材料的原子結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合鍵

材料的原子結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合鍵第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14第三章材料的原子結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合鍵第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的原子結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合鍵

2023/7/14內(nèi)容簡介：本章主要講述了各種材料的原子結(jié)構(gòu)和原子特性，并介紹了原子間結(jié)合鍵種類及材料的分類。本章重點：3.1材料結(jié)構(gòu)和原子特性；3.3原子間的結(jié)合鍵；第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/7/14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(gòu)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(jié)構(gòu)）。我們研究材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，首先必須弄清楚組成材料的原子結(jié)構(gòu)以及相互之間的結(jié)合特點。第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)材料結(jié)構(gòu)和原子特性

2023/7/14學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1.了解材料結(jié)構(gòu)的基本涵義；2.理解原子結(jié)構(gòu)、量子力學(xué)的基本概念。第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月材料結(jié)構(gòu)和原子特性材料結(jié)構(gòu)的涵義：材料結(jié)構(gòu)是指組成材料的原子（或離子、分子）相互結(jié)合的方式或構(gòu)成的形式（這些形式稱為結(jié)構(gòu)要素）以及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)包括以下內(nèi)容：1.組成材料原子（或離子、分子）的構(gòu)造2.組成材料原子（或離子、分子）間的結(jié)合3.組成材料原子（或離子、分子）的排列4.材料結(jié)構(gòu)內(nèi)存在的缺陷

材料結(jié)構(gòu)從宏觀到微觀，即按研究的層次，大致可分為宏觀組織結(jié)構(gòu)、顯微組織結(jié)構(gòu)、原子或分子排列結(jié)構(gòu)、原子中的電子結(jié)構(gòu)等。第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子特性——原子結(jié)構(gòu)二、原子特性（一）原子結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)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(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性和抗腐蝕性等產(chǎn)生很大的影響。第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子特性——量子力學(xué)基本概念(二)量子力學(xué)幾個基本概念1．微觀粒子的波粒兩象性

2．海森堡測不準(zhǔn)原理第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子特征—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(yīng)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9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)原子間作用力和結(jié)合能學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握原子的聚集態(tài)分類；2.了解原子間作用力和結(jié)合能。第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子的聚集態(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(jié)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11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月聚集態(tài)原子間作用力和結(jié)合能二、聚集態(tài)原子間作用力和結(jié)合能圖3-1勢能及作用力與原子間距離的關(guān)系

第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月聚集態(tài)原子間作用力和結(jié)合能

從圖3-1可看到，當(dāng)原子間距r很大時，原子之間的作用力很??；當(dāng)原子離開得更遠時（無限距離），相互間作用力趨近于零，位能也是如此。當(dāng)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(dāng)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(gòu)型，該間距稱為平衡間距。第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)原子間的結(jié)合鍵學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.掌握結(jié)合鍵的概念；2.了解各種結(jié)合鍵第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子間的結(jié)合鍵

原子之間的結(jié)合力，也稱結(jié)合鍵．它主要表現(xiàn)為原子間吸引力和排斥力的合力結(jié)果。結(jié)合鍵可大致分為兩類：化學(xué)鍵和物理鍵或稱一次鍵和二次鍵。化學(xué)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15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子間的結(jié)合鍵原子間的結(jié)合鍵金屬鍵分子鍵共價鍵離子鍵氫鍵第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月離子鍵一、離子鍵：

正離子和負離子由于靜電引力相互吸引，當(dāng)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(jié)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17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月共價鍵二、共價鍵：

由共用價電子對產(chǎn)生的化學(xué)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(jié)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(jié)構(gòu)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(dǎo)電能力較差。第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬鍵三、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(jié)合起來，這種結(jié)合力就叫做金屬鍵。由金屬鍵結(jié)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(dǎo)電性和導(dǎo)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19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月分子?。ǚ兜峦郀査沽Γ┧?、分子?。ǚ兜峦郀査沽Γ┓兜峦郀査规I有3個來源：①偶極間的靜電力（葛生力）②誘導(dǎo)力（德拜力）③色散力（倫敦力）

晶體幾種不同結(jié)合鍵中，離子鍵結(jié)合能最高，共價鍵其次，金屬鍵第三，而范德瓦爾鍵最弱。第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月氫鍵五、氫鍵：在含氫的物質(zhì)中，特別是含氫的聚合物中，經(jīng)?？梢砸姷接蓺潆x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(jié)合，這種結(jié)合力叫氫鍵。氫鍵結(jié)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21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)原子間結(jié)合鍵與材料類型及性質(zhì)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.了解原子間結(jié)合鍵與材料類型的關(guān)系；2.了解原子間結(jié)合鍵與材料性質(zhì)的關(guān)系。第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子間結(jié)合鍵與材料類型一、原子間結(jié)合鍵與材料類型工程上主要根據(jù)固體中的結(jié)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(fù)合材料第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子間結(jié)合鍵與材料性質(zhì)二、原子間結(jié)合鍵與材料性質(zhì)(一)原子間結(jié)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(jié)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(dāng)大的范圍內(nèi)變化，這與其結(jié)合鍵的性質(zhì)有關(guān)。第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月原子間結(jié)合鍵與材料性質(zhì)（二）原子間結(jié)合鍵與材料其它性能材料的密度由原子量、原子