原子间作用力和结合能

3.2原子间作用力和结合能,2,原子的聚集态,聚集态气态、液态、固态物质最常见的存在方式液体液晶橡胶态玻璃态晶态,弹性模量体积模量向立方块物体表面施加一均匀压力时，其体积将减小，其单位体积的体积变化作为所需压力大小的度量切变模量当物体受到方向相反的切向力时，将受剪切而变形，而没有体积变化，单位剪切应变的切应力的大小,E/,Kdp/d/,d/,3,原子的聚集态,凝聚态物质最常见的存在方式液体液晶橡胶态玻璃态晶态,弹性模量体积模量切变模量趋于零很大零很小很大趋于零很小很大很小很大很大很大很大很大很大,4,原子间作用力和结合能,原子间的距离和作用原子间距离很大时,相互作用很小;距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式增大。平衡间距就是斥力和引力相等的距离。a：平衡间距，合力F=0，能量E最低，结合能的负值；r增大，F为引力，E增大；r减小，F为斥力，E大大增大。,5,总作用势能吸引能排斥能总作用力吸引力排斥力,6,(a)金属半径(b)离子半径,原子半径和离子半径,结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a不同，半径不同,7,多原子间的相互作用,材料类型结合能的大小势能曲线晶体的结合能EBENE0E0晶体总能量，EN组成该晶体的N个原子在自由状态的总能量晶体结合能离子晶体m1,n=9金属晶体m1，n3,8,3.3原子间结合键,原子结合方式键型化学键：(一次键)物理键：(二次键),离子键金属键共价键,分子键(范德华力)氢键,9,化学键(一次键),离子键共价键金属键这三种物质在固态下都有很高的熔点化学键的结合中存在电子的交换，这些电子称为价电子。,NaClSiCu,80116831356,10,离子键正离子负离子库仑引力以离子为结合单元,离子键(IonicBonding),11,离子键,多数盐类、碱类和金属氧化物特点：结合力很大电子束缚在离子中；正负离子吸引，达静电平衡,相间排列电场引力无方向性无饱和性；在溶液中离解成离子性质：熔点和硬度均较高，热膨胀系数小良好电绝缘体，不吸收可见光，无色透明,12,共价键(CovalentBonding),实质：两个或多个电负性差不大的原子通过共用电子对的键合。类型极性键：共用电子对偏于某成键原子非极性键：位于两成键原子中间,13,共价键,亚金属(C、Si、Sn、Ge)，聚合物和无机非金属材料特点：两原子共享最外壳层电子对；有饱和性；8N有方向性；结合力很大性质：熔点高、硬度大、脆性大、沸点高、不易挥发、导电能力差,14,金属键(MetallicBonding),价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，在整个晶体内自由地运动，形成电子云。金属键金属中自由电子气与金属正离子之间的静电吸引力主要物质：金属和以金属为主的合金,15,金属键,特点：由正离子排列成有序晶格；各原子最(及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变(可塑性)。性质：良好导电、导热性能，延展性好，有不透光性,16,物理键(二次键),作用力也是库仑引力与离子键相同但弱得多不存在电子交换，原子或分子电子分布不均匀原子或分子的极性结合种类分子键(范德华键)氢键,外界条件,17,分子键,分子键分子（或电中性原子）间的结合力，是以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的力，又称范德华力。特点：无方向性和饱和性键能最小分类,静电力(葛生力)诱导力(德拜力)色散力(伦敦力),18,静电力,实质：分子永久偶极间相互作用，如HCl分子作用能1.2102.110KJ/mol影响因素分子极性与温度成反比与分子间距的6次方成反比,19,诱导力,实质：被诱导的偶极与永久偶极间作用作用能：0.6101.210KJ/mol产生于：极性非极性极性极性离子分子离子离子,影响因素：分子极性被诱导分子的外层电子壳越大，越易变形与分子间距的6次方成反比,20,色散力,实质：非极性分子间瞬时偶极间的作用作用能：0.88.4KJ/mol特点：普遍性具有加和性影响因素：分子的变形性越大，色散力越大分子的电离势越低，色散力越大分子间距离的6次方成反比,21,分子键,分子键与物质的性质沸点、熔点、汽化热、熔化热、溶解度、和表面张力存在于惰性气体分子性固体聚合物(长链大分子构成)液体,22,实质：质子给予体(如H)与强电负性原子X(如O、N、F、Cl)结合，再与另一强电负性原子Y(质子接受体)形成一个键的键合方式。