材料科學(xué)基礎(chǔ)(上海交大)_原子與結(jié)構(gòu)鍵合

1、物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成在材料科學(xué)中，最為關(guān)心原子的電子結(jié)構(gòu)原子的電子結(jié)構(gòu)原子間鍵合本質(zhì)決定材料分類：金屬 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力學(xué)材料的微觀結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)（Microstructure of Materials）決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，原子間相互作用，相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列，運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征 一、物質(zhì)的組成（Substance Construction）物質(zhì)由無(wú)數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：?jiǎn)为?dú)存在 保存物質(zhì)化學(xué)特性 dH2O=0.2nm M(H2)為2 M（

2、protein）為百萬(wàn)原子（Atom）： 化學(xué)變化中最小微粒l18791879年年 J.J Thomson J.J Thomson 發(fā)現(xiàn)電子（發(fā)現(xiàn)電子（electron),electron),揭示了原子內(nèi)部秘密揭示了原子內(nèi)部秘密l19111911年年 E.RutherfordE.Rutherford提出原子結(jié)構(gòu)有核模型提出原子結(jié)構(gòu)有核模型l19131913年年 N.BohrN.Bohr將將 lBohr atomic modelBohr atomic model M M. .P Pl la an nk k和和A A. .E Ei in ns st te ei in n量量子子論論原原子子結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)

3、的的量量子子理理論論R Ru ut th he er rf fo or rd d 原原子子有有核核模模型型- -2 2H H- -1 1A Al l原原子子（a at to om m) )r r = = 3 3. .7 7 1 10 0 n nm mr r = =1 1. .4 43 3 1 10 0 n nm m- -2 27 7- -2 27 7- -3 31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）質(zhì)質(zhì)子子：正正電電荷荷m m1 1. .6 67 72 26 61 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s

4、) )：位位于于原原子子中中心心、帶帶正正電電中中子子：電電中中性性m m1 1. .6 67 74 48 81 10 0k kg g電電子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，帶帶負(fù)負(fù)電電，按按能能量量高高低低排排列列，如如電電子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo ou ud d） m m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0k kg g，約約為為質(zhì)質(zhì)子子的的1 1/ /1 18 83 36 6l核外電子的排布（electron configuration)規(guī)律iiinln1, spdfm i主量子

5、數(shù) ：決定原子中電子能量和核間距離，即量子殼層，取正整數(shù)K、L、M、N、O、P、Q electron shell軌道動(dòng)量量子數(shù) ：與電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量有關(guān)，取值為0，1，2， ， ， shape of the electron subshell磁量子數(shù)：決定原子軌道或電子云在空間的伸展方向，取值為-li1),1,0,1, spatial orientation of an electron cloudsii，-(ll11自旋角動(dòng)量量子數(shù) ：表示電子自旋（spin moment）的方向，取值為 或-22l描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（

6、quantum quantum numbersnumbers）表示表示2 2全全充充滿滿半半充充滿滿 全全空空自自旋旋方方向向相相同同能能量量最最低低原原理理（M Mi in ni im mu um m E En ne er rg gy y p pr ri in nc ci ip pl le e) )電電子子總總是是占占據(jù)據(jù)能能量量最最低低的的殼殼層層 1 1s s- -2 2s s- -2 2p p- -3 3s s- -3 3p p- -4 4s s- -3 3d d- -4 4p p- -5 5s s- -4 4d d- -5 5p p- -P Pa au ul li i不不相相容容原原

7、理理（P Pa au ul li i E Ex xc cl lu us si io on n p pr ri in nc ci ip pl le e) ): : 2 2n nH Hu un nd d原原則則（H Hu un nd d R Ru ul le e) )l元素（元素（Element）：）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數(shù)是種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)劃分元素的依據(jù)l同位素（同位素（Isotope）：）：具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子 l l元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)

8、（元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（Free State& Combined Form)l7個(gè)橫行（個(gè)橫行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序數(shù)（按原子序數(shù)（Atomic Number)遞增遞增的順序從左至右排列的順序從左至右排列l(wèi)18個(gè)縱行（個(gè)縱行（column）16族（族（Group），），7個(gè)主族、個(gè)主族、7個(gè)副族、個(gè)副族、1個(gè)個(gè)族、族、1個(gè)零族個(gè)零族（Inert Gases）最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。1 12 21 13 31 14 46 66 66 6C C

