Chpt1.1-2 原子结构与键合
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固体材料的结构基础知识
26
结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
27
结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
（4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。
（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
11
（2）共价健
12
共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价
间则为范德华键或氢键。
18
1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
19
原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
15
（4）范德华键 意义及其特点：
范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
16
（5）氢键 意义及其特点：
依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
27
结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
（4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。
（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
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（2）共价健
12
共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价
间则为范德华键或氢键。
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1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
19
原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
15
（4）范德华键 意义及其特点：
范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
16
（5）氢键 意义及其特点：
依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
第一章原子的结构与键合ppt课件
（1）共价键的定义 ➢ 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数元
素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生 电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。
（2）共价键的特点 ➢ 共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形
成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。
由于金属键即无饱和性又无方向 性，因而每个原子有可能同更多 的原子结合，并趋于形成低能量 的密堆结构，当金属受力变形而 改变原子之间的相互位置时不至 于破坏金属键，这就使金属具有 良好的延展性。
金属变形时，由金属键结 合的原子可变换相对位置
（3）金属键型晶体的特征 良好的导电、导热性：
自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作 用下）导热。
金属键模型
电子气 金属离子
图 金属键与金属晶体
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
图 金属键与金属晶体
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
问题1：金属具有良好导电、导热性能的原因？ （自由电子的存在）
问题2：金属具有良好延展性的原因？
Pauli不相容原理(Pauli principle) 在一个原子中，不可能存在四个量子数 完全相同的两个电子。
Hund规则(Hund ’s rule) 在同一亚层中的各个能级中， 电子的排布尽可能分占不同 的能级，而且自旋方向相同
IA
1 H IIA 2 Li Be
碱金属
碱土金属 过渡元素
主族金属
第一节 原子结构
1.1.1 物质的组成
一切物质都是由无数微粒按一定 的方式聚集而成的。这些微粒可能 是分子、原子或离子。
原子结构与键合
原子结构与键合一、决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构：原子原子间相互作用，相互结合：键合原子或分子在空间的排列：晶体结构原子集合体的形貌特征：显微组织二、原子是化学变化中的最小微粒。
