原子結(jié)構(gòu)和鍵合

原子結(jié)構(gòu)和鍵合第1頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合

AtomicStructureandInteratomicBonding物質(zhì)是由原子組成材料科學(xué)中，最為關(guān)心原子的電子結(jié)構(gòu)原子的電子結(jié)構(gòu)—原子間鍵合本質(zhì)決定材料分類：金屬陶瓷高分子材料性能：物化力學(xué)第2頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※1原子結(jié)構(gòu)（AtomicStructure）1.1、物質(zhì)的組成（SubstanceConstruction）分子(Molecule)：?jiǎn)为?dú)存在且能保存物質(zhì)化學(xué)特性dH2O=0.2nmM(H2)為2M(protein)為百萬(wàn)原子（Atom）：化學(xué)變化中最小微粒第3頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.2、原子的結(jié)構(gòu)(structureofatomic)1879年

J.JThomson發(fā)現(xiàn)電子（electron),揭示了原子內(nèi)部秘密1911年E.Rutherford提出原子結(jié)構(gòu)有核模型1913年N.Bohr將

Bohratomicmodel第4頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

科學(xué)家在研究稀薄氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玻璃管內(nèi)的氣體足夠稀薄時(shí)，陰極就發(fā)出一種射線，這種射線能使對(duì)著陰極的玻璃管發(fā)出熒光，叫做陰極射線。1897年他確認(rèn)陰極射線是帶負(fù)電的粒子。同時(shí)，他還研究了陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算出這種帶電粒子的荷質(zhì)比e/m。發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)的陰極發(fā)出的射線都有相同e/m

值，這表明不同物質(zhì)都能發(fā)射這種帶電粒子，它是構(gòu)成物質(zhì)的共有成分。

湯姆生測(cè)得陰極射線粒子的荷質(zhì)比，大約是氫離子的荷質(zhì)比的2000倍。試驗(yàn)測(cè)出，氫離子與陰極射線粒子的電荷大小基本相同，這就說(shuō)明陰極射線粒子的質(zhì)量比氫離子的質(zhì)量小得多，后來(lái)，人們就把這種粒子叫做電子。由于電子的發(fā)現(xiàn)，人們認(rèn)識(shí)到原子是可再分的，此后人們圍繞原子結(jié)構(gòu)問(wèn)題推動(dòng)了原子物理的發(fā)展.J.JThomson實(shí)驗(yàn)湯普森原子模型.swf第5頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五根據(jù)湯姆生模型計(jì)算的結(jié)果，α粒子穿過(guò)金箔后偏離原來(lái)方向的角度是很小的。因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量很小，不到α粒子的七千分之一，α粒于碰到它，就像飛行著的子彈碰到一粒塵埃一樣。運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯的改變；正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到的原子內(nèi)部?jī)蓚?cè)正電荷的斥力相當(dāng)大一部分互相抵消，使α粒于偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)很大。然而實(shí)驗(yàn)卻得到了出乎意料的結(jié)果。少數(shù)粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角超過(guò)了90°，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180°。實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的α粒子大角度散射現(xiàn)象，使盧瑟福感到驚奇。因?yàn)檫@需要有很強(qiáng)的相互作用力，除非原子的大部分質(zhì)量和電荷集中到一個(gè)很小的核上，大角度的散射是不可能的。為了解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，盧瑟福在1911年提出了如下的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)：在原子的中已有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。原子核所帶的單位正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個(gè)原子是中性的。電子繞核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對(duì)它的庫(kù)侖引力。E.Rutherford實(shí)驗(yàn)盧瑟福散射實(shí)驗(yàn).swf第6頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五質(zhì)子:帶有正電荷，m＝1.6726×10-27kg原子原子核:位于原子中心、帶正電核外電子:核外高速旋轉(zhuǎn)，帶負(fù)電，按能量高低排列,形成電子云m＝9.109510kg，約為質(zhì)子的1/1836中子:電中性，m＝1.6748×10-27kg第7頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五主量子數(shù)n

