原子结构与键合高分子
胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库(章节题库 原子结构与键合)【圣才出品】
第1章 原子结构与键合一、简答题1．固体材料中，内层电子状态通常用哪些量子数描述？外层电子状态通常使用的量子数有哪些？答：固体材料中内层电子状态通常用主量子数n、角（动量）量子数l、磁量子数m 和自旋量子数m s来描述。
固体材料中外层电子状态通常用电子波矢（k x，k y，k z）和自旋量子数m s来描述。
2．原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？答：主量子数n、轨道角动量量子数l i、磁量子数m i和自旋角动量量子数s i。
3．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答：能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。
4．在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？它的性质如何递变？答：同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左→右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素最外层电子数相同，但从上→下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低。
5．何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答：在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然而它们的化学性质相同，这种物质称为同位素。
由于各同位素所含的中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同6．原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？答：7．S的化学行为有时像2价的元素，而有时却像4价元素。
试解释S这种行为的原因。
答：S的最外层电子为3s23p4。
S与H结合成H2S时，接受2个电子，故为2价；S 与O结合成SO2时，此时S供给4个电子，故为4价。
8．尽管HF的相对分子质量较低，试解释：为什么HF的沸腾温度（19.4℃）要比HCI的沸腾温度（－85℃）高？答：由于HF分子间结合力是氢键，而HCI分子间结合力是范德瓦耳斯力，氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能，因此HF的沸点要比HCI的高。
材料科学基础教案第一章
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静电力(electrost高分子链
Atomic Structure and Interatomic Bonding
第一章原子结构和键合
第二节 原子间的键合
材料的微观结构（Microstructure of Materials）
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； 原子间相互作用、相互结合； 原子或分子在空间的排列和运动规律； 以及原子集合体的形貌特征。
取代基围绕特定原子在空间的排布规律。
构型
构造
近程结构
单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链。 高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度。 高分子链的化学组成不同，化学和物理性能也不同。
链结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) 碳链高分子 聚乙烯（见书9）
一、金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），并在整个晶体内运动，弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云（electron cloud）。 金属中自由电子与金属正离子之间相互作用构成的键合称为金属键。 绝大多数金属均以金属键方式结合，基本特点——电子的共有化
诱导力(induction)
色散力(dispersive force)
贰
壹
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。
材料科学基础复习题及答案
单项选择题：（每一道题1分）第1章原子结构与键合1.高分子材料中的C-H化学键属于。
（A）氢键（B）离子键（C）共价键2.属于物理键的是。
（A）共价键（B）范德华力（C）氢键3.化学键中通过共用电子对形成的是。
（A）共价键（B）离子键（C）金属键第2章固体结构4.面心立方晶体的致密度为 C 。
（A）100% （B）68% （C）74%5.体心立方晶体的致密度为 B 。
（A）100% （B）68% （C）74%6.密排六方晶体的致密度为 C 。
（A）100% （B）68% （C）74%7.以下不具有多晶型性的金属是。
（A）铜（B）锰（C）铁8.面心立方晶体的孪晶面是。
（A）{112} （B）{110} （C）{111}9.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是。
（A）fcc （B）bcc （C）hcp10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式？（A）复合强化（B）弥散强化（C）固溶强化11.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。
（A）氮（B）碳（C）硼12.以下属于正常价化合物的是。
（A）Mg2Pb （B）Cu5Sn （C）Fe3C第3章晶体缺陷13.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系？（A）垂直（B）平行（C）交叉14.能进行攀移的位错必然是。
（A）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错15.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为。
（A）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷16.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为（A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错17.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是（A）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金18.大角度晶界具有____________个自由度。
（A）3 （B）4 （C）5第4章固体中原子及分子的运动19.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。
