原子結(jié)構(gòu)與鍵合

關(guān)于原子結(jié)構(gòu)與鍵合第一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日2一、材料的定義

上海磁懸浮列車電磁鐵、導(dǎo)軌第二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日3南京長江三橋，僅橋塔用鋼就達(dá)1.44萬噸，總用鋼量約10萬噸，混凝土百萬方，水泥約50萬噸第三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日4蘇通大橋－長江第一橋。美國國家地理－無與倫比的工程：共用鋼材約25萬噸，混凝土140萬方，填方320萬方。高300.4米的混凝土塔，拉索長達(dá)577米。第四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日5目前世界聚酯總產(chǎn)量約5000萬噸，棉花產(chǎn)量約2000余萬噸用于織物的纖維總產(chǎn)量約6000萬噸，第五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日6不粘鍋鋼鐵＋特富龍（含氟碳?xì)錁渲?，如聚四氟乙烯CF4）第六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日7Ti6Al4V+羥基磷灰石涂層高氮不銹鋼＋鈷鉻鉬球頭＋骨水泥（聚甲基丙烯酸甲酯）第七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日8第八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日9一、材料的定義 材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的那些物質(zhì)。第九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日10二、材料是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑1、舊石器時(shí)代早在一百萬年以前，人類開始用石頭做工具，使人類進(jìn)入舊石器時(shí)代。舊石器時(shí)代工具——砍砸器（中國國家博物館藏品）

