材料科学基础--西安交大1原子与结构键合教案

第一章材料结构的基本知识因材料而异，同一材料经过不同的加工技术也具有不同的性能，这些都是由于内部结构的不同而引起的。 结构意义丰富，大致可分为四个层次：原子结构、原子键、材料中的原子排列、结晶材料的微观组织，这四个层次的结构从不同方面影响着材料的性能。 1原子结构、一、物质的组成物质是由一种或多种元素的原子结合而成的。 分子(Molecule ) :单独存在，保存物质的化学特性。 原子(Atom ) :化学变化中最小的粒子。 二、原子结构，1879年J.JThomson发现电子(electron )，原子内部秘密1911年E.Rutherford提出了原子结构有核模型1913年N.Bohr将，即量子壳层取正整数，k、l、m 有时用3表示，习惯上用s、p、d、f表示，与电子运动的角动量有关，反应轨道的形状也被称为角量子数或轨道动量量子数。 各壳层上的子层数因主量子数而异。 确定电子轨道或电子云的空间延伸方向，m=0、1、2、3.s、p、d、f的各轨道依次取1、3、5、7种空间取向。 表示电子自旋(spinmoment )的方向，值分别为1/2和-1/2，表示在各状态下存在自旋方向相反的两个电子。主量子数n、次量子数l、磁量子数m、自旋量子数ms、表1各电子壳层和子壳层的电子状态、核外电子的配置规则、能量最低原理、泡沫不兼容原理、洪特规则、电子总是优先占有能量低的轨道，系统最低一般来说，接近核的电子具有低能量，随着电子的层数增加，在电子能量越来越大的同一层中，各亚层的能量按照s、p、d、f的顺序变高。 这两种作用的综合结果是，电子排列在原子核外时能够遵守下列顺序：1s、2s、2p、3s、3p、4s、3d、4p同一原子中并不存在运动状态完全相同的两个电子。 从光谱实验结果总结出的洪特规则有两个意义：一是电子在原子核外排列时尽可能占有不同的轨道，自旋平行的洪特规则的第二个意义是，对于同一电子亚层，电子配置达到满(s2、p6、d10、f14 ) (S1、p3，f14 ) 例如：电子从低能量到高能量，基于不同的量子态原理，尝试着写了原子序号为11的钠原子和原子序号为20的钙原子中的电子排列方式。 解： Na原子：1s22s22p63s1； Ca原子：1s22s22p63s23p64s2.注：根据量子力学，各壳层的s状态和p状态下的电子充满度对该壳层的能级起着重要作用，当满足壳层的s状态和p状态时，该壳层的能量降低到低值，电子极性另一方面，如果最外层不满足s状态和p状态的电子，这些电子的能量高，与原子核的结合弱，很活跃，这些电子被称为价电子。 他们直接参与原子之间的结合，对材料的物理性能和化学性能产生重要的影响。 三、元素周期表、元素(Element ) :具有相同原子电荷的同一种类的原子的总称，原子电荷数是划分元素的同位素(Isotope ) :具有相同质子数和不同中子数的相同元素的原子，例如C612， C613元素有两种存在状态：游离状态和化合状态(freestatecombeinatedform )，1869年，俄罗斯化学家门德列夫发现元素的性质随原子的相对质量的增加而周期性变化，这一重要规律称为原子周期表。 内部原因是原子核外的电子的排列会随着原子编号的增加周期性地变化。元素周期表：将所有元素以相对原子质量和电子分布排列，从根本上明确了表自然界物质的内在联系。 横行周期，共计7个周期。 周期的开始对应着电子进入新的壳层，周期的结束意味着这个主量子数的s状态和p状态已经满足。 纵行族、纵行(column)16族(Group )、主族7人、副族7人、族1人、零族1人(InertGases )。 最外层的电子数相同，按照电子壳层数增加的顺序从上向下排列。 