材料科学课件：第一章 材料结构.ppt

1、2/8/20221第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识（一）（一）2材料结构材料性能四层次原子结构原子结合键原子的排列显微组织3思考思考 1、什么是价电子？、什么是价电子？ 2、K与与Cu相比，谁更活泼？为什么？相比，谁更活泼？为什么？ 3、金属是否均是由金属键构成的？、金属是否均是由金属键构成的？W为什么具有为什么具有高熔点？高熔点？ 4、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁的密度更高？的密度更高？ 5、什么是弹性模量？、什么是弹性模量？4一、原子结构一、原子结构1、原子的电子排列、原子的电子排列- -2 27 7- -2 27 7-

2、-3 31 1（p pr ro ot to on n）（n ne eu ut tr ro on n）质质子子：正正电电荷荷m m1 1. .6 67 72 26 6 1 10 0k kg g原原子子核核（n nu uc cl le eu us s) )：位位于于原原子子中中心心、带带正正电电中中子子：电电中中性性m m1 1. .6 67 74 48 8 1 10 0k kg g电电子子（e el le ec ct tr ro on n）：核核外外高高速速旋旋转转，带带负负电电，按按能能量量高高低低排排列列，如如电电子子云云（e el le ec ct tr ro on n c cl lo o

3、u ud d） m m9 9. .1 10 09 95 5 1 10 0 k kg g，约约为为质质子子的的1 1/ /1 18 83 36 65波函数和原子轨道波函数和原子轨道 1926 1926年，年，SchrSchrdingerdinger（薛定谔）根据德布罗伊（薛定谔）根据德布罗伊 物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。 )(2cosEtxphA是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何微观粒子的行为。微观粒子的行为。6 波函数是三维空间x、y、z的函数，其二阶偏微分方程就是有名的薛定谔方程 电子的

4、波函数电子的波函数 对原子核外电子运动的描述具有十分重对原子核外电子运动的描述具有十分重要意义：要意义： 波函数不同，其能量不同波函数不同，其能量不同。 每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为原子轨道。原子轨道。 相当于给出了电子运动的相当于给出了电子运动的“轨道轨道”。0)VE(hm8zyx22222222 7四个量子数四个量子数 (1) 主量子数主量子数（2）角量子数）角量子数 （3）磁量子数）磁量子数（4）自旋量子数）自旋量子数n，电子层；，电子层；l，同一壳层上的电子依据能量水平不同分的，同一壳层上的电子依据能量水平不同分的亚壳

5、层（亚壳层（spdf)，反映了轨道的形状；，反映了轨道的形状；m，确定轨道的空间取向；，确定轨道的空间取向；ms，每个状态下可以存在自旋方向相反的，每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子；两个电子；8(1)主量子数主量子数 n主量子数主量子数 n 表示电子层，其值越大，轨道距表示电子层，其值越大，轨道距核越远，能量越高。核越远，能量越高。电子层符号电子层符号 K L M N O P Q 主量子数主量子数 n 1 2 3 4 5 6 7 9 （2）角量子数）角量子数 l 角量子数角量子数 l 又叫副量子数，表示电子亚层。它确定又叫副量子数，表示电子亚层。它确定着电子轨道的着电子轨道的能级和形状

6、能级和形状。 在在n n确定后，同一壳层上的电子依据角量子数确定后，同一壳层上的电子依据角量子数l l再分成再分成若干个能级大小不同的亚壳层：若干个能级大小不同的亚壳层：l= 0l= 0、1 1、2 2、3 3、4 4、55。这些亚壳层可用小写字母这些亚壳层可用小写字母 s s、p p、d d、f f 表示；表示；s s、p p、d d、f f 是根据四个亚壳层的光谱线特征得到的，是根据四个亚壳层的光谱线特征得到的， 即即 sharp (sharp (敏锐的敏锐的) )、principal(principal(主要的主要的), diffuse(), diffuse(漫散漫散的的), funda

7、mental(), fundamental(基本的基本的) )。 n n相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也不同，能量相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也不同，能量水平是随水平是随s s，p p，d d，f f 依次升高。依次升高。 10 角量子数角量子数 l 的值为：的值为：0 n1【一个一个n值可以有值可以有n个个l值值】如：主量子数：如：主量子数： 1 2 3 4 角量子数角量子数 ： 0 1 2 3 轨道符号：轨道符号： s p d f 轨道形状：轨道形状： 球形球形 哑铃形哑铃形 花瓣形花瓣形 同样，同样，l 的值越大，轨道距核越远，能量越高的值越大，轨道距核越远，能量越高l=0l=

