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1、,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,第一章 材料结构的基本知识,THE ELEMENTARY KNOWLEDGE OF STRUCTURE OF MATERIALS,原子结构 原子结合键 原子排列方式 晶体材料的组织 材料的稳态结构与亚稳态结构,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,概 述,不同的材料具有不同的性能，同一材
2、料经 不同加工工艺后也会有不同的性能，这些都归 结于内部的结构不同。,结构大致可分为四个层次：原子结构、原 子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的 显微组织。,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,第一节 原子结构,THE ATOMIC STRUCTURE,原子的电子排列 元素周期表及性能的周期性变化,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNI
3、VERSITY,一、原子的电子排列,1. 原子的核式结构,原子由原子核及核外电子构成 原子核：体积小，质量大，带正电 电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转， 带负电,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,2. 电子分布,1）四个量子数 主量子数 n ：电子能级的壳层序数 n = 1,2,37 次量子数 l ：确定每一壳层的亚壳层数目 l = 0,1,2,3 磁量子数 m ：确定每一亚壳层中空间取向 不同的轨道数目 m = 0,1,2,3 自旋量子数 ms ：确
4、定每一轨道中能容纳的 电子数目 ms =+1/2, -1/2,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,2）电子填充次序三原则,（1）泡利不相容原理：一个原子中不可能存在 有四个量子数完全相同的两个电子,（2）能量最低原理：电子总是优先占据能量低 的轨道，使系统处于最低的能量状态,（3）洪特规
5、则：电子在能量简并的轨道中，要 分占各轨道，且保持自旋方向相同,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,3）能级的重叠 相邻主壳层的能量范围有重叠,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,例题,写出Na（11）、Ca（20）、Cu（29）、 Cr（24）的电子分布,解：,Na：1s22s22p63s1 Ca：1s22s22p63s
6、23p64s2,Cu：1s22s22p63s23p63d104s1 Cr：1s22s22p63s23p63d54s1,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,3. 原子的活泼程度,主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否 例如， He：1s2 Ne：2s22p6 Rn：6s24f145d106p6,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSI
7、TY,二、元素周期表及性能的周期性变化,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,1.周期对应于电子主壳层,2.同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的 化学性质,3.过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性,4.B族和B族的内壳层填满，A族和A族 内壳层未满，故B族和 B族不如 A族和 A族活泼 例如，Cu：3p63d104s1 K：3p64s1,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE
8、OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,5.电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增 强，同族自上而下逐渐减弱,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,第二节 原子结合键,THE ATOMIC BOND,一次键 二次键 混合键 结合键的本质及原子间距 结合键与性能,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,键的形成
9、在凝聚态下，原子间距离十分接近， 便产生了原子间的作用力，使原子 结合在一起，就形成了键。,一次键 通过电子的转移或共享使原子结合的 结合键。包括离子键、共价键、金属 键，结合力较强。,二次键 通过偶极吸引力使原子结合的结合键。 包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较 弱。,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,一、一次键,1. 离子键, 通过正负离子间相互作用力使原 子结合的结合键。,例如，NaCl、MgO 对于 NaCl: Na: 1s22s22p63s1 Cl
10、: 1s22s22p63s23p5 Na原子失去一个外层电子，变成正离 子，带正电 Cl原子得到一个外层电子，变成负离 子，带负电,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,NaCl结构,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCI
11、ENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,2. 共价键, 通过共用电子对使原子结合的结 合键。例如，金刚石,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,金刚石结构,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,1）具有方向性和结构稳定性，金刚石109.5 2）8-N 定律 一个原子周围的共用电子对的 数目，其中，N
12、为原子的价电 子数,A族，4个共用电子对，空间网络状结构 A族，3个共用电子对，空间层状结构 A族，2个共用电子对，空间链状结构,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,3. 金属键, 通过正离子与自由电子之间相互 吸引力使原子结合的结合键,价电子脱离原子 成为“电子气”，正 离子整齐的排列在“ 电子气”的海洋中,金属具有高的密 度，良好的塑性，导 电，导热，固态溶解,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERI
13、AL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,二、二次键,1. 范德瓦尔斯键,具有稳定电子结构的原子或 分子通过电偶极矩相互吸引 而结合的结合键。如石蜡,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,2. 氢键,含氢的分子具有极性，与另一个具有 较强电负性的原子通过氢离子而结合 的结合键。如冰 X-HY,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZH
14、OU NORMAL UNIVERSITY,三、混合键,1. 一次键混合,大部分材料内部的结合键往往是混合键,1）共价键与金属键混合,再如，过渡金属，有时会出现少量共价键,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,2）金属键与离子键混合 如金属间化合物中,3）共价键与离子键混合 如陶瓷化合物中,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,
15、例题,计算化合物（1）MgO、（2）GaAs中离子键 结合的比例,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所 形成的 AB 化合物中离子键结合的比例越高,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,2. 一次键与二次键混合,例如， 石墨：片层中为共价键，片层间为范德瓦尔斯键 高分子：分子链中为共价
16、键，链链之间为二次键,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,四、结合键的本质及原子间距,1. 结合键的本质,结合键强弱反映原子或分子 间结合时互作用能降低程度,离子键、共价键最强，金属键次之，氢键 再次之，范德瓦尔斯键最弱。,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY,2. 原子间的互作 用力及结合能,贵州师范大学,化学与材料科学学院,SCHOOL OF
