材料科学基础第一章材料结构复习资料

1、材料科学基础第一章材料结构复习资料2021/1/422材料结构材料性能四层次原子结构原子结合键原子的排列显微组织2021/1/433思考思考1、什么是价电子？、什么是价电子？2、K与相比，谁更活泼？为什么？与相比，谁更活泼？为什么？3、金属是否均是由金属键构成的？、金属是否均是由金属键构成的？W为什么具有高熔点？为什么具有高熔点？4、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁的密度更高？、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁的密度更高？5、什么是弹性模量？、什么是弹性模量？2021/1/444一、原子结构一、原子结构1、原子的电子排列、原子的电子排列- -2 27 7- -2 27 7- -3

2、31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）质质子子：正正电电荷荷m m1 1. .6 67 72 26 6 1 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 8 1 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 u

3、d d） m m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0 k kg g，约约为为质质子子的的1 1/ /1 18 83 36 62021/1/455波函数和原子轨道波函数和原子轨道 1926 1926年，年，（薛定谔）根据德布罗伊（薛定谔）根据德布罗伊物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。 )(2cosEtxphA是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何微观粒子的行为。是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何微观粒子的行为。2021/1/466 波函数是三维空间x、y、z的函数，其二阶偏微分方程就是有名的薛定谔方程 电子的波函数电子的

4、波函数对原子核外电子运动的描述具有十分重要意义：对原子核外电子运动的描述具有十分重要意义： 波函数不同，其能量不同。波函数不同，其能量不同。 每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为原子轨道。每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为原子轨道。 相当于给出了电子运动的相当于给出了电子运动的“轨道轨道”。0)VE(hm8zyx22222222 2021/1/477四个量子数四个量子数 (1) 主量子数主量子数（2）角量子数）角量子数 （3）磁量子数）磁量子数（4）自旋量子数）自旋量子数n，电子层；，电子层；l，同一壳层上的电子依据能量水平不同分的亚壳层（，同一壳层上的电子依据能量水

5、平不同分的亚壳层（)，反映了轨道的，反映了轨道的形状；形状；m，确定轨道的空间取向；，确定轨道的空间取向；，每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子；，每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子；2021/1/488主量子数主量子数 n主量子数主量子数 n 表示电子层，其值越大，轨道距核越远，能量越高。表示电子层，其值越大，轨道距核越远，能量越高。电子层符号电子层符号 K L M N O P Q 主量子数主量子数 n 1 2 3 4 5 6 7 2021/1/499 （2）角量子数）角量子数 l 角量子数角量子数 l 又叫副量子数，表示电子亚层。它确定又叫副量子数，表示电子亚层。它确定着电子轨道

6、的能级和形状。着电子轨道的能级和形状。 在在n n确定后，同一壳层上的电子依据角量子数确定后，同一壳层上的电子依据角量子数l l再分成若干个能级大小不同的亚壳层：再分成若干个能级大小不同的亚壳层： 0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、55。这些亚壳层可用小写字母。这些亚壳层可用小写字母 s s、p p、d d、f f 表示；表示；s s、p p、d d、f f 是根据四个亚是根据四个亚壳层的光谱线特征得到的，壳层的光谱线特征得到的， 即即 ( (敏锐的敏锐的) )、( (主要的主要的), (), (漫散的漫散的), (), (基本的基本的) )。 n n相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也

7、不同，能量水平是随相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也不同，能量水平是随s s，p p，d d，f f 依次升高。依次升高。 2021/1/41010 角量子数角量子数 l 的值为：的值为：0 n1如：主量子数如：主量子数 1 2 3 4 角量子数角量子数 0 1 2 3 轨道符号轨道符号 s p d f 轨道形状轨道形状 球形球形 哑铃形哑铃形 花瓣形花瓣形 同样，同样，l 的值越大，轨道距核越远，能量越高的值越大，轨道距核越远，能量越高0122021/1/41111（3）磁量子数 m磁量子数 m 确定着轨道的数目和空间取向对应于每个l下的磁量子总数（轨道数）为： m = 2(l)+1一个m

