1 原子结构和键合.ppt

第一章原子的结构与键合 第一章原子结构和键合AtomicStructureandInteratomicBonding 物质是由原子组成 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 MicrostructureofMaterials 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 原子间相互作用 相互结合 原子或分子在空间的排列及运动规律 以及原子集合体的形貌特征 1原子结构 AtomicStructure 一 物质的组成 SubstanceConstruction 物质由无数微粒 Particles 聚集而成分子 Molecule 单独存在且能保存物质化学特性dH2O 0 2nm原子 Atom 化学变化中最小微粒 二 原子的结构 structureofatomic 1879年J JThomson发现电子 electron 揭示了原子内部秘密1911年E Rutherford提出原子结构有核模型1913年N Bohr将 Bohratomicmodel 道尔顿的原子论原子一词的由来 通过气象观测和对气体物理性质的研究 道尔顿常思考这么一个问题 为什么复合的大气 或者由两种或更多种弹性流体 气体 组成的混和物竟能在外观上构成一种均匀体 他曾假定各种物质 气体 都是由同样大小的微粒构成 混和气体的分压定律表明一种气体的微粒能均匀地分布在另一种气体的微粒之中 气体的扩散也是类似的物理过程 由此道尔顿认为 物质的微粒结构是存在的 这些质点也许是大小了 即便采用显微镜也无法看到 这时他想起了公元前古希腊哲学家提出的原子假设 于是他选择了原子这一名词来称呼这种微粒 在20世界初 科学家提出了几种原子模型 其中最有影响的是汤姆生的 枣糕式模型 在这种模型里 原子是一个球体 正电荷均匀分布在整个球内 而电子就像枣糕里的枣子那样镶嵌在里面 汤姆生的原子模型 可以解释原子发光 阴级射线及光电效应等现象 在当时各种有关原子结构的模型中占据主导地位 他的原子模型也称作 无核原子模型 后来被卢瑟福否定 汤姆生枣糕式模型 J JThomson实验汤普森原子模型 swf 根据汤姆生模型计算的结果 粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的 因为电子的质量很小 不到 粒子的七千分之一 粒于碰到它 就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样 运动方向不会发生明显的改变 正电荷又是均匀分布的 粒子穿过原子时 它受到的原子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消 使 粒于偏转的力不会很大 然而实验却得到了出乎意料的结果 少数粒子却发生了较大的偏转 并且有极少数粒子偏转角超过了90 有的甚至被弹回 偏转角几乎达到180 实验中产生的 粒子大角度散射现象 使卢瑟福感到惊奇 因为这需要有很强的相互作用力 除非原子的大部分质量和电荷集中到一个很小的核上 大角度的散射是不可能的 为了解释这个实验结果 卢瑟福在1911年提出了如下的原子核式结构学说 在原子的中已有一个很小的核 叫做原子核 原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里 带负电的电子在核外空间里绕着核旋转 原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数 所以整个原子是中性的 电子绕核旋转所需的向心力就是核对它的库仑引力 E Rutherford实验卢瑟福散射实验 swf 质子 带有正电荷 m 1 6726 10 27kg 主量子数n 它规定了核外电子离核的远近和能量的高低 n取正整数1 2 3 4等 n值越大 表示电子离原子核越远 能量越高 反之n越小 则电子离核越近 能量越低 这也相当于把核外电子分为不同的电子层 凡n相同的电子属于同一层 习惯用K L M N O P来代表n 1 2 3 4 5 6的电子层 描述原子中一个电子的空间和能量 可用四个量子数 quantumnumbers 表示 轨道角动量量子数li 描述原子中一个电子的空间和能量 可用四个量子数 quantumnumbers 表示 描述的是电子在原子核外出现的几率密度随空间角度的变化 即决定原子轨道或电子云的形状 li可取小于n的正整数 即0 1 2 n 1 如n 4 l可以是0 1 2 3 相应的符号是s p d f当n相同时 li越大 电子的能量越高 因此 常把n相同 li不同的状态称为电子亚层 一个电子层可以分为几个亚层 描述原子中一个电子的空间和能量 可用四个量子数 quantumnumbers 表示 磁量子数Mi 规定电子运动状态在空间伸展的取向 m的数值可取0 1 2 l 对某个运动状态可有2i 1个伸展方向 s轨道的l 0 所以只有一种取向 它是球对称的 P轨道i 1 m 1 0 1 所以有三种取向 用px py 和pz表示 描述原子中一个电子的空间和能量 可用四个量子数 quantumnumbers 表示 自旋角动量量子数si 电子除绕原子核运动外 它本身还做自旋运动 电子自旋运动有顺时针和逆时针两个方向 分别用si 1 2和si 1 2表示 也常用 和 符号表示自旋方向相反的电子 描述原子中一个电子的空间和能量 可用四个量子数 quantumnumbers 表示 小结 四个量子数规定了核外电子的运动状态 每个电子都可以用上述的四个量子数的一套数据来描述其运动状态 对应着一个波函数 同一原子中没有四个量子数完全相同的电子 换句话说 在同一原子中的各个电子 它们的运动状态不可能完全相同 即四个量子数中至少有一个量子数是不同的 描述原子中一个电子的空间和能量 可用四个量子数 quantumnumbers 表示 四个量子数的意义 核外电子的排布 electronconfiguration 规律 全充满 半充满 全空 自旋方向相同 能量最低原理 MinimumEnergyprinciple 电子总是占据能量的壳层1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p Pauli不相容原理 PauliExclusionprinciple 2n2 Hund原则 Hund Rule 泡利 Pauli 不相容原理在同一原子中 不可能有四个量子数完全相同的电子存在 每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子 核外电子的排布 electronconfiguration 规律 泡利 Pauli 不相容原理在同一原子中 不可能有四个量子数完全相同的电子存在 每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子 能量最低原理多电子原子处在基态时 核外电子的分布在不违反泡利原理的前提下 总是尽先分布在能量较低的轨道 以使原子处于能量最低的状态 全充满 半充满 全空 自旋方向相同 能量最低原理 MinimumEnergyprinciple 