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1、第一章第一章 原子结构原子结构物质结构物质结构1. 任何物质由任何物质由原子原子组成组成结合方式结合方式排列方式排列方式物质的性能物质的性能3. 工程材料通常是固态物质，是由各种元素通过工程材料通常是固态物质，是由各种元素通过原子、离子或分子原子、离子或分子结合而成结合而成 原子、离子、分子之间的结合力称为原子、离子、分子之间的结合力称为结合键结合键bond。 它们的具体组合状态称为它们的具体组合状态称为结构结构structure。2. 物质的聚集状态：物质的聚集状态： 气态气态gas、液态、液态liquid和固态和固态solid物质结构物质结构Structures of materials从
2、尺度角度依次为：从尺度角度依次为：A：宏观结构（：宏观结构（macrostructure）：）： = mmB：细观结构：细观结构(mesoscopic structure)： m mm-mmC：微观结构（：微观结构（microstructure）：）： nm-m mmD：纳米结构（：纳米结构（nanostructure）：）：nmE：原子的近程排列（：原子的近程排列（short-range order）：）： F：原子结构（：原子结构（atomic structure） ： C601.1 原子结构原子结构原子核原子核轨道电子轨道电子原子内部结构原子内部结构 inner structure of
3、 an atom电子的排列电子的排列和运动方式和运动方式单个原子的行为单个原子的行为结合方式结合方式材料种类材料种类材料性能材料性能1869年，门捷列夫（D.I.Mendeleev, 1934-1907）提出如果将元素按原子量原子量排列，元素的化学性质和物理性质呈现出周期性变化，提出了元素周期表。元素周期表元素周期表MetalNonmetalTransition metalAtomic numberSymbolAtomic weightThe periodic table of elements元素周期表的规律性是元素周期表的规律性是原子内部结构规律性原子内部结构规律性的实质反映，体现了元素的
4、实质反映，体现了元素的性质、电离能、亲和能及电负性的差异及其规律性。的性质、电离能、亲和能及电负性的差异及其规律性。 影响原子之间结合的物理量？影响原子之间结合的物理量？A. 原子的电离能原子的电离能 Ionization energy基态原子失去最外层的一个电子（价电子）所需的能基态原子失去最外层的一个电子（价电子）所需的能量称为原子的电离能量称为原子的电离能I+，是用来，是用来表征原子对价电子束表征原子对价电子束缚的强弱程度缚的强弱程度。 1.同一周期，自左同一周期，自左右，原子电离能增加，惰性气体最稳右，原子电离能增加，惰性气体最稳定，碱金属电离能最小，最易失去电子。定，碱金属电离能最小
5、，最易失去电子。2.氢原子核外只有一个电子，电离能就是它的基态能量，氢原子核外只有一个电子，电离能就是它的基态能量，约约13.6 eV。 B. 电子的亲和能电子的亲和能 Affinity energy of electrons一个基态中性原子获得一个电子成为负离子所释放出一个基态中性原子获得一个电子成为负离子所释放出的能量称为电子亲和能的能量称为电子亲和能I-，可用来，可用来表征原子俘获外来电表征原子俘获外来电子的能力大小子的能力大小。 1.具有大的电子亲和能的元素，说明它更易于得到一个电子。具有大的电子亲和能的元素，说明它更易于得到一个电子。2.在同一族或同一周期中，亲和能一般在同一族或同一
6、周期中，亲和能一般随原子半径减小而增大随原子半径减小而增大。原因：原子半径小，原子核对电子的吸引原因：原子半径小，原子核对电子的吸引力较强，对应较大的相互作用势。力较强，对应较大的相互作用势。？C. 原子的电负性原子的电负性 Electronegativity of atoms1932年，莱纳斯鲍林（Linus Pauling）综合考虑了电离能和电子亲合能提出“电负性”的概念，它以一组数值的相对大小表示元素原子在分子中对成键电子的吸引能力，称为相对电负性，简称电负性。“电负性”代表原子获得电子的能力，这种电子是其元素原子自身以外的电子，而这种能力决定于原子结构。 C. 原子的电负性原子的电负性
7、 Electronegativity of atomsPauling electronegativtiy1.2 原子的结合方式原子的结合方式原子键合的本质原子键合的本质吸引力吸引力 attractive force FA排斥力排斥力 repulsive force FR合力合力 net force FNFN = FA + FRFN = 0 平衡位置平衡位置r0从作用力角度：从作用力角度：从能量角度：从能量角度：吸引能吸引能（Attractive energy）EA排斥能排斥能（Repulsive energy）ER净净能能 （Net potential energy）EN净能净能 EN平衡距离
8、平衡距离r0 Equilibrium distance；当当 FA+ FR = 0 时的原子间距时的原子间距当当r = r0 时，时，E0称为结合能（称为结合能（Bonding energy），将将2个原子无限分离个原子无限分离所需能量。平衡距离下的作用所需能量。平衡距离下的作用能。能。通常通常r0 0.3nm (3)作用力为零的平衡距离作用力为零的平衡距离下能量达到最低值，系下能量达到最低值，系统最稳定统最稳定 1.2 原子的结合方式原子的结合方式结结合合键键强键强键弱键弱键(化学键）化学键）(物理键物理键)离子键离子键共价键共价键金属键金属键分子键分子键(范德华键范德华键)电子转移电子转移
