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1、重要术语和概念第一章 绪论化学元素（elements）化学元素，简称元素，是化学元素周期表中的基本组成，现有113种元素，其中原子序数从93到113号的元素是人造元素。物质(matter)物质是客观实在，且能被人们通过某种方式感知和了解的东西,是元素的载体。材料(materials)材料是能为人类经济地、用于制造有用物品的物质。化学纤维 (man-made fiber, chemical fiber)化学纤维是用天然的或合成的高聚物为原料，主要经过化学方法加工制成的纤维。可分为再生纤维、合成纤维、醋酯纤维、无机纤维等。芯片芯片是含有一系列电子元件及其连线的小块硅片，主要用于计算机和其他电子设备
2、。光导纤维 （optical waveguide fibre）光以波导方式在其中传输的光学介质材料，简称光纤。 激光（light amplification by stimulated emission of radiation简写为： laser）激光是利用辐射计发光放大原理而产生的一种单色（单频率）、定向性好、干涉性强、能量密度高的光束。超导物质在某个温度下电阻为零的现象为超导，我们称具有超导性质的材料为超导体。*仿生材料仿生材料是模仿生物结构或功能，人为设计和制造的一类材料。材料科学(materials science)材料科学是一门科学，它从事于材料本质的发现、分析方面的研究，它的目的
3、在于提供材料结构的统一描绘，或给出模型，并解释这种结构与材料的性能之间的关系。材料工程(materials engineering)材料工程属技术的范畴，目的在于采用经济的、而又能为社会所接受的生产工艺、加工工艺控制材料的结构、性能和形状以达到使用要求。材料科学与工程(materials science and engineering)材料科学与工程是研究有关材料的成份、结构和制造工艺与其性能和使用性能间相互关系的知识及这些知识的应用，是一门应用基础科学。材料的成份、结构，制造工艺，性能及使用性能被认为是材料科学与工程的四个基本要素。*成份(composition)成分是指材料的化学组成及其所
4、占比例。*组织结构组织结构是表示材料微观特征的。组织是相的形态、分布的图象，其中用肉眼和放大镜观察到的为宏观组织，用显微镜观察到的为显微组织，用电子显微镜观察到的为电子显微组织。结构是指材料中原子或分子的排列方式。性能（property）性能是指材料所具有的性质与效用。工艺 (process)工艺是将原材料或半成品加工成产品的方法、技术等使用性能材料在具体的使用条件和环境下所表现出来的行为。第二章电负性 ( electro negativity ) 周期表中各元素的原子吸引电子能力的一种相对标度为电负性，又称负电性。元素的电负性愈大,吸引电子的倾向愈大,非金属性也愈强。电负性的定义和计算方法有
5、多种,每一种方法的电负性数值都不同,比较有代表性的有3种:LC鲍林提出的标度。根据热化学数据和分子的键能,指定氟的电负性为3.98,计算其他元素的相对电负性。RS密立根从电离势和电子亲合能计算的绝对电负性。AL阿莱提出的建立在核和成键原子的电子静电作用基础上的电负性。利用电负性值时,必须是同一套数值进行比较。 元素的电负性值(鲍林标度) 元素电负性 氢2.20 钪1.36 锂0.98 钛1.54 钠0.93 钒1.63 钾0.82 铬1.66 铷0.82 锰1.55 铯0.79 铁1.83 铍1.57 钴1.88 镁1.31 镍1.91 钙1.00 铜1.90 锶0.95 锌1.65 钡0.8
