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1、03 06 2020 1 第一章材料结构的基本知识 一 2 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 3 思考 1 什么是价电子 2 K与Cu相比 谁更活泼 为什么 3 金属是否均是由金属键构成的 W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 5 什么是弹性模量 4 一 原子结构 1 原子的电子排列 5 波函数和原子轨道 1926年 Schr dinger 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 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 6 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
2、名的薛定谔方程 电子的波函数 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 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 轨道 7 四个量子数 1 主量子数 2 角量子数 3 磁量子数 4 自旋量子数 n 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 spdf 反映了轨道的形状 m 确定轨道的空间取向 ms 每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子 8 主量子数n主量子数n表示电子层 其值越大 轨道距核越远 能量越高 电子层符号KLMNOPQ 主量子数n1234567 9 2 角量子数l 角量子数l又叫副量子数 表示电子亚层 它
3、确定着电子轨道的能级和形状 在n确定后 同一壳层上的电子依据角量子数l再分成若干个能级大小不同的亚壳层 l 0 1 2 3 4 5 这些亚壳层可用小写字母s p d f表示 s p d f是根据四个亚壳层的光谱线特征得到的 即sharp 敏锐的 principal 主要的 diffuse 漫散的 fundamental 基本的 n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 p d f依次升高 10 角量子数l的值为 0 n 1如 主量子数1234 角量子数0123 轨道符号spdf 轨道形状球形哑铃形花瓣形同样 l的值越大 轨道距核越远 能量越高 l 0 l 1 l 2 11 3
4、 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代表一个轨道 m在 l l之间取整数 如 角量子数0123 轨道符号spdf 轨道数目1357m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P P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 磁量子数 0 1 0 1 2 1 0 1 2 12 s p d电子云的角度分布图 13 4 自旋量子数ms 自旋量子数ms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
5、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 原子核外电子的状态由这四个量子数确定 14 电子分布情况 原则 1 泡利不相容原理 2 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 且自旋方向相同 15 主量子数为n的壳层中最多能容纳的电子数为2n 2 16 主量子数n 能量水平 1s 2s
6、 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 相邻壳层的能量范围有重叠现象 17 2 元素周期表 periodicTableoftheElements 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 FreeState CombinedForm 7个横行 Horizontalrows 周期 period 按原子序数 AtomicNumber 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 族 1
7、个零族 InertGases 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 Valenceelectron 18 19 1 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 铬的价电子层结构是3d54s1 6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 valence 是指一种原子之间化合的能力 这是由电子排列最外层的s态 p态能级中的
8、电子数所决定 20 3 过渡元素 周期表中部的 B 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元素 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 4 电负性 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 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IB与IA元素的活泼性 22 23 二 原子结合键 键 一次键 离子键 共价键 金属键 化学键 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 依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层使原子结合起来 原子或分子本身已
9、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吸引力结合 1 键的种类 根据结合力强弱 24 1 离子键 Ionicbonding 多数盐类 碱类和金属氧化物 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 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 典型代表 特点 MgO Mg2Si CuO 25 2 共价键 covalentbonding 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 饱和性配位数
10、较小 方向性 s电子除外 性质 熔点高 质硬脆 导电能力差 特点 26 3 金属键 Metallicbonding 典型金属原子结构 最外层电子数很少 即价电子valenceelectron 极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子 Freeelectron 形成电子云 electroncloud 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 27 4 范德华力 Vanderwaalsbonding 静电力 electrostatic 诱导力 induction 和色散力 dispersiveforc
11、e 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 如气体的聚合 塑料 石蜡将大分子链结合为固体 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 28 5 氢键 Hydrogenbonding 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 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 在带有 COOH OH NH2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 DNA
12、也起重要的作用 可表示为 X H Y 29 6 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 IVA族元素Si Ge Sn Pb电负性逐渐下降 失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Pb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 Mo 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 CuGe 30 陶瓷化合物中混合键 离子 共价 情况 离子键的比例取决于组成元素的电负性差 XA XB分别
13、为A B的电负性数值 记忆次公式 4 离子 共价混合键 例如 MgO从表2 2中查得XMg 1 31 XO 3 44 代入 2 12 式 求得化合物中离子键比例为68 31 5 异类混合键 一次键 二次键 如 气体分子凝聚体 聚合物 石墨 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 故复合材料的性能丰富又多样 32 2 结合键的本质 原子间距 吸引力
14、排斥力相等时原子之间的距离 固体原子之间总存在两种力 吸引力和排斥力 且与距离关系密切 作用位能与原子之间的距离和作用力有关系 平衡距离下的作用能定义为原子的结合能 即把两个原子完全分开所需要作的功 33 结合键的本质就是原子的结合能相当于把两个原子完全分开所作的功的大小 结合能越大 原子结合愈稳定 结合能大小可以通过测定固体的蒸发热而得到 共价键和离子键的键能最大 金属键次之 物理键的氢键很小 范德华键最小 34 结合能计算公式 z1 z2为原子的电子得失数 e为电荷量 a是离子对间距 n为波恩指数 一般取7 9 35 3 结合键与性能 1 物理性能 熔点 密度 原子量有关 化学键 金属键 离子键 共价键 二次键使分子链堆垛不紧密 导热 导电性 共价化合物 离子化合物 过度金属 二次键结合的材料 原子趋向密堆 原子排列不致密 36 2 力学性能 弹性模量 金刚石弹性模量最大1000GP 陶瓷 金属材料 聚合物 强度 一般说结合键能高的 强度也高 塑性 金属键 良好 离子键 共价键则困难一些 应力 应变曲线上弹性变形段的斜率 拉伸变形时称为杨氏模量
