文档介绍：第一章原子结构和键合 Atomic Structure and Interatomic Bonding
物质(Substance)是由原子(atom)组成
在材料科学中,最为关心原子的电子结构
原子的电子结构—原子间键合本质
决定材料分类:金属陶瓷高分子
材料性能:物化力学
材料的微观结构(Microstructure of Materials)
决定材料性质最为本质的内在因素:组成材料各元素原子结构,
原子间相互作用,相互结合,原子或分子在空间的排列,运动规
律,以及原子集合体的形貌特征
※1原子结构(Atomic Structure )
一、物质的组成(Substance Construction)
物质由无数微粒(Particles)聚集而成
分子(Molecule):单独存在保存物质化学特性
dH2O= M(H2)为2 M(protein)为百万
原子(Atom): 化学变化中最小微粒
二、原子的结构
1879年 Thomson 发现电子(electron),揭示了原子内部秘密
1911年
1913年
Bohr atomic model
核外电子的排布(electron configuration)规律
描述原子中一个电子的空间和能量,可用四个量子数(quantum numbers)表示
三、元素周期表(periodic Table of the Elements)
元素(Element):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
同位素(Isotope):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(Free State& Combined Form)
7个横行(Horizontal rows)周期(period)按原子序数(Atomic Number)递增的顺序从左至右排列
18个纵行(column)16族(Group),7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族(Inert Gases)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。
原子序数=核电荷数周期序数=电子壳层数
主族序数=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(Valence electron)
※2原子间的键合( Bonding type with other atom)
一、金属键(Metallic bonding)
典型金属原子结构:最外层电子数很少,即价电子(valence electron)极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子(Free electron),形成电子云(electron cloud)金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键
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
性质:良好导电、导热性能,延展性好
二、离子键(Ionic bonding)
多数盐类、碱类和金属氧化物
特点: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
三、共价键(covalent bonding)
亚金属(C、Si、Sn、 Ge),聚合物和无机非金属材料
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
特点:饱和性配位数较小,方向性(s电子除外)
性质:熔点高、质硬脆、导电能力差
实质: 金属原子带正电的正离子(Cation)
非金属原子带负电的负离子(anion)
e
四、范德华力(Van der waals bonding)
包括:静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)
属物理键,系次价键,不如化学键强大,但能很大程度改变材料性质
五、氢键(Hydrogen bonding)
极性分子键存在于HF、H2O、NH3中,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——氢桥
介于化学键与物理键之间,具有饱和性
※3高分子链(High polymer Chain)
近程结构(short-range Structure)
一、结构单元的化学组成(the Chemistry of mer unito)
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