6、9 硼2.04 铝1.61 砷2.18 镓1.81 锑2.05 铟1.78 铋2.02 铊2.04 氧3.44 碳2.55 硫2.58 硅1.90 硒2.55 锗2.01 氟3.98 锡1.96 氯3.16 铅2.33 溴2.96 氮3.04 碘2.66 磷2.19 离子键(ionic bond )离子键是通过异性电荷之间的吸引产生的化学结合作用，又称电价键。电离能小的金属原子(如 碱金属 )和电子亲合能大的非金属原子(如卤素)接近时,前者将失去电子形成正离子,后者将获得电子形成负离子,正负离子通过库仑作用相互吸引。当这种吸引力与离子的电子云之间的排斥力达到平衡时,形成稳定的以离子键结合的体系
7、。 离子键的特征是作用力强,而且随距离的增大减弱较慢;作用不受方向性和饱和性的限制,一个离子周围能容纳多少个异性离子及其配置方式,由各离子间的库仑作用决定。以离子键结合的体系倾向于形成晶体,以便在一个离子周围形成尽可能多的离子键,例如NaCl分子倾向于聚集为NaCl晶体,使每个钠(或氯)离子周围的离子键从1个变为6个。 共价键(covalent bond) 共价键是原子之间通过共享电子而产生的化学结合作用。典型的共价键存在于同核双原子分子中,由每个原子提供一个电子构成成键电子对。这对电子的自旋方向相反,集中在中间区域,并吸引带正电的两个原子的核心部分而把它们结合起来。在异核双原子分子中,2个原
8、子的核心部分对成键电子的吸引力不同,成键电子偏向一方,例如在氟化氢分子中电子偏向氟,这种化学键称为极性键。共价键的特征是有饱和性、方向性和作用的短程性。一个原子能形成的典型共价键的数目等于该原子的价电子数,称为它的原子价。共价键之间有特定的相对取向,例如水分子呈弯曲形，而二氧化碳分子是直线形的。共价键的方向性使分子具有特定的几何形状。 金属键 (metallic bond ) 使金属原子结合成金属的相互作用。金属原子的电离能低,容易失去电子而形成正离子和自由电子,正离子整体共同吸引自由电子而结合在一起。金属键可看作高度离域的 共价键 ,但没有饱和性和方向性。金属键的显著特征是成键电子可在整个聚
9、集体中流动,这使金属呈现出特有的属性:良好的导热性和导电性、高的热容和熵值、延展性和金属光泽等。 *分子键惰性气体分子间是靠分子键结合的，其实质是分子偶极矩间的库仑相互作用，这种结合键较弱。其分子间相互作用力为范德华力。氢键(hydrogen bond) 一个与电负性高的原子X共价结合的氢原子(XH)带有部分正电荷,能再与另一个电负性高的原子(如Y)结合,形成一个聚集体XHY的化学结合作用。X、Y原子的电负性越大、半径越小, 则形成的氢键越强。例如,FHF是最强的氢键。氢键表面上有饱和性和方向性:一个H原子只能与两个其他原子结合,XHY要尽可能成直线。但氢键HY之间的作用主要是离子性的,呈现的
10、方向性和饱和性主要是由X和Y之间的库仑斥力决定的。氢键可以在分子内形成,称为内氢键;也可以在两个分子之间形成。分子间的氢键可使很多分子结合起来,形成链状、环状、层状或立体的网络结构。 氢键的键能比较小,通常只有1725千焦/摩尔。但氢键的形成对物质的性质有显著影响,例如使熔点和沸点升高;溶质与溶剂之间形成氢键,使溶解度增大;在核磁共振谱中氢键使有关质子的化学位移移向低场;在红外光谱中氢键XHY的形成使XH的特征振动频率变小并伴有带的加宽和强度的增加;氢键的形成决定蛋白质分子的构象,在生物体中起重要的作用。 晶体 (crystal) 微粒(原子、分子或离子) 在空间呈三维周期性规则排列的固体。自