原子编号=原子电荷数周期编号=电子壳层数主族编号=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(Bondingtypewithotheratom )，键键键的定义：键键键是指从原子结合到分子或固体上结合决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将键键分为化学键和物理键。 也称为金属键、化学键、共价键、物理键、分子键、VanderWaalsbonding、氢键、离子键，另一方面，原子键方式与原子外层的电子的再分布无关，电子在键后不属于原原子，(1)离子键形成原因：金属元素，特别是IA， IIA族金属在满壳层以外有少数的价电子，他们容易逃跑，而VIIA、VIA族的非金属电子的壳层仅缺少12个电子就成为稳定的电子结构。 两种原子结合时，金属原子的外层电子向非金属原子的壳层转移，两者得到稳定的电子结构，很有可能降低系统能量。 原子键：正离子、负离子由静电库仑力产生的键。 关于原子外层的电子的再分布，电子结合后不仅仅是原原子，电子也移动，结合力大，没有方向性和饱和性。 左图NaCl离子结晶上具有离子键材料的导电性，离子键强，因此具有高熔点，固体下没有导电性，熔化时具有导电性。 离子间的相对位移、电平衡破坏、离子键破坏、脆性材料。 (2)共价键形成原因：价电子数为4或5个的IVA、VA族元素，很难离子化。 相邻原子之间可以建立新的电子轨道，两个原子各共享一个电子，利用共享电子对实现稳定的电子结构。 原子键：原子间的共享电子对和电子云重叠引起的键。 电子共享，结合力大，具有方向性和饱和性。 结晶特征：强度高，硬度高(金刚石)，熔点高，脆性大，导电性差。 就像高分子材料一样。2003 brooks/cole publishing/thomsolearning、2003 brooks/cole publishing/thomsolearning、图共价键切断、图钻石型结构(a )单位光栅； (b )原子向底面的投影，(3)金属键的形成原因：金属原子具有容易失去外层的价电子的稳定的电子壳层，形成带正电荷的阳离子，很多金属原子结合后，这些阳离子总是在空间上排列整齐，离开核的电子在各正离子之间自由流动原子键：失去最外层电子(价电子)的原子实和由电子组成的电子云之间通过静电库仑力的结合。 电子共享、结合力大、无方向性和饱和性的结晶特征：导电性、热传导性、延展性好、熔点高。 就像金属一样。图金属键、金属的导电性和金属的变形、(4)分子键(范德瓦尔斯键)形成原因：理论上原子分布为球形对称，没有偶极矩。 但是，实际上，由于各种原因，电子的负电荷中心和正电荷中心不一定重叠，会产生偶极矩。原子和分子接近时，一个原子的偶极矩会影响另一个原子内的电子的分布，电子密度在接近第一个原子的正电荷会变得更高。 这样两个原子相互静电吸引，系统处于低能量状态。 原子键：电子云偏移，结合力小，没有方向性和饱和性。 特点：熔点低，硬度低。 高分子材料等。 图分子键，(5)氢键的本质与范德瓦尔斯键一样，是通过原子(或分子、原子团)的偶极子吸引力结合的，只有氢键中的氢原子起着重要的作用。 氢原子是与电负性大、原子半径小的两个原子(o、f、n等)同时结合而成的键。 氢键也具有饱和性，是一种特殊形式的物理键。 (共价键或离子键) X-H-Y (氢键)，2003 brooks/cole publishing/Thomson learning，25，2，键多重性，1 .实际材料以一个键为主，辅助其他键，主要包括多个共存、 辅助金属键，过渡族的w、Mo金属键为主，共价键为辅助，陶瓷材料，显示部分金属性，显示部分非金属性，35433543353353353353354共价键离子键，26， 2.2种以上的键独立存在，气体、高分子材料、石墨、分子内为共价键，分子间为分子键，分子内为共价键，分子间为分子键或氢键的层内的片为共价键，片间为分子键，3 .复合材料，兼具上述两种状况为了判断离子键在结晶的化学键中所占的比例，可以通过元素的电负性这个参数来实现。 