材料科學基礎原子結構與鍵合答案

1、2021/1/42章章 目目 錄錄1.1 1.1 原子結構及其周期性原子結構及其周期性1.2 1.2 原子間的鍵合原子間的鍵合1.3 1.3 高分子鏈高分子鏈2021/1/43結結 構構 的的 四四 個個 層層 次次成分、加工工藝共同決定著材料的結構，材料的內部結構決定了材料的性能。成分、加工工藝共同決定著材料的結構，材料的內部結構決定了材料的性能。材料結構分為四個層次材料結構分為四個層次: 原子結構原子結構 原子結合鍵原子結合鍵 成分成分 原子排列原子排列 相結構相結構加工工藝加工工藝2021/1/441.1 1.1 原子結構及其周期性原子結構及其周期性原子核原子核 + + 電子電子1922

2、年獲得諾貝爾獎（物理學）年獲得諾貝爾獎（物理學）2021/1/45一、核外電子分布一、核外電子分布 核外電子的運動狀態(tài)，由四個量子數(shù)決定。核外電子的運動狀態(tài)，由四個量子數(shù)決定。 主量子數(shù)主量子數(shù) n = 1 n = 1、2 2、3 3 距核遠近、能量高低。距核遠近、能量高低。 角量子數(shù)角量子數(shù) l = 0 l = 0、1 1、2 2 電子云形狀、能量高低。電子云形狀、能量高低。 磁量子數(shù)磁量子數(shù) m = 0 m = 0、 、 電子軌道空間取向電子軌道空間取向 自旋量子數(shù)自旋量子數(shù) = = 電子自旋方向電子自旋方向12212021/1/46電子軌道電子軌道 將不同組合的量子數(shù)代入薛定諤方程求解，

3、將不同組合的量子數(shù)代入薛定諤方程求解，得到四種電子分布的波函數(shù)得到四種電子分布的波函數(shù) 電子軌道電子軌道s s 一種組態(tài)（球對稱）一種組態(tài)（球對稱） 2 2p p 三種組態(tài)（軸對稱）三種組態(tài)（軸對稱） 6 6d d 五種組態(tài)五種組態(tài) 10 10f f 七種組態(tài)七種組態(tài) 14 142021/1/47軌道空間分布示意圖軌道空間分布示意圖yxzxxzp-p-軌道空間分布示意圖軌道空間分布示意圖2021/1/48電子分布須遵循的兩個原則：電子分布須遵循的兩個原則：泡利不相容原則泡利不相容原則 一個原子中，不可能存在有四個量子數(shù)完全一個原子中，不可能存在有四個量子數(shù)完全 相同的兩個電子。相同的兩個電子。

4、能量最低原則能量最低原則 電子總是優(yōu)先占據能量較低的軌道，使系統(tǒng)電子總是優(yōu)先占據能量較低的軌道，使系統(tǒng) 的能量處于穩(wěn)定的狀態(tài)。的能量處于穩(wěn)定的狀態(tài)。2021/1/49二、原子結構的周期規(guī)律二、原子結構的周期規(guī)律 周期表中，周期數(shù)周期表中，周期數(shù) 代表了電子主層數(shù)代表了電子主層數(shù)n。1、元素的周期性、元素的周期性1、2、3為短周期，外層電子只有為短周期，外層電子只有s、p次層。次層。4、5、6、7為長周期，除為長周期，除s、p次層外，還有次層外，還有d層電子。層電子。6、7周期中，除周期中，除s、p、d外，還填入了外，還填入了f層電子。層電子。s sp pd df f2021/1/4102021

5、/1/4112 2、主族元素、主族元素 A AAA分別填入外層分別填入外層s s、p p電子（電子（2+6=82+6=8），原子的電負性和化學性質由此呈周期變化。），原子的電負性和化學性質由此呈周期變化。活潑金屬活潑金屬非金屬非金屬惰性元素。惰性元素。以半金屬元素以半金屬元素AA為中心，可作為材料使用；性質活潑的元素不宜用作材料。為中心，可作為材料使用；性質活潑的元素不宜用作材料。2021/1/4123 3、副族元素、副族元素 B BBB分別填入分別填入d內層電子（共內層電子（共10個）。個）。由于外層由于外層s電子為電子為1、2個，幾乎相同，化學性質變化不大，統(tǒng)稱個，幾乎相同，化學性質變化不

