上海交通大学材料科学基础ch市公开课金奖市赛课一等奖课件

第1章原子结构和键合第1页本章主要内容1.1原子结构1.2原子间键合1.3高分子链第2页重点与难点（1）描述原子中电子空间位置和能量4个量子数。（2）核外电子排布遵照规则。（3）元素性质、原子结构和该元素在元素周期表中位置三者之间关系。第3页1.1原子结构1.1.1物质组成

物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成集合体；分子是能单独存在、且保持物质化学特征一个微粒；分子又由一些更小微粒即原子组成，原子是化学改变中最小微粒；第4页1.1.2原子结构(atomicstructure)

近代科学试验表明：原子是由原子核(由带正电荷质子和呈电中性中子组成)和核外电子(带负电荷)组成原子结构特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内。第5页1.1.3原子电子结构

电子云(electionatmosphere)形成：电子含有波粒二象性，描述原子中一个电子位置和能量用四个量子数(quantumnumber)：主量子数（电子层）轨道量子数（电子亚层）磁量子数（轨道数）自旋角动量子数（自旋方向）

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主量子数n——决定原子中电子能级，以及与核平均距离，即表示电子所处量子壳层；轨道角动量量子数li——给出电子在同一量子壳层内所处能级（电子亚层），与电子运动角动量相关；磁量子数mi——给出每个轨道角动量量子数数能级数或轨道数，决定电子云空间取向；自旋角动量量子数si——反应电子不一样自旋方向。第7页核外电子排布遵照规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauliprinciple)、Hund规则(Hund’srule)。能量最低原理——电子排布总是先占据能量最低内层，再由内向外进入能量较高壳层，尽可能使体系能量最低。Pauli不相容原理——在一个原子中在一个原子中不可能有运动状态完全相同两个电子，主量子数为n壳层，最多容纳电子2n2。Hund规则——在同一亚层中各个能级中，电子排布尽可能分占不一样能级，而且自旋方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定，而且整个原子能量最低。第8页1.1.4元素周期表

元素是含有相同核电荷数同一类原子总称。元素周期表是元素周期规律详细表现形式,它反应了元素之间相互联络规律,元素在周期表中位置反应了那个元素原子结构和一定性质.第9页第10页1.2原子间键合结合键(bindingbond)：结合键分为：化学键－金属键、离子键、共价键物理键－范德华力、氢键1.2.1化学键（主价键、一次键）金属键(metallicbond)

自由电子——金属正离子间特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。能够解释金属一些特征，如良好导电、导热性，含有较高强度和良好延展性，含有金属光泽，正电阻温度系数。第11页金属键特点：电子共有化,没有方向性。特征：良好导电、导热性；(2)不透明，含有金属光泽；(3)含有较高强度和良好塑性；(4)正电阻温度系数。第12页2.离子键(ionicbond)

金属正离子——非金属负离子之间特点：以离子为结合单位，结协力较强，决定离子晶体结构是正负离子电荷及几何原因，有较高配位数，无方向性。能够解释离子晶体一些特征，如较高熔点和硬度，固态时为良好绝缘体而熔融态时含有良好导电性。第13页

一个材料由两种原子组成，且一个是金属，另一个是非金属时轻易形成离子键

(Ionbond)结合(如图1.4-1)。由NaCl离子键形成能够归纳出离子键特点以下：

1.金属原子放弃一个外层电子，非金属原子得到此电子使外层填满，结果双双变得稳定。

2.金属原子失去电子带正电荷，非金属原子得到电子带负电荷，双双均成为离子

3.离子键键大小在离子周围各个方向上都是相同，所以，它没有方向性。

图1.4-1

Cl与Na形成离子键第14页

Cl和Na离子在引力和斥力作用下，相互保持r0距离，即F＝0，能量E为最小（如图1.4-2）位置。每一个Cl（或Na）离子与其近邻Na（或Cl）离子均保持这种最低能量关系，从而，形成NaCl特有晶体结构，如图1.4-3所表示。许多陶瓷材料主要是离子键结合。离子键结合能比较高，所以陶瓷材料熔点也较高。表1.4-1列出了几个材料结合能和熔点。图1.4-2

Cl和Na离子保持r0距离图1.4-3

NaCl晶体第15页第16页3.共价键(covalentbond)

两个或多个原子间共用电子对特点：以原子形式共用电子对，含有饱和性(只和一个电子配对）和方向性（使得电子云到达最大程度重合），配位数较小、各键间都有确定方位。能够解释共价晶体一些特征，如结合极为牢靠，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。