9、 ，C C ，C C原子序數(shù)核電荷數(shù)原子序數(shù)核電荷數(shù) 周期序數(shù)電子殼層數(shù)周期序數(shù)電子殼層數(shù)主族序數(shù)最主族序數(shù)最 外外 層層 電電 子子 數(shù)數(shù) 零族元素最外層電子數(shù)為零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為（氦為2） 價(jià)電子數(shù)價(jià)電子數(shù)（Valence electron） 電離核核電電荷荷 ，原原子子半半徑徑 能能 ，失失電電子子能能力力 ，得得電電子子能能力力 最最外外層層電電子子數(shù)數(shù)相相同同，電電子子層層數(shù)數(shù) ，原原子子半半徑徑 電電離離能能 ，失失電電子子能能力力 ，得得電電子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金屬屬性性 ，非非金金屬屬性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金屬屬性性 ，

10、非非金金屬屬性性 l22原子間的鍵合原子間的鍵合 ( ( Bonding type with other atom)Bonding type with other atom)金屬鍵（Metallic bonding）金屬鍵（Metallic bonding）化學(xué)鍵（Chemical bonding）離子鍵（Ionic bonding）主化學(xué)鍵（Chemical bonding）離子鍵（Ionic bonding）主 價(jià)鍵primary interatomic bonds價(jià)鍵primary interatomic bonds共價(jià)鍵（covalent bonding）共價(jià)鍵（covalent bo

11、nding）物理鍵（physical bonding),次價(jià)鍵(Secondary bond物理鍵（physical bonding),次價(jià)鍵(Secondary bond ing)ing)，亦稱Van der Waals bonding，亦稱Van der Waals bonding氫鍵（Hydrogen-bondin氫鍵（Hydrogen-bondin和g) g) 介于化學(xué)鍵范德華力之間介于化學(xué)鍵范德華力之間l一、金屬鍵（一、金屬鍵（Metallic bondingMetallic bonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子（典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子（

12、valence electronvalence electron）極易極易 掙脫原子核之束縛而成為自由電子（掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free electronFree electron），），形成電子云形成電子云（electron cloudelectron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵l特點(diǎn)：電子共有化，既無(wú)飽和性又無(wú)方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電子共有化，既無(wú)飽和性又無(wú)方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)l性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好l二、離子鍵（Ionic bondi

13、ng) 多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物l 特點(diǎn)：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列， 且無(wú)方向性，無(wú)飽和性性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體靜靜 電電鍵鍵引引 力力 離離 子子l三、共價(jià)鍵（covalent bonding）l 亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料l實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)而成 鍵電對(duì)鍵鍵兩鍵間極性(Polar bonding):共用子偏于某成原子極性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非極性（Nonpolar bonding): 位于成原子中非極性（Nonpolar bonding): 位于成原子中l(wèi)

14、特點(diǎn)：飽和性 配位數(shù)較小 ，方向性（s電子除外）l性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差 實(shí)質(zhì)： 金屬原子 帶正電的正離子（Cation） 非金屬原子 帶負(fù)電的負(fù)離子（anion） e l四、范德華力（Van der waals bonding) 電應(yīng)鄰電華偶偶極極矩矩的的感感作作用用近近原原子子相相互互作作用用荷荷位位移移偶偶極極子子( (d di ip po ol le es s）范范德德力力l包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersive force)l屬物理鍵 ，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì) l五、氫鍵（Hydro

15、gen bonding） 極性分子鍵 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位， 氫 原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價(jià)鍵結(jié)合），裸露原子核 將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引氫橋 介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性l33高分子鏈高分子鏈（High polymer Chain)High polymer Chain)鏈結(jié)結(jié)態(tài)結(jié)（S St tr ru uc ct tu ur re e o of f a ag gg gr re eg ga at ti io on n s st ta at te e) )（C Ch ha ai in n S St tr ru uc ct tu ur re e)

