電子運(yùn)動(dòng)32金屬材料課件

1、電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖電子衍射實(shí)驗(yàn)示意圖定向電子射線定向電子射線晶片光柵晶片光柵衍射圖象衍射圖象結(jié)論：電子具有波粒二象性。結(jié)論：電子具有波粒二象性。 電子的波動(dòng)性是電子的波動(dòng)性是大量電子大量電子( (或少量電或少量電子的大量子的大量) )行為的統(tǒng)行為的統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。計(jì)的結(jié)果。物質(zhì)波是物質(zhì)波是統(tǒng)計(jì)性的，統(tǒng)計(jì)性的，是概率波是概率波。電子的能量是量子化的，不連續(xù)，即電子的能量是量子化的，不連續(xù)，即能量的變化是從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一能量的變化是從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)。個(gè)能級(jí)。量子力學(xué)描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，只能描量子力學(xué)描述電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，只能描述述某瞬間電子在某點(diǎn)出現(xiàn)的概率。某瞬間電子在某點(diǎn)出現(xiàn)的概率。0

2、0m m2 22 22 2 h hz zy y2 2)(82222VEx 用于描述電子在空間某點(diǎn)上出現(xiàn)的概率用于描述電子在空間某點(diǎn)上出現(xiàn)的概率。2 2解該方程得系統(tǒng)的能量解該方程得系統(tǒng)的能量E E ；波函數(shù)波函數(shù)波函數(shù)波函數(shù)就是原子軌道就是原子軌道波函數(shù)波函數(shù)被稱為被稱為原子軌道。原子軌道。需要注意的是這里的軌道不是指實(shí)際的需要注意的是這里的軌道不是指實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡，因此也稱為運(yùn)動(dòng)軌跡，因此也稱為原子軌函。原子軌函。求解過程非常復(fù)雜，這里只介紹一些重要的求解過程非常復(fù)雜，這里只介紹一些重要的求解結(jié)果，以及為理解這些結(jié)果的簡(jiǎn)要數(shù)學(xué)求解結(jié)果，以及為理解這些結(jié)果的簡(jiǎn)要數(shù)學(xué)處理。因?yàn)樵谥苯亲鴺?biāo)系中無法

3、求解，需要處理。因?yàn)樵谥苯亲鴺?biāo)系中無法求解，需要轉(zhuǎn)換到球坐標(biāo)系中進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)換到球坐標(biāo)系中進(jìn)行處理。變換為球面坐標(biāo)：變換為球面坐標(biāo)： x = r sin cos y = r sin sin z = r cos r2 = x2 + y2 + z2 球面坐標(biāo)變換球面坐標(biāo)變換 rsin zxyP(x,y,z)z=rcosx= rsincosy = rsinsinr2222222sin1)(sinsin1)(1rrrrrr0)(822VEhm 在整個(gè)求解過程中，需要引入三個(gè)整在整個(gè)求解過程中，需要引入三個(gè)整數(shù)，數(shù)，n、l 和和 m。它們稱為量子數(shù)。它們稱為量子數(shù)。 結(jié)果得到一個(gè)含有三個(gè)量子數(shù)和三個(gè)結(jié)果

4、得到一個(gè)含有三個(gè)量子數(shù)和三個(gè)坐標(biāo)的函數(shù)坐標(biāo)的函數(shù) ： = = n, l, mn, l, m( (r, r, , , ) )n的取值為的取值為非零正整數(shù)非零正整數(shù)。l 的取值為的取值為0到到(n 1)之間的之間的整數(shù)整數(shù)。m的取值為的取值為l l 之間的之間的整數(shù)整數(shù)。主量子數(shù)主量子數(shù)n n、角量子數(shù)角量子數(shù)l 和和磁量子數(shù)磁量子數(shù)m m 確定確定時(shí)，波函數(shù)時(shí)，波函數(shù)( (原子軌道原子軌道) ) 便可確定。便可確定。每一個(gè)由一組量子數(shù)確定的波函數(shù)表示電每一個(gè)由一組量子數(shù)確定的波函數(shù)表示電子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。子的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。下面重點(diǎn)講這幾個(gè)量子數(shù)，它們是我們下面重點(diǎn)講這幾個(gè)量子數(shù)，它們是我們需需要

