材料的原子結構和原子間的結合鍵

材料的原子結構和原子間的結合鍵第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日2023/2/13第三章材料的原子結構和原子間的結合鍵第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日材料的原子結構和原子間的結合鍵

2023/2/13內(nèi)容簡介：本章主要講述了各種材料的原子結構和原子特性，并介紹了原子間結合鍵種類及材料的分類。本章重點：3.1材料結構和原子特性；3.3原子間的結合鍵；第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日2023/2/13概述

在外界條件固定時，材料的性能取決于材料內(nèi)部的構造，即組成材料的原子種類和含量（稱為成分）以及它們的排列方式和空間分布（稱為組織結構）。我們研究材料結構與性能之間的關系，首先必須弄清楚組成材料的原子結構以及相互之間的結合特點。第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日第一節(jié)材料結構和原子特性

2023/2/13學習目標：

1.了解材料結構的基本涵義；2.理解原子結構、量子力學的基本概念。第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日材料結構和原子特性材料結構的涵義：材料結構是指組成材料的原子（或離子、分子）相互結合的方式或構成的形式（這些形式稱為結構要素）以及結構要素按一定次序的組合、排列及相互間的各種聯(lián)系。

材料結構包括以下內(nèi)容：1.組成材料原子（或離子、分子）的構造2.組成材料原子（或離子、分子）間的結合3.組成材料原子（或離子、分子）的排列4.材料結構內(nèi)存在的缺陷

材料結構從宏觀到微觀，即按研究的層次，大致可分為宏觀組織結構、顯微組織結構、原子或分子排列結構、原子中的電子結構等。第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子特性——原子結構二、原子特性（一）原子結構在結構上，原子核是由帶正電荷的粒子即質(zhì)子和不帶電荷的粒子即中子組成。質(zhì)子數(shù)也即原子序數(shù)（Z），決定了元素的本性。核內(nèi)質(zhì)子和中子的總數(shù)決定了原于量。每個原子的原子核周圍有電子圍繞。

原子的軌道電子或電子云，能被電力、磁力和機械力所改變或干憂。這種改變和和干擾對工程材料的性能，如導電性、導熱性、磁性和抗腐蝕性等產(chǎn)生很大的影響。第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子特性——量子力學基本概念(二)量子力學幾個基本概念1．微觀粒子的波粒兩象性

2．海森堡測不準原理第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子特征—核外電子（三）核外電子電子在原子中的運動狀態(tài)是由主量子數(shù)、角量子數(shù)、磁量子數(shù)和自旋量子數(shù)，對應著一個特定的波函數(shù)ψ。在多電子的原子中，電子的分布必須遵守泡利不相容原理、能量最低原理和最多軌道原理（洪特規(guī)則）。第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日第二節(jié)原子間作用力和結合能學習目標：1.掌握原子的聚集態(tài)分類；2.了解原子間作用力和結合能。第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子的聚集態(tài)一、原子的聚集態(tài)：

除了在某些特殊條件下之外，元素難得以原子態(tài)存在，基本上均以分子或液態(tài)及固態(tài)存在，后二者統(tǒng)稱為凝聚態(tài)。根據(jù)結合鍵的不同狀態(tài)，可把凝聚態(tài)分成五大類：液體、液晶、橡膠態(tài)、玻璃態(tài)和晶態(tài)。第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日聚集態(tài)原子間作用力和結合能二、聚集態(tài)原子間作用力和結合能圖3-1勢能及作用力與原子間距離的關系

第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日聚集態(tài)原子間作用力和結合能

從圖3-1可看到，當原子間距r很大時，原子之間的作用力很?。划斣与x開得更遠時（無限距離），相互間作用力趨近于零，位能也是如此。當原子間距離r較小時，存在著很大的吸引力，勢必把原子拉在一起，當原子更接近即r=r0時，終于達到原子間吸引力與排斥力相平衡，換言之，力的和等于零，此時原子對的位能為最小值，該能量代表了原子間的鍵能，該位置是原子最穩(wěn)定的構型，該間距稱為平衡間距。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日第三節(jié)原子間的結合鍵學習目標：1.掌握結合鍵的概念；2.了解各種結合鍵第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子間的結合鍵

