第一章-原子結(jié)構(gòu)和鍵合.ppt

1、2020/7/8，材料科學基金CAI課件-李可，1。材料的微觀結(jié)構(gòu)理解物質(zhì)是由原子組成的，每個元素的原子結(jié)構(gòu)和原子之間的鍵是決定材料性質(zhì)的重要因素。決定材料性質(zhì)的最基本的內(nèi)部因素是每種元素的原子結(jié)構(gòu)、原子之間的相互作用和結(jié)合、原子或分子在空間(晶體)中的排列、運動規(guī)律以及原子聚集體的形態(tài)特征。第一章原子結(jié)構(gòu)和原子間成鍵，2020/7/8，材料科學基金CAI課件-李可，2。物質(zhì)由原子組成。在材料科學中，我們最關(guān)心的是原子的電子結(jié)構(gòu)，而原子結(jié)構(gòu)直接影響原子之間的成鍵方式。原子的電子結(jié)構(gòu)、原子間的鍵結(jié)、基本原子結(jié)構(gòu)決定材料的分類：金屬、非金屬、陶瓷聚合物決定材料的性質(zhì)：物理和化學力學，1原子結(jié)構(gòu)，2

2、020年7月8日，材料科學基礎(chǔ)CAI課件李可，3，I .物質(zhì)結(jié)構(gòu)物質(zhì)由無數(shù)的粒子組成，并成為一個分子：它單獨存在以保存物質(zhì)的化學性質(zhì)。dH2O=0.2nm納米M(H2)是2 M(蛋白質(zhì))是百萬原子：量子力學中化學變化的最小粒子，原子也可以細分為聚變和裂變(聚變一般指氘和氚聚合成氦的過程，而鈾和钚的裂變是常見的)。E=MC2，2020年7月8日，材料科學基金CAI課件-李可，4，2，1879年湯慕蓀發(fā)現(xiàn)的原子結(jié)構(gòu)、電子，揭示原子的內(nèi)部秘密。1911年，盧瑟福提出了原子結(jié)構(gòu)的核模型。1913年，玻爾介紹了玻爾原子模型，2020/7/8，材料科學CAI課件李可，5，描述了原子中電子的空間和能量，可以

3、用四個量子數(shù)來表示。2020/7/8，基礎(chǔ)材料科學CAI課件-李可，6，核外電子排列的三個原則，同態(tài)無電子(4個量子)，保證最小能量穩(wěn)定性，2020/7/8，基礎(chǔ)材料科學CAI課件-李可，7，4，元素周期表，元素：有116種同種原子帶相同的核電荷，核電荷數(shù)是劃分元素的基礎(chǔ)。同位素：具有相同質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的相同元素的原子元素有兩種存在狀態(tài)：自由態(tài)和結(jié)合態(tài)，2020年7月8日。材料科學基金CAI課件-李可，8，7橫排18列，16組，7個主族，7個子族，1個第一族和1個惰性族從左到右按原子序數(shù)遞增的順序排列。2020/7/8，基礎(chǔ)材料科學CAI課件-李可，9，原子序數(shù)核電荷數(shù)周期數(shù)電子殼數(shù)主族數(shù)

4、最外層電子數(shù)零族元素最外層電子數(shù)是8(氦是2)價電子，2020/7/8，基礎(chǔ)材料科學CAI課件-李可，10，與其他原子的成鍵類型，成鍵鍵：當原子結(jié)合形成分子或固體時，原子之間的相互作用力稱為鍵合力，也稱為鍵合力。本質(zhì)上，結(jié)合力來源于原子核和電子之間的靜電相互作用(庫侖力)。2020/7/8，材料科學基金CAI課件-李可，11，1。金屬鍵，典型的金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層幾乎沒有電子，也就是說，價電子很容易脫離原子核，成為自由電子。在形成電子云的金屬中，自由電子和金屬正離子之間形成的鍵稱為金屬鍵，其特征是電子共享，既不飽和也無方向性，并形成低能密集堆積結(jié)構(gòu)。性質(zhì)：良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，良好的延展性，配