5、掌握得核心內(nèi)容要掌握得核心內(nèi)容。主量子數(shù)主量子數(shù)n n 取值取值1 1、2 2、3 3、4 4、 n n的值越大，電子能級(jí)就越高，的值越大，電子能級(jí)就越高，電子的電子的能能量越大量越大，電子離核的平均，電子離核的平均距離越遠(yuǎn)距離越遠(yuǎn)。 電子層電子層的概念的概念 m m的的取值為取值為-l-l、+l+l，共（，共（2 2l +1+1）個(gè)。）個(gè)。表示表示原子軌道在空間的原子軌道在空間的伸展方向。伸展方向。 每一個(gè)每一個(gè)m m值，對(duì)應(yīng)一個(gè)方向。值，對(duì)應(yīng)一個(gè)方向。除除s s軌道外軌道外, , 都是各向異性的都是各向異性的. .如如：l 為為1 1時(shí)，時(shí)， m m為為-1 、0 0、+1+1時(shí)，時(shí)， 原

6、子軌道有原子軌道有3 3個(gè)方向。個(gè)方向。m m磁量子數(shù)磁量子數(shù) 0 0、1 1、2 2l 0 1 2 3軌道軌道 s p d f n n、l、m m一定，軌道也確定一定，軌道也確定n =2， l =0， m =0， 2s l =1， m =0， 2p m =1， 2p m =-1， 2p m m值不影響能量。值不影響能量。n n、l 相同相同,m,m不同的不同的原子軌道原子軌道稱稱簡(jiǎn)并（或等價(jià)）軌道。簡(jiǎn)并（或等價(jià)）軌道。如如2p有3個(gè)等價(jià)軌道等價(jià)軌道n n =2 =2時(shí)，共有時(shí)，共有4 4個(gè)軌道（個(gè)軌道（2s2s、3 3個(gè)個(gè)2p2p）（22）自旋量子數(shù)自旋量子數(shù)m ms s：在實(shí)驗(yàn)研究過程中為

7、：在實(shí)驗(yàn)研究過程中為與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合，提出來的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合，提出來的取值：取值：2 21 1, ,2 21 1符號(hào)：符號(hào)： , ,表示自旋的兩種狀態(tài)。表示自旋的兩種狀態(tài)。1.總能量2.波函數(shù)J10179.2J10179.2181218sEnE()0/3041,arear ()( )(), YrRr角度部分角度部分：()41,Y( )0/3012arearR徑向部分徑向部分：1s1s軌道軌道徑向部徑向部分是電子離核分是電子離核距離的函數(shù)。距離的函數(shù)。角度部分是角度部分是角的函數(shù)。角的函數(shù)。()41,Y(),1rs是一種球形對(duì)稱分布角度部分作圖xzy電子云電子云無直觀明確的物理意義無直觀明確的物理

8、意義, ,它的物理意義是它的物理意義是：表示：電子在空間某點(diǎn)出現(xiàn)的表示：電子在空間某點(diǎn)出現(xiàn)的幾率密度幾率密度。2 2( (r)r)R(r r)Y()原子軌道和電子云的圖象原子軌道和電子云的圖象為做圖方便，做如下處理：為做圖方便，做如下處理：對(duì)對(duì)R做圖，稱原子做圖，稱原子軌道軌道的徑向分布圖的徑向分布圖；對(duì)對(duì)Y做圖，稱原子做圖，稱原子軌道軌道的角度分布圖的角度分布圖；對(duì)對(duì)R2做圖，稱做圖，稱電子云電子云的徑向分布圖的徑向分布圖；對(duì)對(duì)Y2 做圖，稱做圖，稱電子云電子云的角度分布圖的角度分布圖。根據(jù)根據(jù)( (r)r)R(r r)Y()yY2pxyzxY2pxyz22pxYxyzxyz2p2yYxyz

