材料科學(xué)課件：第一章 材料結(jié)構(gòu)

1、2/9/20221第一章第一章 材料結(jié)構(gòu)的基本知識材料結(jié)構(gòu)的基本知識（一）（一）2材料結(jié)構(gòu)材料性能四層次原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)合鍵原子的排列顯微組織3思考思考 1、什么是價(jià)電子？、什么是價(jià)電子？ 2、K與與Cu相比，誰更活潑？為什么？相比，誰更活潑？為什么？ 3、金屬是否均是由金屬鍵構(gòu)成的？、金屬是否均是由金屬鍵構(gòu)成的？W為什么具有為什么具有高熔點(diǎn)？高熔點(diǎn)？ 4、一般情況下，金屬、陶瓷、聚合物相比，誰、一般情況下，金屬、陶瓷、聚合物相比，誰的密度更高？的密度更高？ 5、什么是彈性模量？、什么是彈性模量？4一、原子結(jié)構(gòu)一、原子結(jié)構(gòu)1、原子的電子排列、原子的電子排列- -2 27 7- -2 27 7-

2、-3 31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）質(zhì)質(zhì)子子：正正電電荷荷m m1 1. .6 67 72 26 6 1 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s) )：位位于于原原子子中中心心、帶帶正正電電中中子子：電電中中性性m m1 1. .6 67 74 48 8 1 10 0k kg g電電子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，帶帶負(fù)負(fù)電電，按按能能量量高高低低排排列列，如如電電子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo o

3、u ud d） m m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0 k kg g，約約為為質(zhì)質(zhì)子子的的1 1/ /1 18 83 36 65波函數(shù)和原子軌道波函數(shù)和原子軌道 1926 1926年，年，SchrSchrdingerdinger（薛定諤）根據(jù)德布羅伊（薛定諤）根據(jù)德布羅伊 物質(zhì)波的觀點(diǎn)將電子的粒子性代入波動(dòng)方程。物質(zhì)波的觀點(diǎn)將電子的粒子性代入波動(dòng)方程。 )(2cosEtxphA是描述波動(dòng)的函數(shù)，稱為波函數(shù)，可用來表示任何是描述波動(dòng)的函數(shù)，稱為波函數(shù)，可用來表示任何微觀粒子的行為。微觀粒子的行為。6 波函數(shù)是三維空間x、y、z的函數(shù)，其二階偏微分方程就是有名的薛定諤方程 電子的

4、波函數(shù)電子的波函數(shù) 對原子核外電子運(yùn)動(dòng)的描述具有十分重對原子核外電子運(yùn)動(dòng)的描述具有十分重要意義：要意義： 波函數(shù)不同，其能量不同波函數(shù)不同，其能量不同。 每一個(gè)波函數(shù)，都表示核外電子運(yùn)動(dòng)的一種狀態(tài)，稱為每一個(gè)波函數(shù)，都表示核外電子運(yùn)動(dòng)的一種狀態(tài)，稱為原子軌道。原子軌道。 相當(dāng)于給出了電子運(yùn)動(dòng)的相當(dāng)于給出了電子運(yùn)動(dòng)的“軌道軌道”。0)VE(hm8zyx22222222 7四個(gè)量子數(shù)四個(gè)量子數(shù) (1) 主量子數(shù)主量子數(shù)（2）角量子數(shù)）角量子數(shù) （3）磁量子數(shù)）磁量子數(shù)（4）自旋量子數(shù)）自旋量子數(shù)n，電子層；，電子層；l，同一殼層上的電子依據(jù)能量水平不同分的，同一殼層上的電子依據(jù)能量水平不同分的亞殼

5、層（亞殼層（spdf)，反映了軌道的形狀；，反映了軌道的形狀；m，確定軌道的空間取向；，確定軌道的空間取向；ms，每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的，每個(gè)狀態(tài)下可以存在自旋方向相反的兩個(gè)電子；兩個(gè)電子；8(1)主量子數(shù)主量子數(shù) n主量子數(shù)主量子數(shù) n 表示電子層，其值越大，軌道距表示電子層，其值越大，軌道距核越遠(yuǎn)，能量越高。核越遠(yuǎn)，能量越高。電子層符號電子層符號 K L M N O P Q 主量子數(shù)主量子數(shù) n 1 2 3 4 5 6 7 9 （2）角量子數(shù)）角量子數(shù) l 角量子數(shù)角量子數(shù) l 又叫副量子數(shù)，表示電子亞層。它確定又叫副量子數(shù)，表示電子亞層。它確定著電子軌道的著電子軌道的能級和形狀