第十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日112、新石器時(shí)代

大約一萬年以前，人類知道對(duì)石頭進(jìn)行加工，使之成為精致的器皿或工具，從而使人類進(jìn)入新石器時(shí)代。第十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日12大約在9000年前，人類已發(fā)明了陶器。陶器的出現(xiàn)、不但用于器皿，而且成為裝飾品，歷史上雖無陶器時(shí)代的名稱，但其對(duì)人類文明的貢獻(xiàn)是不可估量的。第十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日133、青銅時(shí)代 在燒制陶器過程中，偶然發(fā)現(xiàn)金屬銅和錫，從而使人類進(jìn)入青銅時(shí)代。這是人類較大量利用金屬的開始，也是人類文明發(fā)展的重要里程碑。第十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日144、鐵器時(shí)代 公元前13－14世紀(jì)前，人類己開始用鐵，3000年前鐵工具比青銅工具更為普迫，人類開始進(jìn)入了鐵器時(shí)代。中國最早出土的人工冶鐵制品約在公元前9世紀(jì)。到春秋(公元前770－476年)末期，生鐵技術(shù)有較大突破，遙遙領(lǐng)先于世界其他地區(qū)。長治縣蔭城鎮(zhèn)春秋冶鐵遺址中發(fā)現(xiàn)的農(nóng)具“鐵镈”。第十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日155、現(xiàn)代社會(huì)－金屬材料 隨著世界文明的進(jìn)步，18世紀(jì)發(fā)明了蒸汽機(jī)，19世紀(jì)發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，對(duì)金屬材料提出了更高要求，同時(shí)對(duì)鋼鐵冶金技術(shù)產(chǎn)生了更大的推動(dòng)作用。第十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日16 1854年和1864年先后發(fā)明了轉(zhuǎn)爐和平爐煉鋼．使世界鋼產(chǎn)量有一個(gè)飛速發(fā)展。如1850年世界鋼產(chǎn)量為6萬噸，1890年達(dá)2800萬噸，大大促進(jìn)了機(jī)械制造、鐵道交通及紡織工業(yè)的發(fā)展。 隨之電爐冶煉開始，不同類型的特殊鋼相繼問世，如1887年高錳鋼、1900年W18Cr4V高速鋼、1903年硅鋼及1910年奧氏體鎳鉻(Crl8Ni8)不銹鋼等。 在此前后，銅、鋁也得到大量應(yīng)用，而后鎂、鈦和很多稀有金屬都相繼出現(xiàn)，從而金屬材料在整個(gè)20世紀(jì)占據(jù)了結(jié)構(gòu)材料的主導(dǎo)地位。第十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日175、現(xiàn)代社會(huì)－有機(jī)合成材料19世紀(jì)末葉西方科學(xué)家仿制中國絲綢發(fā)明了人造絲1909年的酚醛樹脂(電木)1920年的聚苯乙烯1931年的聚氯乙烯1941年的尼龍等。目前世界三大有機(jī)合成材料(樹脂、纖維和橡膠)年產(chǎn)量逾億噸。第十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日185、現(xiàn)代社會(huì)－陶瓷材料 陶瓷本來用作建筑材料、容器或裝飾品等。由于其資源豐富、密度小、高模量、高硬度、耐腐蝕、膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐磨等特點(diǎn)，到了20世紀(jì)中葉，通過合成及其他制備方法，做出各種類型的先進(jìn)陶瓷(如Si3N4，SiC、ZrO2等)，成為近幾十年來材料中非?；钴S的研究領(lǐng)域，有人甚至認(rèn)為“新陶器時(shí)代”即將到來。但由于其脆性問題難以解決，且價(jià)格過高，作為結(jié)構(gòu)材料沒有得到如鋼鐵或高分子材料一樣的廣泛應(yīng)用。第十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日19第十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日205、現(xiàn)代社會(huì)－復(fù)合材料復(fù)合材料是20世紀(jì)后期發(fā)展的另一類材料。復(fù)合材料定義：兩種或更多不同類型材料的混合復(fù)合材料種類：一般依基體分為高分子基、金屬基、陶瓷基等天然材料很多是復(fù)合材料，人類很早就制造復(fù)合材料。第二十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日21波音787首先在結(jié)構(gòu)部分采用了復(fù)合材料，總復(fù)合材料用量達(dá)50%，而以前僅20%。2008年投入使用第二十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日22三、材料科學(xué) “材料”是早已存在的名詞，但“材料科學(xué)”的提出只是20世紀(jì)60年代初的事。1957年前蘇聯(lián)人造衛(wèi)星首先上天，美國朝野上下為之展驚，認(rèn)為自己落后的主要原因之一是先進(jìn)材料落后，于是在一些大學(xué)相繼成立了十余個(gè)材料研究中心。采用先進(jìn)的科學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料進(jìn)行深入的研究，取得重要成果。從此，“材料科學(xué)”這個(gè)名詞便開始流行。第二十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日23四、“材料科學(xué)”的形成實(shí)際是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果首先、固體物理、天機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和物性的深入研究，推動(dòng)了對(duì)材料本質(zhì)的了解；同時(shí)，冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)等的發(fā)展也使對(duì)材料本身的研究大大加強(qiáng)，從而對(duì)材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能，以及它們之間的相互關(guān)系的研究也愈來愈深入，為材料科學(xué)的形成打下了比較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第二十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日24 其次，在材料科學(xué)這個(gè)名詞出現(xiàn)以前，金屬材料、高分子材料與陶瓷材料都已自成體系，目前復(fù)合材料也獲得廣泛應(yīng)用，其研究也逐步深入。但它們之間存在著頗多相似之處，對(duì)不同類型材料的研究可以相互借鑒，從而促進(jìn)學(xué)科的發(fā)展。 雖然不同類型的材料各有其專用測試設(shè)備與生產(chǎn)裝置，但各類材料的研究檢測設(shè)備與生產(chǎn)手段有頗多共同之處許多加工裝置的原理也有頗多相通之處，可以相互借鑒，從而加速材料的發(fā)展。第二十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日25 第三，許多不同類型的材料可以相互替代和補(bǔ)充，能更充分發(fā)揮各種材料的優(yōu)越性，達(dá)到物盡其用的目的。但長期以來，金屬、高分子及無機(jī)非金屬材料自成體系，缺乏溝通。由于互不了解，不利于發(fā)展創(chuàng)新，對(duì)復(fù)合材料的發(fā)展也極不利。 盡管從材料發(fā)展需要和共性來看，有必要形成一門材料科學(xué)，但是由于各類材料的學(xué)科基礎(chǔ)不同，還存在不小的分歧，特別是無機(jī)材料與有機(jī)材料之間分歧較大。第二十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日26根據(jù)以上所述，材料科學(xué)有三個(gè)重要屬性；多學(xué)科交叉，它是物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、金屬學(xué)、陶瓷、高分子化學(xué)及計(jì)算科學(xué)相互融合與交叉的結(jié)果，如生物醫(yī)用材料要涉及醫(yī)學(xué)、生物學(xué)及現(xiàn)代分子生物學(xué)等學(xué)科；與實(shí)際使用結(jié)合非常密切的科學(xué)，發(fā)展材料科學(xué)的目的在于開發(fā)新材料，提高材料的性能和質(zhì)量，合理使用材料，同時(shí)降低材料成本和減少污染等；材料科學(xué)是一個(gè)正在發(fā)展中的科學(xué)，不像物理學(xué)、化學(xué)已經(jīng)有一個(gè)很成熟的體系，材料科學(xué)將隨各有關(guān)學(xué)科的發(fā)展而得到充實(shí)和完善。第二十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日27第一章原子結(jié)構(gòu)與鍵合主講：李懷勇Email:lihuaiyong@huaiyong.lee@TelQ:第二十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日28本章章節(jié)結(jié)構(gòu)1.1原子結(jié)構(gòu)

