物質(zhì)的組成原子結(jié)構(gòu)原子間的作用

1、第二章第二章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) (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

2、phase diagrams What is the characteristic of materials surface2-1 物質(zhì)的形態(tài)及材料結(jié)構(gòu)物質(zhì)的形態(tài)及材料結(jié)構(gòu)2-2 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)2-3 原子之間的相互作用和結(jié)合原子之間的相互作用和結(jié)合 排列排列 距離距離 作用力作用力 固定體積固定體積 形狀形狀 氣態(tài)氣態(tài) 無規(guī)律 遠 小 無 無 (gas state) 液態(tài)液態(tài) 局部有序 較近 中等 有 無 (liquid state) 固態(tài)固態(tài) 結(jié)晶 有規(guī)律 小 強 有 有 (solid state) 非晶 局部有序 小 強 有 有 2-1-1 物質(zhì)的形態(tài)物質(zhì)的形態(tài) ( States of

3、 Matter ) 三種主要狀態(tài)： 2-1 物質(zhì)的形態(tài)及材料結(jié)構(gòu)物質(zhì)的形態(tài)及材料結(jié)構(gòu) (States of Matter and Structure of Materials) 材料結(jié)構(gòu)： 是影響材料性能的基本因素， 隨化學組成及外界條件改變 宏觀組織結(jié)構(gòu)： 10-4 m 肉眼可見 Macroscopic圖 顯微組織結(jié)構(gòu)： 10-4 10-8 m 顯微鏡觀察 Microscopic圖 原子或分子排列結(jié)構(gòu)：10-10 m Organization of atoms or molecules 原子中的電子結(jié)構(gòu)： 10-13 m Subatomic structure 2-1-2 材料結(jié)構(gòu)的涵義材料

4、結(jié)構(gòu)的涵義 (Meaning of Material Structure) 下一頁澆鑄 宏觀組織結(jié)構(gòu)返回顯微組織 晶界返回返回目錄2-22-2 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) (Atomic Structure) What are atomic structures and models, quantum numbers, electron configurations in atoms?Chapter 2 1. 原子核原子核 由質(zhì)子+中子組成 質(zhì)子 質(zhì)子數(shù)（Z） = 原子序數(shù) = 電子數(shù) 正電荷 中子 中子數(shù)（N） 中子質(zhì)量 = 質(zhì)子質(zhì)量 無電荷 原子質(zhì)量（A） 質(zhì)子質(zhì)量+中子質(zhì)量 同位素： Z相同， N

5、不同的原子 原子量：元素（原子序數(shù)相同）中各同位素的原子質(zhì)量平均值 2-2 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) (Atomic Structure) 2-2-1 原子原子 (Atom) 原子核+核外電子 電中性 2. 電子電子 質(zhì)量 約 1/184 質(zhì)子或中子 負電荷 繞核運動； 速度1/101/100光速； 波-粒 軌道非固定，幾率最大的分布構(gòu)成電子云層 Electrons in atoms Bohr model Wave-mechanical model both wavelike and particle-like characteristics. probability distributionor e

6、lectron cloud.Figure 2.1Figure 2.3 1. 電子的統(tǒng)計性形態(tài)法描述電子的統(tǒng)計性形態(tài)法描述 四個量子數(shù)四個量子數(shù) (Quantum Numbers)： 2-2-2 原子中電子的空間位置和能量原子中電子的空間位置和能量 (Electrons in Atoms) n , 第一量子數(shù)： 決定體系的能量 n = 1，2，3.（整數(shù)）， n =1 時為最低能級 K，L，M . l , 第二量子數(shù)：決定體系角動量和電子幾率分布的空間對稱性 l = 0，1，2，3，4 （n -1） n =1，l = 0 s p d f g 狀態(tài) n =2，l = 0，1 (s, p) m l

7、, 第三量子數(shù)：決定體系角動量在磁場方向的分量 m l = 0，1，2，3 有（2 l+1）個 m s ，第四量子數(shù)：決定電子自旋的方向 +1/2，-1/2 3. 泡利不相容原理泡利不相容原理： 原子中每個電子必須有獨自一組四個量子數(shù)， 一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子； 4. 能量最低原則能量最低原則： 電子總是按能量最低的狀態(tài)分布。 5. 洪特規(guī)則洪特規(guī)則： 簡并軌道，分占軌道最多，自旋方向相同。 1. 電子殼層數(shù)目電子殼層數(shù)目 n = 1，2，3，4，5 K L M N O 主殼層(shells) l = 0，1，2，3，4 由內(nèi)向外 s p d f g 支殼層(subshe