8、1l=211（3）磁量子数 m 磁量子数 m 确定着轨道的数目和空间取向 对应于每个l下的磁量子总数（轨道数）为： m = 2(l)+1一个m代表一个轨道（m在-l+l之间取整数） 如：角量子数如：角量子数 0 1 2 3 轨道符号轨道符号 s p d f 轨道数目轨道数目 1 3 5 7 m 不影响轨道能级，在没有外加磁场的情况下，处于不影响轨道能级，在没有外加磁场的情况下，处于同一亚壳层的电子具有相同的能量。同一亚壳层的电子具有相同的能量。 在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角动量动量P P。P P不仅在数值上不能任意取值，而且相对于

9、磁场不仅在数值上不能任意取值，而且相对于磁场方向的取向也不是任意的且是量子化的方向的取向也不是任意的且是量子化的磁量子数磁量子数 （0）（）（-1，0，+1）（）（-2，-1，0，+1，+2）12 s、p、d电子云的角度分布图13（4 4）自旋量子数）自旋量子数 m ms s 自旋量子数自旋量子数 m ms s并不是求解薛定谔方程得出的，并不是求解薛定谔方程得出的，它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道上存在着上存在着自旋相反的两个电子自旋相反的两个电子，为了表达这两个电子，为了表达这两个电子的区别，引出的第四个量子数。它只有的区别，引出的

10、第四个量子数。它只有1/21/2、1/21/2两个取值。表示为两个取值。表示为、。原子核外电子的状态由这四个量子数确定原子核外电子的状态由这四个量子数确定14电子分布情况电子分布情况原则：1）泡利不相容原理）泡利不相容原理2）电子总是优先占据能量低的轨道）电子总是优先占据能量低的轨道角量子数和自旋量子数主量子数和次量子数电子能量分布情况电子能量分布情况电子能量随主量子数n的增加而升高；同一壳层的能量按s、p、d、f次序依次升高相邻壳层的能量范围有重叠现象；3) 洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨道上，电子总是尽洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨道上，电子总是尽可能地分别占据不同的轨道，且自旋方

11、向相同。可能地分别占据不同的轨道，且自旋方向相同。15 主量子数为主量子数为n n的壳层中最多能容纳的电子数为的壳层中最多能容纳的电子数为2n22n216sspspdspdspdspdspdfff1234567主量子数n能量水平：1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-相邻壳层的能量范围有重叠现象。相邻壳层的能量范围有重叠现象。172、元素周期表元素周期表（periodic Table of the Elements)元素（元素（Element）：）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数种，核电荷数是划分元素的依据是划

12、分元素的依据同位素（同位素（Isotope）：）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 元素有两种存在状态：游离态和化合态（元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)7个横行（个横行（Horizontal rows)周期（周期（period）按原子序数（按原子序数（Atomic Number)递递增的顺序从左至右排列增的顺序从左至右排列18个纵行（个纵行（column）16族（族（Group），），7个主族、个主族、7个副族、个副族、1个个族、族、1个零个零族（族（Inert Gases）最外层的

13、电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下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。排列。121314121314666666C C ，C ，C，C ，C原子序数核电荷数原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数周期序数电子壳层数主族序数最主族序数最 外外 层层 电电 子子 数数 零族元素最外层电子数为零族元素最外层电子数为8（氦为（氦为2） 价电子数价电子数（Valence electron） 电离核核电电荷荷 ，原原子子半半径径 能能 ，失失电电子子能能力力 ，得得电电子子能能力力 最最外外层层电电子子数数相相同同，电电子子层层数数 ，原原子子半半径径 电电离离能能 ，失失电电子子

14、能能力力 ，得得电电子子能能力力 同同周周期期元元素素：左左右右，金金属属性性 ，非非金金属属性性 同同主主族族元元素素：上上下下，金金属属性性 ，非非金金属属性性 18191）价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成）价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成化学键的电子化学键的电子 。价电子直接参与原子间的结合，对材料的。价电子直接参与原子间的结合，对材料的物理、化学等性能有很大的影响。物理、化学等性能有很大的影响。2）原子价：）原子价：原子价原子价(valence)(valence)是指一种原子和其他原子之间是指一种原子和其他原子之间化合的能力。这是由电子排列最外层的化合的

