1-1原子的鍵合.ppt

1、金屬學(xué)基礎(chǔ) Fundamentals of Physical Metallurgy,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 School of Materials Science and Engineering Inner Mongolia University of Technology,2,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),第一章 金屬晶體中的原子排列 Atomic Structure and Interatomic Bonding,物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成 在材料科學(xué)中，最為關(guān)心原子的電子結(jié)構(gòu) 原子的電子結(jié)構(gòu)原子間鍵合本質(zhì) 決定材料分類(lèi)：金屬 陶瓷 高分子

2、 材料性能：物 化 力學(xué),材料的微觀結(jié)構(gòu)（Microstructure of Materials） 決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)， 原子間相互作用，相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列，運(yùn)動(dòng)規(guī) 律，以及原子集合體的形貌特征,3,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),材料分類(lèi)(Classification of Materials),4,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),1.1 原子結(jié)構(gòu) （Atomic Structure ）,1879年 J.J Thomson 發(fā)現(xiàn)電子（electron),揭示了原子內(nèi)部秘密 1911年 E.Rutherford提出原子結(jié)

3、構(gòu)有核模型 1913年 N.Bohr綜合,1.1.1 Bohr atomic model,成功：電子運(yùn)動(dòng)軌道，能量量子化 不足：未能解釋出現(xiàn)量子化的原因,5,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),11 質(zhì)子 12 中子,1s22s22p63s1,Na,6,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantum numbers）表示,1.1.2 現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)理論,7,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),1.1.3 核外電子的排布 （electron configuration)規(guī)律,8,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),

4、比如Fe，理論上應(yīng)該是：1s22s22p63s23p63d8 實(shí)際上它的電子結(jié)構(gòu)是：1s22s22p63s23p63d64s2。 未填滿的3d能級(jí)使鐵產(chǎn)生磁性行為。,9,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),1.1.4 元素周期表（periodic Table of the Elements),元素（Element）：具有相同核電荷的同一類(lèi)原子總稱(chēng)，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)（Free State& Combined Form) 7個(gè)橫行（Horizontal rows)

5、周期（period）按原子序數(shù)（Atomic Number)遞增的順序從左至右排列 18個(gè)縱行（column）16族（Group），7個(gè)主族、7個(gè)副族、1個(gè)族、1個(gè)零族（Inert Gases）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。,10,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),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(jià)電子數(shù)（Valence electron）,11,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),12,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),雙原子模型,金屬原子為什么排列規(guī)則，并趨于緊密排

6、列呢？,結(jié)合能是吸引能和排斥能的代數(shù)和 形成原子團(tuán)比單個(gè)原子能量低 任何對(duì)d0偏離，都使勢(shì)能升高 dd0時(shí)，遠(yuǎn)處的原子移近，勢(shì)能降低 dd0時(shí)，當(dāng)原子移至d0處的勢(shì)能降低,為保持能量最低，必須保持平衡距離，所以規(guī)則排列,13,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),1.2 原子間的鍵合 ( Bonding type with other atom),14,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),一、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（valence electron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free electron），

7、形成電子云（electron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子間構(gòu)成鍵合稱(chēng)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,15,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),二、離子鍵（Ionic bonding） 多數(shù)鹽類(lèi)、堿類(lèi)和金屬氧化物,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(wú)方向性，無(wú)飽和性 性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體,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）,e,16,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),三、共價(jià)鍵（covalent

8、bonding） 亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料,特點(diǎn)：飽和性，配位數(shù)較小，方向性（s電子層對(duì)稱(chēng)，除外） 性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差（共用電子對(duì)不能自由運(yùn)動(dòng)）,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(guò)共用電子對(duì)而成,17,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),四、分子鍵范德華力（Van der waals bonding),屬物理鍵 ，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大 但能很大程度改變材料性質(zhì),聚氯乙烯中的分子鍵,18,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),五、氫鍵（Hydrogen bonding,極性分子鍵，存在于HF、H2O、NH3中 在高分子中占重

9、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)端相互吸引氫橋 介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性,19,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),20,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),3高分子鏈（High polymer Chain）,21,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),近程結(jié)構(gòu)（short-range Structure) 一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（the Chemistry of merunito) 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,雜鏈高

10、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,22,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),3.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(wú)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(wú)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(lèi)元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解,23,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程

11、學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bonding tape）,1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序 單烯類(lèi)單體中 除乙烯分子是完全對(duì)稱(chēng)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(chēng)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(lèi)高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開(kāi)啟位置而不同,24,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),2.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers） 按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為,25,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（structure）,不溶于任何溶劑， 也不能熔融， 一旦受熱

12、固化便 不能改變形狀 熱固性（thermosetting）,26,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecular configurations）,鏈的構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過(guò)化學(xué)鍵斷裂才行,27,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),旋光異構(gòu)體（stereoisomerism） 由烯烴單體合成的高聚物 在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對(duì)稱(chēng)C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元 ，有三種排列方式,28,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),幾何異構(gòu)（Geometrical isomerism） 雙烯類(lèi)單體定向聚合時(shí)，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合

13、物。但由于含有雙鍵，且雙鍵 不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有,順式二甲基丁二烯,反式二甲基丁二烯,兩種異構(gòu)體之分，,對(duì)于大分子鏈而言就有,稱(chēng)為幾何異構(gòu),29,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（Long-range Structure),一、高分子的大?。∕olecular Size） 高分子的相對(duì)分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性 平均相對(duì)分子質(zhì)量,30,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),高分子鏈中重復(fù)單元數(shù)目稱(chēng)為聚合度,不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質(zhì)，,對(duì)加工和使用也有很大影響 。,數(shù)均相對(duì)分子量,每鏈節(jié)的質(zhì)量,對(duì)力學(xué)性能,起決定作用，,31,內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬學(xué)基礎(chǔ),二、高分子的形狀（Molecular shape） 主鏈以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長(zhǎng) d和鍵角，每個(gè)單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個(gè)單鍵內(nèi)