材料科学基础 第一章 原子的结构与键合.doc

第一章 原子的结构与键合 决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素的原子结构; 原子间的相互作用，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 物质是由原子组成材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构—原子间键合本质 决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力学 1. 金属键(metallic bond) 自由电子——金属正离子间 特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。 可以解释金属的一些特征，如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数 。 2. 离子键(ionic bond) 金属正离子——非金属负离子之间 特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。 可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。 3. 共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对 特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。 可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。 4. 氢键(hydrogen bond) 5. 范德华力(Van Der Waals force) 金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力 聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键 ※1 原子结构 （Atomic Structure ） 1.1、物质的组成（Substance Construction） 分子(Molecule)：单独存在且能保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M(protein)为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒 描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示 主量子数n 它规定了核外电子离核的远近和能量的高低。n取正整数1，2，3，4等。 n值越大，表示电子离原子核越远，能量越高。反之n越小，则电子离核越近，能量越低。 这也相当于把核外电子分为不同的电子层，凡n相同的电子属于同一层。习惯用K,L,M,N,O,P来代表n=1，2，3，4，5，6的电子层。 轨道角动量量子数li 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。 li可取小于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 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。 磁量子数Mi 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。 对某个运动状态可有2i+1个伸展方向。 s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。 自旋角动量量子数si 电子除绕原子核运动外，它本身还做自旋运动。 电子自旋运动有顺时针和逆时针两个方向，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。 小结： 四个量子数规定了核外电子的运动状态，每个电子都可以用上述的四个量子数的一套数据来描述其运动状态（对应着一个波函数），同一原子中没有四个量子数完全相同的电子。换句话说，在同一原子中的各个电子，它们的运动状态不可能完全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同的。 四个量子数的意义 核外电子的排布（electron configuration)规律 元素周期表（periodic Table of the Elements) ※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom) 一、金属键（Metallic bonding） 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键 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 性质：良好导电、导热性能，延展性好 二、离子键（Ionic bonding)多数盐类、碱类和金属氧化物 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 性质：熔点和硬度均较高