1.1.1物質(zhì)的組成

1.1.2原子的結(jié)構(gòu)

1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)

1.1.4元素周期表1.2原子間的鍵合1.3高分子鏈

1.3.1近程結(jié)構(gòu)

1.3.2遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)第二十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日29本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)4個(gè)量子數(shù)排布原則周期表鍵及特點(diǎn)高分子鏈的結(jié)構(gòu)第二十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日30哲學(xué)思考物質(zhì)是由什么組成的？第三十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日31物質(zhì)是由什么組成的3000年前，古希臘的一個(gè)城市米利都的泰勒斯提出：萬物都是由水聚散而成。古希臘最流行的是四元素說：萬物是由水，火、空氣、土組成。中國戰(zhàn)國時(shí)期鄒衡提出“五行說”：宇宙是由金、木、水、火、土組成。第三十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日32物質(zhì)是由什么組成的2460年前，埃利亞的巴門尼德提出：宇宙是永遠(yuǎn)不變的基本粒子，像一個(gè)實(shí)心球，這個(gè)實(shí)心球是永遠(yuǎn)不變的基本粒子，是永恒存在的。米利都的留基波第一個(gè)提出原子論：一個(gè)整體由無數(shù)粒子組成，每個(gè)粒子是一個(gè)巴門尼德球，剛硬、立體而不可分割，所以稱為原子。原子在空間移動(dòng)，聚散成物。原子性質(zhì)同一，形狀與規(guī)模不同。2430年前的德克里特提出：物質(zhì)由原子組成，虛空而真空的空間給原子運(yùn)動(dòng)提供場所。人類知識(shí)來源于物質(zhì)原子對(duì)感官的影響。原子是同一的，原子的特殊組合是變換的。第三十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日33物質(zhì)的組成：第三十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日341.1原子結(jié)構(gòu)原子的電子結(jié)構(gòu)第三十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日35四大量子數(shù)主量子數(shù)n

-----決定電子能量，與核平均距離。軌道角動(dòng)量量子數(shù)li

-----給出電子在同一殼層內(nèi)所處的能級(jí)磁量子數(shù)mi

-----給出每個(gè)軌道角動(dòng)量子數(shù)的能級(jí)數(shù)或軌道數(shù)。自旋角動(dòng)量量子數(shù)si

-----給出電子不同的自旋方向。第三十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日36第三十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日37電子排布規(guī)則能量最低盡可能。Pauli不相容原理一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩電子Hund規(guī)則。盡可能原子序數(shù)大時(shí)，能級(jí)有重疊，有例外。這時(shí)就要參考能量最低原理。第三十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日38各原子軌道的圖像摘自http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/第三十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日39各原子軌道形狀1s第三十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日402s第四十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日412p第四十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日423s第四十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日433p第四十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日443d第四十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日454s第四十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日464p第四十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日474d第四十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日484f第四十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日495s第四十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日505p第五十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日515d第五十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日525f第五十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日535g第五十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日54N22s2s*第五十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日55泡利Wolfgang