原子结构直接影响原子间的结合方式。
三、键的形成：在凝聚状态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形成了键。
键分为一次键和二次键：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。
二次键——结合力较弱，包括范德华键和氢键。
混合键——对于大多数晶体而言，它们的键并不单纯属于上述五种中的某一种，而具有某种综合性。
换言之，许多晶体存在混合键。
四、范德华力、氢键和共价键的对比五、石墨（共价键、金属键和范德瓦尔斯力的混合键）1. C原子的三个价电子组成sp2杂化轨道，分别与最近邻的三个C原子形成三个共价键，在同一平面内互成120°，使碳原子形成六角平面网状结构。
2. 第四个价电子未参与杂化，自由的在整个层内活动，具有金属键的特点。
（石墨是一种良导体，可做电极等）3. 层与层之间以范德瓦尔斯力结合。
（结合力弱，所以石墨质地疏松，在层与层之间可插入其它物质，制成石墨插层化合物）。
六、晶体、准晶，非晶体晶体中原子的排列是有序的，即原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则重复排列，有固定的熔点。
而非晶体内部原子的排列是无序的。
准晶体，亦称为“准晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。
七、弥散强化弥散强化——指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段。
是指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)强化的金属材料。
第二相一般为高熔点的氧化物或碳化物、氮化物，其强化作用可保持到较高温度，既可显著提高合金强度和硬度，又可使塑性和韧性下降不大，并且颗粒越细小，越呈弥散均匀分布，强化效果越好。
第二章晶体结构1.晶体的基本概念:晶体(Crystal)就是原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间呈有规律、周期性、重复排列的固体。
原子结构与键合
束缚）,并在整个晶体内运动，形成电子云。这种由
金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属
键。
特点：既无饱和性又无方向性。 性质：良好导电、导热性能，延展性好
6
二、离子键
多数盐类、碱类和金属氧化物
实质: 金属原子 非金属原子 带正电的正离子（Cation） 带负电的负离子（Anion） 静电引力离 子键
第一章
原子结构与键合
四大量子数
主量子数n
-----决定电子能量，与核平均距离。 轨道角动量量子数li -----给出电子在同一壳层内所处的能级。 磁量子数mi -----给出每个轨道角动量子数的能级数或轨道数。 自旋角动量量子数si -----给出电子不同的自旋方向。
2
电子排布规则
不溶于任何溶剂，也不 能熔融,一旦受热固化便不 能改变形状—热固性 （Thermosetting）
21
四、高分子链的构型
链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之
须通过化学键断裂才行
22
旋光异构体（Optical
isomerism） CH2 ─ CHR 由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种 旋光异构单元 ，有三种排列方式:
17
3.元素有机高分子
主链中不含C原子，而由Si、
B 、P 、Al、 Ti 、As等元 素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有 机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高 弹性和可塑性，如硅橡胶等。
4.无机高分子
主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元 素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量 不高，并易水解。
原子结构与原子间结合键培训课件.pptx
例如2p亚层有3个轨道，若有2个电子进
入 2 p， 则 各 占 一 个 轨 道 且 自 旋 平 行 ， 可 写
成
，而不是
或
。
2．原子的电子层结构
电子在核外的排布情况称为电子层结构。通常表 示电子层结构有两种方法。 （1）原子轨道式
这种表示方式是用一个小方格或小圆圈代表一 个原子轨道，在方格或圆圈下面注明该轨道的能级， 方格或圆圈内用箭头表示电子的自旋方向。如：
4个轨道
可容纳8个电子
9个轨道
可容纳18个电子
所以 n1 2(2l 1) 2 2(2n 1) n 2n2
l0
2
各层可容纳的最多电子数为2 n2个，这原理又称为电子层最大容量原理。
（2）能量最低原理
核外电子总是优先占据能量最低的轨道，然后才 依次进入能级较高的原子轨道，使整个原子体系处于 最低的能量状态。图2-3。