6、能級和形狀。 在在n n確定后，同一殼層上的電子依據(jù)角量子數(shù)確定后，同一殼層上的電子依據(jù)角量子數(shù)l l再分成再分成若干個(gè)能級大小不同的亞殼層：若干個(gè)能級大小不同的亞殼層：l= 0l= 0、1 1、2 2、3 3、4 4、55。這些亞殼層可用小寫字母這些亞殼層可用小寫字母 s s、p p、d d、f f 表示；表示；s s、p p、d d、f f 是根據(jù)四個(gè)亞殼層的光譜線特征得到的，是根據(jù)四個(gè)亞殼層的光譜線特征得到的， 即即 sharp (sharp (敏銳的敏銳的) )、principal(principal(主要的主要的), diffuse(), diffuse(漫散漫散的的), funda

7、mental(), fundamental(基本的基本的) )。 n n相同但內(nèi)殼層的軌道不同，電子的能級也不同，能量相同但內(nèi)殼層的軌道不同，電子的能級也不同，能量水平是隨水平是隨s s，p p，d d，f f 依次升高。依次升高。 10 角量子數(shù)角量子數(shù) l 的值為：的值為：0 n1【一個(gè)一個(gè)n值可以有值可以有n個(gè)個(gè)l值值】如：主量子數(shù)：如：主量子數(shù)： 1 2 3 4 角量子數(shù)角量子數(shù) ： 0 1 2 3 軌道符號：軌道符號： s p d f 軌道形狀：軌道形狀： 球形球形 啞鈴形啞鈴形 花瓣形花瓣形 同樣，同樣，l 的值越大，軌道距核越遠(yuǎn)，能量越高的值越大，軌道距核越遠(yuǎn)，能量越高l=0l=

8、1l=211（3）磁量子數(shù) m 磁量子數(shù) m 確定著軌道的數(shù)目和空間取向 對應(yīng)于每個(gè)l下的磁量子總數(shù)（軌道數(shù)）為： m = 2(l)+1一個(gè)m代表一個(gè)軌道（m在-l+l之間取整數(shù)） 如：角量子數(shù)如：角量子數(shù) 0 1 2 3 軌道符號軌道符號 s p d f 軌道數(shù)目軌道數(shù)目 1 3 5 7 m 不影響軌道能級，在沒有外加磁場的情況下，處于不影響軌道能級，在沒有外加磁場的情況下，處于同一亞殼層的電子具有相同的能量。同一亞殼層的電子具有相同的能量。 在磁場作用下，電子繞核運(yùn)動(dòng)既具有能量，還具有角在磁場作用下，電子繞核運(yùn)動(dòng)既具有能量，還具有角動(dòng)量動(dòng)量P P。P P不僅在數(shù)值上不能任意取值，而且相對于

9、磁場不僅在數(shù)值上不能任意取值，而且相對于磁場方向的取向也不是任意的且是量子化的方向的取向也不是任意的且是量子化的磁量子數(shù)磁量子數(shù) （0）（）（-1，0，+1）（）（-2，-1，0，+1，+2）12 s、p、d電子云的角度分布圖13（4 4）自旋量子數(shù)）自旋量子數(shù) m ms s 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) m ms s并不是求解薛定諤方程得出的，并不是求解薛定諤方程得出的，它是人們研究氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，證實(shí)了每個(gè)軌道它是人們研究氫光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，證實(shí)了每個(gè)軌道上存在著上存在著自旋相反的兩個(gè)電子自旋相反的兩個(gè)電子，為了表達(dá)這兩個(gè)電子，為了表達(dá)這兩個(gè)電子的區(qū)別，引出的第四個(gè)量子數(shù)。它只有的區(qū)別，引出的