15、能力。这是由电子排列最外层的s s态、态、p p态能级中的态能级中的电子数所决定。电子数所决定。203）过渡元素）过渡元素 周期表中部的周期表中部的B-BB-B对应着内壳层电子逐渐填充的对应着内壳层电子逐渐填充的过程，内壳层未填满的元素称为过渡元素。过程，内壳层未填满的元素称为过渡元素。特点：外层电子状态没有改变，都只有特点：外层电子状态没有改变，都只有1-21-2个价电子，具个价电子，具有典型的金属性。有典型的金属性。4）电负性）电负性衡量原子吸引电子能力的参数衡量原子吸引电子能力的参数特点：电负性越强，吸引电子能力越强，数值越大；特点：电负性越强，吸引电子能力越强，数值越大； 在同一周期内

16、，自左至右电负性逐渐增大；在同一族内自上至下在同一周期内，自左至右电负性逐渐增大；在同一族内自上至下电负性数据逐渐减小。电负性数据逐渐减小。 解释IB与IA元素的活泼性？2223二、原子结合键二、原子结合键键一次键离子键共价键金属键化学键、主价键二次键范德瓦耳斯键氢键物理键、次价键介于物理键和化学键之间依靠外壳层依靠外壳层电子转移或电子转移或共享以形成共享以形成稳定的电子稳定的电子壳层使原子壳层使原子结合起来结合起来原子或分子本身已具有稳定的电子结构，原子或分子本身已具有稳定的电子结构，不能依靠电子转移或共享来结合而只能不能依靠电子转移或共享来结合而只能借助原子之间的偶极吸引力结合借助原子之间

17、的偶极吸引力结合1、键的种类、键的种类（根据结合力强弱）24 1 1）离子键）离子键（Ionic bonding)Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物多数盐类、碱类和金属氧化物l以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性排列，且无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体良好电绝缘体静静电电键键引引力力 离离子子 实质：实质： 金属原子金属原子 带正电的正离子（带正电的正离子（CationCation） 非金属原子非金属原子 带负电的负离子（带负电的负离子（anio

18、nanion） e 典型代表：典型代表：特点：特点：MgO, Mg2Si, CuO25l2）共价键（covalent bonding）l 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 键电对键键两键间极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中l饱和性饱和性 配位数较小配位数较小 ，方，方向性（向性（s s电子除外）电子除外）l性质：熔点高、质硬脆

19、、导电性质：熔点高、质硬脆、导电能力差能力差特点：特点：263 3）金属键（）金属键（Metallic bondingMetallic bonding）l典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子valence electronvalence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（子（Free electronFree electron），），形成电子云形成电子云（electron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键金属中自由电子与金属正离子之间构

20、成键合称为金属键l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构密堆结构l性质：良好导电、导热性能，延展性好性质：良好导电、导热性能，延展性好27 4）范德华力（Van der waals bonding) 电应邻电华偶极矩的感作用偶极矩的感作用近原子相互作用荷位移近原子相互作用荷位移偶极子(dipoles）范德力偶极子(dipoles）范德力l静电力静电力( (electrostatic)electrostatic)、诱导力诱导力( (induction)induction)和色散力和色散力( (dispersive force)

21、dispersive force)l属物理键属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质，如气体的聚合，塑料、石蜡将大分子链结合变材料性质，如气体的聚合，塑料、石蜡将大分子链结合为固体。为固体。 包括：包括：极性分子之间、极性分子与非极性分子之间、非极性分子之间28l5 5）氢键）氢键（Hydrogen bondingHydrogen bonding） 极性分子键极性分子键 存在于存在于HFHF、H H2 2O O、NHNH3 3中中 ，在高分子中占，在高分子中占重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键重要地位，氢原子中唯

22、一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引氢桥氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性介于化学键与物理键之间，具有饱和性 本质上与范德瓦耳斯键一样，也是靠原本质上与范德瓦耳斯键一样，也是靠原子的偶极吸引力结合起来的，只是氢原子子的偶极吸引力结合起来的，只是氢原子起了关键作用！起了关键作用！ 在带有-COOH、-OH、-NH2原子团的高分子聚合物中常出现氢键，将长链分子结合起来； 在生物分子中如：DNA也起重要的作用可表示为：X-HY296）混合键）混合键 实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材料的内部原子结合