核素：原子核中具有一定质子数和一定中子数的原子。 一种碳原子的原子核中有6个质子和6个中子， 它的质量数是12，这种碳原子称碳-12核素， 写为12C核素；另一种碳原子的原子核里有6个 质子和7个中子，质量数为13，称碳-13核素， 可写为13C核素。
多核素元素与单核素元素。
同位素：质子数相同而中子数不同的同一元素的不同 原子互称为同位素；即多核素元素中的不同 核素互称为同位素。12C和13C是碳的同位素。
为了判断多电子原子中n和l同时变化时，轨道能 量的高低，除了从鲍林的近似能级图中查看外，我 国化学家徐光宪在总结了光谱实验数据后，归纳出 （n+0.7l）的规则，（n+0.7l）值愈大，能量就愈高。
例题2-3：
试比较6s、6p、4f和5d轨道的能量高低。
解：6s轨道：
1.1.2原子结构
并不是所有基态原子的核外电子都符合构造原理。
如： 24Cr： 29Cu：
洪特规则：半充满、全充满、全空更稳定
3.简化电子排布式
如： Na：1s22s22p63s1
简化为
[Ne]3s1
表示钠的内层电子排布与稀有气体元 素Ne的核外电子排布相同
试写出8号、14号、26号元素的简化排布式， 外围电子排布式
洪特规则特例：原子轨道在全空、半充满、全充满时 相对稳定
3.电子排布图（轨道表示式）
泡利原理
↑↓
4s
↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓
3p
3s
↑↓ ↑↓ ↑↓
↑↓
2p
2s
↑↓
1s
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
3d 洪特规则
能量最低原理
课堂练习
用轨道表示式表示出下列原子的核 外电子排布图：
N、P、Ca、Cr、Cu、Fe
小结：
4、光谱与光谱分析
（1）光谱：
不同元素的原子发生跃迁时会吸收或放出不同的光， 可以用光谱仪摄取各种元素的电子吸收光谱或发射光谱， 总称原子光谱。
（2）光谱分析：
在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴 定元素，称为光、氦、汞的吸收光谱
五、电子云与原子轨道
1.能量最低原理:原子的电子排布遵循构造原理 能使整个原子的能量处于最低状态。
如：Na 1s22s22p63s1
2.基态原子: 处于最低能量的原子 (稳定)
3.激发态原子 :基态原子的电子吸收能量后电子 会跃迁到较高的能级,变为激发态原子。(不稳定)
如：Na 1s22s22p63p1
光（辐射） 是电子释放能量的重要形式之一。
（3）nd能级各有5个原子轨道； （4）nf能级各有7个原子轨道；
如： 24Cr： 29Cu：
洪特规则：半充满、全充满、全空更稳定
3.简化电子排布式
如： Na：1s22s22p63s1
简化为
[Ne]3s1
表示钠的内层电子排布与稀有气体元 素Ne的核外电子排布相同
试写出8号、14号、26号元素的简化排布式， 外围电子排布式
洪特规则特例：原子轨道在全空、半充满、全充满时 相对稳定
3.电子排布图（轨道表示式）
泡利原理
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3d 洪特规则
能量最低原理
课堂练习
用轨道表示式表示出下列原子的核 外电子排布图：
N、P、Ca、Cr、Cu、Fe
小结：
4、光谱与光谱分析
（1）光谱：
不同元素的原子发生跃迁时会吸收或放出不同的光， 可以用光谱仪摄取各种元素的电子吸收光谱或发射光谱， 总称原子光谱。
（2）光谱分析：
在现代化学中，常利用原子光谱上的特征谱线来鉴 定元素，称为光、氦、汞的吸收光谱
五、电子云与原子轨道
1.能量最低原理:原子的电子排布遵循构造原理 能使整个原子的能量处于最低状态。
如：Na 1s22s22p63s1
2.基态原子: 处于最低能量的原子 (稳定)
3.激发态原子 :基态原子的电子吸收能量后电子 会跃迁到较高的能级,变为激发态原子。(不稳定)
如：Na 1s22s22p63p1
光（辐射） 是电子释放能量的重要形式之一。
（3）nd能级各有5个原子轨道； （4）nf能级各有7个原子轨道；
原子结构和键合1-文档资料37页
金 属 键 （ Metallic bonding）
化 学 键 （ Chemicalbonding） 离 子 键 （ Ionicbonding）主 价 键 primaryinteratomicbonds
物 理 键 （ physicalbonding), 次 共 价 价 键 键 (（ Seccoovnadlaernytb bo on nd di in ng g) ） ， 亦 称 VanderWaalsbonding
因子当亚此n相层，同，常时一把，个n相li电越同子大，层，li可不电以同子分的的为状能几态量个称越亚为高层电。。
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子 数（quantum numbers）表示
磁量子数Mi
规定电子运动状态在空间伸展的取向。 m的数值可取0，± 1 ，±2，……±l。
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子 数（quantum numbers）表示
四个量子数的意义
电子运动状态 轨道运动状态 自旋运动状态