原子之間的結合力，也稱結合鍵．它主要表現(xiàn)為原子間吸引力和排斥力的合力結果。結合鍵可大致分為兩類：化學鍵和物理鍵或稱一次鍵和二次鍵。化學鍵（一次鍵）通常指離子鍵、共價鍵和金屬鍵，而物理鍵（二次鍵）則是范德瓦爾斯鍵和氫鍵．第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子間的結合鍵原子間的結合鍵金屬鍵分子鍵共價鍵離子鍵氫鍵第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日離子鍵一、離子鍵：

正離子和負離子由于靜電引力相互吸引，當它們充分接近時會產(chǎn)生排斥，引力和斥力相等即形成穩(wěn)定的離子鍵。離子鍵要求正負離子相間排列，而且要使異號離子之間的引力最大，同號離子之間的斥力最小。離子鍵的結合力比較大，所以離子晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系數(shù)小，但脆性大。例如MgO、Al2O3和鋼中的某些非金屬夾雜等。第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日共價鍵二、共價鍵：

由共用價電子對產(chǎn)生的化學鍵叫做共價鍵。由共價鍵形成的晶體為共價晶體。共價晶體中的粒子為中性原子，所以也叫做原子晶體。具有代表性的共價晶體為金剛石。共價鍵的結合力很大，所以共價晶體具有強度高、硬度大、脆性大、熔點高、沸點高和揮發(fā)性低等性質(zhì)，結構也比較穩(wěn)定。由于相鄰原子所共有的電子不能自由運動，共價晶體的導電能力較差。第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日金屬鍵三、金屬鍵

正離子和電子氣之間產(chǎn)生強烈的靜電吸引力，使全部離子結合起來，這種結合力就叫做金屬鍵。由金屬鍵結合起來的晶體為金屬晶體。由于存在自由電子，金屬就具有高導電性和導熱性，自由電子能吸收光波能量，產(chǎn)生躍遷，從而表現(xiàn)出有金屬光澤、不透明。另外，金屬鍵無所謂的飽和性和方向性。第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日分子健（范德瓦爾斯力）四、分子健（范德瓦爾斯力）范德瓦爾斯鍵有3個來源：①偶極間的靜電力（葛生力）②誘導力（德拜力）③色散力（倫敦力）

晶體幾種不同結合鍵中，離子鍵結合能最高，共價鍵其次，金屬鍵第三，而范德瓦爾鍵最弱。第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日氫鍵五、氫鍵：在含氫的物質(zhì)中，特別是含氫的聚合物中，經(jīng)常可以見到由氫離子所引起的鍵。一般一個中性氫原子只和一個另外的原子形成共價鍵。但是在一定的條件下，一個氫原子可以同時與兩個電子親合能大的，半徑較小的原子（F、O、N等）相結合，這種結合力叫氫鍵。氫鍵結合起來的晶體為氫鍵晶體。水、冰中都有氫鍵，化工材料硼酸就是典型的氫鍵晶體。第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日第四節(jié)原子間結合鍵與材料類型及性質(zhì)學習目標：1.了解原子間結合鍵與材料類型的關系；2.了解原子間結合鍵與材料性質(zhì)的關系。第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子間結合鍵與材料類型一、原子間結合鍵與材料類型工程上主要根據(jù)固體中的結合鍵的特點或本性將材料分為以下四類：（1）金屬材料（2）高分子材料（3）陶瓷材料（4）復合材料第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子間結合鍵與材料性質(zhì)二、原子間結合鍵與材料性質(zhì)(一)原子間結合鍵與材料的彈性模量金屬材料彈性模量的主要由晶體中原子的本性，晶格類型以及晶格常數(shù)等因素決定。在無機非金屬材料中，金剛石具有極高的彈性量；硅酸鹽材料一般也具有較高的彈性模量，原因在于硅酸鹽材料的結合鍵主要是共價鍵和離子鍵，故鍵合力大。有機高分子材料的彈性模量很低，且在相當大的范圍內(nèi)變化，這與其結合鍵的性質(zhì)有關。第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日原子間結合鍵與材料性質(zhì)（二）原子間結合鍵與材料其它性能材料的密度由原子量、原子半徑