23、键往往是各种键的混合！ （1） 共价-金属混合键， （2）金属-共价混合键， （3）金属-离子混合键，如：IVA族元素Si、Ge、Sn、Pb电负性逐渐下降，失去电子的倾向逐渐增大，所以这几类元素的结合就是共价键与金属键的混合，到Pb时已成完全的金属键。过渡金属出现的金属键和共价键混合键，可解释高熔点；如：W、Mo金属间化合物之间可形成金属键与离子键的混合键，可解释此类化合物的脆性；如：CuGe30陶瓷化合物中混合键（离子陶瓷化合物中混合键（离子-共价）情况共价）情况离子键的比例取决于组成元素的电负性差%100e1 %2)(41BAXX）离子键结合（XA、XB分别为分别为A、B的电负性数值的电负

24、性数值（记忆次公式） （4）离子）离子-共价混合键共价混合键例如，MgO从表22中查得 XMg 1.31， XO3.44，代入(2-12)式， 求得化合物中离子键比例为6831（5）另类混合键：一次键）另类混合键：一次键+二次键二次键如：气体分子凝聚体； 聚合物； 石墨混合键的意义：混合键的意义：使得材料的性能可在很广的范围内调节！ 线性高分子材料的大分子链是共价键结合方式，但大分子链之间是线性高分子材料的大分子链是共价键结合方式，但大分子链之间是范德华键或氢键的结合方式。范德华键或氢键的结合方式。 现代复合材料是由二种或二种以上不同的材料经特殊的成型加工复现代复合材料是由二种或二种以上不同的

25、材料经特殊的成型加工复合而成，其内部结合键是混合键。合而成，其内部结合键是混合键。 正是复合材料的结合方式是混合键，键合比例又随材料的组成和正是复合材料的结合方式是混合键，键合比例又随材料的组成和种类而变化，故复合材料的性能丰富又多样。种类而变化，故复合材料的性能丰富又多样。 322、结合键的本质、结合键的本质原子间距r原子间距r排斥力吸引力合力r0E000吸引排斥吸引排斥作用力F作用位能E原子间距：吸引力、排斥力相等时原子之间的距离固体原子之间总存在两种力：吸引力和排斥力，且与距离关系密切作用位能与原子之间的距离和作用力有关系 平衡距离下的作用能定义为原子的结合能，即把两个原子完全分开所需要

26、作的功！33 结合键的本质结合键的本质就是原子的结合能相当于把两个原子完全就是原子的结合能相当于把两个原子完全分开所作的功的大小。结合能越大，原子结合愈稳定。分开所作的功的大小。结合能越大，原子结合愈稳定。 结合能大小可以通过测定固体的蒸发热而得到结合能大小可以通过测定固体的蒸发热而得到共价键和离子键的共价键和离子键的键能最大，金属键键能最大，金属键次之，物理键的氢次之，物理键的氢键很小，范德华键键很小，范德华键最小。最小。 34结合能计算公式结合能计算公式202214aezzF吸引1nanbF排斥1202214nanbaezzF合0FdxEnabaezzE02214合+（z1、z2为原子的电

27、子得失数； e为电荷量； a是离子对间距； n为波恩指数，一般取7-9）353、结合键与性能、结合键与性能1）物理性能）物理性能熔点熔点密度密度原子量有关化学键金属键，金属键，离子键、共价键，离子键、共价键，二次键使分子链堆垛不紧密二次键使分子链堆垛不紧密导热、导电性导热、导电性共价化合物、离子化合物、过度金属、二次键共价化合物、离子化合物、过度金属、二次键结合的材料？结合的材料？原子趋向密堆原子趋向密堆原子排列不致密原子排列不致密362）力学性能）力学性能弹性模量金刚石弹性模量最大1000GP陶瓷金属材料聚合物强度，一般说结合键能高的，强度也高塑性金属键，良好离子键、共价键则困难一些E应力应力-应变曲线上弹性应变曲线上弹性变形段的斜率；拉伸变变形段的斜率；拉伸变形时称为杨氏模量形时称为杨氏模量