（A）距离（B）时间（C）温度20.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为。
胡赓祥《材料科学基础》(第3版)(复习笔记 原子结构与键合)【圣才出品】
1.1复习笔记一、原子结构1．物质的组成一切物质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。
（1）分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒；（2）原子具有复杂的结构，其结构直接影响原子间的结合方式。
2．原子的结构（1）原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的；（2）原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷；（3）一个质子的正电荷量正好与一个电子的负电荷量相等，它等于－e（e＝1.6022×10－19C）。
3．原子的电子结构电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。
从薛定谔（SchrodingerE．）方程得到的波函数描述了电子的运动状态和在核外空间某处的出现几率，即原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：（1）主量子数n——决定原子中电子能量以及与核的平均距离；图1-1钠（原子序数为11）原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况（2）轨道角动量量子数l i——给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，…，n－1。
在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的；（3）磁量子数m i——给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。
每个l i下的磁量子数的总数为2l i＋1。
磁量子数决定了电子云的空间取向。
（4）自旋角动量量子数s i——反映电子不同的自旋方向。
s i规定为＋1/2和－1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。
在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：①能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；②泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；③洪德（Hund）定则：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。
原子结构与键合简述
原子结构与键合简述物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的。
在材料科学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。
电子在核外空间作高速旋转运动时，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。
电子既具有粒子性又具有波动性，即具有二象性。
电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，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。
根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中一个电子的空间位置和能量可用4个量子数表示：(1)主量子数n——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；(2)轨道角动量量子数—给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）；(3)磁量子数m给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数；(4)自旋角动量量子数s—反映电子不同的自旋方向。
在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：(1)能量最低原理——电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由内向外进入能量较高的壳层，尽可能使体系的能量最低。
(2)Pauli不相容原理——在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。
(3)Hund规则——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，而且自旋的方向相同。
当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定的，并且整个原子的能量最低。
元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增，呈周期性变化的规律。
可根据元素在周期表中的位置，推断它的原子结构和特定的性质。
原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。
由于原子间结合键的不同，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。
原子的电子结构决定了原子键合的本身，原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。
化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键3种：(1)金属键，绝大多数金属均为金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化；(2)离子键，大多数盐类、碱类和金属氧化物，主要以离子键方式结合，这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位的；(3)共价键，在亚金属(C,Si,Sn,Ge等)、聚合物和无机非金属材料中，共价键占有重要的地位，它的主要特点是共用电子对。
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。
6材料内部结构的四个层次以及原子间结合键类型
运动方式
显微组织
金属材料工程基础知识
金属材料内部结构的四个层次
从宏观到微观 ， 其内部结构按研
究尺寸
1、宏观组织结构 （尺度：mm到m量级）
用肉眼和放大镜所能观察到的粗大晶体或相的集合状态
2、显微组织结构 （尺度：10-7-10-4m，µm量级）
借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合
3、原子（或分子）排列结构 （尺度：10-10m，0.1nm量级）
的来源：偶极间的静电力 诱导力 色散力
氢键
定义：氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子