6、大，統(tǒng)稱“過渡族元素過渡族元素”。因核內正電荷數(shù)目增加，對外層電子吸引力增大，穩(wěn)定性上升。因核內正電荷數(shù)目增加，對外層電子吸引力增大，穩(wěn)定性上升。材料元素的重點選擇區(qū)域。材料元素的重點選擇區(qū)域。2021/1/4134 4、鑭系、錒系、鑭系、錒系分別填入分別填入f內層電子（共內層電子（共14個）。個）。因外層因外層s電子都是電子都是2，化學性質非常接近，統(tǒng)稱，化學性質非常接近，統(tǒng)稱“稀土元素稀土元素”。由于由于f層內有許多空軌道，相互間能級差很小，易于激發(fā)，因而具有重要的功能效應。層內有許多空軌道，相互間能級差很小，易于激發(fā)，因而具有重要的功能效應。 例如：長余輝稀土鋁酸鹽材料。例如：長余輝稀土

7、鋁酸鹽材料。2021/1/4145 5、電負性、電負性周期表中由左至右、由下到上，電負性周期表中由左至右、由下到上，電負性。同族、同周期元素有相似的性質特點。同族、同周期元素有相似的性質特點。例如：例如： 具有低溫超導性，在它周圍的、具有低溫超導性，在它周圍的、V V、也有、也有這一特性。這一特性。 S S化物、化物、化物同族，都有光電特性。化物、化物、化物同族，都有光電特性。s sp pd df f2021/1/4151.2 1.2 原子間的鍵合原子間的鍵合金屬鍵（Metallic bonding）金屬鍵（Metallic bonding）化學鍵（Chemical bonding）離子鍵（I

8、onic bonding）主化學鍵（Chemical bonding）離子鍵（Ionic bonding）主價鍵primary interatomic bonds價鍵primary interatomic bonds共價鍵（covalent bonding）共價鍵（covalent bonding）物理鍵（physical bonding),次價鍵(Secondary bond物理鍵（physical bonding),次價鍵(Secondary bonding)ing)，亦稱Van der Waals bonding，亦稱Van der Waals bonding氫鍵（Hydrogen-bo

9、ndin氫鍵（Hydrogen-bondin和g) g) 介于化學鍵范德華力之間介于化學鍵范德華力之間l1 1、金屬鍵（、金屬鍵（ ）典型金屬原子結構：最外層電子數(shù)很少，即價電子（典型金屬原子結構：最外層電子數(shù)很少，即價電子（ ）極易）極易 掙脫原子核之束縛而掙脫原子核之束縛而成為自由電子（成為自由電子（ ），形成電子云（），形成電子云（ ）金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱為金屬）金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱為金屬鍵鍵l性質：良好導電、導熱性能，延展性好性質：良好導電、導熱性能，延展性好2021/1/4162、離子鍵（ ) l 特點：以離子而不是以原子為結合單元，要求正負離

10、子相間排列，且無方向性，無飽和性l 性質：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體l3、共價鍵（ ）l 亞金屬（C、 ），聚合物和無機非金屬材料l實質：由二個或多個電負性差不大的原子間通過共用電子對而成 l 鍵電對鍵鍵兩鍵間極極 性性( (P Po ol la ar r b bo on nd di in ng g) ): :共共 用用子子偏偏 于于 某某 成成原原 子子非非 極極 性性（ N No on np po ol la ar r b bo on nd di in ng g) ): : 位位 于于成成原原 子子 中中l(wèi)特點：飽和性 配位數(shù)較小 ，方向性（s電子除外）l性質：熔點高、質硬脆、導電能力

11、差 實質： 金屬原子 帶正電的正離子（） 非金屬原子 帶負電的負離子（） 2021/1/4174 4、范德華力、范德華力次價鍵，偶極作用，沒有方向性和次價鍵，偶極作用，沒有方向性和飽和性。鍵能弱（幾數(shù)十）。飽和性。鍵能弱（幾數(shù)十）。5 5、氫鍵：、氫鍵：次價鍵。次價鍵。H H與電負性很大、原子半徑較小與電負性很大、原子半徑較小的的O O、F F、N N等結合而產生的較強的鍵力，等結合而產生的較強的鍵力，幾十幾十 ，有方向性和飽和性。，有方向性和飽和性。2021/1/4181.3高分子鏈（ ）鏈結結態(tài)結（S St tr ru uc ct tu ur re e o of f a ag gg gr