16、 )構(gòu)構(gòu)高高分分子子構(gòu)構(gòu)聚聚集集構(gòu)構(gòu)應(yīng) 發(fā)劑過(guò)鍵將單單應(yīng) 縮應(yīng) 學(xué)應(yīng)釋產(chǎn)（p pl lo oy yc co on nd de en ns sa at ti io on n) ) （p po ol ly ya ad dd di it ti io on n) ) 加加聚聚反反添添加加引引通通共共價(jià)價(jià)分分子子聚聚合合 體體聚聚合合反反聚聚反反化化反反，放放出出副副品品 結(jié)結(jié)屬學(xué)結(jié)鏈結(jié)遠(yuǎn)結(jié)結(jié)態(tài)鏈順近近程程構(gòu)構(gòu)：一一次次構(gòu)構(gòu) 于于化化構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu)程程構(gòu)構(gòu)：二二次次構(gòu)構(gòu) 分分子子量量、形形、的的柔柔性性、構(gòu)構(gòu)象象l近程結(jié)構(gòu)（short-range Structure)l一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（the Chem

17、istry of mer unito)l1.碳鏈高分子 聚乙烯HHCCHHl主鏈以C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié) 加聚反應(yīng)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雜鏈高分子 滌綸OOHHCCOCCOHH l主鏈除C原子外還有其它原子如O、N 、S等，并以共價(jià)鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對(duì)苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等l3.元素有機(jī)高分子 硅橡膠 l l主鏈中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素與O組成，其側(cè)鏈則有機(jī)基團(tuán)，故兼有無(wú)機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠l4.無(wú)機(jī)高分子 二硫化硅

18、 聚二氯氮化磷33CHSiOCH/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCll主鏈既不含C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解l1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序 單烯類單體中 除乙烯分子是完全對(duì)稱的，其結(jié)構(gòu)單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對(duì)稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭頭22CHCHCHCHCHClClCl222CHCHCHCHCHClCl尾尾222CHCHCHCHCHClCl頭尾雙烯類高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開(kāi)啟位置而不同 l2.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers）l 按結(jié)

19、構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為無(wú)規(guī)共聚物（Random copolymer）交替共聚物（ alteranting copolymer）嵌段共聚物（ block copolymer）接枝共聚物（graft copolymer）o線熱變軟動(dòng)熱鏈聯(lián)線膠聯(lián)變強(qiáng)韌狀性性高高分分子子（l li in ne ea ar r p po ol ly ym me er rs s） : : 加加后后，甚甚至至流流，可可反反復(fù)復(fù)加加工工 塑塑性性（t th he er rm m p pl la as st ti ic c）支支高高分分子子（b br ra an nc ch he ed d p po ol ly y

20、m me er rs s）：交交高高分分子子（c cr ro os ss sl li in nk ke ed d p po ol ly ym me er r）：性性天天然然橡橡用用S S交交后后耐耐磨磨體體型型（立立體體網(wǎng)網(wǎng)）高高分分子子（n ne et tw wo or rk k o on n t th hr re ee e- -d di im me en ns si io on na al l p po ol ly ym me er r) ) 三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（structure）不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀熱固性（thermosetting） l鏈的構(gòu)型系指分

21、子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過(guò)化學(xué)鍵斷裂才行l(wèi)旋光異構(gòu)體（stereoisomerism）l由烯烴單體合成的高聚物 在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對(duì)稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元 ，有三種排列方式處鏈兩側(cè)兩單處鏈邊體間無(wú)規(guī)（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configurationR取代基交替地在主平面， 即旋光異構(gòu)元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一種旋光異構(gòu)同立構(gòu)全同立構(gòu)立構(gòu)鏈兩側(cè)規(guī)則s):R取代基在主平面不排列2CHCHRn幾何異構(gòu)（Geometrical isomeris

22、m） 雙烯類單體定向聚合時(shí)，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有 順式（cis-structure)順式（cis-structure)反式（trans-structure)反式（trans-structure)順無(wú)順順?lè)葱蚍唇惶嫒?HCHHHCCCCHH3HCHHCCCCHHH順式 反式 兩種異構(gòu)體之分，對(duì)于大分子鏈而言就有稱為幾何異構(gòu)二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 l一、高分子的大?。∕olecular Size）l高分子的相對(duì)分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性l平均相對(duì)分子質(zhì)量數(shù)對(duì)質(zhì)為數(shù)數(shù)對(duì)質(zhì)為質(zhì)數(shù)n ni ii ii ii ii ii i均均相相分分子子量量M M = =x x M M , , x x分分子子分分 n nu um mb be er ra av ve er ra ag ge e m mo ol le ec cu ul la ar r w we ei ig gh ht t