第17页图1.4-5

由共价键方向性特点决定了SiO2四面体晶体结构图1.4-4形成共价键SiO2,蓝色圆圈代表Si价电子，红色圆圈代表O价电子第18页第19页第20页1.2.2物理键（次价键、二次键）1.范德华力(VanDerWaalsforce)

电偶极矩感应作用特点：除高分子外，键结合不如化学键牢靠，无饱和性，无方向性。2.氢键(hydrogenbond)

分子间特殊作用力表示为：X—H—Y

特点：含有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。氢键主要存在于高分子材料内。第21页1.2.3混合键实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键金属中主要是金属键，还有其它键如：共价键、离子键陶瓷化合物中出现离子键和金属键混合一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力聚合物长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键第22页材料键类型结合能

kJ/mol熔点

℃MgO离子键10002800NaCl离子键640800C共价键713>3500SiC共价键12302600Al金属键324660Cu金属键3391083Fe金属键4061538第23页※3高分子链（HighpolymerChain)第24页近程结构（short-rangeStructure)一、结构单元化学组成（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、聚酚等第25页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，故兼有没有机高分子和有机高分子特征，现有很高耐热和耐寒性，又含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，这类元素成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解第26页二、高分子链结构单元键合方式（bondingtape）1.均聚物结构单元键接次序单烯类单体中除乙烯分子是完全对称，其结构单元在分子链中键接方法只有一个外，其它单体因有不对称取代，故有三种不一样键接方式（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一样

第27页2.共聚物序列结构（Copolymers）

按结构单元在分子链内排列方式不一样分为第28页三、高分子链结构（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）

第29页四、高分子链构型（Molecularconfigurations）链构型系指分子中原子在空间几何排列，稳定，欲改变之须经过化学键断裂才行第30页旋光异构体（stereoisomerism）由烯烴单体合成高聚物

在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元，有三种排列方式第31页几何异构（Geometricalisomerism）

双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但因为含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有顺式反式

两种异构体之分，对于大分子链而言就有称为几何异构二甲基丁二烯

二甲基丁二烯

第32页远程结构（Long-rangeStructure)一、高分子大小（MolecularSize）高分子相对分子质量M不是均一，含有多分散性平均相对分子质量第33页高分子链中重复单元数目称为聚合度不但影响高分子溶液和熔体流变性质，对加工和使用也有很大影响。数均相对分子量每链节质量对力学性能起决定作用，第34页二、高分子内旋转构象主链以共价键联结，有一定键长d和键角θ，每个单键都能内旋转（Chaintwisting）故高分子在空间形态有mn-1(m为每个单键内旋转可取位置数，n为单键数目)统计学角度高分子链取伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大高分子链总链长均方根三、影响高分子链柔性主要原因（themaininfluencingfactorsonthemolecularflexibility）高分子链能改变其构象性质称为柔性（Flexibility）

第35页四、高分子链构象统计高分子链能改变其构象性质称为柔性，所以高分子柔顺性是以其所能采取构象数目来衡量，然而高分子链含有成千上万个构象，难以测出其实际数目；高分子构象越多，柔顺性越好，则蜷曲越严重，所以普通采取其两端间直线距离也即末端距h来衡量其柔顺性即构象数目。第36页本章内容提要物质是由原子组成，而原子是由位于原子中心带正电原子核和和外高速运转带负电电子所组成。在材料学中，普通人们最关心是原子结构中电子结构。电子在核外空间作高速运转时，就好像带电荷云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。电子现有粒子性又有波动性，即含有二象性。电子运动没有固定轨道，但可依据电子能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现几率大小。

第37页依据量子力学理论，电子状态是用波函数来描述，原子中一个电子空间位置和能量可用4个量子数来表示主量子数——决定电子中电子能级，以及与核平均距离，即表示电子所处量子壳层；轨道角动量量子数——给出电子在同一量子壳层内所处能级（电子亚层）；磁量子数——给出每个轨道角动量数能级数或轨道数；自旋角动量量子数——反应电子不一样自旋方向。第38页在多电子原子中，核外电子排布规律遵照以下3个规则：能量最低原理——电子排布总是先占据能量最低内层，再由内向外进入能量较高壳层，尽可能使体系能量最低。Pauli不相容原理——在一个原子中在一个原子中不可能有运动