无机材料化学要点

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1、价键理论 valence-bond theory，一种获得分子薛定谔方程近似解的处理方法。又称电子配对法。历史上最早发展起来的化学键理论。主要描述分子中的共价键和共价结合，其核心思想是电子配对形成定域化学键。共 价 键 的 形 成A, B 两 原 子 各 有 一 个 成 单 电 子 ， 当 A, B 相 互 接 近 时 , 两 电 子 以 自 旋 相 反 的 方式 结 成 电 子 对 , 即 两 个 电 子 所 在 的 原 子 轨 道 能 相 互 重 叠 , 则 体 系 能 量 降 低 , 形 成 化学 键 , 亦 即 一 对 电 子 则 形 成 一 个 共 价 键 。 形 成 的 共 价 键

2、 越 多 , 则 体 系 能 量 越 低 , 形 成 的 分 子 越 稳 定 . 因 此 , 各 原 子 中 的未 成 对 电 子 尽 可 能 多 地 形 成 共 价 键 . 配 位 键 形 成 条 件 :一 种 原 子 中 有 对 电 子 , 而 另 一原 子 中 有 可 与 对 电 子 所 在 轨 道 相 互 重 叠 的 空 轨 道 . 在 配 位 化 合 物 中 , 经 常 见 到 配 位键 . 在 形 成 共 价 键 时 , 单 电 子 也 可 以 由 对 电 子 分 开 而 得 到 。 共 价 键 的 方 向 性 和 饱 和 性共 价 键 的 数 目 由 原 子 中 单 电 子 数

3、决 定 (包 括 原 有 的 和 激 发 而 生 成 的 . 例 如 : O 有两 个 单 电 子 , H 有 一 个 单 电 子 , 所 以 结 合 成 水 分 子 , 只 能 形 成 2 个 共 价 键 ; C 最 多能 与 H 形 成 4 个 共 价 键 .原 子 中 单 电 子 数 决 定 了 共 价 键 的 数 目 . 即 为 共 价 键 的 饱 和性 。 各 原 子 轨 道 在 空 间 分 布 是 固 定 的 , 为 了 满 足 轨 道 的 最 大 重 叠 , 原 子 间 成 共 价 键 时 , 当 然 要 具 有 方 向 性 。 共 价 键 的 键 型 共 价 键 的 键 型 分

4、 类成 键 的 两 个 原 子 间 的 连 线 称 为 键 轴 . 按 成 键 与 键 轴 之 间 的 关 系 , 共 价 键 的 键 型主 要 为 两 种 : a) 键 键 特 点 : 将 成 键 轨 道 , 沿 着 键 轴 旋 转 任 意 角 度 , 图 形 及 符 号 均 保 持 不 变 . 即 键轨 道 对 键 轴 呈 圆 柱 型 对 称 , 或 键 轴 是 n 重 轴 。 b) 键 键 特 点 : 成 键 轨 道 围 绕 键 轴 旋 转 180时 , 图 形 重 合 , 但 符 号 相 反 . 键 参 数 :化 学 键 的 形 成 情 况 , 完 全 可 由 量 子 力 学 的 计

5、算 得 出 , 进 行 定 量 描 述 . 但通 常 用 几 个 物 理 量 加 以 描 述 , 这 些 物 理 量 称 为 键 参 数 。 a) 键 能 AB(g) A(g) + B(g) H = EAB = DAB 对 于 双 原 子 分 子 ， 解 离 能 DAB 等 于 键 能 EAB， 但 对 于 多 原 子 分 子 ， 则 要 注 意 解离 能 与 键 能 的 区 别 与 联 系 。 另 外 , 相 同 的 键 , 在 不 同 化 合 物 中 , 键 长 和 键 能 不 相 等 . 例 如 , CH3OH 中 和 C2H6 中 均 有 C-H 键 , 而 它 们 的 键 长 和 键

6、 能 不 同 。 c) 键 角 是 分 子 中 键 与 键 之 间 的 夹 角 (在 多 原 子 分 子 中 才 涉 及 键 角 )。 第三章 晶体结构教学重点：晶体点阵，晶体结构的对称性 教学难点：晶体结构的对称性，晶体的缺陷 教学内容：3-1 晶体的点阵理论晶体：内部结构有规则排列的固体。晶体是由原子或分子在空间按一定规律、周期重复地排列所构成的固体物质。晶体内部原子或分子按周期性规律排列的结构，是晶体结构最基本的特征，使晶体具有下列共同特性：均匀性；各向异性；自发地形成多面体外形；有明显确定的熔点；有特定的对称性；使 X 射线产生衍射。分类：金属晶体、离子晶体、分子晶体、共价晶体。一、晶