8、lls) 2. 最多電子數(shù)目最多電子數(shù)目 K2，L8，M18 s2，p6，d10 3. 最外層最外層 s12，p16，d110 2-2-3 原子中電子殼層數(shù)目及填充方式原子中電子殼層數(shù)目及填充方式(排布）排布） (Electron Shells and Configurations in Atoms)表返回Table 2.1 The Number of Available Electron States in Some of the Electron Shells and Subshells 4. 排列次序排列次序 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s 舉例 H: (1) 1s

9、1 Na: (11) 1s2 2s2 2p6 3s1 2-2-4 電子殼層的能級電子殼層的能級 (Energy Levels of Electron Shells) 愈接近原子核，電子能級愈低，電子愈穩(wěn)定； 愈遠離， 愈高， 不穩(wěn)定。 電子可以在軌道間躍遷：低能級軌道 高能級軌道（吸收能量） 電離能電離能： 從孤立原子中，去除束縛最弱的電子所需的能量。 電子親合能電子親合能： 原子接受一個額外的電子通常要釋放能量，所放能量即電子親合能。 2-2-5 電離能和親合能電離能和親合能 (Ionization Energy and Electron Affinity)電離電勢表電離電勢表下一頁元素的第

10、一電離電勢（元素的第一電離電勢（ev/ev/原子）原子）H13.60 HE24.4Li5.39BE9.32B8.30C11.2N14.5O13.61F17.4NE21.56NA5.14MG7.64AL5.98SI8.15P10.3S10.01CL13.0AR15.76K4.34 BR11.8KR14.00Rb4.18 I10.4XE12.13CS389 返回目錄2-3 原子之間的相互作用和結(jié)合原子之間的相互作用和結(jié)合 (Atomic Interaction and Bonding) What are the interatomic bonds ? What are the equilibriu

11、m separation , distance and the bonding energy between atoms ? What is the Coordination Number of atom?Chapter 2 自然界一般由原子或分子組成物質(zhì)或材料 結(jié)合方式： 基本結(jié)合：離子鍵、金屬鍵、共價鍵 派生結(jié)合：分子間作用力、氫鍵 2-3-1 基本鍵基本鍵合 （Primary Interatomic Bonds) 1. 離子鍵離子鍵合 (Ionic Bonding)： 離子鍵 正離子負離子 庫侖引力 特點：特點： 電子束縛在離子中； 正負離子吸引，達靜電平衡； 電場引力無方向性; 構(gòu)成三

12、維整體 晶體結(jié)構(gòu) ； 在溶液中離解成離子。 2-3 原子之間的相互作用和結(jié)合原子之間的相互作用和結(jié)合 (Atomic Interaction and Bonding)Figure 2.9 特點特點： 由正離子排列成有序晶格； 各原子最 (及次)外層電子釋放，在晶格中隨機、自由、無規(guī)則運動，無方向性； 原子最外殼層有空軌道或未配對電子，既容易得到電子，又容易失去電子； 價電子不是緊密結(jié)合在離子芯上，鍵能低、具有范性形變。 2 . 金屬鍵合金屬鍵合 (Metallic Bonding)：Figure 2.11 兩個原子共享最外殼電子的鍵合。 特點：特點： 兩原子共享最外殼層電子對； 兩原子相應軌道

13、上的電子各有一個，自旋方向必須相反； 有飽和性和方向性。電子云最大重疊，一共價鍵僅兩個電子。 3. 共價鍵合共價鍵合 (Covalent Bonding):4、混和鍵混和鍵合 (Mixed Bonding) 1） 電負性電負性 (electronegativity): 表示吸引電子的能力 同一周期 左 右 電負性增高 同一族 上 下 電負性降低 2）電負性對化學鍵的影響電負性對化學鍵的影響: 同種原子間無影響 異種原子相互作用時: 兩元素電負性相差較大: 非金屬非金屬 成極性共價鍵 電負性相差很大: 金屬 非金屬 成離子鍵 電負性差值0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.