一般来说，同种元素与结晶结合时，其电负性相同，因此，当非极性共价键形成的两个不同元素与结晶结合时，随着两个元素的电负性差变大，键的极性逐渐变强。 因此，也可以调查由a、b两种元素组成的结晶在化学键中的离子键百分率。 以离子键%=1-exp-1/4*(xA-xB)2式，xA、xB分别是a、b元素的电负性值。 例题：计算MgO和GaAs结晶中的离子键成分的量时，回答：检查元素的电负性数据，XMg=1.31、XO=3.44、XGa=1.81、XAs=2.18时，MgO离子键%=1- exp -1/4 (3.44-1.31 ) ) 4(2.18-1.81)2=0.04，因此MgO晶体的化学键以离子键为主，GaAs是典型的共价键晶体。 三、结合力的一般性质，两质点间的相互作用力和相互作用势与质点间距离的关系定性相同。 结晶中质点的相互作用分为吸引作用和排斥作用两种。 吸引作用在远距离是主要的，排斥作用在近距离是主要的。 在某一适当的距离上，两者的作用相互抵消，结晶处于稳定状态。 来自异性电荷间的库仑引力。 排斥作用有两个原因。 一个是同性电荷间的库仑力，二个是泡沫原理的排斥力。 原子间相互作用(a )相互作用势与原子间距离的关系(b )相互作用力与原子间距离的关系、库仑引力能、气泡排斥能、相互作用力： f(r)=-du(r)/dr总作用力与原子间距离的关系？ 排斥力、引力、r=ro、引力和排斥力相互抵消，f(r)=0，如何确定原子间的平衡距离ro？ r=rm，有效引力最大的是如何确定最大有效引力？ 四、离子晶体的晶格能，在离子晶体中，正负离子通过静电力结合而形成离子键，离子键的强度可以用晶体的晶格能测定。 离子晶格能EL被定义为1摩尔离子晶体中的正负离子从相互远离的气体结合成离子晶体时释放的能量。 离子晶体晶格能的计算：离子晶体中，正负离子的电子层和惰性元素的电子层结构相同，因此正负离子可视为电场为球形对称的点电荷，从吸静电理论可以得到晶格能的理论计算式。a )正负离子对的势u1=u吸引u吸引=-e2Z1Z2/40ru吸引=B/rn，计算1mol的一般二元型(AX )离子结晶的总势u=N0u1AAX晶格能=其中，a是马德龙常数(madlungcon 仅与晶体结构有关的常数n叫做波恩指数(Bornindex )，其值的大小与离子的电子层结构有关，b是比例常数，通过研究结合能可以计算晶格常数、体积弹性模量等，但这些量可以用实验测定。 因此，将理论计算结果与实验进行比较，可以验证理论的正确性。 另外，还可以根据热力学参数计算结合能和晶格能。 根据离子晶体的晶格能，可以大致判断晶体的熔点和硬度的高低，硬度、熔点随着晶格能的增大而上升。 3 .原子的排列方式，一、原子的排列方式(1)结晶：原子在三维空间内周期性地有规律地排列。 很长的路程很有秩序，有各向异性。 (2)非晶质：不规则排列。 漫长的道路是无序的，各向同性的。 从液体变化为结晶和非晶质时，两者的行为不同。 结晶：有一定的熔点、体积变异。 无定形：没有确定的熔点，没有体积突变的液体的简单冷却过程。 二、原子排列的研究方法、材料研究用x射线和电子束进行研究，其原理是光学中的干涉和衍射。 知道光的波长后，就可以根据衍射条纹的间距计算光栅上的伤痕的间隔。 结晶中的原子在三维空间中规则排列，相当于天然晶格，但x射线的波长约为0.10.4nm，相当于原子间距离，所以原子对x射线衍射。 布拉格定律： 2dsin=n，4晶体材料的组织是指材料的组织，是指各种晶粒的结合特征，即各种晶粒的相对量、尺寸、形状、分布等特征。 结晶的组织比原子键和原子排列方式更容易因成分和加工技术而变化，是影响材料性能的极其敏感和重要的结构要素。 一、组织的显示和观察，也称宏观组织、显微组织、金相组织，通常要用金相显微镜或电子显微镜观察。 处理过程：磨磨化学蚀刻(晶界处原子处于失配位置，能量高，化学蚀刻时容易蚀刻，形成槽，