8、代表一个轨道（m在之间取整数）如：角量子数 0 1 2 3 轨道符号 s p d f 轨道数目 1 3 5 7 m 不影响轨道能级，在没有外加磁场的情况下，处于同一亚壳层的电子具有相同的能量。 在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角动量在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角动量P P。P P不仅在数值上不能任意不仅在数值上不能任意取值，而且相对于磁场方向的取向也不是任意的且是量子化的取值，而且相对于磁场方向的取向也不是任意的且是量子化的磁量子数磁量子数 （0）（）（-1，0，+1）（）（-2，-1，0，+1，+2）2021/1/41212 s、p、d电子云的角度分布图2021/

9、1/41313（4 4）自旋量子数）自旋量子数 自旋量子数自旋量子数 并不是求解薛定谔方程得出的，并不是求解薛定谔方程得出的，它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道上存在着自旋相反的两个电子，为了表达这两个电子上存在着自旋相反的两个电子，为了表达这两个电子的区别，引出的第四个量子数。它只有的区别，引出的第四个量子数。它只有1/2、1/2两个取值。表示为两个取值。表示为、。原子核外电子的状态由这四个量子数确定原子核外电子的状态由这四个量子数确定2021/1/41414电子分布情况电子分布情况原则：1）泡利不相容原理）泡利不相容原理2）电子总是

10、优先占据能量低的轨道）电子总是优先占据能量低的轨道角量子数和自旋量子数主量子数和次量子数电子能量分布情况电子能量分布情况电子能量随主量子数n的增加而升高；同一壳层的能量按s、p、d、f次序依次升高相邻壳层的能量范围有重叠现象；3) 洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨道上，电子总是尽可能地分别占据不同的轨道，且自旋洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨道上，电子总是尽可能地分别占据不同的轨道，且自旋方向相同。方向相同。2021/1/41515主量子数为主量子数为n n的壳层中最多能容纳的电子数为的壳层中最多能容纳的电子数为2n22n22021/1/41616sspspdspdspdspdspdfff

11、1234567主量子数n相邻壳层的能量范围有重叠现象。相邻壳层的能量范围有重叠现象。2021/1/417172、元素周期表（ )元素（）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共元素（）：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种，核电荷数是划分元素的依据同位素（）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子同位素（）：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（元素有两种存在状态：游离态和化合态（ )7个横行（个横行（ )周期（）按原子序数（周期（）按原子序数（ )递增的顺序从左至右排列递增的顺序从左至右排列18个纵行（）个纵行（

12、）16族（），族（），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个个族、族、1个零族（个零族（ ）最外层的电子数相同，）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。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（氦为（氦为2） 价电子数（价电子数（ ） 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

13、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 2021/1/418182021/1/419191）价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子）价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子 。价电子直接参与原。价电子直接参与原子间的结合，对材料的物理、化学等性能有很大的影响。主族元素？副族元素？（如：铬的价子间的结合，对材料的物理、化学等性能有很大的影响。主族元素？副族

14、元素？（如：铬的价电子层结构是电子层结构是3d54s1，6个价电子都可以参加成键）个价电子都可以参加成键）2）原子价（也称化合价）：表明一个原子和其他原子相结合的数目，原子价）原子价（也称化合价）：表明一个原子和其他原子相结合的数目，原子价()是指一种原子之是指一种原子之间化合的能力。这是由电子排列最外层的间化合的能力。这是由电子排列最外层的s态、态、p态能级中的电子数所决定。态能级中的电子数所决定。2021/1/420203）过渡元素）过渡元素 周期表中部的周期表中部的B对应着内壳层电子逐渐填充的过程，内壳层未填满的元素称为过渡对应着内壳层电子逐渐填充的过程，内壳层未填满的元素称为过渡元素。

15、元素。特点：外层电子状态没有改变，都只有特点：外层电子状态没有改变，都只有1-2个价电子，具有典型的金属性。个价电子，具有典型的金属性。4）电负性）电负性衡量原子吸引电子能力的参数衡量原子吸引电子能力的参数特点：电负性越强，吸引电子能力越强，数值越大；特点：电负性越强，吸引电子能力越强，数值越大； 在同一周期内，自左至右电负性逐渐增大；在同一族内自上至下电负性数据逐渐减小。在同一周期内，自左至右电负性逐渐增大；在同一族内自上至下电负性数据逐渐减小。 解释与元素的活泼性？2021/1/4212021/1/422222021/1/42323二、原子结合键二、原子结合键键一次键离子键共价键金属键化学