量子数 主量子数 n 角量子数 li 磁量子数 Mi
自旋量子数 si
意义
作用
“轨道”半径大 小
决定“电子层”
“轨道”形状 决定“电子亚层”
“轨道”的取向 决定“电子轨道”
元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)
7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增 的顺序从左至右排列
18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族 （Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。
高一化学新人教版必修2课件：1-1-2 元素的性质与原子结构
的非金属性逐渐减弱。
7．卤素单质的化学性质 (1)与氢气反应：可用通式表示为 H2＋X2===2HX。从 F2 到 l2， 卤素单质与 H2 的反应：剧烈程度逐渐减弱；生成 HX 的稳定性逐 渐减弱。
(2)卤素单质间置换反应(写出反应化学方程式)。 将氯水加入 NaBr 溶液中：Cl2＋2NaBr===Br2＋2NaCl； 将氯水加入 KI 溶液中：Cl2＋2KI===I2＋2KCl； 将溴水加入 KI 溶液中：Br2＋2KI===I2＋2KBr； 8．卤族元素的原子结构与化学性质的递变关系 随着核电荷数的增加，卤素单质的氧化性逐渐减弱，卤族元素
4．碱金属的原子结构与化学性质的递变关系 碱金属元素，随核电荷数的增加，原子的电子层数逐渐增多， 原子半径逐渐增大，原子核对最外层电子的引力逐渐减弱，元素的 金属性逐渐增强。
5．卤族元素的原子结构及其特点
氟
氯
溴
碘
元素符号 F
Cl
Br
I
原子结构 示意图
电子层数 2
3
4
5
原子结构特点如下： (1)相似性：最外层电子数都是 7； (2)递变性：F→I，核电荷数增大，电子层数增多，原子半径增 大。
(2)结构不同，化学性质有差异。 例如，与氧气反应的产物不同(写出化学式)： 锂只生成普通的氧化物 Li2O；金属钠与氧气反应生成普通的氧 化物 Na2O 和过氧化物 Na2O2。 (3)结构有变化规律，化学性质有变化规律。 例如，钠和钾与水反应的剧烈程度：钾强于钠，碱金属单质从
锂到铯金属性逐渐增强。
的非金属性逐渐减弱。
9．同主族元素的性质与原子结构的关系
(时间 20 分钟，满分 30 分) 1．下列关于碱金属元素的原子结构和性质的叙述不正确的是
7．卤素单质的化学性质 (1)与氢气反应：可用通式表示为 H2＋X2===2HX。从 F2 到 l2， 卤素单质与 H2 的反应：剧烈程度逐渐减弱；生成 HX 的稳定性逐 渐减弱。
(2)卤素单质间置换反应(写出反应化学方程式)。 将氯水加入 NaBr 溶液中：Cl2＋2NaBr===Br2＋2NaCl； 将氯水加入 KI 溶液中：Cl2＋2KI===I2＋2KCl； 将溴水加入 KI 溶液中：Br2＋2KI===I2＋2KBr； 8．卤族元素的原子结构与化学性质的递变关系 随着核电荷数的增加，卤素单质的氧化性逐渐减弱，卤族元素
4．碱金属的原子结构与化学性质的递变关系 碱金属元素，随核电荷数的增加，原子的电子层数逐渐增多， 原子半径逐渐增大，原子核对最外层电子的引力逐渐减弱，元素的 金属性逐渐增强。
5．卤族元素的原子结构及其特点
氟
氯
溴
碘
元素符号 F
Cl
Br
I
原子结构 示意图
电子层数 2
3
4
5
原子结构特点如下： (1)相似性：最外层电子数都是 7； (2)递变性：F→I，核电荷数增大，电子层数增多，原子半径增 大。
(2)结构不同，化学性质有差异。 例如，与氧气反应的产物不同(写出化学式)： 锂只生成普通的氧化物 Li2O；金属钠与氧气反应生成普通的氧 化物 Na2O 和过氧化物 Na2O2。 (3)结构有变化规律，化学性质有变化规律。 例如，钠和钾与水反应的剧烈程度：钾强于钠，碱金属单质从
锂到铯金属性逐渐增强。
的非金属性逐渐减弱。
9．同主族元素的性质与原子结构的关系
(时间 20 分钟，满分 30 分) 1．下列关于碱金属元素的原子结构和性质的叙述不正确的是
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分层模型 行星绕太阳模型
电子云模型
后来，科学家们在实验中发现， 后来，科学家们在实验中发现，电子在原子核周围有的区域出现 的次数多，有的区域出现的次数少，就像“云雾” 的次数多，有的区域出现的次数少，就像“云雾”笼罩在原子核 周围。因而提出了“电子云模型” 电子云密度大的地方， 周围。因而提出了“电子云模型”。电子云密度大的地方，表明 电子在核外单位体积内出现的机会多，反之，出现的机会少。 电子在核外单位体积内出现的机会多，反之，出现的机会少。
轨道角动量量子数l ② 轨道角动量量子数 i: 给出电子 在同一量子壳层内所处的能级 (电子亚层 ， 与电子运动的角 电子亚层)， 电子亚层 动员有关，取值为0，1， 2，…，n-1。 ， ， 。 磁量子数m ③ 磁量子数 i：给出每个轨道角 动量量子数的能级数或轨道数。 动量量子数的能级数或轨道数 。 每个l 每个 i 下的磁量子数的总数为 2li+1。 。 自旋角动量量子数s ④ 自旋角动量量子数 i ： 反映电 子不同的自旋方向。 si 规定为 子不同的自旋方向 。 +1/2和 -1/2， 反映电子顺时针 和 ， 和逆时针两种自旋方向。 和逆时针两种自旋方向。
