材料科學(xué)基礎(chǔ)第1章-原子結(jié)構(gòu)和鍵合

材料科學(xué)基礎(chǔ)第1章--原子結(jié)構(gòu)和鍵合第一頁，共25頁。1.1原子結(jié)構(gòu)1.1.1物質(zhì)的組成物質(zhì)是由無數(shù)微粒（分子、原子、離子）按一定方式聚集而成的集合體。粒子1.1.2原子結(jié)構(gòu)(atomicstructure)原子是由原子核(由帶正電荷的質(zhì)子和呈電中性的中子組成)和核外電子(帶負(fù)電荷)構(gòu)成。原子結(jié)構(gòu)的特點：體積很小，質(zhì)量大部分集中于原子核內(nèi)，原子核的密度很大。1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)電子云(electionatmosphere)1.描述原子中一個電子的位置和能量用四個量子數(shù)(quantumnumber)：主量子數(shù)（電子層）、軌道量子數(shù)（電子亞層）、磁量子數(shù)（軌道數(shù)）、自旋角動量子數(shù)（自旋方向）。2.核外電子排布遵循的規(guī)律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauliprinciple)、Hund規(guī)則(Hund’srule)。第二頁，共25頁。圖1原子結(jié)構(gòu)第三頁，共25頁。圖2原子排列第四頁，共25頁。1.1.4元素周期表1.1.5原子的電離能、電子親合能和電負(fù)性（補充）

1.電離能(ionizationenergy)氣態(tài)原子失去一個電子成為一價正離子所需要的最低能量稱為第一電離能。從一價正離子失去一個電子成為二價正離子所需要的最低能量稱為第二電離能。依此類推。電離能的大小可以反映原子失去電子的難易程度。單位：電子伏特或千伏/摩爾。

2.電子親合能(electronaffinity)氣態(tài)原子獲得一個電子成為一價負(fù)離子所釋放的能量。

3.電負(fù)性(electronegativity)原子在化合物中把電子吸引向自己的本領(lǐng)。第五頁，共25頁。1.2原子間的鍵合結(jié)合鍵(bindingbond)：1.是指由原子結(jié)合成分子或固體的方式和結(jié)合力的大小。2.結(jié)合鍵決定了物質(zhì)的一系列物理、化學(xué)、力學(xué)等性質(zhì)。3.從原則上講，只要能從理論上正確地分析和計算結(jié)合鍵，就能預(yù)測物質(zhì)的各項性質(zhì)。因此，結(jié)合鍵的分析和計算乃是各種分子和固體電子理論的基礎(chǔ)。4.目前還不能對各種物質(zhì)的結(jié)合鍵進行準(zhǔn)確的理論計算。

5.各種鍵合本質(zhì)上講都起源于原子核和電子間的靜電交互作用即庫侖力。6.根據(jù)電子圍繞原子的分布方式，可以將結(jié)合鍵分為五類：

金屬鍵、離子鍵、共價鍵；分子鍵（范德華力）和氫鍵。

化學(xué)鍵

物理鍵

第六頁，共25頁。1.2.1化學(xué)鍵（主價鍵、一次鍵）

1.金屬鍵(metallicbond)

1）自由電子—彌漫于金屬正離子間

金屬原子的外層電子數(shù)比較少，且各個原子的價電子極易掙脫原子核的束縛而成為自由電子。2）定義：由金屬正離子和自由電子之間互相作用所構(gòu)成的鍵合稱為金屬鍵。3）特點：

電子共有化，無飽和性，無方向性。

4）可以解釋金屬的一些特征：

如良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，具有較高的強度和良好的延展性，具有金屬光澤，正的電阻溫度系數(shù)。

圖3金屬鍵示意圖第七頁，共25頁。2.離子鍵(ionicbond)金屬正離子——非金屬負(fù)離子之間特點：以離子為結(jié)合單位，結(jié)合力較強，決定離子晶體結(jié)構(gòu)的是正負(fù)離子電荷及幾何因素，有較高的配位數(shù)，無方向性和飽和性?？梢越忉岆x子晶體的一些特征，如較高的熔點和硬度，固態(tài)時為良好的絕緣體而熔融態(tài)時具有良好的導(dǎo)電性。第八頁，共25頁。以

NaCl為例：

1）金屬原子放棄一個外層電子，非金屬原子得到此電子使外層填滿，結(jié)果雙雙變得穩(wěn)定。2）金屬原子失去電子帶正電荷，非金屬原子得到電子帶負(fù)電荷，雙雙均成為離子3）離子鍵鍵的大小在離子周圍各個方向上都是相同的，故沒有方向性和飽和性。解釋：熔點高、硬度高、固態(tài)下絕緣性好、熔融時可以導(dǎo)電等。

