材料的原子結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合鍵ppt課件

1、2022-1-31資料科學(xué)與工程導(dǎo)論資料科學(xué)與工程導(dǎo)論材材料料導(dǎo)導(dǎo)論論基基礎(chǔ)礎(chǔ)2022-1-312022-1-31第三章第三章資料的原子構(gòu)造和資料的原子構(gòu)造和原子間的結(jié)合鍵原子間的結(jié)合鍵資料的原子構(gòu)造和原子間的結(jié)合鍵資料的原子構(gòu)造和原子間的結(jié)合鍵2022-1-312022-1-31內(nèi)容簡介：內(nèi)容簡介：本章主要講述了各種資料的原本章主要講述了各種資料的原子構(gòu)造和原子特性，并引見了子構(gòu)造和原子特性，并引見了原子間結(jié)合鍵種類及資料的分原子間結(jié)合鍵種類及資料的分類。類。本章重點：本章重點：3.1 資料構(gòu)造和原子特性；資料構(gòu)造和原子特性；3.3 原子間的結(jié)合鍵；原子間的結(jié)合鍵；2022-1-312022

2、-1-31概述概述 在外界條件固定時，資料的性能取決于資在外界條件固定時，資料的性能取決于資料內(nèi)部的構(gòu)造，即組成資料的原子種類和含量料內(nèi)部的構(gòu)造，即組成資料的原子種類和含量稱為成分以及它們的陳列方式和空間分布稱為成分以及它們的陳列方式和空間分布稱為組織構(gòu)造。我們研討資料構(gòu)造與性能稱為組織構(gòu)造。我們研討資料構(gòu)造與性能之間的關(guān)系，首先必需弄清楚組成資料的原子之間的關(guān)系，首先必需弄清楚組成資料的原子構(gòu)造以及相互之間的結(jié)合特點。構(gòu)造以及相互之間的結(jié)合特點。 第一節(jié)第一節(jié) 資料構(gòu)造和原子特性資料構(gòu)造和原子特性2022-1-312022-1-31學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的： 1. 了解資料構(gòu)造的根本涵義；了解資料

3、構(gòu)造的根本涵義； 2. 了解原子構(gòu)造、量子力學(xué)的根了解原子構(gòu)造、量子力學(xué)的根本概念。本概念。資料構(gòu)造和原子特性資料構(gòu)造和原子特性資料構(gòu)造的涵義：資料構(gòu)造的涵義： 資料構(gòu)造是指組成資料的原子或離子、資料構(gòu)造是指組成資料的原子或離子、分子相互結(jié)合的方式或構(gòu)成的方式這些方分子相互結(jié)合的方式或構(gòu)成的方式這些方式稱為構(gòu)造要素以及構(gòu)造要素按一定次序的式稱為構(gòu)造要素以及構(gòu)造要素按一定次序的組合、陳列及相互間的各種聯(lián)絡(luò)。組合、陳列及相互間的各種聯(lián)絡(luò)。 資料構(gòu)造包括以下內(nèi)容：資料構(gòu)造包括以下內(nèi)容： 1.組成資料原子或離子、分子的構(gòu)造組成資料原子或離子、分子的構(gòu)造 2.組成資料原子或離子、分子間的結(jié)合組成資料原子

4、或離子、分子間的結(jié)合 3.組成資料原子或離子、分子的陳列組成資料原子或離子、分子的陳列 4.資料構(gòu)造內(nèi)存在的缺陷資料構(gòu)造內(nèi)存在的缺陷 資料構(gòu)造從宏觀到微觀，即按研討的層次，資料構(gòu)造從宏觀到微觀，即按研討的層次，大致可分為宏觀組織構(gòu)造、顯微組織構(gòu)造、原大致可分為宏觀組織構(gòu)造、顯微組織構(gòu)造、原子或分子陳列構(gòu)造、原子中的電子構(gòu)造等。子或分子陳列構(gòu)造、原子中的電子構(gòu)造等。 原子特性原子特性 原子構(gòu)造原子構(gòu)造二、原子特性二、原子特性一原子構(gòu)造一原子構(gòu)造 在構(gòu)造上，原子核是由帶正電荷的粒子即質(zhì)在構(gòu)造上，原子核是由帶正電荷的粒子即質(zhì)子和不帶電荷的粒子即中子組成。質(zhì)子數(shù)也即子和不帶電荷的粒子即中子組成。質(zhì)子數(shù)

