材料科学基础(第03章原子结构与结合键)

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3.1 原子结构
3.1.2 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 原子是由质子和中子组成的原子核， 子所构成的。 子所构成的。 2. 原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原 数量级， 原子的体积很小，直径约为10 子核直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的 数量级。然而， 子核直径更小，仅为10 质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子 质量恰主要集中在原子核内。 的质量大致为1.67X10 的质量大致为1.67X10-24g，而电子的质量约为 9.11X10-28g，仅为质子的1/1836。 仅为质子的1/1836。
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3.2 原子间的键合类型
3.2.4 范德华力 ① 范德华力属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和 范德华力属物理键，系一种次价键， 比化学键的键能少1 个数量级。 性。比化学键的键能少1～2个数量级。 ② 不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德华力 不同的高分子聚合物有不同的性能， 不同是一个重要因素。 不同是一个重要因素。
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3.1 原子结构
3.1.3 原子的电子结构 3. 原子电子结构示意图
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3.1 原子结构
3.1.4 元素周期表 ① 具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。 具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。 ② 元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了 元素周期表是元素周期律的具体表现形式， 元素之间相互联系的规律， 元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反 映了那个元素的原子结构和一定的性质。 映了那个元素的原子结构和一定的性质。 ③ ④ 7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原 rows)周期 period） 周期（ 个横行（ 子序数（ Number)递增的顺序从左至右排列 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、 18个纵行（column）16族 Group）， 个主族、 ），7 个纵行 7个副族、1个Ⅷ族、1个零族（Inert Gases）最外 个副族、 个零族（ Gases） 层的电子数相同， 层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下 排列。 排列。
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3.1 原子结构
3.1.4 元素周期表
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3.2 原子间的键合类型
3.2.1 金属键 ① 金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称 为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。 为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。 ② 金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同 金属键既无饱和性又无方向性， 更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当 更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。 金属受力变形而改变原子之间的相互位置时， 金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使 金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于 金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且， 自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性 自由电子的存在， 能。
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3.2 原子间的键合
3.2.3 共价键 ④ 共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。 共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。 ⑤ 共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无 共价键在亚金属（ 锗等）、聚合物和无 ）、 机非金属材料中均占有重要地位。 机非金属材料中均占有重要地位。
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3.2 原子间的键合
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3.2.1 金属键
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3.2 原子间的键合
3.2.1 金属键 由于自由电子的存在，当金属受到外加电场作用时， ③ 由于自由电子的存在，当金属受到外加电场作用时，其内部 的自由电子将沿电场方向作定向运动，形成电子流， 的自由电子将沿电场方向作定向运动，形成电子流，所以金 属具有良好的导电性 导电性； 属具有良好的导电性； ④ 金属除依靠正离子的振动传递热能外，自由电子的运动也能 金属除依靠正离子的振动传递热能外， 传递热能，所以金属的导热性好； 传递热能，所以金属的导热性 导热性好 随着金属温度的升高，正离子的热振动加剧， ⑤ 随着金属温度的升高，正离子的热振动加剧，使自由电子的 定向运动阻力增加，电阻升高，所以金属具有正的电阻温度 定向运动阻力增加，电阻升高，所以金属具有正的电阻温度 系数； 系数； 当金属的两部分发生相对位移时， ⑥ 当金属的两部分发生相对位移时，金属的正离子仍然保持金 良好的变形能力； 属键，所以具有良好的变形能力 属键，所以具有良好的变形能力； 自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明； ⑦ 自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明；而所吸收的 能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽 光泽。 能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。
材料科学基础
上海工程技术大学
第2次课
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第三章 原子结构与结合键
• 原子结构 • 结合键类型 • 材料的结合键与性能
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3.1 原子结构
3.1.1 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。 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。 这些微粒可能是分子、原子或离子。 分子是能单独存在， 分子是能单独存在，且保持物质化学性质的一种微 粒。 原子是化学变化中的最小微粒。 原子是化学变化中的最小微粒。 原子（核外电子）结构直接影响原子间的结合方式。 原子（核外电子）结构直接影响原子间的结合方式。
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3.1 原子结构
3.1.3 原子的电子结构 2. 多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则， 多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则， 即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则。 不相容原理和Hund规则 规则。 即能量最低原理、Pauli不相容原理和 ① 能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量 能量最低原理： 最低。 最低。 ② Pauli不相容原理：一个原子不能有四个量子数都相同 Pauli不相容原理 不相容原理： 的两个电子。 的两个电子。 ③ Hund规则：在同一亚层的电子尽可能占据不同的能级， Hund规则 在同一亚层的电子尽可能占据不同的能级， 规则： 且自旋方向相同。 且自旋方向相同。
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3.2 原子间的键合类型
3.2.2 离子键 ④ 在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们 在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此， 都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时， 都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正 负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导 负离子在外电场作用下可以自由运动， 电性。 电性。
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3.2 原子间的键合
3.2.3 共价键 ① 两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而 形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达 形成的化学键。 到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位， 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。 且配位数较小。 ② 共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较 共价键晶体中各个键之间都有确定的方位， 小。 ③ 共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔 共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、 点高、质硬脆等特点。 点高、质硬脆等特点。
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3.2 原子间的键合类型
3.2.5 氢键 ① 氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与 氢键是一种特殊的分子间作用力。 两个电负性很大而原子半径较小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ （Ｏ，Ｆ，Ｎ等 两个电负性很大而原子半径较小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ等） 相结合而产生的具有比一般次价键大的键力， 相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和 性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。 性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。
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3.2 原子间的键合类型
3.2.6 混合键
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3.3 键合类型与性能
3.3.1 金属键 由于自由电子的存在，当金属受到外加电场作用时， ① 由于自由电子的存在，当金属受到外加电场作用时，其 内部的自由电子将沿电场方向作定向运动，形成电子流， 内部的自由电子将沿电场方向作定向运动，形成电子流， 所以金属具有良好的导电性 导电性； 所以金属具有良好的导电性； 金属除依靠正离子的振动传递热能外， ② 金属除依靠正离子的振动传递热能外，自由电子的运动 也能传递热能，所以金属的导热性 导热性好 也能传递热能，所以金属的导热性好； 随着金属温度的升高，正离子的热振动加剧， ③ 随着金属温度的升高，正离子的热振动加剧，使自由电 子的定向运动阻力增加，电阻升高，所以金属具有正的 子的定向运动阻力增加，电阻升高，所以金属具有正的 电阻温度系数； 电阻温度系数； 当金属的两部分发生相对位移时， ④ 当金属的两部分发生相对位移时，金属的正离子仍然保 持金属键，所以具有良好的变形能力 良好的变形能力； 持金属键，所以具有良好的变形能力； 自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明； ⑤ 自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明；而所吸 收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射， 收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具 光泽。 有光泽。
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3.2 原子间的键合类型
3.2.2 离子键 ① 离子键：以离子而不是以原子为结合单元。 离子键：以离子而不是以原子为结合单元。 ② 离子键的特点是与正离子相邻的是负离子，与负离子 离子键的特点是与正离子相邻的是负离子， 相邻的是正离子，其大小在离子周围各个方向上都是 相邻的是正离子， 相同的，所以，无方向性。 相同的，所以，无方向性。 ③ 离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。 离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。 其熔点和硬度均较高。 其熔点和硬度均较高。