9、2p2zYxyzzY2p 在已發(fā)現(xiàn)的在已發(fā)現(xiàn)的112種元素中，除氫以外，種元素中，除氫以外，都屬于多電子原子。都屬于多電子原子。 多電子原子除電子與核的作用勢(shì)能多電子原子除電子與核的作用勢(shì)能外，還存在電子之間的作用勢(shì)能，因此，外，還存在電子之間的作用勢(shì)能，因此，勢(shì)能部分的表達(dá)非常復(fù)雜，不能精確求勢(shì)能部分的表達(dá)非常復(fù)雜，不能精確求解它們的薛定諤方程。解它們的薛定諤方程。多電子原子體系的電子如何排布？多電子原子體系的電子如何排布？多電子多電子原子的原子的近似能近似能級(jí)圖級(jí)圖.填充電填充電子時(shí)，子時(shí)，先先4s,再再3d.多電子原子中電子分布的三個(gè)原理：多電子原子中電子分布的三個(gè)原理： 泡利不相容原理

10、、最低能量原理、洪泡利不相容原理、最低能量原理、洪特規(guī)則特規(guī)則。能量最低原理能量最低原理 在不違背泡利原理的條件下，核外在不違背泡利原理的條件下，核外電子分布將盡可能優(yōu)先占據(jù)能級(jí)較低的電子分布將盡可能優(yōu)先占據(jù)能級(jí)較低的軌道，使軌道，使系統(tǒng)能量處于最低。系統(tǒng)能量處于最低。洪特（洪特（HundHund）規(guī)則）規(guī)則 當(dāng)電子在當(dāng)電子在n, n, l 相同的數(shù)個(gè)等價(jià)軌道上相同的數(shù)個(gè)等價(jià)軌道上分布時(shí)，盡可能占據(jù)不同的等價(jià)軌道且自分布時(shí)，盡可能占據(jù)不同的等價(jià)軌道且自旋平行。旋平行。 I II III碳原子碳原子(1s22s22p2)的兩個(gè)的兩個(gè)p電子的排列方法電子的排列方法： 兩個(gè)電子在兩個(gè)電子在p軌道上的

11、分布軌道上的分布 此外此外，電子處于，電子處于全滿全滿(s(s2 2,p,p6 6,d,d1010,f,f1414) )、半滿半滿(s(s1 1p p3 3,d,d5 5,f,f7 7) )、全空全空(s(s0 0,p,p0 0,d,d0 0,f,f0 0) )時(shí)時(shí)較穩(wěn)定。較穩(wěn)定。鈦鈦(Ti)(Ti)原子有原子有2222個(gè)電子，按上述三個(gè)原理個(gè)電子，按上述三個(gè)原理和近似能級(jí)順序，電子的分布應(yīng)為和近似能級(jí)順序，電子的分布應(yīng)為 2222Ti 1sTi 1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 64s4s2 23d3d2 2 但在書寫電子分布式時(shí)但在書寫電子分布式時(shí), ,要將要

12、將3d3d軌道軌道放在放在4s4s前面，即鈦原子的電子分布式前面，即鈦原子的電子分布式正確正確的寫法的寫法為為 2222Ti 1sTi 1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p6 63d3d2 24s4s2 215626224s3d3p3s2p2s1s Cr 24：ZZ = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 110626224s3d3p3s2p2s1s Cu 29：ZN（三個(gè)未成對(duì)電子三個(gè)未成對(duì)電子）：1s2 2s2 2p3154s3dAr原子實(shí)稱為Ar 4s3dAr110 化學(xué)反應(yīng)只涉及外層電子的得失，只需化學(xué)反應(yīng)只涉及外層電子的得失，只