1.1.2 原子的结构
1. 原子结构模型的发展史 1803年 ， J.Dalton创立了近代科学原子论 。 年 创立了近代科学原子论。 创立了近代科学原子论 认为一切物质都是由最小的不能再分的粒 原子构成， 子 ——原子构成 ， 而原子是坚实的 、 不可 原子构成 而原子是坚实的、 再分的实心球。 再分的实心球。 1879 年 ， J.J Thomson 发 现 电 子 (electron)，揭示了原子内部秘密，即电子， ，揭示了原子内部秘密，即电子， 普遍存在于各种原子之中。 普遍存在于各种原子之中 。 原子是一个平 均分布着正电荷的粒子， 均分布着正电荷的粒子 ， 其中镶嵌着许多 带负电、 有一定质量的微粒电子， 并中和 带负电 、 有一定质量的微粒电子 ， 了电荷，从而形成了中性原子。 了电荷，从而形成了中性原子。
轨道数
1 1 3 1 3 5 1 3 5 7
3
M
4
N
核外电子的排布 (electron configuration) 规律
①
能量最低原理(Minimum Energy Principle)：电子的排布总是 能量最低原理 ： 尽可能使体系的能量最低。 尽可能使体系的能量最低。 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-
2. 元素周期表 1869年 ， 俄国化学家门捷列夫在总结对比当 年 时已知的60多种元素的性质时发现化学元素 时已知的 多种元素的性质时发现化学元素 之间的本质联系： 按原子量递增把化学元素 之间的本质联系 ： 排成序列， 元素的性质发生周期性的递变。 排成序列 ， 元素的性质发生周期性的递变 。 这就是元素周期律的最早表述。 这就是元素周期律的最早表述。
课时 教学课时 2课时
材料的微观结构(Microstructure 材料的微观结构(Microstructure of Materials)
决定材料性能最根本的因素： 决定材料性能最根本的因素： 组成材料各元素的原子结构 原子间的相互作用， 原子间的相互作用，相互结合 原子或分子在空间的排列分布和运动规律 原子集合体的形貌特征 物质(Substance)是由原子(atom)组成 物质(Substance)是由原子(atom)组成 (Substance)是由原子(atom) 材料科学中， 材料科学中，最为关心的是原子结构中的电子结构 原子的电子结构决定原子间键合的本质 掌握原子的电子结构有助于对材料分类， 掌握原子的电子结构有助于对材料分类 ， 从根本上了解材 料性能
实心球模型
西瓜模型(枣糕模型 西瓜模型 枣糕模型) 枣糕模型
1911年， E.Rutherford和他的助手 年 和他的助手 做了著名α粒子散射实验 粒子散射实验， 做了著名 粒子散射实验 ， 提出原 子结构有核模型， 子结构有核模型 ， 即 原子是由居于 原子中心的带正电的原子核和核外 带负电的电子构成。 带负电的电子构成 。 原子核的质量 几乎等于原子的全部质量， 几乎等于原子的全部质量 ， 电子在 原子核外空间绕核做高速运动。就 原子核外空间绕核做高速运动 。 像行星环绕太阳运转一样。 像行星环绕太阳运转一样。 1913 年 ， N.Bohr 提 出 了 Bohr atomic model，即电子在原子核外 ， 空间的一定轨道上分层绕核做高速 的圆周运动。 的圆周运动。
2. 原子结构 近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核 近代科学实验证明： 原子是由质子和中子组成的原子核， 外电子构成。原子核内的中子呈电中性，质子带正电。 外电子构成 。 原子核内的中子呈电中性 ， 质子带正电 。 一个质子 的的正电量正好与一个电子的负电量相等，即均为e＝ 的的正电量正好与一个电子的负电量相等，即均为 ＝1.602×10× 19 C。由于电子和质子的数量相等，所以整个原子呈电中性。它们 。由于电子和质子的数量相等，所以整个原子呈电中性。 通过静电吸引，将带负电的电子被牢牢地束缚在原子核周围。 通过静电吸引，将带负电的电子被牢牢地束缚在原子核周围。
能级存在重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规则， 能级存在重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规则，呈现鲍林 能级图分布。 Fe原子的电子结构 原子的电子结构： 能级图分布。例如26Fe原子的电子结构：
按规则排布： 按规则排布：1s2 2s2 2p2 3s2 3p6 3d8 实际排布： 实际排布：1s2 2s2 2p2 3s2 3p6 3d6 4s23
②
泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle)：在一个原子中不 泡利不相容原理 ： 可能有运动状态完全相同的两个电子， 可能有运动状态完全相同的两个电子 ， 即 n壳层最多只能容纳 壳层最多只能容纳 2n2个电子。 个电子。 洪德定则(Hund’ Rule)：在同一亚层的各个能级中，电子的排布 洪德定则 ：在同一亚层的各个能级中， 尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。 尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。当电子排布为全充 满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。 半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。