5、也即原子序數(shù)原子序數(shù)Z，決議了元素的本性。核內(nèi)質(zhì)，決議了元素的本性。核內(nèi)質(zhì)子和中子的總數(shù)決議了原于量。每個原子的原子和中子的總數(shù)決議了原于量。每個原子的原子核周圍有電子圍繞。子核周圍有電子圍繞。 原子的軌道電子或電子云，能被電力、磁力原子的軌道電子或電子云，能被電力、磁力和機械力所改動或干憂。這種改動和和干擾對和機械力所改動或干憂。這種改動和和干擾對工程資料的性能，如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性和工程資料的性能，如導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性和抗腐蝕性等產(chǎn)生很大的影響?？垢g性等產(chǎn)生很大的影響。原子特性原子特性量子力學(xué)根本概念量子力學(xué)根本概念(二二)量子力學(xué)幾個根本概念量子力學(xué)幾個根本概念 1微觀粒子的波粒兩

6、象性微觀粒子的波粒兩象性 2海森堡測不準(zhǔn)原理海森堡測不準(zhǔn)原理 原子特征原子特征核外電子核外電子三核外電子三核外電子 電子在原子中的運動形狀是由主量子電子在原子中的運動形狀是由主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)和自旋量子數(shù)數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)和自旋量子數(shù)，對應(yīng)著一個特定的波函數(shù)，對應(yīng)著一個特定的波函數(shù)。在多電子。在多電子的原子中，電子的分布必需遵守泡利不的原子中，電子的分布必需遵守泡利不相容原理、能量最低原理和最多軌道原相容原理、能量最低原理和最多軌道原理洪特規(guī)那么。理洪特規(guī)那么。 第二節(jié)第二節(jié) 原子間作用力和結(jié)合能原子間作用力和結(jié)合能 學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的： 1.掌握原子的聚集態(tài)分類；掌握原子的聚集

7、態(tài)分類； 2.了解原子間作用力和結(jié)合能。了解原子間作用力和結(jié)合能。原子的聚集態(tài)原子的聚集態(tài)o 一、原子的聚集態(tài)：一、原子的聚集態(tài)：o 除了在某些特殊條件下之外，元素難得除了在某些特殊條件下之外，元素難得以原子態(tài)存在，根本上均以分子或液態(tài)及固態(tài)以原子態(tài)存在，根本上均以分子或液態(tài)及固態(tài)存在，后二者統(tǒng)稱為凝聚態(tài)。存在，后二者統(tǒng)稱為凝聚態(tài)。o 根據(jù)結(jié)合鍵的不同形狀，可把凝聚態(tài)分根據(jù)結(jié)合鍵的不同形狀，可把凝聚態(tài)分成五大類：液體、液晶、橡膠態(tài)、玻璃態(tài)和晶成五大類：液體、液晶、橡膠態(tài)、玻璃態(tài)和晶態(tài)。態(tài)。 聚集態(tài)原子間作用力和結(jié)合能聚集態(tài)原子間作用力和結(jié)合能二、聚集態(tài)原子間作用力和結(jié)合能二、聚集態(tài)原子間作用力

8、和結(jié)合能圖3-1 勢能及作用力與原子間間隔的關(guān)系 聚集態(tài)原子間作用力和結(jié)合能聚集態(tài)原子間作用力和結(jié)合能 從圖從圖3-1可看到，當(dāng)原子間距可看到，當(dāng)原子間距 r 很大時，原子之間很大時，原子之間的作用力很??；當(dāng)原子分開得更遠(yuǎn)時無限間隔，相的作用力很小；當(dāng)原子分開得更遠(yuǎn)時無限間隔，相互間作用力趨近于零，位能也是如此。當(dāng)原子間間隔互間作用力趨近于零，位能也是如此。當(dāng)原子間間隔 r 較小時，存在著很大的吸引力，勢必把原子拉在一同，較小時，存在著很大的吸引力，勢必把原子拉在一同，當(dāng)原子更接近即當(dāng)原子更接近即 r = r0 時，終于到達(dá)原子間吸引力與時，終于到達(dá)原子間吸引力與排斥力相平衡，換言之，力的和等