14、6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 離子性結(jié)合（%） 1 4 9 15 22 30 39 47 55 63 70 76 82 86 89 92 電負性差值：可判斷無機非金屬材料離子性結(jié)合鍵的比例 % ionic character = 1-exp-(0.25)(XA - XB)2100 (2.10) where XA and XB are the electronegativities for the respective elements. 作用力也是庫侖引力（與離子鍵相同但弱得多,不存在電子交換） 1.分子間引力分子間引力（Intermolecular At

15、traction)： 分子（或電中性原子）間的結(jié)合力 又稱范氏（van der Waals）力。 特點特點： 無方向性和飽和性 鍵能最小 2-3-2 派生鍵合派生鍵合（Secondary Bonding):Schematic illustration of van der Waalsbonding between two dipoles. A. 取向力: 分子永久偶極間相互作用 (Permanent dipole bonds) B. 誘導力: 被誘導的偶極與永久偶極間作用 (Polar molecule-induced dipole bonds) C. 色散力: 非極性分子間瞬時偶極間的作用

16、(Fluctuating induced dipole bonds)Figure 2.13 質(zhì)子給予體（如H）與強電負性原子X（如O、N、F、Cl）結(jié)合，再與另一強電負性原子Y（質(zhì)子接受體）形成一個鍵的鍵合方式。 特點特點： 有方向性，飽和性； 分子內(nèi)氫鍵；分子間氫鍵； 鍵能: 一般為幾 十幾 kcal/mol 2. 氫鍵氫鍵 (Hydrogen bond):Figure 2.15返回目錄 原子間距離很大時, 相互作用很小; 距離減小時，斥力和引力以不同的函數(shù)形式增大。 2-3-3 原子間距和空間排列原子間距和空間排列 (Interatomic Spacing and Forces) 1. 原

17、子間的距離和作用原子間的距離和作用 (Interatomic Separation and Interaction) （1）a，：平衡間距， 合力F= 0，能量U最低，結(jié)合能的負值； （2）a 增大，F(xiàn)為引力，U增大；a 減小，F(xiàn)為斥力，U大大增大。 平衡間距平衡間距（Equilibrium Spacing）就是斥力和引力相等的距離。aRCdaFFE)(FIGURE 2.8 (a) Thedependence of repulsive,attractive, and net forces on interatomic separation for two isolated atoms. (b)

18、 The dependence of repulsive,attractive, and net potential energies on interatomic separation for two isolated atoms. 孤立原子（非鍵合）的半徑范氏半徑 結(jié)合原子：原子間作用方式和作用力的不同，a，不同，半徑不同 (a) 金屬半徑：金屬鍵結(jié)合的原子距離的一半：a，/ 2 (b) 離子半徑：a，= r+ + R- 2 . 原子半徑和離子半徑原子半徑和離子半徑 (Atomic Radius and Ionic Radius) 離子價影響離子半徑離子價影響離子半徑 (c) 共價半徑：成

19、鍵電子云的最大重疊（非球形，多用鍵長） 單鍵、雙鍵、三鍵 溫度影響半徑溫度影響半徑 3. 配位數(shù)配位數(shù) (Coordination Number)-CN： （影響半徑）（影響半徑） 大部分工程材料具有多個原子組成的配位團 配位數(shù)是一個原子具有的第一鄰近（原子或離子）數(shù)第一鄰近（原子或離子）數(shù) （Number of nearest-neighbor atoms） H-1 Mg為6 Si或C為4 影響因素 共價共價，圍繞一個原子的共價鍵數(shù)取決于原子的價電子數(shù)目 鹵族配位數(shù)為1；氧族為2。 原子的有效堆積有效堆積，離子化合物具有較高配位數(shù)，最常見為6。 元元 素素金金 屬屬 原原 子子離離 子子共共

20、 價價 鍵鍵CN半徑半徑(nm)價價 CN半徑半徑 (nm) 鍵鍵 長長 / 2 （nm）碳碳 單單 鍵鍵雙雙 鍵鍵三三 鍵鍵00770065006硅硅 4+ 6 4+ 400420038 單單 鍵鍵 0117氧氧 2- 8 2- 6 2- 40.0420.0380.444 單單 鍵鍵 雙雙 鍵鍵 0.0750.065氯氯 2- 2 1- 8 1- 60.1400.1270.181 單單 鍵鍵 0099鈉鈉80.01875 1+ 60.097 鎂鎂120.161 2+ 60.066 鋁鋁120.1431 3+ 6 3+ 40.0540.046 鐵鐵8120.12410.127 2+ 6 3+

