金屬原子結(jié)構(gòu)

1、關(guān)于金屬的原子結(jié)構(gòu)1第一張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2本章主要內(nèi)容1.1 金屬的原子結(jié)構(gòu)1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3 同樣是由碳元素組成的，為什么是硬度最高的物質(zhì)，而石墨卻很軟？為什么原子能結(jié)合成固體？ 材料中存在哪幾種鍵合方式？ 決定鍵合方式的主要因素有哪些？ 材料的哪些性能和其鍵合方式有密切的關(guān)系？思考第三張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月4硅表面原子排列 碳表面原子排列 第四張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月51.1 金屬的原子結(jié)構(gòu) 物質(zhì)的組成（Substance Construction）

2、 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（protein）為百萬(wàn)原子（Atom）： 化學(xué)變化中最小微粒1.1.1 原子結(jié)構(gòu) 第五張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月6-27-27-31質(zhì)子：正電荷m1.672610 kg原子核（nucleus)中子：電中性m1.674810 kg電子（electron）：帶負(fù)電，按能量高低排列 m9.109510 kg，約為質(zhì)子的1/1836e=1.602210-19CNA=6.0231023atom/molM：原子量第六張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于20

3、22年6月7金屬原子的外層價(jià)電子數(shù)比較少（通常s, p 價(jià)電子數(shù)少于4）電子云正離子各個(gè)原子的價(jià)電子極易掙脫原子核的束縛而成為自由電子，在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即彌漫于金屬正離子組成的晶格之中而形成電子云。第七張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月81.1.2 金屬鍵這種在金屬中的自由電子與金屬正離子相互作用所構(gòu)成的鍵合稱為金屬鍵。金屬鍵無(wú)方向性，飽和性。金屬鍵的強(qiáng)弱和自由電子的多少、離子半徑、電子層結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)第八張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9在外電壓的作用下， 自由電子可以定向移動(dòng)，故有導(dǎo)電性。 金屬受外力發(fā)生變形時(shí)，金屬鍵不被破壞， 故金屬有很好的延展性。第九張，PPT共三

4、十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月10金屬可以吸收波長(zhǎng)范圍極廣的光，并重新反射出，故金屬晶體不透明，且有金屬光澤。受熱時(shí)通過(guò)自由電子的碰撞及其與金屬離子之間的碰撞， 傳遞能量， 故金屬是熱的良導(dǎo)體。第十張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月11金屬主要是金屬鍵結(jié)合，但也會(huì)出現(xiàn)一些非金屬鍵，如過(guò)渡族元素（特別是高熔點(diǎn)過(guò)渡族金屬W、Mo等），它們的原子結(jié)合中也會(huì)出現(xiàn)少量的共價(jià)鍵結(jié)合，這也是過(guò)渡族金屬具有高熔點(diǎn)的原因。金屬與金屬形成的金屬間化合物（如CuGe），盡管組成元素都是金屬，但是由于兩者的電負(fù)性不一樣，有一定的離子化傾向，于是構(gòu)成金屬鍵和離子鍵的混合鍵。因此，它們具有一定的金屬特性，但是不具有

5、金屬特有的塑性，往往很脆。第十一張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月12 晶體中的原子之間可以相互吸引，也可以相互排斥。設(shè) fa 代表引力，fr 代表斥力，r 代表原子間距離，則： 式中 a，b，m，n 均為常數(shù)，其中m n 。1.1.3 結(jié)合力與結(jié)合能 原子間凈作用力f 為：第十二張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月13第十三張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月14第十四張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月15第十五張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月16 原子能夠結(jié)合為固體的根本原因，是原子或分子結(jié)合起來(lái)后，體系的能量可以降低，即在分散的原子結(jié)合成晶體過(guò)程中，

6、會(huì)有一定的能量釋放出來(lái)。這個(gè)能量叫做結(jié)合能。結(jié)合能越大，則原子結(jié)合越穩(wěn)定。離子晶體、共價(jià)晶體的結(jié)合能最大；金屬鍵結(jié)合次之，金屬鍵結(jié)合中以過(guò)渡元素為最大；范德瓦爾斯鍵的結(jié)合能最小，只有幾十kJ/mol。材料結(jié)合鍵的類(lèi)型及結(jié)合能的大小對(duì)材料的性能有重要的影響，特別是對(duì)物理性能和力學(xué)性能。第十六張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月17熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。材料加熱時(shí)，原子振動(dòng)足夠破壞原子之間的穩(wěn)定結(jié)合，于是發(fā)生熔化，所以熔點(diǎn)與結(jié)合能有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。共價(jià)鍵、離子鍵化合物結(jié)合能較高，其中純共價(jià)鍵的金剛石有最高的熔點(diǎn)，金屬的熔點(diǎn)相對(duì)較低，這是陶瓷材料比金屬具有更高熱穩(wěn)定性的根本原因。金