质子( 质子(proton)：正电荷 ＝1.6726×10-27 kg ) 正电荷m＝ × 中子(neutron)：电中性m＝1.6748×10-27 kg ：电中性 ＝ 中子 ×
原子核(nucleus): 原子核( ) 位于原子中心、 位于原子中心、带正电 电
子 (electron) ： 核外高速旋转 ， 带负电 ， 按能量高低排列 ， 电子云 ) 核外高速旋转， 带负电， 按能量高低排列， (electron cloud) ＝9.11×10-31 kg，约为质子的 × ，约为质子的1/1836
原子结构、 教学内容 原子结构、原子间的键合 描述原子电子的空间位置和能量的4个量子数 ； 描述原子电子的空间位置和能量的 个量子数； 核 个量子数 外电子排布遵循的原则；元素性质、 教学重点 外电子排布遵循的原则；元素性质、原子结构和该 元素在周期表中的位置三者之间的关系
教学难点 原子间结合健分类及其特点
1.1.3 原子的电子结构
电子在原子核外空间作高速旋转运动，没有固定的轨道， 电子在原子核外空间作高速旋转运动，没有固定的轨道，但可以根 据电子的能量高低， 据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现 的几率的大小。在量子力学中，可以用反映电子运动状态的方程， 的几率的大小。在量子力学中，可以用反映电子运动状态的方程， 薛定谔(E. Schrdinger)方程求解得到电子的状态和在某处的出 方程求解得到电子的状态和在某处的出 即薛定谔 方程 现几率，这个解即为波函数。波函数习惯上又称原子轨道， 波函数 现几率，这个解即为波函数。波函数习惯上又称原子轨道，它描述 电子在核外空间各处位置出现的几率， 电子在核外空间各处位置出现的几率 ， 相当于给出了电子运动的 “轨道”。这一轨道是由四个量子数所确定。描述原子中一个电子 轨道” 这一轨道是由四个量子数所确定。 的空间位置和能量， 可用四个量子数 四个量子数( 表示。 的空间位置和能量 ， 可用 四个量子数 quantum numbers) 表示 。 主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离， ① 主量子数 ：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示 电子所处的量子壳层，取正整数，量子壳层可用K、 、 、 、 电子所处的量子壳层 ， 取正整数 ， 量子壳层可用 、 L、M、N、 O、P、Q表示。 、 、 表示 表示。
Pauling近似能级图 近似能级图
1.1.4 元素周期表 元素周期表(periodic Table of the Elements)
1. 基本概念 元素(Element)：具有相同核电荷的同一类原子总称 ， 共 116种， ： 具有相同核电荷的同一类原子总称， 元素 种 核电荷数是划分元素的依据 同位素(Isotope)：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素 ： 同位素 的原子 C12，C13，C14 6 6 6 元 素 有 两 种 存 在 状 态 ： 游 离 态 和 化 合 态 (Free State& Combined Form) 元素周期律(the periodic of elements)：元素的外层电子结构 元素周期律 ： 随着原子序数(核内质子数 的递增而呈周期性排布， 核内质子数)的递增而呈周期性排布 随着原子序数 核内质子数 的递增而呈周期性排布，元素性质呈 现周期性变化的规律。 现周期性变化的规律。
1.1 原子结构(Atomic Structure) 原子结构(Atomic
1.1.1 物质的组成 物质的组成(Substance Construction)
物质由无数微粒(Particles)聚集而成 聚集而成 物质由无数微粒 分 子(Molecule)：单独存在保存物质化学特性 ： 体积小：d(H2O)＝0.2 nm 体积小： ＝ 分子量差异大： 分子量差异大：M(H2O)＝2；M(protein)＝106 ＝ ； ＝ 原 子(Atom)：化学变化中最小微粒，但从量子力学中原子并不 ：化学变化中最小微粒， 是物质的最小微粒。原子具有复杂的结构， 是物质的最小微粒 。 原子具有复杂的结构 ， 并直接影响原子间 的结合方式。 的结合方式。
电子云模型
后来，科学家们在实验中发现， 后来，科学家们在实验中发现，电子在原子核周围有的区域出现 的次数多，有的区域出现的次数少，就像“云雾” 的次数多，有的区域出现的次数少，就像“云雾”笼罩在原子核 周围。因而提出了“电子云模型” 电子云密度大的地方， 周围。因而提出了“电子云模型”。电子云密度大的地方，表明 电子在核外单位体积内出现的机会多，反之，出现的机会少。 电子在核外单位体积内出现的机会多，反之，出现的机会少。