5、位數(shù)：金屬晶體大多密集堆積，配位數(shù)為12，少數(shù)金屬為體心立方結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為8。堿金屬、堿土金屬和過渡元素的晶體是典型的金屬晶體。過渡金屬既有金屬鍵又有共價鍵。前者提供良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而后者提供強度。2020/7/8，材料科學基金CAI課件-李可，12，II。離子鍵，其特征是用離子而不是原子作為結(jié)合單元，要求正負離子交替排列，并且沒有方向性(獲得和損失電子的位置不確定)。不飽和性質(zhì)：高熔點和硬度，良好的電絕緣體，小膨脹系數(shù)配位數(shù)：在離子晶體中，氯化鈉(配位數(shù)6)，氯化銫(配位數(shù)8)。精華：帶正電荷的金屬原子的陽離子和帶負電荷的非金屬原子的陰離子，e，大部分鹽類，堿類和金屬氧化物，2020年

6、7月8日，材料科學基礎(chǔ)CAI課件-李可，13，氯化鈉氯化銫硫化鋅，堿金屬-鹵素族，堿土金屬-氧族，典型離子晶體結(jié)構(gòu)：礦物如氯化鈉，氯化銫，硫化鋅(閃鋅礦)，硅酸鹽，陶瓷等。2020/7/8，材料科學基金CAI課件-李可，14，III。共價鍵，特征：共享電子對；協(xié)調(diào)數(shù)量少；它是定向的和飽和的。飽和：一個原子只能形成一定數(shù)量的具有方向性的共價鍵(除了S電子):原子只能在特定的方向上形成共價鍵。物理性能：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熔點高(缺陷少)，質(zhì)硬而脆(由方向性決定)，導(dǎo)電性差，硅-碳，鎳-鋁硅-硅，包括亞金屬(碳，硅，錫，鍺)，高聚物的本質(zhì)和無機非金屬材料(碳化物，氧化物等)。):它是由兩個或兩個以上的電負性

7、相差不大的原子通過共享電子對形成的，如氫分子、金剛石和單晶硅，2020年7月8日，材料科學基金CAI課件-李可，15，金剛石結(jié)構(gòu)示意圖，金剛石、硅/鍺單晶都有這種正四面體鍵合方式，2020/。材料科學基金CAI課件-李可，16，4。范德瓦爾斯鍵，包括靜電力、誘導(dǎo)力和分散力(概念，以及它們與溫度和距離的關(guān)系)是物理鍵，它們不如化學鍵，但是可以在很大程度上改變材料的性質(zhì)，例如熔點、沸點和溶解度。比如相互吸引的肥皂泡。高分子材料主要是范德華力，輔以化學鍵，所以沒有氣體，只有液體和固體。如有機玻璃和環(huán)氧樹脂。2020/7/8，基礎(chǔ)材料科學CAI課件李可，17，5。氫鍵存在于HF、H2O、NH3和其他分

8、子之間，可以看作是一種特殊的范德華力。氫鍵是冰中水分子之間的主要相互作用。它在聚合物中起著重要作用。在有機物和有機體中，分子和聚合物通過氫鍵相連。DNA復(fù)制和其他生命過程可以被視為氫鍵的打開和結(jié)合(酶的參與)。氫原子與兩個原子(氧、氟、氮等)結(jié)合。)具有較大的電負性和較小的原子半徑以形成氫鍵。本質(zhì)：分子間偶極-偶極相互作用。氫原子中唯一的電子被其他原子共享(共價鍵)，裸露的原子核將吸引相鄰分子的負端。氫橋氫鍵是飽和的和定向的。2020/7/8，基礎(chǔ)材料科學CAI課件-李科，18，18，各種鍵合鍵主要特性的比較，2020/7/8，基礎(chǔ)材料科學CAI課件-李科，19，1。哪四個量子數(shù)可以決定原子中電子的空間位置和能量？2.在多電子原子中，核外電子的排列應(yīng)該遵循什么原則？3.鉻的原子序數(shù)是24，它有四種同位素：4.31%的鉻原子含有26個中子，83.76%含有28個中子，9.55%含有29個中子，2.38%含有30個中子。試著找出鉻的相對原子質(zhì)量。4.銅的原子序數(shù)是29，相對原子質(zhì)量是63.54。