9、于零，此時原子對的排斥力相平衡，換言之，力的和等于零，此時原子對的位能為最小值，該能量代表了原子間的鍵能，該位置是位能為最小值，該能量代表了原子間的鍵能，該位置是原子最穩(wěn)定的構(gòu)型，該間距稱為平衡間距。原子最穩(wěn)定的構(gòu)型，該間距稱為平衡間距。第三節(jié)第三節(jié) 原子間的結(jié)合鍵原子間的結(jié)合鍵 學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的： 1.掌握結(jié)合鍵的概念；掌握結(jié)合鍵的概念； 2.了解各種結(jié)合鍵了解各種結(jié)合鍵原子間的結(jié)合鍵原子間的結(jié)合鍵 原子之間的結(jié)合力，也稱結(jié)合鍵它主要原子之間的結(jié)合力，也稱結(jié)合鍵它主要表現(xiàn)為原子間吸引力和排斥力的合力結(jié)果。表現(xiàn)為原子間吸引力和排斥力的合力結(jié)果。 結(jié)合鍵可大致分為兩類：化學(xué)鍵和物理鍵結(jié)合鍵可大

10、致分為兩類：化學(xué)鍵和物理鍵或稱一次鍵和二次鍵?；瘜W(xué)鍵一次鍵通常或稱一次鍵和二次鍵?；瘜W(xué)鍵一次鍵通常指離子鍵、共價鍵和金屬鍵，而物理鍵二次指離子鍵、共價鍵和金屬鍵，而物理鍵二次鍵那么是范德瓦爾斯鍵和氫鍵鍵那么是范德瓦爾斯鍵和氫鍵原子間的結(jié)合鍵原子間的結(jié)合鍵原子間的結(jié)合鍵原子間的結(jié)合鍵金屬鍵分子鍵共價鍵離子鍵氫鍵離子鍵離子鍵一、離子鍵：一、離子鍵： 正離子和負(fù)離子由于靜電引力相互吸引，當(dāng)正離子和負(fù)離子由于靜電引力相互吸引，當(dāng)它們充分接近時會產(chǎn)生排斥，引力和斥力相等它們充分接近時會產(chǎn)生排斥，引力和斥力相等即構(gòu)成穩(wěn)定的離子鍵。離子鍵要求正負(fù)離子相即構(gòu)成穩(wěn)定的離子鍵。離子鍵要求正負(fù)離子相間陳列，而且要使

11、異號離子之間的引力最大，間陳列，而且要使異號離子之間的引力最大，同號離子之間的斥力最小。同號離子之間的斥力最小。 離子鍵的結(jié)合力比較大，所以離子晶體的離子鍵的結(jié)合力比較大，所以離子晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。硬度高，強度大，熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。例如例如MgO、Al2O3和鋼中的某些非金屬夾雜和鋼中的某些非金屬夾雜等等 。共價鍵共價鍵二、共價鍵：二、共價鍵： 由共用價電子對產(chǎn)生的化學(xué)鍵叫做共價鍵。由共用價電子對產(chǎn)生的化學(xué)鍵叫做共價鍵。由共價鍵構(gòu)成的晶體為共價晶體。共價晶體中由共價鍵構(gòu)成的晶體為共價晶體。共價晶體中的粒子為中性原子，所以也叫做原子晶體。具的粒子為中性原子，所以

12、也叫做原子晶體。具有代表性的共價晶體為金剛石。有代表性的共價晶體為金剛石。 共價鍵的結(jié)合力很大，所以共價晶體具有共價鍵的結(jié)合力很大，所以共價晶體具有強度高、硬度大、脆性大、熔點高、沸點高和強度高、硬度大、脆性大、熔點高、沸點高和揮發(fā)性低等性質(zhì)，構(gòu)造也比較穩(wěn)定。由于相鄰揮發(fā)性低等性質(zhì)，構(gòu)造也比較穩(wěn)定。由于相鄰原子所共有的電子不能自在運動，共價晶體的原子所共有的電子不能自在運動，共價晶體的導(dǎo)電才干較差。導(dǎo)電才干較差。金屬鍵金屬鍵三、金屬鍵三、金屬鍵 正離子和電子氣之間產(chǎn)生劇烈的靜電吸引力正離子和電子氣之間產(chǎn)生劇烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來，這種結(jié)合力就叫做金，使全部離子結(jié)合起來，這種結(jié)合力就

13、叫做金屬鍵。由金屬鍵結(jié)合起來的晶體為金屬晶體。屬鍵。由金屬鍵結(jié)合起來的晶體為金屬晶體。 由于存在自在電子，金屬就具有高導(dǎo)電性和由于存在自在電子，金屬就具有高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，自在電子能吸收光波能量，產(chǎn)生躍遷導(dǎo)熱性，自在電子能吸收光波能量，產(chǎn)生躍遷，從而表現(xiàn)出有金屬光澤、不透明。，從而表現(xiàn)出有金屬光澤、不透明。 另外，金屬鍵無所謂的飽和性和方向性。另外，金屬鍵無所謂的飽和性和方向性。分子健范德瓦爾斯力分子健范德瓦爾斯力四、分子健范德瓦爾斯力四、分子健范德瓦爾斯力 范德瓦爾斯鍵有范德瓦爾斯鍵有3個來源：偶極間的靜個來源：偶極間的靜電力葛生力電力葛生力 誘導(dǎo)力德拜力誘導(dǎo)力德拜力 色散色散力倫敦力力倫敦