11、然界的物质有3种存在形态,即气体、液体和固体, 固体物质又有晶体和非晶态之分,例如玻璃是非晶态物质。固体物质中绝大多数都是晶体,如金属、合金、硅酸盐,大多数无机化合物和有机化合物,甚至植物纤维都是晶体。有些晶体具有规则的多面体外形,如水晶,称为单晶体;有些则没有规则整齐的外形,如金属,整个固体是由许多取向随机的微小单晶颗粒组合而成,这样的固体称为多晶体。 晶体的一切性质无不与其内部结构有三维周期性这个特征密切相关,如晶体具有固定的熔点、各向异性、对称性、能使X射线发生衍射。固体物质是否为晶体,一般用X射线衍射法予以鉴定。另外，晶体还具有对称性。 准晶 （Quasicrystal） 准晶是同时具
12、有长程准周期平移性和非晶体学旋转对称性的固态有序相。准周期性和非晶体学对称性构成了准晶结构的核心特征。非晶（noncrystal）与晶体不同，非晶体原子排列是短程有序、长程无序，固体的性能是各向同性的。液晶（liquid crystal）液晶态是介于三维有序晶态与无序晶态之间的一种中间态。在热力学上是稳定的，它既具有液体的易流动性，又具有晶体的双折射等各向异性的特征。处于液晶态的物质，其分子排列存在位置上的无序性，但在取向上仍有一维或二维的长程有序性，因此液晶又可称为“位置无序晶体”或“取向有序液体”。液晶材料都是有机化合物，有小分子也有高分子，其数量已近万种，通常将其分为二大类，热致液晶和溶
13、致液晶。热致液晶只在一定温度范围内呈现液晶态，即这种物质的晶体在加热熔化形成各向同性的液体之前形成液晶相。热致液晶又有许多类型，主要有向列型、近晶型和胆甾型。基元组成晶体的原子、离子、分子或原子团统称称为晶体的基本结构单元，简称基元。点阵晶体基元周期性排列的点的集合就称为“晶格”（或点阵），这些点被称为格点。因此，可以说晶体的结构是由组成晶体的基元加上空间点阵来决定的。晶胞(unit cell) 晶胞是晶体的基本结构单位。反映晶体结构三维周期性的晶格将晶体划分为一个个彼此互相并置而等同的平行六面体,即为晶胞。晶胞包括两个要素:一是晶胞的大小、型式;另一是晶胞的内容,前者主要指晶胞参数的大小,即
14、平行六面体的边长a 、b、c和夹角、的大小, 以及与晶胞对应的空间点阵型式,即属于简单格子P还是带心格子I、F或C等;后者主要指晶胞中有哪些原子、离子以及它们在晶胞中的分布位置等。面心立方结构（fcc），体心立方结构（bcc）和密排六方结构（hcp）金属所具有的典型晶体结构为面心立方结构（fcc）（图2-27），体心立方结构（bcc）（图2-28）和密排六方结构（hcp）（图2-29），皆属于立方结构晶系。 具有面心立方结构的常见金属有:-Fe 、Al、b-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt，等具有体心立方结构的常见金属有：b-Ti、V、Cr、a-Fe、b-Zr、Nb、Mo、Ta、W等具有密排
15、六方结构的常见金属有：a-Ti、a-Zr、Co、Mg、Zn等硅酸盐结构 硅酸盐结构是一种共价晶体的结构，硅酸盐的基本结构单元就是四面体(图2-33)，硅原子位于氧原子四面体间隙中，每个氧原子外层只有7个电子，为-1价，还能和其他金属离子键合，其中Si的配位数是4，氧的配位数是2，Si-O-Si的结合键间键角接近145。这种硅氧四面体可以孤立地在结构中存在，如镁橄榄石Mg2SiO4 ，锆英石ZrSiO4等；也可以通过其顶点互相连接；除可以连成骨架状外，还可以连成链状和层状（图2-34）。莫莱石就是链状硅酸盐，高岭土和滑石则是层状硅酸盐。离子晶体结构离子晶体是由正负离子通过离子键，按一定方式堆积起来而形成的，也就是说，离子晶体的基元是离子而不是原子了，这些离子化合物的晶体结构必须确保电中性，而又能使不同尺寸的离子有效地堆积在一起。多数盐类，碱类（金属氢氧化物）及金属氧化物都形成离子晶体。周期性对空间点阵，可以看成是由几何点沿空间三个不共面的方向各按一定距离无限重复地平移构成（图2-20），每个方向的一定平移距离称为该点阵在该方向的周