10、第四個(gè)量子數(shù)。它只有1/21/2、1/21/2兩個(gè)取值。表示為兩個(gè)取值。表示為、。原子核外電子的狀態(tài)由這四個(gè)量子數(shù)確定原子核外電子的狀態(tài)由這四個(gè)量子數(shù)確定14電子分布情況電子分布情況原則：1）泡利不相容原理）泡利不相容原理2）電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道）電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道角量子數(shù)和自旋量子數(shù)主量子數(shù)和次量子數(shù)電子能量分布情況電子能量分布情況電子能量隨主量子數(shù)n的增加而升高；同一殼層的能量按s、p、d、f次序依次升高相鄰殼層的能量范圍有重疊現(xiàn)象；3) 洪特規(guī)則：同一亞殼層的能量等價(jià)的軌道上，電子總是盡洪特規(guī)則：同一亞殼層的能量等價(jià)的軌道上，電子總是盡可能地分別占據(jù)不同的軌道，且自旋方

11、向相同。可能地分別占據(jù)不同的軌道，且自旋方向相同。15 主量子數(shù)為主量子數(shù)為n n的殼層中最多能容納的電子數(shù)為的殼層中最多能容納的電子數(shù)為2n22n216sspspdspdspdspdspdfff1234567主量子數(shù)n能量水平：1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-相鄰殼層的能量范圍有重疊現(xiàn)象。相鄰殼層的能量范圍有重疊現(xiàn)象。172、元素周期表元素周期表（periodic Table of the Elements)元素（元素（Element）：）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數(shù)種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)是劃

12、分元素的依據(jù)同位素（同位素（Isotope）：）：具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的同一元素的原子 元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（Free State& Combined Form)7個(gè)橫行（個(gè)橫行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序數(shù)（按原子序數(shù)（Atomic Number)遞遞增的順序從左至右排列增的順序從左至右排列18個(gè)縱行（個(gè)縱行（column）16族（族（Group），），7個(gè)主族、個(gè)主族、7個(gè)副族、個(gè)副族、1個(gè)個(gè)族、族、1個(gè)零個(gè)零族（族（Inert Gases）

13、最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下最外層的電子數(shù)相同，按電子殼層數(shù)遞增的順序從上而下排列。排列。121314121314666666C C ，C ，C，C ，C原子序數(shù)核電荷數(shù)原子序數(shù)核電荷數(shù) 周期序數(shù)電子殼層數(shù)周期序數(shù)電子殼層數(shù)主族序數(shù)最主族序數(shù)最 外外 層層 電電 子子 數(shù)數(shù) 零族元素最外層電子數(shù)為零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為（氦為2） 價(jià)電子數(shù)價(jià)電子數(shù)（Valence electron） 電離核核電電荷荷 ，原原子子半半徑徑 能能 ，失失電電子子能能力力 ，得得電電子子能能力力 最最外外層層電電子子數(shù)數(shù)相相同同，電電子子層層數(shù)數(shù) ，原原子子半半徑徑 電電離離能能 ，失失

14、電電子子能能力力 ，得得電電子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金屬屬性性 ，非非金金屬屬性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金屬屬性性 ，非非金金屬屬性性 18191）價(jià)電子：指原子核外電子中能與其他原子相互作用形成）價(jià)電子：指原子核外電子中能與其他原子相互作用形成化學(xué)鍵的電子化學(xué)鍵的電子 。價(jià)電子直接參與原子間的結(jié)合，對材料的。價(jià)電子直接參與原子間的結(jié)合，對材料的物理、化學(xué)等性能有很大的影響。物理、化學(xué)等性能有很大的影響。2）原子價(jià)：）原子價(jià)：原子價(jià)原子價(jià)(valence)(valence)是指一種原子和其他原子之間是指一種原子和其他原子之間化合的能力。這是由電子排列最外層

