上海交通大学 材料科学基础 ch1

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1、第 1 章 原子结构和键合,本章主要内容,1.1原子结构 1.2原子间的键合 1.3高分子链,重点与难点,（1）描述原子中电子的空间位置和能量的4个量子数。 （2）核外电子排布遵循的规则。 （3）元素性质、原子结构和该元素在元素周期表中的位置三者之间的关系。,1.1 原子结构,1.1.1 物质的组成 物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体； 分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒； 分子又由一些更小的微粒即原子组成，原子是化学变化中最小的微粒；,1.1.2 原子结构(atomic structure) 近代科学实验表明：原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性

2、的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成 原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于原子核内。,1.1.3 原子的电子结构 电子云(election atmosphere)的形成： 电子具有波粒二象性，描述原子中一个电子的位置和能量用四个量子数(quantum number)： 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）,主量子数n 决定原子中电子能级，以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层； 轨道角动量量子数li 给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关； 磁量子数mi 给出每个轨道角动量量子数数的能级数或轨道

3、数，决定电子云的空间取向； 自旋角动量量子数si 反映电子不同的自旋方向。,核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauli principle)、Hund规则(Hund s rule)。 能量最低原理电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由内向外进入能量较高的壳层，尽可能使体系的能量最低。 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的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳电子2n2。 Hund规则在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。 当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定的，并且整个原子的能

4、量最低。,1.1.4 元素周期表 元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。 元素周期表是元素周期规律的具体表现形式,它反映了元素之间的相互联系规律,元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质.,1.2 原子间的键合,结合键(binding bond) ： 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(metallic bond) 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。 可以解释金属的一些特征，如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数 。,金属键,特点：

5、 电子共有化,没有方向性。 特性： 良好的导电、导热性； (2) 不透明，具有金属光泽； (3) 具有较高的强度和良好的塑性； (4) 正的电阻温度系数。,2. 离子键(ionic bond) 金属正离子非金属负离子之间 特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。 可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。,3. 共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对 特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性(只和一个电子配对）和方向性（使得电子云达到最大限度重叠），

6、配位数较小、各键间都有确定方位。 可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。,图1.4-5 由共价键方向性特点 决定了的SiO2四面体晶体结构,图1.4-4 形成共价键的SiO2, 蓝色圆圈代表Si的价电子， 红色圆圈代表O的价电子,1.2.2 物理键（次价键、二次键） 1. 范德华力(Van Der Waals force) 电偶极矩的感应作用 特点：除高分子外，键的结合不如化学键牢固，无饱和性，无方向性。 2. 氢键(hydrogen bond) 分子间特殊作用力 表达为：XHY 特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。氢键主要存在于高分子

7、材料内。,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，还有其他键如：共价键、离子键 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力 聚合物的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,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) 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

8、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,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，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具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，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解,二、高分子链结构单元的键合方式（bonding tape）,1.均聚物结构单元键接顺序 单烯

9、类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式（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同,2.共聚物的序列结构（Copolymers） 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为,三、高分子链的结构（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）,四、高分子链的构型（Molecular configurations）,链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行

10、,旋光异构体（stereoisomerism） 由烯烴单体合成的高聚物 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,几何异构（Geometrical isomerism） 双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，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,远程结构（Long-range Structure),一、高分子的大小（Molecular Size） 高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性 平均相对分子质量,高分子链中重复单元数目称为聚合度,不

11、仅影响高分子溶液和熔体的流变性质，,对加工和使用也有很大影响 。,数均相对分子量,每链节的质量,对力学性能,起决定作用，,二、高分子的内旋转构象 主链以共价键联结，有一定键长 d和键角，每个单键都能内旋转（Chain twisting）故高分子在空间形态有mn-1( m为每个单键内旋转可取的位置数，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 高分子链的总链长 均方根,三、影响高分子链柔性的主要因素 （the main influencing factors on the molecular flexibility） 高分子链能

12、改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）,四、高分子链的构象统计 高分子链能改变其构象的性质称为柔性，因此高分子柔顺性是以其所能采取的构象数目来衡量的，然而高分子链具有成千上万个构象，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，因此一般采用其两端间的直线距离也即末端距h来衡量其柔顺性即构象数目。,本章内容提要,物质是由原子构成的，而原子是由位于原子中心带正电的的原子核和和外高速运转带负电的电子所构成的。在材料学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。电子在核外空间作高速运转时，就好像带电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。电子既有粒子性又有波动性，

13、即具有二象性。电子运动没有固定的轨道，但可根据电子能量的高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。,根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中一个电子的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，以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层； 轨道角动量量子数给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）； 磁量子数给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数； 自旋角动量量子数反映电子不同的自旋方向。,在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下3个规则： 能量最低原理电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由内向外进入能量较高的壳层，尽可能使体系的能

14、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的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳电子。 Hund规则在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定的，并且整个原子的能量最低。,元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电的质子数）的递增，呈现周期性变化的规律。可根据元素在周期表中的位置，推断他的原子结构和特定的性质。 原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。由于原子结合键的不同，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。原子的电子结构决定了原子键合的本身，原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。,