第一章 原子結(jié)構(gòu)和鍵合 2014

材料科學基礎主講：李克教授緒論

第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合

第二章固體結(jié)構(gòu)

第三章晶體缺陷

第四章固體中原子及分子的運動

第五章材料的形變與再結(jié)晶

第六章單組元相圖及純晶體的凝固

第七章二元相圖及其合金的凝固2023/2/11《材料科學基礎》CAI課件-李克材料的微觀結(jié)構(gòu)（MicrostructureofMaterials）了解物質(zhì)由原子組成，而組成材料的各元素的原子結(jié)構(gòu)和原子間的鍵合是決定材料性能的重要因素。

決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素包括：組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，原子間相互作用和相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列（晶體），運動規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合

AtomicStructureandInteratomicBonding1、原子結(jié)構(gòu)2、原子間的鍵合2023/2/12《材料科學基礎》CAI課件-李克物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成在材料科學中，最為關心原子的電子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)直接影響原子間的結(jié)合方式;原子的電子結(jié)構(gòu)—原子間鍵合本質(zhì)原子結(jié)構(gòu)--決定材料分類：金屬、非金屬、陶瓷、高分子--決定材料性能：物理、化學、力學※1原子結(jié)構(gòu)

（AtomicStructure）2023/2/13《材料科學基礎》CAI課件-李克一、物質(zhì)的組成（SubstanceConstruction）物質(zhì)由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：單獨存在保存物質(zhì)化學特性

dH2O=0.2nmM(H2)為2M（protein）為百萬原子（Atom）：化學變化中最小微粒量子力學中，原子還可以再分-聚變和裂變（聚變一般是指氘和氚聚變成氦的過程，常見裂變有鈾、钚等的裂變）E=mC22023/2/14《材料科學基礎》CAI課件-李克二、原子的結(jié)構(gòu)1879年J.J湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子（electron),揭示了原子內(nèi)部秘密1911年E.盧瑟福提出原子結(jié)構(gòu)有核模型1913年玻爾將Bohratomicmodel

2023/2/15《材料科學基礎》CAI課件-李克描述原子中一個電子的空間和能量，可用四個量子數(shù)（quantumnumbers）表示三、原子的電子結(jié)構(gòu)單原子體系、多原子體系；詳見“固體能帶理論”2023/2/16《材料科學基礎》CAI課件-李克核外電子的排布遵循的三個原則沒有狀態(tài)相同的電子(4個量子)保證能量最低—穩(wěn)定2023/2/17《材料科學基礎》CAI課件-李克四、元素周期表（PeriodicTableofElements)元素（Element）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)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

元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（FreeState&CombinedForm)2023/2/18《材料科學基礎》CAI課件-李克7個橫行（Horizontalrows)周期（period）按原子序數(shù)（AtomicNumber)遞增的順序從左至右排列18個縱行（column）16族（Group），7個主族、7個副族、1個第Ⅷ族、1個零族（InertGases）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。2023/2/19《材料科學基礎》CAI課件-李克周期規(guī)律：原子序數(shù)＝核電荷數(shù)周期序數(shù)＝電子殼層數(shù)主族序數(shù)＝最外層電子數(shù)零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為2）價電子數(shù)（Valenceelectron）2023/2/110《材料科學基礎》CAI課件-李克※2原子間的鍵合

(

Bondingtypewithotheratom)結(jié)合鍵：原子結(jié)合形成分子或固體時，原子間產(chǎn)生的相互作用力，稱為結(jié)合力，也叫結(jié)合鍵。結(jié)合力從本質(zhì)上講都起源于原子核和電子間的靜電交互作用（庫倫力）。

2023/2/111《材料科學基礎》CAI課件-李克一、金屬鍵（Metallicbonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價電子（valenceelectron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Freeelectron），形成電子云（electroncloud）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：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)性質(zhì)：良好導電、導熱性能，延展性好配位數(shù)：金屬晶體多采取配位數(shù)為12的密堆積，少數(shù)金屬為體心立方結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為8。第Ⅰ族堿金屬、第Ⅱ族堿土金屬及過渡元素晶體都是典型的金屬晶體。過渡金屬兼有金屬鍵和共價鍵，前者提供良好的導電性和導熱性，后者提供強度。2023/2/112《材料科學基礎》CAI課件-李克二、離子鍵（Ionicbonding)特點：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負離子相間排列，且無方向性（得失電子位置不確定），無飽和性性質(zhì)：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體，膨脹系數(shù)小配位數(shù)：離子晶體中最大的配位數(shù)為8。氯化鈉(配位數(shù)為6)，氯化銫(配位數(shù)為8)。實質(zhì)：金屬原子帶正電的正離子（Cation）

