第二章第一节第二节第三节

1、2-1 物质的形态及材料结构物质的形态及材料结构2-2 原子结构原子结构2-3 原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合2-4 多原子体系电子的相互作用和稳定性多原子体系电子的相互作用和稳定性 第二章第二章 内容目录内容目录2-5 固体中的原子有序固体中的原子有序2-6 固体中的原子无序固体中的原子无序2-7 固体中的转变固体中的转变2-8 固体物质的表面结构固体物质的表面结构 排列排列 距离距离 作用力作用力 固定体积固定体积 形状形状 气态气态 无规律 远 小 无 无 (gas state) 液态液态 局部有序 较近 中等 有 无 (liquid state) 固态固态 结晶 有规

2、律 小 强 有 有 (solid state) 非晶 局部有序 小 强 有 有 2-1-1 物质的形态物质的形态 ( States of Matter ) 三种主要状态： 2-1 物质的形态及材料结构物质的形态及材料结构 (States of Matter and Structure of Materials) 材料结构： 是影响材料性能的基本因素，随化学组成及外界条件改变. 宏观组织结构： 10-4 m 肉眼可见 Macroscopic 显微组织结构： 10-4 10-8 m 显微镜观察 Microscopic 原子或分子排列结构：10-10 m Organization of atoms

3、or molecules 原子中的电子结构： 10-13 m Subatomic structure 2-1-2 材料结构的涵义材料结构的涵义 (Meaning of Material Structure) 1. 原子核原子核 由质子+中子组成 质子 质子数（Z） = 原子序数 = 电子数 正电荷 中子 中子数（N） 中子质量 = 质子质量 无电荷 原子质量（A） 质子质量+中子质量 同位素： Z相同， N不同的原子 原子量：元素（原子序数相同）中各同位素的原子质量平均值 2-2 原子结构原子结构 (Atomic Structure) 2-2-1 原子原子 (Atom) 原子核+核外电子 电中

4、性 2. 电子电子 质量 约 1/184 质子或中子 负电荷 绕核运动； 速度1/101/100光速； 波-粒 轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层 Figure 2.1Figure 2.3 1. 电子的统计性形态法描述电子的统计性形态法描述 四个量子数四个量子数 (Quantum Numbers)： 2-2-2 原子中电子的空间位置和能量原子中电子的空间位置和能量 (Electrons in Atoms) n , 第一量子数： 决定体系的能量 n = 1，2，3.（整数）， n =1 时为最低能级 K，L，M . l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性 l = 0，1

5、，2，3，4 （n -1） n =1，l = 0 s p d f g 状态 n =2，l = 0，1 (s, p) m l , 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量 m l = 0，1，2，3 有（2 l+1）个 m s ，第四量子数：决定电子自旋的方向 +1/2，-1/2 2. 泡利不相容原理泡利不相容原理： 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数， 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子； 3. 能量最低原则能量最低原则： 电子总是按能量最低的状态分布。 4. 洪特规则洪特规则： 分占轨道最多，自旋方向相同。比如C（1S2 2S2 2P2）Fe(1s2 2s2 2p6 3s2

6、3p6 3d5 4s1) 1. 电子壳层数目电子壳层数目 n = 1，2，3，4，5 K L M N O 主壳层(shells) l = 0，1，2，3，4 由内向外 s p d f g 支壳层(subshells) 2. 最多电子数目最多电子数目 K2，L8，M18 s2，p6，d10 3. 最外层最外层 s12，p16，d110 2-2-3 原子中电子壳层数目及填充方式原子中电子壳层数目及填充方式(排布）排布） (Electron Shells and Configurations in Atoms)表 返回 Table 2.1 4. 排列次序排列次序 1s-2s-2p-3s-3p-4s-

7、3d-4p-5s 举例 H: (1) 1s1 Na: (11) 1s2 2s2 2p6 3s1 2-2-4 电子壳层的能级电子壳层的能级 (Energy Levels of Electron Shells) 愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定； 愈远离， 愈高， 不稳定。 电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道 高能级轨道（吸收能量） 电离能电离能： 从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需的能量。 电子亲合能电子亲合能： 原子接受一个额外的电子通常要释放能量，所放能量即电子亲合能。 2-2-5 电离能和亲合能电离能和亲合能 (Ionization Energy and Electron Affin

8、ity)电离电势表电离电势表 元素的第一电离电势（元素的第一电离电势（ev/ev/原子）原子） H 13.60 He24.4Li 5.39Be 9.32B 8.30C 11.2N 14.5O 13.61F 17.4Ne 21.56Na 5.14Mg 7.64Al5.98SI 8.15P 10.3S 10.01Cl 13.0Ar 15.76K 4.34 Br 11.8Kr 14.00Rb 4.18 I 10.4Xe 12.13Cs 3.89 返回 自然界一般由原子或分子组成物质或材料 结合方式： 基本结合：离子键、金属键、共价键 派生结合：分子间作用力、氢键 2-3-1 基本键基本键合 （Pri