14、力 晶體幾種不同結(jié)合鍵中，離子鍵結(jié)合能最晶體幾種不同結(jié)合鍵中，離子鍵結(jié)合能最高，共價鍵其次，金屬鍵第三，而范德瓦爾鍵高，共價鍵其次，金屬鍵第三，而范德瓦爾鍵最弱。最弱。 氫鍵氫鍵五、氫鍵：五、氫鍵： 在含氫的物質(zhì)中，特別是含氫的聚合物中，在含氫的物質(zhì)中，特別是含氫的聚合物中，經(jīng)?？梢砸姷接蓺潆x子所引起的鍵。普通一個經(jīng)常可以見到由氫離子所引起的鍵。普通一個中性氫原子只和一個另外的原子構(gòu)成共價鍵。中性氫原子只和一個另外的原子構(gòu)成共價鍵。但是在一定的條件下，一個氫原子可以同時與但是在一定的條件下，一個氫原子可以同時與兩個電子親合能大的，半徑較小的原子兩個電子親合能大的，半徑較小的原子F、O、N等相結(jié)

15、合，這種結(jié)合力叫氫鍵。等相結(jié)合，這種結(jié)合力叫氫鍵。 氫鍵結(jié)合起來的晶體為氫鍵晶體。水、冰氫鍵結(jié)合起來的晶體為氫鍵晶體。水、冰中都有氫鍵，化工資料硼酸就是典型的氫鍵晶中都有氫鍵，化工資料硼酸就是典型的氫鍵晶體。體。第四節(jié)第四節(jié) 原子間結(jié)合鍵與資料類型及性質(zhì)原子間結(jié)合鍵與資料類型及性質(zhì) 學(xué)習(xí)目的：學(xué)習(xí)目的： 1.了解原子間結(jié)合鍵與資料類型的了解原子間結(jié)合鍵與資料類型的關(guān)系；關(guān)系； 2.了解原子間結(jié)合鍵與資料性質(zhì)的了解原子間結(jié)合鍵與資料性質(zhì)的關(guān)系。關(guān)系。原子間結(jié)合鍵與資料類型原子間結(jié)合鍵與資料類型一、原子間結(jié)合鍵與資料類型一、原子間結(jié)合鍵與資料類型 工程上主要根據(jù)固體中的結(jié)合鍵的特點或工程上主要根據(jù)

16、固體中的結(jié)合鍵的特點或本性將資料分為以下四類：本性將資料分為以下四類： 1金屬資料金屬資料 2高分子資料高分子資料 3陶瓷資料陶瓷資料 4復(fù)合資料復(fù)合資料原子間結(jié)合鍵與資料性質(zhì)原子間結(jié)合鍵與資料性質(zhì)二、原子間結(jié)合鍵與資料性質(zhì)二、原子間結(jié)合鍵與資料性質(zhì)(一一)原子間結(jié)合鍵與資料的彈性模量原子間結(jié)合鍵與資料的彈性模量 金屬資料彈性模量的主要由晶體中原子的本金屬資料彈性模量的主要由晶體中原子的本性，晶格類型以及晶格常數(shù)等要素決議。性，晶格類型以及晶格常數(shù)等要素決議。 在無機非金屬資料中，金剛石具有極高的彈在無機非金屬資料中，金剛石具有極高的彈性量性量 ；硅酸鹽資料普通也具有較高的彈性模量；硅酸鹽資料普通也具有較高的彈性模量 ，緣由在于硅酸鹽資料的結(jié)合鍵主要是共價鍵，緣由在于硅酸鹽資料的結(jié)合鍵主要是共價鍵和離子鍵，故鍵合力大。和離子鍵，故鍵合力大。 有機高分子資料的彈性模量很低，且在相當(dāng)有機高分子資料的彈性模量很低，且在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，這與其結(jié)合鍵的性質(zhì)有關(guān)。大的范圍內(nèi)變化，這與其結(jié)合鍵的性質(zhì)有關(guān)。 原子間結(jié)合鍵與資料性質(zhì)原子間結(jié)合鍵與資料性質(zhì)二原子間結(jié)合鍵與資料其它性能二原子間結(jié)合鍵與資料其它性能 資料的密