材料的结构和性能解析.pptx

材料的结构和性能解析第1页/共62页 原子质量等于原子中质子和中子的平均数，也等于1阿伏加德罗（NA原子的克质量。1NA=6.02×10E(23)atoms/mol，即1摩尔原子或者分子的数量。因此，原子质量的单位是g/mol。 原子质量的另一单位是相对原子质量：amu (atomic mass unit) ，以原子核内有12个质子的一种碳原子C-12质量的1/12（约1.66×10E(-27）kg）作为标准，其它原子的质量跟它的比值。 一种原子（分子，离子）的摩尔质量在数值上等于其相对原子质量（式量）。注意：只有当该原子、分子、离子的摩尔质量的单位为g/mol时，才符合本规律. 例如，1摩尔包含6.02×10E(23)铁原子的质量为，或者为。第2页/共62页原子的电子结构 我们知道，原子内的电子离散分布在不同的能级轨道，每个电子用有特定的能量，没有相同能级的两个电子。这说明任何两个能级间存在着离散的能量差别。 每个电子的能级有四个量子数确定。量子数是规定一个原子中电子的不连续能级的系列数字。这四个量子数是主量子数n，角量子数l，磁量子数ml，以及自旋量子数ms。角量子数描述每个量子壳的能级，自旋量子数的数值为-1/2和+1/2，代表了电子的不同旋转方向。前三个量子数可以确定电子的能级水平。 原子的电子结构经常用简写的符号标志结合主量子数来表述，如Ge的外层电子结构可以写为： 其中，下标为角量子数，上标为为每个轨道的电子数。第3页/共62页 原子的价电子是原子参与键合或者化学反应时的电子数量。通常价电子数就是外层s或者p能级的电子数。如Ge的价电子数为4。 如果一个原子的价电子数为0，则该原子是惰性的（无反应性），如Ar原子。 而一些原子如Al，其外层s，p能级只有三个电子，易于失去，所以其价电子为3。 而另一些原子如Cl，其外层3s,3p能级有7个电子，只要一个电子就可以填满外层轨道，所以价电子数为-1。 电负性指一个原子获得电子的倾向。对具有几乎就要充满外层能级的原子Cl，就具有极强的电负性，易于得到电子。而对于外层能级几乎快空的原子如Na，电负性就很小，极易失去电子。图2-8给出了一些元素的电负性。第4页/共62页原子键 在工程材料中，有四种重要的原子键合方式： 1）金属键 2）共价键 3）离子键 4）范德瓦尔键（分子键） 对于前三种结合键，主要是通过原子外层轨道（s, p)电子的转移或者共享在相邻原子间形成相对较强的键合，它们叫做主键。而范德瓦尔键则相对较弱，形成机制不同，叫做次键。第5页/共62页 1） 金 属 键第6页/共62页 金属大约占了元素周期表的三分之二。金属原子凝聚而形成晶体时，外层电子脱离原来的原子，失去价电子的原子形成离子。离子占据晶体的点阵，不停地振动；价电子为整个晶体公有，在离子间运动，形成电子云。 这种公有化的电子云能够导电，所以金属是良好的导体；金属间的结合是由于公有化电子和离子之间的静电吸引力。 正是有电子公有化的特点，金属键便没有方向性；为了增加晶体的稳定性，降低体系的内能U，一般都是选择密堆程度高、对称性高、配位数大的晶体结构。第7页/共62页金属晶体金属原子自由电子第8页/共62页2）共价键第9页/共62页 典型的共价键如H2，每一个H原子贡献出一个价电子，它们围绕这两个氢核运动，形成所谓电子云。电子云在两个氢核之间的密度最大，因而可以简单地认为两个价电子集中在两个原子核之间，为两个原子核共有，形成一个共价键。用电子式表示为：共价键有如下重要性质： 1）键长：指组成键的两个原子核之间的距离，随着杂化轨道的状态而变化。 2）键能：将组成共价键的原子分开所需要的能量。 3）极性键：各元素电负性不同，因而电子云的分布不均匀，电子云偏向电负性高的元素，形成极性键。 4）方向性：共价键间具有键角。如图2-12第10页/共62页 3）离子键 NaCl是典型的离子键晶体，Na易于失去外层一个电子形成Na+，而卤素Cl却易接受钠原子失去的电子形成Cl-，正负离子之间的静电的库伦引力作用便形成图示的晶体结构。离子键晶体结构由如下因素定： 1）阳离子和阴离子的含量必须满足定比定律，才能保证电荷的中性。 2）每一类粒子的周围有尽可能多的异类离子，这样可使结合键尽可能多，即内能U尽可能低，则晶体更稳定。 3）同一类离子球不能相切，这种相切导致的斥力使晶体不稳定。第11页/共62页 4）范德瓦尔键(分子键)：原子或分子间范德瓦尔作用力的产生本质上是量子力学的范畴。如两个电荷+q和-q被隔开一定距离d，则偶极矩定义为q×d。原子是电中性的，即正电荷（原子核）中心和负电荷（电子云）中心是重合的。因此，中性原子没有偶极矩。 当一个中性原子被放在一个内在或外在的电场时，原子会被极化(即正负电荷的中心产生偏离)。这