21、60.0740.064 銅銅120.1278 1+ 60.096 1 鍵長鍵長(bond distance): 兩相鄰原子間達運動平衡時能量最小的距離 金屬鍵和離子鍵： 無方向性，無鍵長，三維空間（集體效應）：體積和電荷 共價鍵：有方向性(和飽和性)，鍵長為相連原子間的距離， 共價半徑之和 同周期 電荷大 鍵長小 同族 由上到下 鍵長增大 2 鍵能鍵能(bond energy): 1mol 物質(zhì)結(jié)合鍵分裂放出的能量, 表示結(jié)合的強弱。 化學鍵 物理鍵（分子鍵） 化學鍵中: 共價鍵 離子鍵 金屬鍵 共價鍵中: 叁鍵雙鍵單鍵 氫鍵 范氏鍵 2-3-4 各種鍵性比較各種鍵性比較 （Compariso

22、n among Various Bonds)鍵性表2-4 多原子體系電子的相互作用與穩(wěn)定性多原子體系電子的相互作用與穩(wěn)定性 （Electron Interaction and Stability of Polyatomic System) What is the Hybrid Orbital of atoms? What is the Molecular Orbital in compounds? What is the Fermi Energy Level in metals? What is the Energy Band Structures in solids? 雜化軌道：原子不同軌道

23、原子不同軌道線性組合后的線性組合后的新原子軌道新原子軌道 雜化后，數(shù)目不變； 空間分布、能級狀態(tài)改變，有利成鍵 雜化軌道與配位原子空間排列的方式2-4 多原子體系電子的相互作用與穩(wěn)定性多原子體系電子的相互作用與穩(wěn)定性 （Electron Interaction and Stability of Polyatomic System) 2-4-1雜化軌道和分子軌道雜化軌道和分子軌道(Hybrid Orbital and Molecular Orbital) 1雜化軌道雜化軌道理論2xxdp23xdsp223yxdsp2223yxxddspxyyzxzdddsp33N23CO24SO24SiF 中心

24、原子的雜化軌道中心原子的雜化軌道 配位原子的空間排列配位原子的空間排列 實實 例例 spx spxpy sp3 直 線 形 直 線 形 平 面 三 角 形 四 面 體 形 三 方 雙 錐 形 四 方 錐 形 八 面 體 形 五 方 雙 錐 形 CO2, XeF2 BF3, SO3, SiH4, PF5, SOF4 Sb(C6H5)5 SF6, IF7 組合成分子軌道分子軌道的條件（1）能量相近； （2）軌道最大重疊；（3）對稱性匹配： 符號相同，為成鍵軌道 符號相反，為反鍵軌道 2分子軌道分子軌道理論 不同原子軌道原子軌道的線性組合 軌道：通過鍵軸，無節(jié)面， 以鍵軸為對稱軸的對稱軌道 如： s

25、-s, s-p， p-p 三種分子軌道： （1）軌道和鍵 鍵：由成鍵電子構(gòu)成的共價鍵 單電子鍵：成鍵軌道1個電子，能量降低=EE1 正常鍵： 成鍵軌道2個電子，能量降低2 三電子鍵：成鍵軌道2個電子，反鍵軌道1 個電子，能量降低 軌道：通過鍵軸，有一個（= 0）節(jié)面 如： py - py ，pz - pz 鍵：由成鍵電子構(gòu)成的共價鍵 （2）軌道和鍵 軌道：通過鍵軸， 有兩個（= 0）的節(jié)面 鍵：由成鍵電子構(gòu)成的共價鍵 分子軌道電子排布 與原子軌道填充三原則相同 （3）軌道和鍵同核雙原子分子的能級和電子排布同核雙原子分子的能級和電子排布 T= 0 K（基態(tài) ground state）時，最高的被電子充滿能級 能量為EF， 以下能級全滿， 以上能級全空。 2-4-2 費米能級費米能級 (Fermi energy Level)-金屬金屬 費米分布費米分布(Fermi distribution) ： T0 K時，某些電子受到激發(fā)，移到費米