13、需寫出外層電子分布式即可。寫出外層電子分布式即可。外層電子分布式又稱為價(jià)電子構(gòu)型外層電子分布式又稱為價(jià)電子構(gòu)型. . 主族元素主族元素 價(jià)電子構(gòu)型為價(jià)電子構(gòu)型為 ns+npns+np，例如，例如 1717ClCl的價(jià)電子構(gòu)型：的價(jià)電子構(gòu)型： 3s3s2 23p3p5 5； 副族元素副族元素 價(jià)電子構(gòu)型為價(jià)電子構(gòu)型為 ns+(n-1)dns+(n-1)d 2222TiTi的價(jià)電子構(gòu)型：的價(jià)電子構(gòu)型： 3d3d2 24s4s2 2； 原子失去電子而成為正離子時(shí)，首先原子失去電子而成為正離子時(shí)，首先失去最外層的電子。失去最外層的電子。 2525MnMn2+2+的外層電子構(gòu)型是的外層電子構(gòu)型是 3s3

14、s2 23p3p6 63d3d5 5注意不能只寫成注意不能只寫成3d3d5 5。 2222TiTi4+4+的外層電子構(gòu)型是的外層電子構(gòu)型是 3s3s2 23p3p6 6。 原子成為負(fù)離子時(shí)，原子所得的電子原子成為負(fù)離子時(shí)，原子所得的電子總是分布在它的最外電子層上。總是分布在它的最外電子層上。 1717C1C1- -的外層電子分布式是的外層電子分布式是 3s3s2 23p3p6 6。 元素周期律：元素以及由它形成的單元素周期律：元素以及由它形成的單質(zhì)和化合物的性質(zhì)，隨著元素的原子序數(shù)質(zhì)和化合物的性質(zhì)，隨著元素的原子序數(shù)( (核電荷數(shù)核電荷數(shù)) )的依次遞增，呈現(xiàn)周期性的變的依次遞增，呈現(xiàn)周期性的

15、變化?；?。 根據(jù)原子的價(jià)電子構(gòu)型，結(jié)合周期表，根據(jù)原子的價(jià)電子構(gòu)型，結(jié)合周期表，將周期系分成將周期系分成5 5個(gè)區(qū)，即個(gè)區(qū)，即s s、p p、d d、dsds和和f f區(qū)。區(qū)。 s s 區(qū)區(qū) nsns1 1 nsns2 2 p p 區(qū)區(qū) nsns2 2npnp1 1 nsns2 2npnp6 6 d d 區(qū)區(qū) (n-1)d(n-1)d1 1nsns2 2 (n-1)d(n-1)d8 8nsns2 2 ds ds 區(qū)區(qū) (n-1)d(n-1)d1010nsns1 1 (n-1)d(n-1)d1010nsns2 2 f f 區(qū)區(qū) (n-2)f(n-2)f1 1nsns2 2 (n-2)f(n-2)

16、f1414nsns2 2(2)(2)元素在周期表中的位置與結(jié)構(gòu)的關(guān)系元素在周期表中的位置與結(jié)構(gòu)的關(guān)系 周期號(hào)數(shù)原子的電子層數(shù)。周期號(hào)數(shù)原子的電子層數(shù)。主族元素主族元素: : 號(hào)數(shù)最外層電子數(shù)。號(hào)數(shù)最外層電子數(shù)。副族元素：副族元素： B BB B 族號(hào)數(shù)最外層電子數(shù)族號(hào)數(shù)最外層電子數(shù)； 金屬性與非金屬性金屬性與非金屬性 金屬元素易失電子變成正離子，金屬元素易失電子變成正離子，可用可用金屬性表征原子失去電子的能力，金屬性表征原子失去電子的能力，元素的元素的原子愈容易失去電子，它的金屬性就愈強(qiáng)；原子愈容易失去電子，它的金屬性就愈強(qiáng)； 非金屬元素易得電子變成負(fù)離子，非金屬元素易得電子變成負(fù)離子，可可用