9、共用电子对共用电子对金属离子通过正离子金属离子通过正离子和自由电子之间的引和自由电子之间的引力而相互结合力而相互结合Na+Cl-A. 离子键离子键Ionic bonding活泼的金属元素活泼的金属元素(IA，IIA和和IIIA主族金属元素和低价态的过渡金属元素主族金属元素和低价态的过渡金属元素)和和活泼的非金属元素活泼的非金属元素 (VIA，VIIA和和N元素元素)之间。之间。典型离子键化合物典型离子键化合物 NaCl通过两个或多个原子得到或失去电子通过两个或多个原子得到或失去电子而成为离子形成的而成为离子形成的电子转移电子转移 无方向性（无方向性（Non-directional） 键能在键能
10、在 3 8 eV/atom范围范围电负性相差大，通过库仑静电引力形成。电负性相差大，通过库仑静电引力形成。特点：离子键结合力大，特点：离子键结合力大，从而这类材料强度和硬度从而这类材料强度和硬度高，熔点高，脆性大。由高，熔点高，脆性大。由于离子难以输送电荷，所于离子难以输送电荷，所以是良好的绝缘体。以是良好的绝缘体。原子间通过共用电子对形成的化学键原子间通过共用电子对形成的化学键IIIA-VIIA同族元素和电负性相差不大的元素结合同族元素和电负性相差不大的元素结合共用电子对共用电子对Cl2B, C, N, O, ClB. 共价键共价键 Covalent bondingCH4钻石晶体及其结构特点
11、：材料强度高，熔点特点：材料强度高，熔点高，脆性大。其导电性取高，脆性大。其导电性取决于共价键的强弱。决于共价键的强弱。弱共价键的弱共价键的Sn是导体，是导体，Si是半导体，金刚石就是绝是半导体，金刚石就是绝缘体。缘体。例如：例如：diamond, Si, Ge, GaAs, InSb, SiC, H2, Cl2, F2, CH4, H2O, HNO3, HF 方向方向性性（directional）；）； 最多键数最多键数：8-N， N价电子数价电子数 強強 (diamond) 或或弱弱 (Bi)； 高分子材料高分子材料为典型例子。为典型例子。+C. 金属键金属键 Metallic bondi
12、ng金属离子通过正离子和自由电子之间的金属离子通过正离子和自由电子之间的引力而相互结合引力而相互结合特点：自由电子的存在使金特点：自由电子的存在使金属具有良好的导电性和导热属具有良好的导电性和导热性，良好的金属光泽；金属性，良好的金属光泽；金属键无方向性，原子间发生相键无方向性，原子间发生相对位移时，金属键不受破坏，对位移时，金属键不受破坏，因而塑性好。因而塑性好。自由电子自由电子 电电子海子海（ electron sea ） 电子云电子云（electron cloud） 胶体胶体（glue）； 离离子核心子核心（ion cores），不具方向性不具方向性； 键能：键能：0.7 eV/atom
13、 for Hg 8.8 eV/atom for WD. 范德瓦耳斯键范德瓦耳斯键 van der Waals bonding分子中由于共价电子的非对称分布，使分子的某一部分比其他部分更偏分子中由于共价电子的非对称分布，使分子的某一部分比其他部分更偏于带正电或带负电。一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电于带正电或带负电。一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电部分，这种结合力称为分子键或范德瓦耳力。部分，这种结合力称为分子键或范德瓦耳力。分子键分子键+Atomic or molecular dipoles 由微弱静电吸引力结合，键能弱：由微弱静电吸引力结合，键能弱：0.1 eV/at
14、om(10 kJ/mol); 存在于所有原子或分子间；存在于所有原子或分子间；特点：分子键结合力弱，使得材料熔点和硬度特点：分子键结合力弱，使得材料熔点和硬度都比较低，是良好的绝缘体材料。都比较低，是良好的绝缘体材料。+Atomic or molecular dipoles材材 料料 中中 的的 键键范德瓦尔键（二次键）范德瓦尔键（二次键）共价键共价键金属键金属键半导体半导体聚合物聚合物离子键离子键陶瓷和玻璃陶瓷和玻璃金属金属键型型Bonding type物物质Substance结合能合能熔点熔点Melting temperature()kJ/mol(kcal/mol)eV/AtomIon,
15、Molecule离子键IonicNaCl640 (153)3.3801MgO1000 (239)5.22800共价键CovalentSi450 (108)4.71410C (diamond)713 (170)7.43550金属键MetallicHg68 (16)0.7-39Al324 (77)3.4660Fe406 (97)4.21538W849 (203)8.83410范德瓦耳斯力键van der WaalsAr7.7 (1.8)0.08-189Cl231 (7.4)0.32-101不同材料的结合能和熔点不同材料的结合能和熔点 1.1. 原子结构的特征原子结构的特征2.2. 原子之间的结合方式原子之间的结合方式3.3.3. 3. 掌握基本概念掌握基本概念本章小结本章小结思考题思考题1、名词解释：结合键、离子键、金属键、共价键2、下列物质含有何种键：黄铜（brass）、橡胶（rubber）、金刚石（diamond）、SiO2、单晶Si、NaCl。3、 HF 的分子量小于 HCl ，为什么HF具有比HCl更高的沸点。（提示：电负性：（提示：电负性：F：4.0, Cl：3.0)
