第一章原子结构与键合ppt课件

1、物质(Substance)是由原子atom组成在材料科学中，最为关心原子的电子结构原子的电子结构原子间键合本质决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物 化 力学材料的微观结构材料的微观结构Microstructure of Microstructure of MaterialsMaterials）决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构，元素原子结构，原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间原子间相互作用，相互结合，原子或分子在空间的排列，运动规的排列，运动规律，以及原子集合体的形貌特征律，以及原子集合体的形貌特征 一、物质的组成

2、Substance Construction）物质由无数微粒Particles聚集而成分子Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 Mprotein为百万原子Atom）： 化学变化中最小微粒l18791879年年 J.J Thomson J.J Thomson 发现电子发现电子electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密l19111911年年 E.Rutherford E.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型l19131913年年 N.Bohr N.Bohr将将 lBohr atomic mod

3、elBohr atomic modell M M. .P Pl la an nk k和和A A. .E Ei in ns st te ei in n量量子子论论原原子子结结构构的的量量子子理理论论R Ru ut th he er rf fo or rd d 原原子子有有核核模模型型-2-2H H-1-1AlAl原子（atom)原子（atom)r = 3.7 10 nmr = 3.7 10 nmr =1.43 10 nmr =1.43 10 nm- -2 27 7- -2 27 7- -3 31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）质质子子：正

4、正电电荷荷m m1 1. .6 67 72 26 61 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s) )：位位于于原原子子中中心心、带带正正电电中中子子：电电中中性性m m1 1. .6 67 74 48 81 10 0k kg g电电子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋转转，带带负负电电，按按能能量量高高低低排排列列，如如电电子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo ou ud d） m m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0k kg g，约约为为质质子子的的1 1/

5、/1 18 83 36 6l核外电子的排布electron configuration)规律iiinln1, spdfm i主量子数 ：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、 P、Q electron shell轨道动量量子数 ：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2， ， ， shape of the electron s ubshell磁量子数：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-li1),1,0,1, spatial orientation of an electron cloudsii，-(ll11自旋角动量量子数 ：表示电子自旋（spin

6、moment）的方向，取值为 或-22l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数quantum quantum numbersnumbers表示表示2 2全全充充满满半半充充满满 全全空空自自旋旋方方向向相相同同能能量量最最低低原原理理（M Mi in ni im mu um m E En ne er rg gy y p pr ri in nc ci ip pl le e) )电电子子总总是是占占据据能能量量最最低低的的壳壳层层 1 1s s- -2 2s s- -2 2p p- -3 3s s- -3 3p p- -4 4s s- -3 3

7、d d- -4 4p p- -5 5s s- -4 4d d- -5 5p p- -P Pa au ul li i不不相相容容原原理理（P Pa au ul li i E Ex xc cl lu us si io on n p pr ri in nc ci ip pl le e) ): : 2 2n nH Hu un nd d原原则则（H Hu un nd d R Ru ul le e) )l元素元素ElementElement）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116116种，核电荷数是划分元素种，核电荷数是划分元素的依据的依据l同位素同位素Isoto

8、peIsotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 l l元素有两种存在状态：游离态和化合态元素有两种存在状态：游离态和化合态Free State& Combined Form)Free State& Combined Form)l7 7个横行个横行Horizontal rows)Horizontal rows)周期周期periodperiod按原子序数按原子序数Atomic Number)Atomic Number)递增的顺序递增的顺序从左至右排列从左至右排列l1818个纵行个纵行columncolumn1616

9、族族GroupGroup），），7 7个主族、个主族、7 7个副族、个副族、1 1个个族、族、1 1个零族个零族Inert Inert GasesGases最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。121314121314666666C C ，C ，C，C ，C原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数周期序数电子壳层数主族序数最主族序数最 外外 层层 电电 子子 数数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8 8氦为氦为2 2） 价电子数价电子数Valence electronValence electro

10、n） 电离核核电电荷荷 ，原原子子半半径径 能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 最最外外层层电电子子数数相相同同，电电子子层层数数 ，原原子子半半径径 电电离离能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金属属性性 ，非非金金属属性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金属属性性 ，非非金金属属性性 l22原子间的键合原子间的键合 ( Bonding type with other atom) ( Bonding type with other atom)金属键（Metallic bonding）金属键（Metallic bondi

11、ng）化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding）主化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding）主 价键primary interatomic bonds价键primary interatomic bonds共价键（covalent bonding）共价键（covalent bonding）物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond ing)ing)，亦称Van der Waals bonding，亦称Van

12、der Waals bonding氢键（Hydrogen-bondin氢键（Hydrogen-bondin和g) g) 介于化学键范德华力之间介于化学键范德华力之间l一、金属键一、金属键Metallic bondingMetallic bonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子valence electronvalence electron极易极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子挣脱原子核之束缚而成为自由电子Free electronFree electron），形成电子云），形成电子云electron cloudelectron