17、非金屬性表征原子得電子的能力，用非金屬性表征原子得電子的能力，原子原子獲得電子的能力愈強(qiáng)，它的非金屬性就愈獲得電子的能力愈強(qiáng)，它的非金屬性就愈強(qiáng)。強(qiáng)。第一電離能的周期性第一電離能的周期性思考思考1：N(2s 22p3)的第一電離能偏大，的第一電離能偏大，而而B (2s 22p1)的第一電離能偏小？為什的第一電離能偏??？為什么？么？答：答：N原子的特征電子構(gòu)型為原子的特征電子構(gòu)型為p軌道半軌道半充滿，較穩(wěn)定充滿，較穩(wěn)定(不易電離不易電離)，B 原子失去原子失去一個(gè)一個(gè)2p電子后變成電子后變成2s22p0的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。Z = 26 Fe：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4

18、s2 n（1）n1（14）n-2（8）Z = 20 Ca：1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 鮑林在鮑林在19321932年引入年引入“電負(fù)性電負(fù)性”的概念，的概念，表征原子吸引電子的能力的強(qiáng)弱。表征原子吸引電子的能力的強(qiáng)弱。 化學(xué)鍵離解能化學(xué)鍵離解能、電離能電離能以及以及很多熱化學(xué)很多熱化學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)都表示原子在化合物中吸引電子的都表示原子在化合物中吸引電子的能力，但這些數(shù)據(jù)不直觀，需要大量數(shù)能力，但這些數(shù)據(jù)不直觀，需要大量數(shù)據(jù)相互對(duì)比才能看清規(guī)律。據(jù)相互對(duì)比才能看清規(guī)律。 * *電負(fù)性電負(fù)性：分子中分子中原子吸引電子的能力。原子吸引電子的能力。 金屬元素金屬元素( (除釕、銠、鈀

19、、鋨、銥、鉑除釕、銠、鈀、鋨、銥、鉑以及金外以及金外) )的電負(fù)性數(shù)值小于的電負(fù)性數(shù)值小于2.02.0 非金屬元素非金屬元素( (除除SiSi外外) )則大于則大于2.02.0 一般以一般以2.02.0作為金屬性的分界。作為金屬性的分界。原子半徑原子半徑 人為規(guī)定的參數(shù)人為規(guī)定的參數(shù), ,有三種：有三種：金屬半徑金屬半徑金屬晶體中，相鄰原子金屬晶體中，相鄰原子 核間距半核間距半; ;范德華半徑范德華半徑單原子分子晶體中，單原子分子晶體中， 相鄰原子核間距之半。相鄰原子核間距之半。共價(jià)半徑共價(jià)半徑共價(jià)鍵形成的單共價(jià)鍵形成的單 質(zhì)，相鄰原子核間距之半；質(zhì)，相鄰原子核間距之半；()()122 145

20、 161 197 r/pm 31Ga Ti Sc 20Ca 第四周期 過渡元素從左到右，原子半徑減小幅過渡元素從左到右，原子半徑減小幅度小。度小。 鈣與鎵相比，原子的反應(yīng)性大幅度減鈣與鎵相比，原子的反應(yīng)性大幅度減少。少。 第五周期的也同樣，如耐腐蝕性較好第五周期的也同樣，如耐腐蝕性較好的銀、釕、銠、鈀等元素。的銀、釕、銠、鈀等元素。()( )173 183 188 r/pm Lu Ce La 137 143 159 173 217 r/pm WTa Hf 71Lu 56Ba 即鑭系元素第六周期鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度鑭系元素從左到右，原子半徑減小幅度更小。更小。 K Ca Sc Ti