电子总是占据能量的壳层1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p Pauli不相容原理 PauliExclusionprinciple 2n2 Hund原则 Hund Rule 核外电子的排布 electronconfiguration 规律 泡利 Pauli 不相容原理在同一原子中 不可能有四个量子数完全相同的电子存在 每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子 能量最低原理多电子原子处在基态时 核外电子的分布在不违反泡利原理的前提下 总是尽先分布在能量较低的轨道 以使原子处于能量最低的状态 洪特 Hund 规则原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时 将尽可能单独分布在不同的轨道 而且自旋方向相同 或称自旋平行 全充满 半充满 全空 自旋方向相同 能量最低原理 MinimumEnergyprinciple 电子总是占据能量的壳层1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p Pauli不相容原理 PauliExclusionprinciple 2n2 Hund原则 Hund Rule 核外电子的排布 electronconfiguration 规律 泡利 Pauli 不相容原理在同一原子中 不可能有四个量子数完全相同的电子存在 每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子 能量最低原理多电子原子处在基态时 核外电子的分布在不违反泡利原理的前提下 总是尽先分布在能量较低的轨道 以使原子处于能量最低的状态 洪特 Hund 规则原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时 将尽可能单独分布在不同的轨道 而且自旋方向相同 或称自旋平行 全充满 半充满 全空 自旋方向相同 能量最低原理 MinimumEnergyprinciple 电子总是占据能量的壳层1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p Pauli不相容原理 PauliExclusionprinciple 2n2 Hund原则 Hund Rule 三 元素周期表 periodicTableoftheElements 元素 Element 具有相同核电荷的同一类原子总称 共116种 核电荷数是划分元素的依据同位素 Isotope 具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子元素有两种存在状态 游离态和化合态 FreeState CombinedForm 7个横行 Horizontalrows 周期 period 按原子序数 AtomicNumber 递增的顺序从左至右排列18个纵行 column 16族 Group 7个主族 7个副族 1个 族 1个零族 InertGases 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 原子序数 核电荷数周期序数 电子壳层数主族序数 最外层电子数零族元素最外层电子数为8 氦为2 价电子数 Valenceelectron 2原子间的键合 Bondingtypewithotheratom 一 金属键 Metallicbonding 典型金属原子结构 最外层电子数很少 即价电子 valenceelectron 极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子 Freeelectron 形成电子云 electroncloud 金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键 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 性质 良好导电 导热性能 延展性好 二 离子键 Ionicbonding 多数盐类 碱类和金属氧化物 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 无饱和性性质 熔点和硬度均较高 良好电绝缘体 实质 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 三 共价键 covalentbonding 亚金属 C Si Sn Ge 聚合物和无机非金属材料实质 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 特点 饱和性配位数较小 方向性 s电子除外 性质 熔点高 质硬脆 导电能力差 四 范德华力 Vanderwaalsbonding 包括 静电力 electrostatic 诱导力 induction 和色散力 dispersiveforce 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 五 氢键 Hydrogenbonding 极性分子键存在于HF H2O NH3中 在高分子中占重要地位 氢原子中唯一的电子被其它原子所共有 共价键结合 裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引 氢桥介于化学键与物理键之间 具有饱和性 3高分子链 HighpolymerChain 近程结构 short rangeStructure 一 结构单元的化学组成 theChemistryofmerunito 1 碳链高分子聚乙烯 主链以C原子间共价键相联结加聚反应制得如聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚甲基丙稀酸甲酯 聚丙烯 杂链高分子涤纶 主链除C原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 3 元素有机高分子硅橡胶主链中不含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 4 无机高分子二硫化硅聚二氯 氮化磷 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 二 高分子链结构单元的键合方式 bondingtape 1 均聚物结构单元键接顺序单烯类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 尾 尾 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 2 共聚物的序列结构 Copolymers 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为 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 四 高分子链的构型 Molecularconfigurations 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 旋