非金屬原子帶負電的負離子（anion）e多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物2023/2/113《材料科學基礎》CAI課件-李克氯化鈉氯化銫硫化鋅堿金屬-鹵族堿土金屬-氧族ⅠA-ⅦBⅡA-ⅥBⅡB-ⅥB鋅族-氧族典型離子晶體結(jié)構(gòu):氯化鈉、氯化銫、硫化鋅（閃鋅礦）等礦物、硅酸鹽、陶瓷等2023/2/114《材料科學基礎》CAI課件-李克三、共價鍵（covalentbonding）特點：共用電子對；配位數(shù)較小；有方向性、飽和性。有飽和性：一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵有方向性（s電子除外）：原子只能在特定方向上形成共價鍵物理性質(zhì)：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點高（缺陷少）、質(zhì)硬脆（方向性決定）、導電能力差Si-C,Ni-AlSi-Si包括亞金屬（C、Si、Sn、Ge），高分子聚合物和無機非金屬材料（碳化物、氧化物等）實質(zhì)：由二個或多個電負性差不大的原子間通過共用電子對而成，如氫分子、金剛石、單晶硅2023/2/115《材料科學基礎》CAI課件-李克金剛石結(jié)構(gòu)示意圖金剛石、硅/鍺的單晶中都有這種正四面體成鍵方式2023/2/116《材料科學基礎》CAI課件-李克四、范德華力（Vander

waalsbonding)包括：靜電力、誘導力和色散力（概念，及與溫度、距離的關系）屬物理鍵，系次價鍵，不如化學鍵強大，但能很大程度改變材料性質(zhì)，如熔點、沸點、溶解度等。比如肥皂泡相互吸引。。。。高分子材料以范德華力為主，化學鍵為輔—故沒有氣態(tài)，只有液態(tài)、固態(tài)。如有機玻璃、環(huán)氧樹脂。2023/2/117《材料科學基礎》CAI課件-李克五、氫鍵（Hydrogenbonding）

氫鍵為極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3等分子間，可視為特殊的范德華力。氫鍵是冰中水分子之間主要的相互作用。在高分子中占重要地位，有機物、生物體中，分子和高分子靠氫鍵連接。DNA復制和其他生命過程可視為氫鍵的鍵開與鍵合（酶的參與）。氫原子同時與兩個負電性較大，而原子半徑較小的原子(O、F、N等)結(jié)合，構(gòu)成氫鍵。本質(zhì)：分子間電偶極距相互作用。氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價鍵結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負端相互吸引——氫橋氫鍵具有飽和性和方向性。2023/2/118《材料科學基礎》CAI課件-李克19

各種結(jié)合鍵主要特點的比較類

型

作用力來源

鍵強

形成晶體的特點

離子鍵

原子得、失電子后形成負、正離子，正負離子間的庫侖引力

最強

無方向性和飽和性、高配位數(shù)、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導電

共價鍵

相鄰原子價電子各處于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫侖引力

強

有方向性和飽和性、低配位數(shù)、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、即使在熔態(tài)也不導電

、絕緣

金屬鍵

自由電子氣與正離子實之間的庫侖引力

較強

無方向性和飽和性、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導熱、導電性

分子鍵

原子間瞬時電偶極矩的感應作用

最弱

無方向性和飽和性、結(jié)構(gòu)密堆氫鍵

氫原子核與極性分子間的庫侖引力

弱

有方向性和飽和性

2023/2/119《材料科學基礎》CAI課件-李克1.

原子中一個電子的空間位置和能量可用哪四個量子數(shù)來決定？2.

在多電子的原子中，核外電子的排布應遵循哪些原則？3.

鉻的原子序數(shù)為24，它共有四種同位素：4.31%的Cr原子含有26個中子，83.76%含有28個中子，9.55%含有29個中子，且2.38%含有30個中子。試求鉻