13、cloud金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构l性质：良好导电、导热性能，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好l二、离子键Ionic bonding)l 多数盐类、碱类和金属氧化物l 特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性l性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体静静 电电键键引引 力力 离离 子子l三、共价键covalent bonding）l 亚金属C、Si、Sn、 Ge）

14、，聚合物和无机非金属材料l本质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 键电对键键两键间极极性性( (P Po ol la ar r b bo on nd di in ng g) ): :共共用用子子偏偏于于某某成成原原子子非非极极性性（N No on np po ol la ar r b bo on nd di in ng g) ): : 位位于于成成原原子子中中l特点：饱和性 配位数较小 ，方向性s电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 本质： 金属原子 带正电的正离子Cation） 非金属原子 带负电的负离子anion） e l四、范德华力Van der waals b

15、onding) 电应邻电华偶偶极极矩矩的的感感作作用用近近原原子子相相互互作作用用荷荷位位移移偶偶极极子子( (d di ip po ol le es s）范范德德力力l包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)l属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 l五、氢键Hydrogen bonding）l 极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位，l 氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有共价键结合），裸露原子核l 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥l 介于化学键与物理键之间，具有饱和

16、性l33高分子链高分子链High polymer Chain)High polymer Chain)链结结态结（S St tr ru uc ct tu ur re e o of f a ag gg gr re eg ga at ti io on n s st ta at te e) )（C Ch ha ai in n S St tr ru uc ct tu ur re e) )构构高高分分子子构构聚聚集集构构应 发剂过键将单单应 缩应 学应释产（p pl lo oy yc co on nd de en ns sa at ti io on n) ) （p po ol ly ya ad dd di

17、 it ti io on n) ) 加加聚聚反反添添加加引引通通共共价价分分子子聚聚合合 体体聚聚合合反反聚聚反反化化反反，放放出出副副品品 结结属学结链结远结结态链顺近近程程构构：一一次次构构 于于化化构构构构程程构构：二二次次构构 分分子子量量、形形、的的柔柔性性、构构象象l近程结构short-range Structure)l一、结构单元的化学组成the Chemistry of mer unito)l1.碳链高分子 聚乙烯HHCCHHl主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得l如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯l杂链高分子 涤纶OOHHCCOCCOHH l主链除C原

18、子外还有其它原子如O、N 、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙二脂涤纶聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等l3.元素有机高分子 硅橡胶 l l主链中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶l4.无机高分子 二硫化硅l 聚二氯氮化磷33CHSiOCH/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCll主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解l1.均聚物结构单元键接顺序l 单烯类

19、单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式以氯乙烯为例）：头头22CHCHCHCHCHClClCl222CHCHCHCHCHClCl尾尾222CHCHCHCHCHClCl头尾双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同 l2.共聚物的序列结构Copolymers）l 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为无规共聚物（Random copolymer）交替共聚物（ alteranting copolymer）嵌段共聚物（ block copolymer）接枝共聚物（graft copolymer）o线

20、热变软动热链联线胶联变强韧状性性高高分分子子（l li in ne ea ar r p po ol ly ym me er rs s） : : 加加后后，甚甚至至流流，可可反反复复加加工工 塑塑性性（t th he er rm m p pl la as st ti ic c）支支高高分分子子（b br ra an nc ch he ed d p po ol ly ym me er rs s）：交交高高分分子子（c cr ro os ss sl li in nk ke ed d p po ol ly ym me er r）：性性天天然然橡橡用用S S交交后后耐耐磨磨体体型型（立立体体网网）高高分

21、分子子（n ne et tw wo or rk k o on n t th hr re ee e- -d di im me en ns si io on na al l p po ol ly ym me er r) ) 三、高分子链的结构structure）不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状热固性thermosetting） l链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行l旋光异构体stereoisomerism）l由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元 ，有三种排列方式处链两侧两单处链边体间无规（sy

22、ndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configurationR取代基交替地在主平面， 即旋光异构元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一种旋光异构同立构全同立构立构链两侧规则s):R取代基在主平面不排列n2CHCHR几何异构Geometrical isomerism） 双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有 顺顺式式（c ci is s- -s st tr ru uc ct tu ur re e) )反反式式（t tr ra an ns s- -s st tr ru uc ct tu ur re e) )顺无顺顺反序反交替全全反3HCHHHCCCCHH3HCHHCCCCHHH顺式 反式 两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 l一、高分子的大小Molecular Size）l高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性l平均相对分子质量数对质为数数对质为质数niiiniiiiiiiii均相分子量M =x M, x分子分 均相分子量M =x M, x分子分 numberave