它規(guī)定了核外電子離核的遠(yuǎn)近和能量的高低。n取正整數(shù)1，2，3，4等。n值越大，表示電子離原子核越遠(yuǎn)，能量越高。反之n越小，則電子離核越近，能量越低。這也相當(dāng)于把核外電子分為不同的電子層，凡n相同的電子屬于同一層。習(xí)慣用K,L,M,N,O,P來(lái)代表n=1，2，3，4，5，6的電子層。描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantumnumbers）表示第8頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五軌道角動(dòng)量量子數(shù)li描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantumnumbers）表示描述的是電子在原子核外出現(xiàn)的幾率密度隨空間角度的變化，即決定原子軌道或電子云的形狀。li可取小于n的正整數(shù)，即0，1，2，，n-1，如n=4，l可以是0，1，2，3，相應(yīng)的符號(hào)是s,p,d,f

當(dāng)n相同時(shí)，li越大，電子的能量越高。因此，常把n相同，li不同的狀態(tài)稱為電子亞層，一個(gè)電子層可以分為幾個(gè)亞層。第9頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantumnumbers）表示磁量子數(shù)Mi規(guī)定電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在空間伸展的取向。m的數(shù)值可取0，±1，±2，……±l。對(duì)某個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可有2i+1個(gè)伸展方向。s軌道的l=0,所以只有一種取向，它是球?qū)ΨQ的。P軌道i=1,m=-1,0,+1,所以有三種取向，用px,py,和pz表示。第10頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantumnumbers）表示自旋角動(dòng)量量子數(shù)si電子除繞原子核運(yùn)動(dòng)外，它本身還做自旋運(yùn)動(dòng)。電子自旋運(yùn)動(dòng)有順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向，分別用si=+1/2和si=-1/2表示，也常用↑和↓符號(hào)表示自旋方向相反的電子。第11頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantumnumbers）表示小結(jié)：四個(gè)量子數(shù)規(guī)定了核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每個(gè)電子都可以用上述的四個(gè)量子數(shù)的一套數(shù)據(jù)來(lái)描述其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（對(duì)應(yīng)著一個(gè)波函數(shù)），同一原子中沒(méi)有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子。換句話說(shuō)，在同一原子中的各個(gè)電子，它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不可能完全相同，即四個(gè)量子數(shù)中至少有一個(gè)量子數(shù)是不同的。第12頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantumnumbers）表示四個(gè)量子數(shù)的意義電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)量子數(shù)意義作用

軌道運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主量子數(shù)n“軌道”半徑大小決定“電子層”角量子數(shù)li“軌道”形狀決定“電子亞層”磁量子數(shù)Mi“軌道”的取向決定“電子軌道”自旋運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自旋量子數(shù)si電子自旋方向決定軌道電子數(shù)第13頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五核外電子的排布（electronconfiguration)規(guī)律全充滿半充滿

全空自旋方向相同能量最低原理（MinimumEnergyprinciple)電子總是占據(jù)能量的殼層

1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（PauliExclusionprinciple):2n2

Hund原則（Hund'Rule)

泡利(Pauli)不相容原理在同一原子中，不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子存在。每一個(gè)軌道內(nèi)最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。第14頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五核外電子的排布（electronconfiguration)規(guī)律

泡利(Pauli)不相容原理在同一原子中，不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子存在。每一個(gè)軌道內(nèi)最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。能量最低原理多電子原子處在基態(tài)時(shí)，核外電子的分布在不違反泡利原理的前提下，總是盡先分布在能量較低的軌道，以使原子處于能量最低的狀態(tài)。

全充滿半充滿

全空自旋方向相同能量最低原理（MinimumEnergyprinciple)電子總是占據(jù)能量的殼層

1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（PauliExclusionprinciple):2n2

Hund原則（Hund'Rule)第15頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五核外電子的排布（electronconfiguration)規(guī)律

泡利(Pauli)不相容原理在同一原子中，不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子存在。每一個(gè)軌道內(nèi)最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。能量最低原理多電子原子處在基態(tài)時(shí)，核外電子的分布在不違反泡利原理的前提下，總是盡先分布在能量較低的軌道，以使原子處于能量最低的狀態(tài)。

洪特(Hund)規(guī)則

原子在同一亞層的等價(jià)軌道上分布電子時(shí)，將盡可能單獨(dú)分布在不同的軌道，而且自旋方向相同(或稱自旋平行)。全充滿半充滿

全空自旋方向相同能量最低原理（MinimumEnergyprinciple)電子總是占據(jù)能量的殼層

1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（PauliExclusionprinciple):2n2