7、体的点阵理论1.点阵： 由无数个几何点在空间有规律的排列构成的图形称为点阵（此定义不太严格，点阵严格的定义在下面给出） 。在晶体内部原子或分子周期性地排列的每个重复单位的相同位置上定一个点，这些点按一定周期性规律排列在空间，这些点构成一个点阵。点阵是一组无限的点，连结其中任意两点可得一矢量，将各个点阵按此矢量平移能使它复原。点阵中每个点都具有完全相同的周围环境。用点阵的性质来研究晶体的几何结构的理论称为点阵理论.平移：所有点阵点在同一方向移动同一距离且使图形复原的操作。点阵的严格定义:按连接任意两点的向量进行平移后能复原的一组点叫点阵。构成点阵的条件：点阵点数无穷大；每个点阵点周围具有相同的环

8、境；平移后能复原。四、晶体缺陷实际的晶体都是近似的空间点阵式的结构。实际晶体有一定的尺寸，晶体中多少都存在一定的缺陷。晶体的缺陷按几何形式划分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等。点缺陷：包括空位、杂质原子、间隙原子、错位原子和变价原子等。原子在晶体内移动造成的正离子空位和间隙原子称为 Frenkel 缺陷；正负离子空位并存的缺陷称为Schottky 缺陷。线缺陷：最重要的是位错，位错是使晶体出现镶嵌结构的根源。面缺陷：反映在晶面、堆积层错、晶粒和双晶的界面、晶畴的界面等。体缺陷：反映在晶体中出现空洞、气泡、包裹物、沉积物等。晶体的缺陷影响晶体的性质，可使晶体的某些优良性能降低，但是从缺陷可以改

9、变晶体的性质角度看，在晶体中造成种种缺陷，就可以使晶体的性质有着各种各样的变化，晶体的许多重要性能由缺陷产生。改变晶体缺陷的形式和数量，就可制得所需性能的晶体。第四章 结构化学在现代化学中的应用结 构 化 学 首 先 是 一 门 直 接 应 用 多 种 近 代 实 验 手 段 测 定 分 子 静 态 、 动 态 结 构 和 静 态 、 动态 性 能 的 实 验 科 学 。3.1 结构化学 结构化学渊源于现代立体化学，它研究原子在空间互相结合成为分子或化学实体的方式（结构）、依据（化学键本质）和规律以及结构与性能间的联系。结构化学、量子化学与化学热力学、化学动力学并列构成物理化学的基础理论体系，

10、并与物理化学诸分门学科有广泛的交叉。 3.2 量子化学量子化学是用量子力学的原理和方法，以原子核和电子运动为出发点，在分子层次上讨论物质结构、性质及其关系的物理化学分支学科。它既有量子力学提供的理论基础和方法，又有结构化学和合成化学提供的实验基础。原则上，体系的物理量实验观测值可以直接与量子化学的计算结果相比较而检验。实际上，还要利用作为联系微观量与宏观量的桥梁-统计力学，才能将量子化学计算出的单个分子体系的结果，与宏观大量分子集合体系的实验结果相比较。第五章 金属材料和半导体材料金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金

11、属材料等。 （注：金属氧化物（如氧化铝）不属于金属材料）金属材料特质疲劳许多机械零件 和 工 程 构 件 ， 是 承 受 交 变 载 荷 工 作 的 。 在 交 变 载 荷 的 作 用 下 ， 虽然 应 力 水 平 低 于 材 料 的 屈 服 极 限 ， 但 经 过 长 时 间 的 应 力 反 复 循 环 作 用 以 后 ， 也 会 发 生突 然 脆 性 断 裂 ， 这 种 现 象 叫 做 金 属 材 料 的 疲 劳 。 金 属 材 料 疲 劳 断 裂 的 特 点 是 ： （ 1） 载 荷 应 力 是 交 变 的 ； （ 2） 载 荷 的 作 用 时 间 较 长 ； （ 3） 断 裂 是 瞬

