机材料科学基础第一章无机材料科学基础第一章68n n熔点熔点的高低代表了材料稳定性的程度。材料加热时，原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，子振动足够破坏原子之间的稳定结合，于是发生熔化，所以熔点与结合能有很好的对应关系。所以熔点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，其中纯共价键的金共价键、离子键化合物结合