轨道角动量量子数l ② 轨道角动量量子数 i: 给出电子 在同一量子壳层内所处的能级 (电子亚层 ， 与电子运动的角 电子亚层)， 电子亚层 动员有关，取值为0，1， 2，…，n-1。 ， ， 。 磁量子数m ③ 磁量子数 i：给出每个轨道角 动量量子数的能级数或轨道数。 动量量子数的能级数或轨道数 。 每个l 每个 i 下的磁量子数的总数为 2li+1。 。 自旋角动量量子数s ④ 自旋角动量量子数 i ： 反映电 子不同的自旋方向。 si 规定为 子不同的自旋方向 。 +1/2和 -1/2， 反映电子顺时针 和 ， 和逆时针两种自旋方向。 和逆时针两种自旋方向。
1.1.2 原子的结构
1. 原子结构模型的发展史 1803年 ， J.Dalton创立了近代科学原子论 。 年 创立了近代科学原子论。 创立了近代科学原子论 认为一切物质都是由最小的不能再分的粒 原子构成， 子 ——原子构成 ， 而原子是坚实的 、 不可 原子构成 而原子是坚实的、 再分的实心球。 再分的实心球。 1879 年 ， J.J Thomson 发 现 电 子 (electron)，揭示了原子内部秘密，即电子， ，揭示了原子内部秘密，即电子， 普遍存在于各种原子之中。 普遍存在于各种原子之中 。 原子是一个平 均分布着正电荷的粒子， 均分布着正电荷的粒子 ， 其中镶嵌着许多 带负电、 有一定质量的微粒电子， 并中和 带负电 、 有一定质量的微粒电子 ， 了电荷，从而形成了中性原子。 了电荷，从而形成了中性原子。
轨道数
1 1 3 1 3 5 1 3 5 7
3
M
4
N
核外电子的排布 (electron configuration) 规律
①
能量最低原理(Minimum Energy Principle)：电子的排布总是 能量最低原理 ： 尽可能使体系的能量最低。 尽可能使体系的能量最低。 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-
2. 元素周期表 1869年 ， 俄国化学家门捷列夫在总结对比当 年 时已知的60多种元素的性质时发现化学元素 时已知的 多种元素的性质时发现化学元素 之间的本质联系： 按原子量递增把化学元素 之间的本质联系 ： 排成序列， 元素的性质发生周期性的递变。 排成序列 ， 元素的性质发生周期性的递变 。 这就是元素周期律的最早表述。 这就是元素周期律的最早表述。
课时 教学课时 2课时
材料的微观结构(Microstructure 材料的微观结构(Microstructure of Materials)
决定材料性能最根本的因素： 决定材料性能最根本的因素： 组成材料各元素的原子结构 原子间的相互作用， 原子间的相互作用，相互结合 原子或分子在空间的排列分布和运动规律 原子集合体的形貌特征 物质(Substance)是由原子(atom)组成 物质(Substance)是由原子(atom)组成 (Substance)是由原子(atom) 材料科学中， 材料科学中，最为关心的是原子结构中的电子结构 原子的电子结构决定原子间键合的本质 掌握原子的电子结构有助于对材料分类， 掌握原子的电子结构有助于对材料分类 ， 从根本上了解材 料性能
实心球模型
西瓜模型(枣糕模型 西瓜模型 枣糕模型) 枣糕模型
1911年， E.Rutherford和他的助手 年 和他的助手 做了著名α粒子散射实验 粒子散射实验， 做了著名 粒子散射实验 ， 提出原 子结构有核模型， 子结构有核模型 ， 即 原子是由居于 原子中心的带正电的原子核和核外 带负电的电子构成。 带负电的电子构成 。 原子核的质量 几乎等于原子的全部质量， 几乎等于原子的全部质量 ， 电子在 原子核外空间绕核做高速运动。就 原子核外空间绕核做高速运动 。 像行星环绕太阳运转一样。 像行星环绕太阳运转一样。 1913 年 ， N.Bohr 提 出 了 Bohr atomic model，即电子在原子核外 ， 空间的一定轨道上分层绕核做高速 的圆周运动。 的圆周运动。
2. 原子结构 近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核 近代科学实验证明： 原子是由质子和中子组成的原子核， 外电子构成。原子核内的中子呈电中性，质子带正电。 外电子构成 。 原子核内的中子呈电中性 ， 质子带正电 。 一个质子 的的正电量正好与一个电子的负电量相等，即均为e＝ 的的正电量正好与一个电子的负电量相等，即均为 ＝1.602×10× 19 C。由于电子和质子的数量相等，所以整个原子呈电中性。它们 。由于电子和质子的数量相等，所以整个原子呈电中性。 通过静电吸引，将带负电的电子被牢牢地束缚在原子核周围。 通过静电吸引，将带负电的电子被牢牢地束缚在原子核周围。
能级存在重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规则， 能级存在重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规则，呈现鲍林 能级图分布。 Fe原子的电子结构 原子的电子结构： 能级图分布。例如26Fe原子的电子结构：
按规则排布： 按规则排布：1s2 2s2 2p2 3s2 3p6 3d8 实际排布： 实际排布：1s2 2s2 2p2 3s2 3p6 3d6 4s23