,氢键(Hydrogenbond),条件：分子中必须含有氢另一个元素必要电负性很强的非金属元素；,23,氢键,特点：有方向性，饱和性；分子间氢键；键能:一般为几十几kJ/mol主要存在于固体和液体中水、胺、羧酸、无机酸、水合物、氨合物蛋白质、脂肪、糖分子键与物质的性质沸点、熔点、溶解度、表面吸附,24,各种键性比较,方向性：金属键、离子键无共价键、分子键、氢键有键能：在101.3kPa，298K条件下，1mol物质结合键分裂放出的能量表示结合的强弱化学键物理键化学键中:共价键离子键金属键共价键中:叁键双键单键物理键中:氢键分子键,25,不同结合键的键能及熔点,注：1cal4.18J,3.4结合键与材料类型及性质,27,1.材料类型与结合键,金属金属键简单金属金属键共价键过渡金属高分子材料分子内部共价键分子之间分子键或氢键陶瓷材料离子键（为主）共价键,28,2.材料性质与结合键,弹性模量E=/=S0/r0,金属金属键大陶瓷材料离子键和共价键大高分子分子键小交联增大,29,2.材料性质与结合键,密度原子量、原子半径、配位数熔点原子结合力热膨胀系数电导率原子键,30,材料结构,组成材料的原子(或离子、分子)的构造原子间的结合方式原子间的排列方式结构中存在的缺陷,结合键晶体结构位错、晶格畸变,31,晶体结构,金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但是它们的性质截然不同。金刚石是正四面体结构，每个面都是三角形，所以金刚石坚硬无比；石墨是片层结构，层与层之间很容易滑动，所以石墨较软而且有滑腻感，可以作高温润滑剂。,32,结晶特性,晶体：原子(团)沿三维空间呈周期性长程有序排列的固体物质金属，大多陶瓷及一些聚合物非晶体：原子(团)无周期性长程有序排列的物质包括气体，液体和部分固体,33,晶体的性质,熔点确定有自发形成规则多面体外形的能力稳定性（晶体能量最低）各向异性（物理性质不同）均匀性（周期小，宏观连续）,34,晶体学基础,基本概念空间点阵晶胞晶系和布拉菲点阵晶向、晶向指数、晶向族晶面和晶面指数晶面族和晶面间距,35,1点阵：晶体结构的微观特征某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列基元：原子、分子、离子或原子团(组成、位形、取向均同)抽象为基元几何点,点阵+基元=晶体结构,36,37,38,39,空间点阵的特征：,点阵反映晶体结构的平移对称点阵是抽象的几何图形点阵中每个阵点的周围环境均相同,40,2晶胞晶胞：代表晶体内部结构的基本重复单位（平行六面体）晶胞的基本要素：A大小和形状B各原子坐标位置,晶轴上晶胞三个边的长度a，b，c和其夹角，称为晶格常数简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点,41,晶胞选取晶胞的原则,)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；）在满足上述条件，晶胞应具有最小的体积。,42,3.晶系和布拉菲点阵,按晶格常数的不同组合可将晶胞分为7种类型，对应7个晶系7个晶系中，共有14种空间点阵型式布拉菲点阵,3.晶系与布拉菲点阵7个晶系，14个布拉菲点阵,底心单斜,简单三斜,简单单斜,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,简单立方,体心立方,面心立方,48,4.晶向、晶向指数、晶向族,晶胞定位（用分数坐标）原点（0,0,0）晶胞内离原点最远的顶角点(1,1,1)，即位置为(1a,1b,1c)定位系数以晶胞的尺度来表示,点的位置用(x,y,z)表示(点在晶胞内,无符号,分数),49,方向可不同,晶向和晶向指数、晶向族,(1)晶向是原点出发通过某点的射线(或过若干结点的直线方向)(2)晶向指数用晶胞各轴上投影的最低整数标明uvw表示晶向，其中uvw即晶向指数一个晶向代表了一系列相互平行的阵点构成的直线晶体中同一晶向的阵点直线系列称为晶列，用uvw表示晶向族，代表原子密度相同(等价)的所有晶向。,50,51,定义右图中的晶向指数,晶向指数计算举例,解xyz投影a/21b0c根据晶格常数投影1/210取整120晶向指数120,返回,52,如立方晶体中：,111,53,立方晶系常见的晶向为：,54,晶面：晶体内的阵点（组成的）平面。晶面指数：是晶面在三个晶轴上的截距倒数之比，用(hkl)表示。截距用晶格常数a，b，c的倒数r，s，t表示即：h:k:l=1/r:1/s:1/t，最小整数,5.晶面和晶面指数,55,56,57,6.晶面族：,晶面族用hkl表示,代表原子排列和面间距相同（晶面方位不同）的所有晶面。对立方晶体：A1003组B1114组C1106组,58,110,59,立方晶系常见的晶面为：,60,晶面间距,晶面组：晶体所有阵点被划成平行等距的一组晶面,61,晶面间距,晶面组中最近两晶面间的距离叫晶面间距晶面指数低，面上具有较高的原子密度，间距大、作用力弱。