圖5Cl與Na形成離子鍵圖4NaCl晶體第九頁，共25頁。第十頁，共25頁。3.共價鍵(covalentbond)兩個或多個原子間通過共用電子對而形成的化學(xué)鍵。

特點：以原子的形式共用電子對，具有飽和性和方向性，配位數(shù)較小、各鍵間都有確定方位?？梢越忉尮矁r晶體的一些特征，如結(jié)合極為牢固，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熔點高，質(zhì)硬而脆，導(dǎo)電性差。

第十一頁，共25頁。

圖7SiO2四面體晶體結(jié)構(gòu)（由共價鍵方向性特點決定）

圖6形成共價鍵的SiO2（藍色圓圈代表Si的價電子，紅色圓圈代表O的價電子）第十二頁，共25頁。第十三頁，共25頁。第十四頁，共25頁。表1

幾種材料的結(jié)合能和熔點第十五頁，共25頁。

1.2.2物理鍵（次價鍵、二次鍵）

1.范德華力(VanDerWaalsforce)，也叫分子鍵。

1）微弱的、瞬時的電偶極矩的感應(yīng)作用2）特點：除高分子材料外，鍵的結(jié)合不如化學(xué)鍵牢固，無飽和性，無方向性。2.氫鍵(hydrogenbond)1）分子間特殊作用力2）表達為：X—H—Y

3）特點：具有飽和性和方向性，可存在于分子內(nèi)或分子間。4）氫鍵主要存在于高分子材料內(nèi)。

第十六頁，共25頁。1.2.3混合鍵（補充）實際材料（金屬和陶瓷）中結(jié)合鍵多為混合鍵金屬中主要是金屬鍵，還有其他鍵如：共價鍵、離子鍵陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵和金屬鍵的混合一些氣體分子以共價鍵結(jié)合，而分子凝聚時依靠范德華力聚合物的長鏈分子內(nèi)部以共價鍵結(jié)合，鏈與鏈之間則為范德華力或氫鍵第十七頁，共25頁。1.2.4結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距（補充）原子間距：兩原子在某距離下吸引力和排斥力相等，兩原子便穩(wěn)定在此相對位置上，這一距離r0相當(dāng)于原子間的平衡距。把兩個原子平衡距離下的作用能稱為原子的結(jié)合能（E）。結(jié)合能的大小相當(dāng)于把兩原子分開所需做的功，E越大，原子結(jié)合越穩(wěn)定。離子鍵、共價鍵的E最大；金屬鍵的次之；范德華力的最小。第十八頁，共25頁。原子能量與原子間距的關(guān)系第十九頁，共25頁。1.2.5結(jié)合鍵與性能1.物理性能熔點的高低代表了材料穩(wěn)定性程度。共、離子鍵化合物的Tm較高。密度與結(jié)合鍵有關(guān)。多數(shù)金屬有高的密度，原因為金屬有較高的相對原子質(zhì)量，金屬鍵結(jié)合沒有方向性，原子趨于密集排列導(dǎo)熱、導(dǎo)電性2.力學(xué)性能彈性模量與結(jié)合能有較好的對應(yīng)關(guān)系。強度塑性第二十頁，共25頁。1.3高分子鏈1.3.1近程結(jié)構(gòu)（一級結(jié)構(gòu)）

1.鏈結(jié)構(gòu)單元

2.分子結(jié)構(gòu)線型、支化、交聯(lián)結(jié)構(gòu)

3.共聚物結(jié)構(gòu)

共聚物結(jié)構(gòu)類型：無規(guī)則聚合物、交替聚合物、接枝共聚物、嵌段共聚物

4.高分子鏈的構(gòu)型旋光異構(gòu)（全同、間同、無規(guī)）、幾何異構(gòu)（順式、反式）1.3.2遠程結(jié)構(gòu)（二級結(jié)構(gòu)）

1.高分子大小

2.高分子鏈的內(nèi)旋構(gòu)象

3.影響高分子鏈柔性的主要因素主鏈結(jié)構(gòu)、取代基、交聯(lián)第二十一頁，共25頁。第二十二頁，共25頁。類型作用力來源鍵合強弱形成晶體的特點離子鍵原子得、失電子后形成負(fù)、正離子，正負(fù)離子間的庫侖引力

最強無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點、高強度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)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

強有方向性鍵、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(dǎo)電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鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性分子鍵原子間瞬時電偶極矩的感應(yīng)作用較弱