21、 V Crr/pm 203 174 144 132 122 118 Rb Sr Y Zr Nb Mor/pm 216 191 162 145 134 130 Cs Ba La Hf Ta Wr/pm 235 198 169 144 134 130原子半徑減小幅度太?。涸影霃綔p小幅度太小：第二、第三過渡系的同族元素半徑相近，性質(zhì)相第二、第三過渡系的同族元素半徑相近，性質(zhì)相近，分離困難。近，分離困難。 鋼鐵中含碳量在鋼鐵中含碳量在2.12.1以上的為鑄鐵，以上的為鑄鐵，小于小于2.12.1為鋼，小于為鋼，小于0.02%0.02%純鐵。純鐵。 鑄鐵鑄鐵 鋼鋼 純鐵純鐵 2.1 0.02% 煉鋼是控

22、制生鐵中含碳量達(dá)到鋼的煉鋼是控制生鐵中含碳量達(dá)到鋼的要求，除去危害鋼性能的要求，除去危害鋼性能的S S、P P等。特等。特殊性能的合金鋼需加入一些其他元素殊性能的合金鋼需加入一些其他元素（常用的有（常用的有SiSi、MnMn、CrCr、MoMo、W W、V V、TiTi、NbNb、B B等）等） 。J金屬材料的優(yōu)點(diǎn)：良好的導(dǎo)電、傳熱性、高的機(jī)械金屬材料的優(yōu)點(diǎn)：良好的導(dǎo)電、傳熱性、高的機(jī)械強(qiáng)度，較為廣泛的溫度使用范圍，良好的機(jī)械加工性強(qiáng)度，較為廣泛的溫度使用范圍，良好的機(jī)械加工性能等。能等。L金屬材料的缺點(diǎn)：易被腐蝕和難以滿足高新技術(shù)更金屬材料的缺點(diǎn)：易被腐蝕和難以滿足高新技術(shù)更高溫度的需要。高

23、溫度的需要。思考思考：911911事件中紐約世貿(mào)大廈坍塌的原因？事件中紐約世貿(mào)大廈坍塌的原因？答：合金鋼強(qiáng)度經(jīng)得起12級(jí)臺(tái)風(fēng)、各種龍卷風(fēng)的襲擊，也耐得住地震、雷電或爆炸的侵?jǐn)_。但其優(yōu)良的導(dǎo)熱性，使他經(jīng)不起高溫，整體變軟，促成大廈迅速倒塌。 純金屬的制備成本很高，而且機(jī)械純金屬的制備成本很高，而且機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性等不理想。因此常用強(qiáng)度、耐熱性等不理想。因此常用合金合金。按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中位置分類按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中位置分類置換固溶體置換固溶體：溶質(zhì)原子代替部分溶劑晶溶質(zhì)原子代替部分溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置。格結(jié)點(diǎn)位置。 Cu CuNiNi合金。釩、鉻、錳、鎳、鈷等合金。釩、鉻、錳、鎳、鈷等都與鐵形

24、成置換固溶體。都與鐵形成置換固溶體。間隙固溶體間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格中結(jié)點(diǎn)間的空隙位置。結(jié)點(diǎn)間的空隙位置。 鐵素體鐵素體(Fe(Fe3 3C)C)。氫、硼、碳、氮等與。氫、硼、碳、氮等與副族元素形成間隙固溶體。副族元素形成間隙固溶體。置換固溶體置換固溶體 間隙固溶體間隙固溶體 390MPa390MPa70HBS70HBS50%50%。純銅純銅b b 220MPa 220MPa, , 硬度硬度40HBS40HBS, , 斷面收縮率斷面收縮率70%70%加入加入1%1%鎳后：鎳后：固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使溶劑的晶格發(fā)生畸變，阻礙材料因外力作溶劑的晶格發(fā)生畸變，阻礙材料因外力作用而引起的形變，提高金屬的強(qiáng)度、硬度，用而引起的形變，提高金屬的強(qiáng)度、硬度，稱為固溶強(qiáng)化。稱為固溶強(qiáng)化。金屬化合物具有金屬化合物具有仍具有金屬特性：較高的仍具有金屬特性：較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性。熔