15、的化合的能力。這是由電子排列最外層的s s態(tài)、態(tài)、p p態(tài)能級中的態(tài)能級中的電子數(shù)所決定。電子數(shù)所決定。203）過渡元素）過渡元素 周期表中部的周期表中部的B-BB-B對應(yīng)著內(nèi)殼層電子逐漸填充的對應(yīng)著內(nèi)殼層電子逐漸填充的過程，內(nèi)殼層未填滿的元素稱為過渡元素。過程，內(nèi)殼層未填滿的元素稱為過渡元素。特點(diǎn)：外層電子狀態(tài)沒有改變，都只有特點(diǎn)：外層電子狀態(tài)沒有改變，都只有1-21-2個(gè)價(jià)電子，具個(gè)價(jià)電子，具有典型的金屬性。有典型的金屬性。4）電負(fù)性）電負(fù)性衡量原子吸引電子能力的參數(shù)衡量原子吸引電子能力的參數(shù)特點(diǎn)：電負(fù)性越強(qiáng)，吸引電子能力越強(qiáng)，數(shù)值越大；特點(diǎn)：電負(fù)性越強(qiáng)，吸引電子能力越強(qiáng)，數(shù)值越大； 在同

16、一周期內(nèi)，自左至右電負(fù)性逐漸增大；在同一族內(nèi)自上至下在同一周期內(nèi)，自左至右電負(fù)性逐漸增大；在同一族內(nèi)自上至下電負(fù)性數(shù)據(jù)逐漸減小。電負(fù)性數(shù)據(jù)逐漸減小。 解釋IB與IA元素的活潑性？2223二、原子結(jié)合鍵二、原子結(jié)合鍵鍵一次鍵離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵化學(xué)鍵、主價(jià)鍵二次鍵范德瓦耳斯鍵氫鍵物理鍵、次價(jià)鍵介于物理鍵和化學(xué)鍵之間依靠外殼層依靠外殼層電子轉(zhuǎn)移或電子轉(zhuǎn)移或共享以形成共享以形成穩(wěn)定的電子穩(wěn)定的電子殼層使原子殼層使原子結(jié)合起來結(jié)合起來原子或分子本身已具有穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，原子或分子本身已具有穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，不能依靠電子轉(zhuǎn)移或共享來結(jié)合而只能不能依靠電子轉(zhuǎn)移或共享來結(jié)合而只能借助原子之間的偶極吸引力結(jié)合借助

17、原子之間的偶極吸引力結(jié)合1、鍵的種類、鍵的種類（根據(jù)結(jié)合力強(qiáng)弱）24 1 1）離子鍵）離子鍵（Ionic bonding)Ionic bonding) 多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物l以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，且無方向性，無飽和性排列，且無方向性，無飽和性性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體良好電絕緣體靜靜電電鍵鍵引引力力 離離子子 實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)： 金屬原子金屬原子 帶正電的正離子（帶正電的正離子（CationCation） 非金屬原子非金屬原子 帶負(fù)電的負(fù)離子（帶負(fù)電的負(fù)離子（

18、anionanion） e 典型代表：典型代表：特點(diǎn)：特點(diǎn)：MgO, Mg2Si, CuO25l2）共價(jià)鍵（covalent bonding）l 亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料l實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對而成 鍵電對鍵鍵兩鍵間極性(Polar bonding):共用子偏于某成原子極性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非極性（Nonpolar bonding): 位于成原子中非極性（Nonpolar bonding): 位于成原子中l(wèi)飽和性飽和性 配位數(shù)較小配位數(shù)較小 ，方，方向性（向性（s s電子除外）電子除外）l性質(zhì)：熔點(diǎn)高

19、、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差能力差特點(diǎn)：特點(diǎn)：263 3）金屬鍵（）金屬鍵（Metallic bondingMetallic bonding）l典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子valence electronvalence electron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（子（Free electronFree electron），），形成電子云形成電子云（electron cloudelectron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵金屬中自由電子與金屬正離

20、子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵l特點(diǎn)：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量特點(diǎn)：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)密堆結(jié)構(gòu)l性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好27 4）范德華力（Van der waals bonding) 電應(yīng)鄰電華偶極矩的感作用偶極矩的感作用近原子相互作用荷位移近原子相互作用荷位移偶極子(dipoles）范德力偶極子(dipoles）范德力l靜電力靜電力( (electrostatic)electrostatic)、誘導(dǎo)力誘導(dǎo)力( (induction)induction)和色散力和色散力( (dispersive fo