12、re eg ga at ti io on n s st ta at te e) )（C Ch ha ai in n S St tr ru uc ct tu ur re e) )構構高高分分子子構構聚聚集集構構應 發(fā)劑過鍵將單單應 縮應 學應釋產（p pl lo oy yc co on nd de en ns sa at ti io on n) ) （p po ol ly ya ad dd di it ti io on n) ) 加加聚聚反反添添加加引引通通共共價價分分子子聚聚合合 體體聚聚合合反反聚聚反反化化反反，放放出出副副品品 結結屬學結鏈結遠結結態(tài)鏈順近近程程構構：一一次次構構 于于化化

13、構構構構程程構構：二二次次構構 分分子子量量、形形、的的柔柔性性、構構象象2021/1/419近程結構（ )一、結構單元的化學組成（ )1.碳鏈高分子HHCCHH聚乙烯l主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結，加聚反應制得l如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯l2.2.雜鏈高分子雜鏈高分子 滌綸滌綸OOHHCCOCCOHH l主鏈除C原子外還有其它原子如O、N 、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等2021/1/4203.3.元素有機高分子元素有機高分子 硅橡膠硅橡膠 主鏈中不含主鏈中不含C C原子，而由、原子，而由、 B B

14、、P P 、 、等元素與、等元素與O O組成，其側鏈則有機基團，故兼組成，其側鏈則有機基團，故兼有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠性，如硅橡膠l4.無機高分子 二硫化硅l 33CHSiOCH/i/SSSSSiSSSClClPNPNClCll主鏈既不含C原子，也不含有機基團，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，并易水解聚二氯氮化磷2021/1/421二、高分子鏈結構單元的鍵合方式（二、高分子鏈結構單元的鍵合方式（ ）1.1.均聚物結構單元鍵

15、接順序均聚物結構單元鍵接順序 單烯類單體中單烯類單體中 除乙烯分子是完全對稱的，其結構單元在分子鏈中的鍵接方法除乙烯分子是完全對稱的，其結構單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭頭22CHCHCHCHCHClClCl222CHCHCHCHCHClCl尾尾222CHCHCHCHCHClCl頭尾雙烯類高聚物中，則更復雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同 2021/1/4222.2.共聚物的序列結構（）共聚物的序列結構（） 按結構單元在分子鏈內排列方式的不同

16、分為按結構單元在分子鏈內排列方式的不同分為無規(guī)共聚物（Random copolymer）交替共聚物（ alteranting copolymer）嵌段共聚物（ block copolymer）接枝共聚物（graft copolymer）2021/1/423o線熱變軟動熱鏈聯(lián)線膠聯(lián)變強韌狀性性高高分分子子（l li in ne ea ar r p po ol ly ym me er rs s） : : 加加后后，甚甚至至流流，可可反反復復加加工工 塑塑性性（t th he er rm m p pl la as st ti ic c）支支高高分分子子（b br ra an nc ch he ed

17、d p po ol ly ym me er rs s）：交交高高分分子子（c cr ro os ss sl li in nk ke ed d p po ol ly ym me er r）：性性天天然然橡橡用用S S交交后后耐耐磨磨體體型型（立立體體網網）高高分分子子（n ne et tw wo or rk k o on n t th hr re ee e- -d di im me en ns si io on na al l p po ol ly ym me er r) ) 三、高分子鏈的結構（）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（） 2021/1/424四、高分子鏈

18、的構型（ ）鏈的構型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學鍵斷裂才行2021/1/425l旋光異構體（）l由烯烴單體合成的高聚物 在其結構單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構單元 ，有三種排列方式處鏈兩側兩單處鏈邊體間無規(guī)（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configurationR取代基交替地在主平面， 即旋光異構元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一種旋光異構同立構全同立構立構鏈兩側規(guī)則s):R取代基在主平面不排列2021/1/426幾何異構（ ） 雙烯類單體定

19、向聚合時，可得到有規(guī)立構聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉，從而每一雙就可能有 順無順順反序反交替全全反3HCHHHCCCCHH3HCHHCCCCHHH順式 反式 對于大分子鏈而言就有二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 順順式式（c ci is s- -s st tr ru uc ct tu ur re e) )反反式式（t tr ra an ns s- -s st tr ru uc ct tu ur re e) )兩種異構體之分，稱為幾何異構2021/1/427遠程結構（遠程結構（ ) )一、高分子的大?。?）高分子的相對分子質量M不是均一的，具有多分散性平均相對分子質量數(shù)對質為數(shù)數(shù)對質為質數(shù)niiiniiiiiiiii均相分子量M =x M, x分子分 均相分子量M =x M, x分子分 numberaverage molecul numberaverage molecular weightar weight重均相分子量Mww M, w量分 重均相分子量Mww M, w量分 weight-average molecular weig weight-average molecular weightht2021/1/428l