9、mary Interatomic Bonds) 1. 离子键离子键合 (Ionic Bonding)： 离子键 正离子负离子 库仑引力 特点：特点： 电子束缚在离子中； 正负离子吸引，达静电平衡； 电场引力无方向性; 构成三维整体 晶体结构 ； 在溶液中离解成离子。 2-3 原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合 (Atomic Interaction and Bonding)Figure 2.9 特点特点： 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

10、不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。 2 . 金属键合金属键合 (Metallic Bonding)：Figure 2.11 两个原子共享最外壳电子的键合。 特点：特点： 两原子共享最外壳层电子对； 两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反； 有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。 3. 共价键合共价键合 (Covalent Bonding):4、混和键合混和键合 (Mixed Bonding) 1） 电负性电负性 (electronegativity): 表示吸引电子的能力 同一周期 左 右 电负性增高 同一族 上 下 电负性降低 2）电负性对化学键的影响电

11、负性对化学键的影响: 同种原子间无影响 异种原子相互作用时: 两元素电负性相差较大: 非金属非金属 成极性共价键 电负性相差很大: 金属 非金属 成离子键 电负性差值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 离子性结合（%） 1 4 9 15 22 30 39 47 55 63 70 76 82 86 89 92 电负性差值电负性差值：可判断无机非金属材料离子性结合键的比例 % ionic character = 1-exp-(0.25)(XA - XB)2100 (2.10) where XA and X

12、B are the electronegativities for the respective elements. 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） 1.分子间引力分子间引力（Intermolecular Attraction)： 分子（或电中性原子）间的结合力 又称范氏（van der Waals）力。 特点特点： 无方向性和饱和性 键能最小 2-3-2 派生键合派生键合（Secondary Bonding):Schematic illustration of van der Waals bonding between two dipoles. A. 取向力: 分

13、子永久偶极间相互作用 (Permanent dipole bonds) B. 诱导力: 被诱导的偶极与永久偶极间作用 (Polar molecule-induced dipole bonds) C. 色散力: 非极性分子间瞬时偶极间的作用 (Fluctuating induced dipole bonds)Figure 2.13 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。 特点特点： 有方向性，饱和性； 分子内氢键；分子间氢键； 键能: 一般为几 十几 kcal/mol 2. 氢键氢键 (Hydrogen bond)

14、: Figure 2.15 1 键长键长(bond distance): 两相邻原子间达运动平衡时能量最小的距离。 金属键和离子键： 无方向性，无键长，三维空间（集体效应）：体积和电荷 共价键：有方向性(和饱和性)，键长为相连原子间的距离， 共价半径之和 同周期 电荷大 键长小 同族 由上到下 键长增大 2 键能键能(bond energy): 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（分子键） 化学键中: 共价键 离子键 金属键 共价键中: 叁键双键单键 氢键 范氏键 2-3-3 各种键性比较各种键性比较 （Comparison among Various Bo

15、nds) 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。 2-3-4 原子间距和空间排列原子间距和空间排列 (Interatomic Spacing and Forces) 1. 原子间的距离和作用原子间的距离和作用 (Interatomic Separation and Interaction) （1）a，：平衡间距， 合力F= 0，能量U最低，结合能的负值； （2）a 增大，F为引力，U增大；a 减小，F为斥力，U大大增大。 平衡间距平衡间距（Equilibrium Spacing）就是斥力和引力相等的距离。aRCdaFFE)( 孤立原子（非键合）的半径范

16、氏半径 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 (a) 金属半径：金属键结合的原子距离的一半：a，/ 2 （温度影响间（温度影响间距）距） (b) 离子半径：a，= r+ + R- （离子价影响间距）（离子价影响间距） 2 . 原子半径和离子半径原子半径和离子半径 (Atomic Radius and Ionic Radius) 离子价影响离子半径离子价影响离子半径 (c) 共价半径：成键电子云的最大重叠（非球形，多用键长） 单键、双键、三键 （配位数影响间距）（配位数影响间距）温度（热膨胀）温度（热膨胀） 、离子价（电荷）和相邻原子数目（配位数）、离子价（电荷）和相邻原子

17、数目（配位数） 影影响原子间距响原子间距元元 素素金金 属属 原原 子子离离 子子共共 价价 键键CN半径半径(nm)价价 CN半径半径 (nm) 键键 长长 / 2 （nm）碳碳 单单 键键 双双 键键 三三 键键0077 0065 006硅硅 4+ 6 4+ 40042 0038 单单 键键 0117氧氧 2- 8 2- 6 2- 40.042 0.038 0.444 单单 键键 双双 键键 0.075 0.065氯氯 2- 2 1- 8 1- 60.140 0.127 0.181 单单 键键 0099 钠钠80.01875 1+ 60.097 镁镁120.161 2+ 60.066 铝铝120.1431 3+ 6 3+ 40.054 0.046 铁铁8 120.1241 0.127 2+ 6 3+ 60.07