12、时 发 生 的 ； （ 4） 无 论 是 塑 性 材 料 还 是 脆 性 材 料 ， 在 疲 劳 断 裂 区都 是 脆 性 的 。 金 属 材 料 的 疲 劳 现 象 ， 按 条 件 不 同 可 分 为 下 列 几 种 ： （ 1） 高 周 疲 劳 ： （ 2） 低 周 疲 劳 ： （ 3） 热 疲 劳 ： （ 4） 腐 蚀 疲 劳 ：指 （ 5） 接 触 疲 劳 ： 塑 性 塑性是指金属材料在载荷外力的作用下，产生永久变形（塑 性 变 形 ）而不被破 坏 的 能 力 。 金 属 材 料 在 受 到 拉 伸 时 ， 长 度 和 横 截 面 积 都 要 发 生 变 化 ， 因 此 ， 金 属 的

13、 塑性 可 以 用 长 度 的 伸 长 （ 延 伸 率 ） 和 断 面 的 收 缩 （ 断 面 收 缩 率 ） 两 个 指 标 来 衡 量 。 耐久性建 筑 金属腐蚀的 主 要 形 态 均 匀 腐 蚀 。 金 属 表 面 的 腐 蚀 使 断 面 均 匀 变 薄 。 孔蚀 。 金 属 腐 蚀 呈 点 状 并 形 成 深 坑 。 孔 蚀 的 产 生 与 金 属 的 本 性 及 其 所 处 介 质 有 关 。 电 偶 腐 蚀 。 不 同 金 属 的 接 触 处 ， 因 所 具 不 同 电 位 而 产 生 的 腐 蚀 。 缝 隙 腐 蚀 。 金 属表 面 在 缝 隙 或 其 他 隐 蔽 区 域 部 常

14、 发 生 由 于 不 同 部 位 间 介 质 的 组 分 和 浓 度 的 差 异 所 引 起 的局 部 腐 蚀 。 应 力 腐 蚀 。 在 腐 蚀 介 质 和 较 高 拉 应 力 共 同 作 用 下 ， 金 属 表 面 产 生 腐 蚀 并向 内 扩 展 成 微 裂 纹 ， 常 导 致 突 然 破 断 。 硬 度硬 度 表 示 材 料 抵 抗 硬 物 体 压 入 其 表 面 的 能 力 。 它 是 金 属 材 料 的 重 要 性 能 指 标 之 一 。一 般 硬 度 越 高 ， 耐 磨 性 越 好 。 常 用 的 硬 度 指 标 有 布 氏 硬 度 、 洛 氏 硬 度 和 维 氏 硬 度 。 1

15、.布 氏 硬 度 （ HB） 以 一 定 的 载 荷 (一 般 3000kg)把 一 定 大 小 （ 直 径 一 般 为 10mm） 的 淬 硬 钢 球 压 入 材料 表 面 ， 保 持 一 段 时 间 ， 去 载 后 ， 负 荷 与 其 压 痕 面 积 之 比 值 ， 即 为 布 氏 硬 度 值 (HB)，单 位 为 公 斤 力 /mm2 (N/mm2)。 2.洛 氏 硬 度 （ HR） 当 HB450 或 者 试 样 过 小 时 ， 不 能 采 用 布 氏 硬 度 试 验 而 改 用 洛 氏 硬 度 计 量 。 它 是用 一 个 顶 角 120的 金 刚 石 圆 锥 体 或 直 径 为 1

16、.59、 3.18mm 的 钢 球 ， 在 一 定 载 荷 下 压 入被 测 材 料 表 面 ， 由 压 痕 的 深 度 求 出 材 料 的 硬 度 。 根 据 试 验 材 料 硬 度 的 不 同 ， 可 采 用 不 同的 压 头 和 总 试 验 压 力 组 成 几 种 不 同 的 洛 氏 硬 度 标 尺 ， 每 一 种 标 尺 用 一 个 字 母 在 洛 氏 硬 度符 号 HR 后 面 加 以 注 明 。 常 用 的 洛 氏 硬 度 标 尺 是 A,B,C 三 种 （ HRA,HRB,HRC） 。 其中 C 标 尺 应 用 最 为 广 泛 。 3 维 氏 硬 度 （ HV） 以 120kg 以 内 的 载 荷 和 顶 角 为 136的 金 刚 石 方 形 锥 压 入 器 压 入 材 料 表 面 ， 用 材 料压 痕 凹 坑 的 表 面 积 除 以 载 荷 值 ， 即