②
泡利不相容原理(Pauli Exclusion Principle)：在一个原子中不 泡利不相容原理 ： 可能有运动状态完全相同的两个电子， 可能有运动状态完全相同的两个电子 ， 即 n壳层最多只能容纳 壳层最多只能容纳 2n2个电子。 个电子。 洪德定则(Hund’ Rule)：在同一亚层的各个能级中，电子的排布 洪德定则 ：在同一亚层的各个能级中， 尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。 尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。当电子排布为全充 满、半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。 半充满或全空时，是比较稳定的，整个原子的能量最低。
质子( 质子(proton)：正电荷 ＝1.6726×10-27 kg ) 正电荷m＝ × 中子(neutron)：电中性m＝1.6748×10-27 kg ：电中性 ＝ 中子 ×
原子核(nucleus): 原子核( ) 位于原子中心、 位于原子中心、带正电 电
子 (electron) ： 核外高速旋转 ， 带负电 ， 按能量高低排列 ， 电子云 ) 核外高速旋转， 带负电， 按能量高低排列， (electron cloud) ＝9.11×10-31 kg，约为质子的 × ，约为质子的1/1836
原子结构、 教学内容 原子结构、原子间的键合 描述原子电子的空间位置和能量的4个量子数 ； 描述原子电子的空间位置和能量的 个量子数； 核 个量子数 外电子排布遵循的原则；元素性质、 教学重点 外电子排布遵循的原则；元素性质、原子结构和该 元素在周期表中的位置三者之间的关系
教学难点 原子间结合健分类及其特点
1.1.3 原子的电子结构
电子在原子核外空间作高速旋转运动，没有固定的轨道， 电子在原子核外空间作高速旋转运动，没有固定的轨道，但可以根 据电子的能量高低， 据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现 的几率的大小。在量子力学中，可以用反映电子运动状态的方程， 的几率的大小。在量子力学中，可以用反映电子运动状态的方程， 薛定谔(E. Schrdinger)方程求解得到电子的状态和在某处的出 方程求解得到电子的状态和在某处的出 即薛定谔 方程 现几率，这个解即为波函数。波函数习惯上又称原子轨道， 波函数 现几率，这个解即为波函数。波函数习惯上又称原子轨道，它描述 电子在核外空间各处位置出现的几率， 电子在核外空间各处位置出现的几率 ， 相当于给出了电子运动的 “轨道”。这一轨道是由四个量子数所确定。描述原子中一个电子 轨道” 这一轨道是由四个量子数所确定。 的空间位置和能量， 可用四个量子数 四个量子数( 表示。 的空间位置和能量 ， 可用 四个量子数 quantum numbers) 表示 。 主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离， ① 主量子数 ：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示 电子所处的量子壳层，取正整数，量子壳层可用K、 、 、 、 电子所处的量子壳层 ， 取正整数 ， 量子壳层可用 、 L、M、N、 O、P、Q表示。 、 、 表示 表示。
Pauling近似能级图 近似能级图
1.1.4 元素周期表 元素周期表(periodic Table of the Elements)
1. 基本概念 元素(Element)：具有相同核电荷的同一类原子总称 ， 共 116种， ： 具有相同核电荷的同一类原子总称， 元素 种 核电荷数是划分元素的依据 同位素(Isotope)：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素 ： 同位素 的原子 C12，C13，C14 6 6 6 元 素 有 两 种 存 在 状 态 ： 游 离 态 和 化 合 态 (Free State& Combined Form) 元素周期律(the periodic of elements)：元素的外层电子结构 元素周期律 ： 随着原子序数(核内质子数 的递增而呈周期性排布， 核内质子数)的递增而呈周期性排布 随着原子序数 核内质子数 的递增而呈周期性排布，元素性质呈 现周期性变化的规律。 现周期性变化的规律。
1.1 原子结构(Atomic Structure) 原子结构(Atomic
1.1.1 物质的组成 物质的组成(Substance Construction)
物质由无数微粒(Particles)聚集而成 聚集而成 物质由无数微粒 分 子(Molecule)：单独存在保存物质化学特性 ： 体积小：d(H2O)＝0.2 nm 体积小： ＝ 分子量差异大： 分子量差异大：M(H2O)＝2；M(protein)＝106 ＝ ； ＝ 原 子(Atom)：化学变化中最小微粒，但从量子力学中原子并不 ：化学变化中最小微粒， 是物质的最小微粒。原子具有复杂的结构， 是物质的最小微粒 。 原子具有复杂的结构 ， 并直接影响原子间 的结合方式。 的结合方式。