立方晶体：a为点阵常数,62,金属的晶体结构,63,离子晶体,64,共价晶体,65,66,67,分子晶体,68,高分子结晶结构,69,(6)原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。(7)晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。(8)配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。(9)致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,补充参数,70,体心立方晶格,71,体心立方晶格,原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb铌(niobium)等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,72,面心立方晶格,73,原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常数：a,面心立方晶格,74,密排六方晶格,75,原子半径：ra/2,原子个数：6配位数：12（6+6）致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd镉(cadmium)等,晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633,密排六方晶格,76,典型金属结构晶体学特点,77,三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面和晶向称密排面和密排方向。,78,间隙,四面体间隙,八面体间隙,79,面心立方(bbc)四面体间隙数：每晶胞：8每原子：8/4=2间隙大小（半径）八面体间隙数：每晶胞：1(体)+1/412(棱)=4每原子：4/4=1间隙大小（半径）=a/2R=0.414R,80,体心立方（bcc）八面体间隙数：四面体间隙数：每晶胞：每晶胞：1/26(面)+1/412(棱)=641/26(面)=12每原子：6/2=3每原子：12/2=6间隙大小（半径）间隙大小（半径）=a/2R=0.633R=5a/4R=0.291R=a/2R=0.154R,81,密排六方(hcp)(c/a=1.633)八面体间隙数：四面体间隙数：每晶胞：4每晶胞：8每原子：6/2=3每原子：12/2=6间隙大小（半径）间隙大小（半径）0.414R0.225R,82,面心立方、密排六方与体心立方晶胞中的间隙,83,材料结构,组成材料的原子(或离子、分子)的构造原子间的结合方式原子间的排列方式结构中存在的缺陷,结合键晶体结构位错、晶格畸变,金属晶体,84,晶体缺陷,变形金属晶粒尺寸约1100m，铸造金属可达几mm。,单晶体与多晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,85,86,晶界：晶粒之间的交界面。存在一定晶界能。晶粒越细小，晶界面积越大，晶界能越高。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。,87,晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。,88,点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位间隙原子置换原子,点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。,89,a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。(热平衡缺陷)b.间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,90,空位和间隙原子引起的晶格畸变,91,c.置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶,格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,92,线缺陷晶体中的位错指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。,线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。,93,刃型位错和螺型位错,94,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”表示。,95,刃型位错示意图：(a)立体模型;(b)平面图,晶体局部滑移造成的刃型位错,96,螺型位错,平行的晶面变成围绕一螺旋轴的螺旋面，这