21、rce)dispersive force)l屬物理鍵屬物理鍵 ，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì)，如氣體的聚合，塑料、石蠟將大分子鏈結(jié)合變材料性質(zhì)，如氣體的聚合，塑料、石蠟將大分子鏈結(jié)合為固體。為固體。 包括：包括：極性分子之間、極性分子與非極性分子之間、非極性分子之間28l5 5）氫鍵）氫鍵（Hydrogen bondingHydrogen bonding） 極性分子鍵極性分子鍵 存在于存在于HFHF、H H2 2O O、NHNH3 3中中 ，在高分子中占，在高分子中占重要地位，氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價(jià)鍵重要地位，氫

22、原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價(jià)鍵結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引氫橋氫橋 介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性 本質(zhì)上與范德瓦耳斯鍵一樣，也是靠原本質(zhì)上與范德瓦耳斯鍵一樣，也是靠原子的偶極吸引力結(jié)合起來的，只是氫原子子的偶極吸引力結(jié)合起來的，只是氫原子起了關(guān)鍵作用！起了關(guān)鍵作用！ 在帶有-COOH、-OH、-NH2原子團(tuán)的高分子聚合物中常出現(xiàn)氫鍵，將長鏈分子結(jié)合起來； 在生物分子中如：DNA也起重要的作用可表示為：X-HY296）混合鍵）混合鍵 實(shí)際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不是很多，大部分材料的內(nèi)部

23、原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合！ （1） 共價(jià)-金屬混合鍵， （2）金屬-共價(jià)混合鍵， （3）金屬-離子混合鍵，如：IVA族元素Si、Ge、Sn、Pb電負(fù)性逐漸下降，失去電子的傾向逐漸增大，所以這幾類元素的結(jié)合就是共價(jià)鍵與金屬鍵的混合，到Pb時(shí)已成完全的金屬鍵。過渡金屬出現(xiàn)的金屬鍵和共價(jià)鍵混合鍵，可解釋高熔點(diǎn)；如：W、Mo金屬間化合物之間可形成金屬鍵與離子鍵的混合鍵，可解釋此類化合物的脆性；如：CuGe30陶瓷化合物中混合鍵（離子陶瓷化合物中混合鍵（離子-共價(jià)）情況共價(jià)）情況離子鍵的比例取決于組成元素的電負(fù)性差%100e1 %2)(41BAXX）離子鍵結(jié)合（XA、XB分別為分別為A、B的電負(fù)性數(shù)

24、值的電負(fù)性數(shù)值（記憶次公式） （4）離子）離子-共價(jià)混合鍵共價(jià)混合鍵例如，MgO從表22中查得 XMg 1.31， XO3.44，代入(2-12)式， 求得化合物中離子鍵比例為6831（5）另類混合鍵：一次鍵）另類混合鍵：一次鍵+二次鍵二次鍵如：氣體分子凝聚體； 聚合物； 石墨混合鍵的意義：混合鍵的意義：使得材料的性能可在很廣的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)！ 線性高分子材料的大分子鏈?zhǔn)枪矁r(jià)鍵結(jié)合方式，但大分子鏈之間是線性高分子材料的大分子鏈?zhǔn)枪矁r(jià)鍵結(jié)合方式，但大分子鏈之間是范德華鍵或氫鍵的結(jié)合方式。范德華鍵或氫鍵的結(jié)合方式。 現(xiàn)代復(fù)合材料是由二種或二種以上不同的材料經(jīng)特殊的成型加工復(fù)現(xiàn)代復(fù)合材料是由二種或二種以上不同的材料經(jīng)特殊的成型加工復(fù)合而成，其內(nèi)部結(jié)合鍵是混合鍵。合而成，其內(nèi)部結(jié)合鍵是混合鍵。 正是復(fù)合材料的結(jié)合方式是混合鍵，鍵合比例又隨材料的組成和正是復(fù)合材料的結(jié)合方式是混合鍵，鍵合比例又隨材料的組成和種類而變化，故復(fù)合材料的性能豐富又多樣。種類而變化，故復(fù)合材料的性能豐富又多樣