材料科学基础原子结构和键合

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图6 形成共价键的SiO2
（蓝色圆圈代表Si的价电子， 红色圆 圈代表O的价电子）
图7 SiO2四面体晶体结构 （由共价键方向性特点 决定）
表1 几种材料的结合能和熔点
1.2.2 物理键（次价键、二次键）
1. 范德华力(Van Der Waals force) ，也叫分子键。 1）微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用 2）特点：除高分子材料外，键的结合不如化学键牢固，
• 1.1.3 原子的电子结构 电子云(election atmosphere) 1. 描述原子中一个电子的位置和能量用四个量子数(quantum number)：主量子数（电子层）、轨道量子数（电子亚层）、 磁量子数（轨道数）、自旋角动量子数（自旋方向）。
• 2.核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli不相容原 理(Pauli principle)、Hund规则(Hund ’s rule)。
4.目前还不能对各种物质的结合键进行准确的理论计算。
5. 各种键合本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用 即库仑力。
6. 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为五类：
金属键、离子键、共价键； 分子键（范德华力）和氢键。
化学键
物理键
• 1.2.1 化学键（主价键、一次键）
1. 金属键(metallic bond)
• 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合
• 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依 靠范德华力
• 聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链 之间则为范德华力或氢键
1.2.4 结合键的本质及原子间距（补充）
• 原子间距：两原子在某距离下吸引力和排斥力相 等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离r0 相当于原子间的平衡距。 把两个原子平衡距离下 的作用能称为原子的结合能（E）。结合能的大 小相当于把两原子分开所需做的功，E越大，原 子结合越稳定。离子键、共价键的E最大；金属 键的次之；范德华力的最小。
原子能量与原子间距的关系
• 1.2.5 结合键与性能
1.物理性能 • 熔点的高低代表了材料稳定性程度。共、离子键化合物的Tm
3.电负性(electronegativity) 原子在化合物中把电子吸引向自 己的本领。
• 1.2 原子间的键合
结合键(binding bond) ：
1. 是指由原子结合成分子或固体的方式和结合理、化学、力学等性质。
3.从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，就 能预测物质的各项性质。因此，结合键的分析和计算乃是各种 分子和固体电子理论的基础。
• 以 NaCl为例： • 1）金属原子放弃一个外层电子，非
金属原子得到此电子使外层填满，结 果双双变得稳定。
• 2）金属原子失去电子带正电荷，非 金属原子得到电子带负电荷，双双均 成为离子
• 3） 离子键键的大小在离子周围各个 方向上都是相同的，故没有方向性和 饱和性。
• 解释：熔点高、硬度高、固态下绝缘 性好、熔融时可以导电等。
1）自由电子—弥漫于金属正离子间
金属原子的外层电子数比较少，且各个原子的 价电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。
2）定义：由金属正离子和自由电子之间互相
作用所构成的键合称为金属键。 3）特点： 电子共有化，无饱和性，无方向性。 4）可以解释金属的一些特征：
图3 金属键示意图
如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金 属光泽，正的电阻温度系数 。
• 1.1 原子结构
• 1.1.1 物质的组成 物质是由无数微粒（分子、原子、离 子）按一定方式聚集而成的集合体。 粒子
• 1.1.2 原子结构(atomic structure) 原子是由原子核(由带 正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷) 构成。 原子结构的特点：体积很小，质量大部分集中于 原子核内，原子核的密度很大。
图1 原子结构
图2 原子排列
• 1.1.4 元素周期表 • 1.1.5 原子的电离能、电子亲合能和电负性 （补充）
1.电离能(ionization energy) 气态原子失去一个电子成为一 价正离子所需要的最低能量称为第一电离能。从一价正离子失 去一个电子成为二价正离子所需要的最低能量称为第二电离能。 依此类推。电离能 的大小可以反映原子失去电子的难易程度。 单位：电子伏特或千伏/摩尔。 2.电子亲合能(electron affinity) 气态原子获得一个电子成为 一价负离子所释放的能量。
无饱和性，无方向性。 • 2. 氢键(hydrogen bond)
1）分子间特殊作用力 2）表达为：X—H—Y 3）特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子 间。 4）氢键主要存在于高分子材料内。
1.2.3 混合键 （补充）
• 实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键
• 金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、 离子键
图4 NaCl 晶体 图5 Cl与Na形成离子键
3. 共价键(covalent bond) • 两个或多个原子间通过共用电子对而形成的化学键。 • 特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方
向性，配位数较小、各键间都有确定方位。 • 可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，
结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。
• 2. 离子键(ionic bond) • 金属正离子——非金属负离子之间
• 特点：以离子为结合单位，结合力较强， 决定离子晶体结构的是正负离子电荷及 几何因素，有较高的配位数，无方向性 和饱和性。
• 可以解释离子晶体的一些特征，如较高 的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体 而熔融态时具有良好的导电性。
• 本章主要内容： (1) 原子结构； (2) 原子间键合方式； (3) 高分子链。
• 掌握基本概念和术语 • 理解决定键合方式的主要因素 • 能够用结合键的特征解释材料的性能。
例如：用金属键的特征解释金属材料的性能： 1.良好的导电、导热性；（自由电子） 2.良好的延展性。（既无饱和性又无方向性） 3.金属光泽（？课后思考，下节课提问） 4.正的电阻温度系数（？课后思考，下节课提问）