Ernst

Pauli，(1900～1958)瑞士籍奧地利理論物理學(xué)家。1900年生于奧地利維也納。泡利在高中上學(xué)期間酷愛讀書，那時(shí)就自學(xué)了愛因斯坦的廣義相對(duì)論。高中畢業(yè)后，泡利去慕尼黑大學(xué)攻讀理論物理學(xué)，他的導(dǎo)師是理論物理學(xué)家索末菲（A.Sommerfeld，1868～1951）。泡利在大學(xué)第四學(xué)期應(yīng)導(dǎo)師之邀為義數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書》寫了一篇關(guān)于相對(duì)論的文章，該文長達(dá)250頁，還提出了自己的獨(dú)到見解。該文至今仍為相對(duì)論的權(quán)威著作。愛因斯坦讀后對(duì)泡利的才智和能力給予了高度評(píng)價(jià)。1922～1923年間，泡利在哥本哈根理論物理研究所在玻爾指導(dǎo)下進(jìn)行氫分子模型和反常塞曼效應(yīng)的研究工作。這段工作導(dǎo)致了他對(duì)不相容原理的發(fā)現(xiàn)。1923～1928年，泡利在漢堡大學(xué)擔(dān)任教師，著名的泡利不相容原理于1924年發(fā)表在《關(guān)于原子中電子群閉合與光譜復(fù)雜結(jié)構(gòu)的聯(lián)系》一文中，該原理指出：原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子處于同一量子態(tài)。這一原理使當(dāng)時(shí)許多有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的問題得以圓滿解決，對(duì)于正確理解反常塞曼效應(yīng)、原子中電子殼層的形成、以及元素周期律都是必不可少的。泡利因此榮獲1945年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1958年12月14日，泡利在瑞士蘇黎世逝世。在他的葬禮上，人們贊譽(yù)他是“理論物理學(xué)的良心”。第五十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日56元素周期表元素周期表第五十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日571.2原子間的鍵合第五十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日58一、金屬鍵典型金屬原子結(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（非局域、非束縛）形成電子云，金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好第五十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日59二、離子鍵多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物實(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）

性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體特點(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，且無方向性，無飽和性第五十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日60三、共價(jià)鍵（covalentbonding）亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對(duì)而成特點(diǎn)：飽和性配位數(shù)較小，方向性（s電子除外）性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差第六十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日61四、范德華力起源？穩(wěn)定的惰性氣體也會(huì)液化、固化。包括：靜電力、誘導(dǎo)力和色散力1、靜電力發(fā)生在具有極性的分子之間例如：水的蒸發(fā)第六十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日622、誘導(dǎo)力發(fā)生在極性與非極性分子之間3、色散力非極性分子之間靠瞬時(shí)偶極間相互作用。特點(diǎn)：屬物理鍵，系次價(jià)鍵，比化學(xué)鍵弱，但能很大程度改變材料性質(zhì)為什么高分子往往沒有氣態(tài)？第六十二頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日63五、氫鍵

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——?dú)錁驈?qiáng)度介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性第六十三頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日64六、各種結(jié)合鍵的特點(diǎn)比較

離子鍵、共價(jià)鍵和金屬鍵都涉及到原子外層電子的重新分布，這些電子在鍵合后不再僅僅屬于原來的原子，因此，這幾種鍵都稱為化學(xué)鍵。相反，在形成分子鍵和氫鍵時(shí)，原子的外層電子分布沒有變化，或變化極小，它們?nèi)詫儆谠瓉淼脑?。因此，分子鍵和氫鍵就稱為物理鍵。一般說來，化學(xué)鍵最強(qiáng)，氫鍵和分子鍵較弱。第六十四頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日651.3高分子鏈高分子材料：以高分子鏈為基本組成單元有機(jī)合成高分子材料第六十五頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日66高分子鏈結(jié)構(gòu)第六十六頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日67一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成1.碳鏈高分子聚乙烯主鏈以C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)加聚反應(yīng)制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯2.雜鏈高分子滌綸主鏈除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、聚酚等近程結(jié)構(gòu)第六十七頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日683.元素有機(jī)高分子硅橡膠

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4.無機(jī)高分子二硫化硅

聚二氯—氮化磷主鏈既不含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，并易水解第六十八頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日691.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—頭尾—尾頭—尾雙烯類高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式第六十九頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日702.共聚物的序列結(jié)構(gòu)

按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為第七十頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日71三、高分子鏈的幾何形態(tài)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）

第七十一頁，共八十頁，編輯于2023年，星期日72四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecularconfigurations）鏈的構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，欲改變之須通過化學(xué)鍵斷裂和重組才行由單體的異構(gòu)