7、屬中過(guò)渡族金屬具有較高的熔點(diǎn)，特別是難熔金屬W、Mo、Ta等熔點(diǎn)較高，這可能是由于這些金屬的內(nèi)層電子沒(méi)有填滿，使結(jié)合鍵中有一定比例的共價(jià)鍵。具有二次鍵結(jié)合的材料如聚合物等，熔點(diǎn)偏低。結(jié)合鍵與物理性能的關(guān)系熔點(diǎn)第十七張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月18第十八張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月19材料的密度與結(jié)合鍵類(lèi)型有關(guān)。大多數(shù)金屬有較高的密度，如Pt、W、Au的密度在工程材料中最高。金屬的高密度有兩個(gè)原因：一個(gè)是由于金屬原子有較高的相對(duì)原子質(zhì)量；另一個(gè)原因是因?yàn)榻饘冁I的結(jié)合方式?jīng)]有方向性，所以金屬原子中趨向于密集排列，金屬經(jīng)常是簡(jiǎn)單的原子密排結(jié)構(gòu)。離子鍵和共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)的情況。

8、原子排列不可能非常致密。共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，相鄰原子的個(gè)數(shù)要受到共價(jià)鍵數(shù)目的限制，離子鍵結(jié)合時(shí)則要滿足正、負(fù)離子之間結(jié)合鍵與物理性能的關(guān)系密度第十九張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月20 的電荷平衡的要求，相鄰的原子數(shù)目都不如金屬多，所以陶瓷材料的密度比較低。聚合物中由于是通過(guò)二次鍵結(jié)合，分子之間堆垛不緊密，加上組成的原子質(zhì)量比較小（C、H、O），因此聚合物的密度很低。與金屬鍵結(jié)合的金屬相比，由非金屬鍵結(jié)合的陶瓷、聚合物一般在故態(tài)下不導(dǎo)電，它們可以作為絕緣體和絕熱體在工程上應(yīng)用。結(jié)合鍵與物理性能的關(guān)系密度第二十張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月21工程材料的腐蝕是一種化學(xué)反應(yīng)，實(shí)質(zhì)是

9、結(jié)合鍵的形成和破壞。金屬腐蝕時(shí)，金屬離子離開(kāi)金屬就與外層價(jià)電子的失去有關(guān)。結(jié)合鍵與化學(xué)性能的關(guān)系腐蝕第二十一張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月22晶體材料的硬度與晶體的結(jié)合鍵有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵結(jié)合的晶體比分子鍵結(jié)合的晶體的硬度高。結(jié)合鍵與力學(xué)性能的關(guān)系硬度第二十二張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月23彈性模量是表征材料在發(fā)生彈性變形時(shí)所需要施加力的大小。在給定應(yīng)力下，彈性模量大的材料只發(fā)生很小的彈性應(yīng)變，而彈性模量小的材料則發(fā)生比較大的彈性應(yīng)變。結(jié)合能是影響彈性模量的主要因素，結(jié)合鍵之間的結(jié)合鍵能越大，則彈性模量越大，結(jié)合鍵能與彈性模量之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

10、結(jié)合鍵與力學(xué)性能的關(guān)系彈性模量第二十三張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月24結(jié)合鍵與力學(xué)性能的關(guān)系彈性模量金剛石具有最高的彈性模量，E1000GPa工程陶瓷如碳化物、氮化物、氧化物等結(jié)合鍵能也比較高，它們的彈性模量為250600GPa 金屬鍵結(jié)合的金屬材料彈性模量要抵一些，常用金屬材料的彈性模量約為70350GPa聚合物由于二次鍵的作用，彈性模量?jī)H為0.73.5GPa第二十四張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月25材料的強(qiáng)度與結(jié)合鍵能也有一定的聯(lián)系。一般結(jié)合鍵能高，強(qiáng)度也高一些。材料的強(qiáng)度在很大程度上還取決于材料的其他結(jié)構(gòu)因素，如材料的組織，因此材料的強(qiáng)度可以在一個(gè)較大的范圍內(nèi)變

11、化。結(jié)合鍵與力學(xué)性能的關(guān)系強(qiáng)度第二十五張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月26材料的塑性也與結(jié)合鍵類(lèi)型有關(guān)，金屬鍵結(jié)合的材料具有良好的塑性，而離子鍵、共價(jià)鍵結(jié)合的材料的塑性變形困難，所以陶瓷材料的塑性很差。結(jié)合鍵與力學(xué)性能的關(guān)系塑性第二十六張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月27金屬鍵（Metallic bonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子，形成電子云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)性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好第二十七張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于

12、2022年6月28思考題為什么第VIII族中鐵鈷鎳有鐵磁性，而同族的釕銠鈀,鋨銥鉑卻沒(méi)有? 常溫下釓Gd也具有鐵磁性？為什么銀的顏色是銀白的，而金的顏色是金黃色的，物質(zhì)的顏色與什么有關(guān)？第二十八張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月29為什么第VIII族中鐵鈷鎳有鐵磁性，而同族的釕銠鈀,鋨銥鉑卻沒(méi)有? 常溫下釓Gd也具有鐵磁性？鐵磁性產(chǎn)生的條件： 原子內(nèi)部要有末填滿的電子殼層； 及Rabr之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結(jié)構(gòu)。 第二十九張，PPT共三十一頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月30為什么銀的顏色是銀白的，而金的顏色是金黃色的，物質(zhì)的顏色與什么有關(guān)？物質(zhì)都是由原子（或離子）構(gòu)成，在這些粒子中有電子，電子分布在能量固定的幾個(gè)軌道上，此時(shí)的狀態(tài)稱為基態(tài)，當(dāng)光照射到物質(zhì)上的時(shí)候，電子會(huì)吸收照射光中的一部分能量產(chǎn)生躍遷，從能量低的軌道“跳”至能量高的軌道，稱為激發(fā)態(tài)