1-原子結(jié)構(gòu)和鍵合概述

第一章原子結(jié)構(gòu)和鍵合

AtomicStructureandInteratomicBonding物質(zhì)(Substance)是由原子（atom）組成，而原子由質(zhì)子和中子組成，以及核外的電子所構(gòu)成。在材料科學(xué)中，最為關(guān)切原子的電子結(jié)構(gòu)原子的電子結(jié)構(gòu)—原子間鍵合本質(zhì)。確定材料分類：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)（MicrostructureofMaterials）確定材料性質(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?！?原子結(jié)構(gòu)

（AtomicStructure）一、物質(zhì)的組成（SubstanceConstruction）物質(zhì)由多數(shù)微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：?jiǎn)为?dú)存在保存物質(zhì)化學(xué)特性dH2O=0.2nmM(H2)為2M（protein）為百萬原子（Atom）：化學(xué)變更中最小微粒二、原子的結(jié)構(gòu)1897年J.JThomson發(fā)覺電子（electron),揭示了原子內(nèi)部隱私1911年E.Rutherford提出原子結(jié)構(gòu)有核模型1913年N.Bohr將Bohratomicmodel

核外電子的排布（electronconfiguration)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)（quantumnumbers）表示三、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)遞增的依次從左至右排列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)遞增的依次從上而下排列。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）※2原子間的鍵合

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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）極易擺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（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（covalentbonding）

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(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)電實(shí)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（Vanderwaalsbonding)包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersiveforce)屬物理鍵，系一種次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度變更材料性質(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），袒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※4結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距

不論何種類型的結(jié)合鍵，固體原子間總存在兩種力：一是吸引力，來源于異類電荷間的靜電吸引；二是同種電荷間的排斥力。當(dāng)兩個(gè)原子無限遠(yuǎn)時(shí)，原子間不發(fā)生作用，作用能可視為零。當(dāng)距離在吸引力作用下靠近時(shí)，體系的位能漸漸下降，到達(dá)平衡距離，位能最低；當(dāng)原子距離進(jìn)一步靠近，就必需克服反向排斥力，使作用能重新上升。R0：平衡距離，稱原子間距。E0：平衡距離樓下的作用能定義為原子的結(jié)合能。結(jié)合能數(shù)據(jù)是利用測(cè)定固體的蒸發(fā)熱而得到的，又稱結(jié)合鍵能?！?結(jié)合鍵與性能

1.物理性能熔點(diǎn)的凹凸代表了材料穩(wěn)定性的程度。2.力學(xué)性能※1晶體與非晶體固體原子依據(jù)原子（或原子團(tuán)、分子）的排列可分為兩大類：晶體與非晶體。晶體：原子按某種特定方式在三維空間內(nèi)呈周期性規(guī)則重復(fù)排列。而非晶體內(nèi)部原子的排列是無序的。晶體由于其空間不同方向上原子排列特征不同，因而沿著不同方向所測(cè)得的性能數(shù)據(jù)不同，稱為各向異性；而非晶體在各個(gè)方向上的原子排列可視為相同，因此沿任何方向測(cè)得的性能是一樣的，故表現(xiàn)為各向同性。通常，金屬與合金、大部分陶瓷（如氧化物，碳化物，氮化物等）以及少數(shù)高分子材料等是晶體；而多數(shù)高分子材料及玻璃等原子或分子結(jié)構(gòu)較為困難的材料則為非晶體，常也把玻璃態(tài)作為非晶態(tài)的代名詞。三、原子排列方式※2原子排列的探討方法材料探討中接受X射線或是電子束來進(jìn)行探討，其原理就是光學(xué)中的干涉和衍射。這就是著名的布拉格定律。※1組織的顯示與視察所謂材料的組織就是指各種晶粒的組合特征，即各種晶粒的相對(duì)量，尺寸大小，形態(tài)及分布等特征。能用肉眼視察到，稱為組織為宏觀組織，而更多的狀況下則要用金相顯微鏡或是電子顯微鏡才能視察到內(nèi)部的組織，故又稱顯微組織或是金相組織。首先對(duì)視察的試樣部位進(jìn)行反復(fù)的磨光和拋光，以獲得平整而光滑的表面，然后經(jīng)化學(xué)浸蝕?；瘜W(xué)的目的是將晶界顯示出來。三、晶體材料的組織2.單相組織具有單一相的組織為單相組織，即全部晶粒的化學(xué)組成相同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。描述單相組織特征的主要有晶粒尺寸及形態(tài)。等軸晶、柱狀晶。3.多相組織歸納為，所謂組織就是指材料中兩個(gè)相（或多相）的體積分?jǐn)?shù)為多少，各個(gè)相的尺寸、形態(tài)及分布特征如何。第五節(jié)材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)材料最終得到什么結(jié)構(gòu)必需綜合考慮結(jié)構(gòu)形成的熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)條件。所謂的動(dòng)力學(xué)條件，是指結(jié)