金属材料工程基础知识 四、常见材料结合键
1、金属键合
金属和合金的基本键合方式
高导热，高导电
2、陶瓷键合
陶瓷包含金属和非金属元素的化合 物主要以离子键合，电子不能移动，
故不导电，不导热
3、高分子键合
主要以共价键构成
不耐热、导热导电有限
小资料：一种材料一般主要由一种类型的主要价键，但也有其他类型键，所以
混合间很普遍，如锡，有金属性，也有共价性，故较脆；硅，主要是共价键，但也 ……
有金属键，故能激发电子，因此用作半导体。
金属材料工程基础知识 一、材料的内部结构的四个层次 二、材料的常见结合键：
（根据结合力强弱）
原子外层电子重新排布，不再属于原来的原子
一次键
金属材料工程基础知识
离子键与离子晶体
离子键：正、负离子经库仑静电引力相互结合起来的结合键 离子晶体：由离子键结合而成的固体，如NaCl(无色透明)
共价键和共价晶体
共价键：相邻原子共同占有部分价电子，使最外层电子处于满壳状态 特点：饱和性方向性
晶体的原子排列结构，也称为晶体结构
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旋光异构
由烯烴单体合成的高聚物 CH2 ─ CHR 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： 全同立构：高分子链全部 由一种旋光异构单元键 接而成 间同立构：高分子链由两 种旋光异构单元交替键 接而成 无规立构：高分子链由两 种旋光异构单元无规键 接而成
交联高分子：不溶不熔
三维网状高分子：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
四、高分子链的空间构型
构型：分子中由化学键所固定的原子在空 间的排列。这种排列是热力学稳定 的，要改变构型必需经过化学键的 断裂与重排。 取代基围绕特定原子在空间的排列 规律。
主要有：旋光异构和几何异构
CH3 CH2 C CH
1、2加成
CH3
CH
CH2
CH2 CH3
CH2
C
CH CH2
C
3、4加成
CH 2
CH2
CH
C
CH
1、4加成
CH 3
2.共聚物的序列结构
按结构单元在分 子链内排列方式的 不同分为： 无规共聚物 交替共聚物 嵌段共聚物 接枝共聚物
三、高分子链的几何形态
线形高分子：加热后变 软，甚至流动，可反 复加工，热塑性 支化高分子：可溶可熔
R C C R C C R C C R C C
R C C C R
R C C R C C
R C C C R
R C R C C C
C C
间同立构（syndisotactic configurations): R取代基交替地处在主链平面两侧， 即两旋光异构单元交替 全同立构（isotactic configurations): R取代基全处在主链平面一边， 即全部由一种旋光异构体 无规立构（atactic configurations): R取代基在主链平面两侧不规则排列
亦称高聚物、聚合物。
几个基本概念
单体
聚合反应前最初的简单低分子化合物，一种或几种。 链节 组成高分子链的结构相同的基本重复单元。 聚合度 高分子链中链节的重复次数。聚合度反映了高分子链的长短和 高分子化合物的相对分子质量。 官能度 指单体能与别的单体发生键合的位置数目。
高分子是由许多单个的高分子链聚集而成，其结构包括两方面： （1）单个高分子链的结构； （2）许多高分子链聚在一起表现出来的聚集态结构。
高分子化合物的分子量有一定分布，不是均一的，聚合物分 子量的这种特性称为“多分散性”。 聚合度是指高分子中所含的重复单元的数目，其值与分子量 成正比；可以作为衡量高分子大小的参数。
W(M)
左图是分子量的微分分布曲 线：横坐标是分子量，纵坐 标是分子量为M的组分的相对 含量。由图能知道高分子的 平均大小和分子量的分散程 度，即分子量分布的宽度。 M
链结构单元的化学组成
构造
结构单元的键接方式 分子链的几何形态
近程结构 高分子 链内结构
远程结构 高聚物 结构 晶态结构 高分子 链间结构 非晶结构 取向结构 织态结构 构型
取代基围绕特定原子 在空间的排列规律
大小、构象、柔顺性
2.2 高分子链的近程结构
一、高分子链的化学组成
聚合物高分子链由主链和侧基构成 （一）碳链高分子 主链由C原子以共价键联结，侧基为氢原子、 有机基团或取代基。 如： PE、PS、PP、PVC 等
S \ Si / S
二硫化硅
S Cl / │
Cl │ N ─ P │ Cl
聚二氯—氮化磷
P
\ │ S Cl
N
二、高分子链结构单元的键合方式
1.均聚物结构单元键接顺序
单烯类单体中，除乙烯分子是完全对称的，其结构单元 在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代， 故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：
对于大分子链而言就有： 顺反无序； 顺反交替； 全顺； 全反。
H │ ─ C │ H ─ CH 3 │ C H │ ＝ C ─ H │ C │ 3 │ C ＝ C │ H ─
H │ C │ H ─
顺式
二甲基丁二烯
反式 二甲基丁二烯
2.3 高分子链的远程结构
第二节 高分子结构
2.1 高分子结构概述 2.2 高分子链的近程结构 2.3 高分子链的远程结构
2.1 高分子结构概述 高分子化合物（Macro Molecular Compound ）
1）由一种或多种简单的相对分子质量小的 有机化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合 物。 2）由千百个原子彼此以共价键结合形成相 对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化 合物， 也称为高分子、大分子。
聚合物的分子量或聚合度到达某一数值后，才能显示出适用的机 械强度，这一数值称为临界聚合度。对极性强的高聚物来说，其 临界聚合度约为40；非极性高聚物的临界聚合度约为 80；弱极性 的介于二者之间。
│ H
（三）无机元素有机高分子 主链中含有 Si 、P 、B 等无机元素的高分子链 如：聚二甲基硅氧烷
CH 3 Si CH 3 O
硅橡胶
（四）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。
S \ Si / S \ /
不同的旋光异构构型，对高分子聚合物的宏观性 能有明显影响： 全同立构 PP （聚丙烯）： 熔点 165℃；密度 0.92 ；易结晶塑料 无规立构 PP （聚丙烯） ： 软化点 80℃；密度 0.85 ；弹性体
几何异构
双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且 双键不能旋转，就可能有顺式和反式两种异构体之分，称为几何异构。
─ CH 2 ─ CH │ Cl ─ CH │ Cl ─ CH 2 ─ CH │ Cl
头—头
─ CH ─ CH 2 ─ CH 2 ─ CH ─ CH 2 │ │ Cl Cl
─ CH 2 ─ CH │ Cl ─ CH 2 ─ CH │ Cl ─ CH 2
尾—尾
头—尾
不同键接方式，对高聚物结晶能力、力学性能、 热稳定性能等有着重要影响。 对双烯类烯烃的加成聚合键接方式更复杂
CH2 CH2
CH2 CH Cl
（二）杂链高分子 主链由二种或更多原子以共价键联结 主要是C、O、N、S等原子 如：环氧树脂、尼龙6、尼龙66、PET等
O C ─ O H H
│ │ ─ C ─ O ─ C ─ C ─ O │
涤 纶
│ H