《第二章第1讲材料科学与工程基础顾宜》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章第1讲材料科学与工程基础顾宜（23页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章第二章 物质结构基础物质结构基础（Structure of Matter）What are atomic structures and interatomic bonds ？ What are the equilibrium separation and the bonding energy between atoms What is the difference in structures between crystalline and noncrystalline materials What is solid solution What is the importance of p
2、hase diagrams What is the characteristic of materials surface排列排列 距离距离 作用力作用力 固定体积固定体积 形状形状 气态气态无规律远小无无（gasstate） 液态液态 局部有序较近中等有无（liquidstate） 固态固态结晶有规律小强有有(solidstate)非晶局部有序小强有有2-1-1 物质的形态物质的形态 （ States of Matter ） 三种主要状态： 2-1 物质的形态及材料结构物质的形态及材料结构（StatesofMatterandStructureofMaterials）材料结构：是影响材料性能的
3、基本因素，随化学组成及外界条件改变。宏观组织结构： 10-4 m 肉眼可见 Macroscopic图显微组织结构： 10-4 10-8 m 显微镜观察 Microscopic图原子或分子排列结构：10-10m Organization of atoms ormolecules原子中的电子结构：10-13mSubatomicstructure 2-1-2 材料结构的涵义材料结构的涵义 （Meaning of Material Structure） 下一页浇铸宏观组织结构返回显微组织晶界返回2-2 2-2 原子结构原子结构 （Atomic Structure） What are atomic st
4、ructures and models, quantum numbers, electron configurations in atoms?Chapter21.原子核原子核由质子+中子组成质子质子数（Z）=原子序数=电子数正电荷中子中子数（N）中子质量=质子质量无电荷原子质量（A）质子质量+中子质量同位素：Z相同，N不同的原子原子量：元素（原子序数相同）中各同位素的原子质量平均值2-2 原子结构原子结构 （Atomic Structure） 2-2-1 原子原子 （Atom） 原子核+核外电子 电中性 2.电子电子 质量约1/184质子或中子负电荷绕核运动；速度1/101/100光速；波-粒
5、轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层Electrons in atoms Bohr model Wave-mechanical model both wavelike and particle-like characteristics.probability distributionor electron cloud.Figure2.1Figure2.31.电子的统计性形态法描述电子的统计性形态法描述四个量子数四个量子数（QuantumNumbers）： 2-2-2 原子中电子的空间位置和能量原子中电子的空间位置和能量 （Electrons in Atoms） n , 第一量子数：决定体系的
6、能量 n =1，2，3.（整数），n =1时为最低能级K，L，M . l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性l =0，1，2，3，4（n -1）n =1，l =0 s p d f g 状态n =2，l =0，1（s, p） m l , 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量m l =0，1，2，3有（2l+1）个 m s ，第四量子数：决定电子自旋的方向+1/2，-1/2 3. 泡利不相容原理泡利不相容原理： 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数， 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；4.能量最低原则能量最低原则：电子总是按能量最低的状态分布。5.洪特规则
7、洪特规则：简并轨道，分占轨道最多，自旋方向相同。1.电子壳层数目电子壳层数目 n = 1，2，3，4，5 K L M N O 主壳层（shells）l =0，1，2，3，4由内向外 s p d f g 支壳层（subshells）2.最多电子数目最多电子数目 K2，L8，M18s2，p6，d103.最外层最外层s12，p16，d1102-2-3 原子中电子壳层数目及填充方式（排布）原子中电子壳层数目及填充方式（排布） （Electron Shells and Configurations in Atoms）表返回Table 2.14.排列次序排列次序1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4
8、p-5s举例H:（1）1s1Na:（11）1s22s22p63s12-2-4 电子壳层的能级电子壳层的能级 （Energy Levels of Electron Shells）愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定；愈远离原子核，电子能级愈高，电子愈不稳定。电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道高能级轨道（吸收能量）电离能电离能：从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需的能量。电子亲合能电子亲合能：原子接受一个额外的电子通常要释放能量，所放能量即电子亲合能。 2-2-5 电离能和亲合能电离能和亲合能 （Ionization Energy and Electron Affinity）电离电势表电离电势表下
9、一页元素的第一电离电势（元素的第一电离电势（evev/ /原子）原子）H13.60HE24.4Li5.39BE9.32B8.30C11.2N14.5O13.61F17.4NE21.56NA5.14MG7.64AL5.98SI8.15P10.3S10.01CL13.0AR15.76K4.34BR11.8KR14.00Rb4.18I10.4XE12.13CS389返回2-3 原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合 （Atomic Interaction and Bonding） What are the interatomic bonds ? What are the equilibri
10、um separation , distance and the bonding energy between atoms ?What is the Coordination Number of atom?Chapter2自然界一般由原子或分子组成物质或材料结合方式：基本结合：离子键、金属键、共价键派生结合：分子间作用力、氢键 2-3-1 基本键基本键合（Primary Interatomic Bonds） 1.离子键离子键合（Ionic Bonding）：离子键正离子负离子库仑引力特点：特点：电子束缚在离子中；正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性;构成三维整体晶体结构；在溶液中离解成离
11、子。 2-3 原子之间的相互作用和结合原子之间的相互作用和结合 （Atomic Interaction and Bonding）Figure2.9特点特点：由正离子排列成有序晶格；各原子最（及次）外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。 2 . 金属键合金属键合 （Metallic Bonding）：Figure2.11两个原子共享最外壳电子的键合。特点：特点：两原子共享最外壳层电子对；两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；有饱和性和方向性。电子云最
12、大重叠，一共价键仅两个电子。 3. 共价键合共价键合 （Covalent Bonding）:4、混和键混和键合 （Mixed Bonding） 1） 电负性电负性 （electronegativity）: 表示吸引电子的能力 同一周期 左 右 电负性增高 同一族 上 下 电负性降低 2）电负性对化学键的影响电负性对化学键的影响: 同种原子间无影响 异种原子相互作用时: 两元素电负性相差较大: 非金属非金属 成极性共价键 电负性相差很大: 金属 非金属 成离子键 电负性差值0.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.42.62.83.03.2离子性结合（%）149152
13、23039475563707682868992电负性差值：可判断无机非金属材料离子性结合键的比例 % ionic character = 1-exp-（0.25）（）（XA - XB）2100（2.10）whereXAandXBaretheelectronegativitiesfortherespectiveelements.作用力也是库仑引力（与离子键相同但弱得多,不存在电子交换）1.分子间引力（分子间引力（Intermolecular Attraction）：分子（或电中性原子）间的结合力又称范氏（vanderWaals）力。特点特点：无方向性和饱和性键能最小 2-3-2 派生键合派生键合
14、（Secondary Bonding）:SchematicillustrationofvanderWaalsbondingbetweentwodipoles.A.取向力:分子永久偶极间相互作用（Permanentdipolebonds）B.诱导力:被诱导的偶极与永久偶极间作用（Polarmolecule-induceddipolebonds）C.色散力:非极性分子间瞬时偶极间的作用（Fluctuatinginduceddipolebonds）Figure2.13质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合，再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。 特点特点：有方向性，饱和性；分子内氢键；分子间氢键；键能:一般为几十几kcal/mol 2. 氢键氢键 （Hydrogen bond）:Figure2.15