16、键、主价键二次键范德瓦耳斯键氢键物理键、次价键介于物理键和化学键之间依靠外壳层电子依靠外壳层电子转移或共享以形转移或共享以形成稳定的电子壳成稳定的电子壳层使原子结合起层使原子结合起来来原子或分子本身已具有稳定的电子结构，不能依靠原子或分子本身已具有稳定的电子结构，不能依靠电子转移或共享来结合而只能借助原子之间的偶极电子转移或共享来结合而只能借助原子之间的偶极吸引力结合吸引力结合1、键的种类、键的种类（根据结合力强弱）2021/1/424241 1）离子键（）离子键（ ) ) 多数盐类、碱类和金属氧化物多数盐类、碱类和金属氧化物l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

17、饱和性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 实质：实质： 金属原子金属原子 带正电的正离子（）带正电的正离子（） 非金属原子非金属原子 带负电的负离子（）带负电的负离子（） e 典型代表：典型代表：特点：特点：, 2, 2021/1/42525l2）共价键（ ）l 亚金属（C、 ），聚合物和无机非金属材料l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 l 键电对键键两键间极极性性( (P Po ol la ar r b bo on nd di i

18、n 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饱和性饱和性 配位数较小配位数较小 ，方向性（，方向性（s s电子除外）电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差性质：熔点高、质硬脆、导电能力差特点：特点：2021/1/426263 3）金属键（）金属键（ ）l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 ）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（ ），形成电子

19、云（），形成电子云（ ）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2021/1/427274）范德华力（ ) 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静电力静电力()()、诱导力、诱导力()()和色散力和色散力( )( )l属物理键属物理键

20、，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质，如气体的聚合，塑料、，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质，如气体的聚合，塑料、石蜡将大分子链结合为固体。石蜡将大分子链结合为固体。 包括：包括：极性分子之间、极性分子与非极性分子之间、非极性分子之间2021/1/42828l5 5）氢键（）氢键（ ）l 极性分子键极性分子键 存在于、存在于、H2OH2O、3 3中中 ，在高分子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它，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原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端

21、相互吸引氢桥氢桥l 介于化学键与物理键之间，具有饱和性介于化学键与物理键之间，具有饱和性 本质上与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子的偶极吸引本质上与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子的偶极吸引力结合起来的，只是氢原子起了关键作用！力结合起来的，只是氢原子起了关键作用！ 在带有、2原子团的高分子聚合物中常出现氢键，将长链分子结合起来； 在生物分子中如：也起重要的作用可表示为：Y2021/1/429296）混合键）混合键 实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合！（1） 共价-金属混合键，（2）金属-共价混合键，（3）金属-离子混合键，如：族元素、电负性逐渐下降，失

22、去电子的倾向逐渐增大，所以这几类元素的结合就是共价键与金属键的混合，到时已成完全的金属键。过渡金属出现的金属键和共价键混合键，可解释高熔点；如：W、金属间化合物之间可形成金属键与离子键的混合键，可解释此类化合物的脆性；如：2021/1/43030陶瓷化合物中混合键（离子陶瓷化合物中混合键（离子-共价）情况共价）情况离子键的比例取决于组成元素的电负性差%100e1 %2)(41BAXX）离子键结合（、分别为、分别为A、B的电负性数值的电负性数值（记忆次公式）（4）离子）离子-共价混合键共价混合键例如，从表22中查得 1.31， 3.44，代入(2-12)式， 求得化合物中离子键比例为682021

23、/1/43131（5）异类混合键：一次键）异类混合键：一次键+二次键二次键如：气体分子凝聚体； 聚合物； 石墨混合键的意义：混合键的意义：使得材料的性能可在很广的范围内调节！ 线性高分子材料的大分子链是共价键结合方式，但大分子链之间是范德华键或氢键的结合线性高分子材料的大分子链是共价键结合方式，但大分子链之间是范德华键或氢键的结合方式。方式。 现代复合材料是由二种或二种以上不同的材料经特殊的成型加工复合而成，其内部结合键现代复合材料是由二种或二种以上不同的材料经特殊的成型加工复合而成，其内部结合键是混合键。是混合键。 正是复合材料的结合方式是混合键，键合比例又随材料的组成和种类而变化，故复合材正是复合材料的结合方式是混合键，键合比例又随材料的组成和种类而变化，故复合材料的性能丰富又多样。料的性能丰富又多样。 2021/1/432322、结合键的本质、结合键的本质原子间距r原子间距r排斥力吸引力合力r0E000吸引排斥吸引排斥作用力F作用位能E原子间距：吸引力、排斥力