Hund原則（Hund'Rule)第16頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五核外電子的排布（electronconfiguration)規(guī)律

泡利(Pauli)不相容原理在同一原子中，不可能有四個(gè)量子數(shù)完全相同的電子存在。每一個(gè)軌道內(nèi)最多只能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子。能量最低原理多電子原子處在基態(tài)時(shí)，核外電子的分布在不違反泡利原理的前提下，總是盡先分布在能量較低的軌道，以使原子處于能量最低的狀態(tài)。

洪特(Hund)規(guī)則

原子在同一亞層的等價(jià)軌道上分布電子時(shí)，將盡可能單獨(dú)分布在不同的軌道，而且自旋方向相同(或稱自旋平行)。全充滿半充滿

全空自旋方向相同能量最低原理（MinimumEnergyprinciple)電子總是占據(jù)能量的殼層

1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（PauliExclusionprinciple):2n2

Hund原則（Hund'Rule)第17頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三、元素周期表（periodicTableoftheElements)元素（Element）：具有相同核電荷的同一類原子總稱，共116種，核電荷數(shù)是劃分元素的依據(jù)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

元素有兩種存在狀態(tài)：游離態(tài)和化合態(tài)（FreeState&CombinedForm)7個(gè)橫行（Horizontalrows)周期（period）按原子序數(shù)（AtomicNumber)遞增的順序從左至右排列18個(gè)縱行（column）16族（Group），7個(gè)主族、7個(gè)副族、1個(gè)Ⅷ族、1個(gè)零族（InertGases）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。原子序數(shù)＝核電荷數(shù)周期序數(shù)＝電子殼層數(shù)主族序數(shù)＝最外層電子數(shù)零族元素最外層電子數(shù)為8（氦為2）價(jià)電子數(shù)（Valenceelectron）第18頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第19頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※2原子間的鍵合

(

Bondingtypewithotheratom)一、金屬鍵（Metallicbonding）典型金屬原子結(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)電子（valenceelectron）極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Freeelectron），形成電子云（electroncloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵特點(diǎn)：電子共有化，既無(wú)飽和性又無(wú)方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好第20頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第21頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二、離子鍵（Ionicbonding)

多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物特點(diǎn)：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(wú)方向性，無(wú)飽和性性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體實(shí)質(zhì)：金屬原子帶正電的正離子（Cation）

非金屬原子帶負(fù)電的負(fù)離子（anion）e第22頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三、共價(jià)鍵（covalentbonding）亞金屬（C、Si、Sn、Ge），聚合物和無(wú)機(jī)非金屬材料實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過(guò)共用電子對(duì)而成

特點(diǎn)：飽和性配位數(shù)較小，方向性（s電子除外）性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差第23頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五四、范德華力（Vanderwaalsbonding)包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersiveforce)屬物理鍵，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì)五、氫鍵（Hydrogenbonding）

極性分子鍵存在于HF、H2O、NH3中，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)鍵結(jié)合），裸露原子核將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引——?dú)錁蚪橛诨瘜W(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性第24頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※3高分子鏈（HighpolymerChain)第25頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五近程結(jié)構(gòu)（short-rangeStructure)一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（theChemistryofmerunito)1.碳鏈高分子聚乙烯主鏈以C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié)加聚反應(yīng)制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯雜鏈高分子

滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價(jià)鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對(duì)苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等第26頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3.元素有機(jī)高分子硅橡膠

主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側(cè)鏈則有機(jī)基團(tuán)，故兼有無(wú)機(jī)高分子和有機(jī)高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠4.無(wú)機(jī)高分子二硫化硅

聚二氯—氮化磷主鏈既不含C原子，也不含有機(jī)基團(tuán)，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解第27頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bondingtape）1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序單烯類單體中除乙烯分子是完全對(duì)稱的，其結(jié)構(gòu)單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對(duì)稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭—頭尾—尾頭—尾雙烯類高聚物中，則更復(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開(kāi)啟位置而不同第28頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers）

按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為第29頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（structure）不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀—熱固性（thermosetting）

第30頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月20日，星期五四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecularconfigurations）鏈的構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過(guò)化學(xué)鍵斷裂才行第31頁(yè)，共36頁(yè)，2023年，2月2