材料科學(xué)基礎(chǔ)_原子與結(jié)構(gòu)鍵合-20頁P(yáng)PT課件

1、第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合Atomic Structure and Interatomic Bonding物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成在材料科學(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)材料的微觀結(jié)構(gòu)（Microstructure of Materials）決定材料性質(zhì)最為本質(zhì)的內(nèi)在因素：組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，原子間相互作用，相互結(jié)合，原子或分子在空間的排列，運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及原子集合體的形貌特征 1原子結(jié)構(gòu) （Atomic Structure ）一、物質(zhì)的組成（Substance Construction）物質(zhì)

2、由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：單獨(dú)存在 保存物質(zhì)化學(xué)特性 dH2O=0.2nm M(H2)為2 M（protein）為百萬原子（Atom）： 化學(xué)變化中最小微粒二、原子的結(jié)構(gòu)1879年 J.J Thomson 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 Bohr atomic model 核外電子的排布（electron configuration)規(guī)律描述原子中一個(gè)電子的空間和能量，可用四個(gè)量子數(shù)（quantum numbers）表示三、元素周期表（periodic T

3、able of the Elements)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)（Free State& Combined Form)7個(gè)橫行（Horizontal rows)周期（period）按原子序數(shù)（Atomic Number)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)族、1個(gè)零族（Inert Gases）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)

4、 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)（Valence electron）2原子間的鍵合 ( Bonding type with other atom)一、金屬鍵（Metallic bonding）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 electron）極易 掙脫原子核之束縛而成為自由電子（Free electron），形成電子云（electron 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)性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好二、離子鍵（I

5、onic bonding) 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， 且無方向性，無飽和性性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體三、共價(jià)鍵（covalent bonding） 亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無機(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共用電子對而成 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 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 四、范德華力（Van der waals bonding)包括：靜電力(electros

6、tatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersive force)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（Hydrogen bonding） 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)端相互吸引氫橋 介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性3高分子鏈（High polymer Chain)近程結(jié)構(gòu)（short-range Structure)一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（the Chemistry of mer unito)1.碳鏈高分子 聚乙烯主

7、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，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等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

8、水解二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bonding tape）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，還依雙鍵開啟位置而不同 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） 四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecular configurations）鏈的

9、構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學(xué)鍵斷裂才行旋光異構(gòu)體（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物 在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元 ，有三種排列方式幾何異構(gòu)（Geometrical isomerism） 雙烯類單體定向聚合時(shí)，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有 順式 反式 兩種異構(gòu)體之分，對于大分子鏈而言就有稱為幾何異構(gòu)二甲基丁二烯 二甲基丁二烯 遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（Long-range Structure)一、高分子的大?。∕olecular Size）高分子的相對分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性平均相對分子質(zhì)量高分子鏈中重復(fù)單元數(shù)目稱為聚合度不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質(zhì)，對加工和使用也有很大影響 。數(shù)均相對分子量每鏈節(jié)的質(zhì)量對力學(xué)性能起決定作用，二、高分子的形狀（Molecular shape）主鏈以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長 d和鍵角，每個(gè)單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個(gè)單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目)統(tǒng)計(jì)學(xué)角度高分子鏈取