无机材料科学基础第一章课件.ppt

1、12(1)同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度同样是由碳元素组成的，为什么金刚石是硬度最高的物质，而石墨却很软？最高的物质，而石墨却很软？(2)为什么原子能结合成固体？为什么原子能结合成固体？(3)材料中存在哪几种键合方式？材料中存在哪几种键合方式？(4)决定键合方式的主要因素有哪些？决定键合方式的主要因素有哪些？(5)材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？34主要内容主要内容1 原子结构原子结构2 元素周期表元素周期表3 原子间的键合原子间的键合4 材料的结合键与性能材料的结合键与性能51 1 原子结构原子结构 （Atomic Structure

2、）n物质的组成（Substance Construction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性原子（Atom）：化学变化中最小微粒61.1 物质结构理论发展简介物质结构理论发展简介71)电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量电子不是在任意轨道上绕核运动，而是在一些符合一定量子化条件的轨道上运动，在这些轨道中电子的角动量等于子化条件的轨道上运动，在这些轨道中电子的角动量等于h/2的整数倍。的整数倍。2)电子处在上述轨道时，原子既不吸收能量，也不辐射能量。电子处在上述轨道时，原子既不吸收能量，也不辐射能量。原子中有很多这种

3、稳定的状态（简称定态），其中能量最原子中有很多这种稳定的状态（简称定态），其中能量最低的定态称为基态，能量较高的定态称为激发态。低的定态称为基态，能量较高的定态称为激发态。3)当电子由一种定态跃迁至另一种定态时，就要吸收或放出当电子由一种定态跃迁至另一种定态时，就要吸收或放出能量，其值恰好等于两种定态的能量差，它与光的频率关能量，其值恰好等于两种定态的能量差，它与光的频率关系为系为hEE始态始态终态终态 81)提出了量子的概念2)成功地解释了氢原子光谱的实验结果3)用于计算氢原子的电离能n玻尔原子理论的局限性玻尔原子理论的局限性1)无法解释氢原子光谱的精细结构2)不能解释多电子原、分子或固体的

4、光谱3)不能解释电子衍射现象9波函数：描述核外电子运动状态的波函数：描述核外电子运动状态的 数学函数式。数学函数式。1926年，薛定谔年，薛定谔(Schrodinger)微观粒子的波动方程：微观粒子的波动方程：0)(822222222VEhmzyx：波函数：波函数x,y,z：空间坐标：空间坐标 E：体系的总能量：体系的总能量V：势能：势能101)波函数波函数是描述核外电子运动状态的数学函数式。是描述核外电子运动状态的数学函数式。2)波函数通常也叫原子轨道。原子在不同条件（波函数通常也叫原子轨道。原子在不同条件（n，l，m）下的波函数叫做不同的原子轨道，通常用）下的波函数叫做不同的原子轨道，通常

5、用s，p，d，f等符号依次表示等符号依次表示l0，1，2，3的轨道的轨道3)波函数波函数描述了核外电子可能出现的一个空间区描述了核外电子可能出现的一个空间区域（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确域（原子轨道），不是经典力学中描述的某种确定的几何轨迹。定的几何轨迹。4)没有明确的物理意义，但没有明确的物理意义，但|2 表示空间某处单表示空间某处单位体积内电子出现的几率（几率密度）。位体积内电子出现的几率（几率密度）。1112-27-27-31质子：正电荷质子：正电荷m m1.67261.672610 kg10 kg原子核（原子核（nucleus)nucleus)中子：电中性中子：电中性m m

6、1.67481.674810 kg10 kg电子（电子（electronelectron）：带负电，按能量高低排列）：带负电，按能量高低排列 m 9.109510 kg9.109510 kg，约为质子的，约为质子的1/18361/1836e=1.602210-19CNA=6.0231023atom/molM：原子量：原子量13解：假设纳米粒子是球状的，则其半径为1.5纳米 V=(4/3)(1.510-7cm)3=1.4137 10-20 cm3 m=7.8g/cm3 1.4137 10-20 cm3=1.102 10-19 g 1186atomatom/mol106.02356g/molg10

7、 1.10223-19141.2 核外电子运动状态核外电子运动状态1.四个量子数及其表征的意义四个量子数及其表征的意义nn,.,3,2,1PONMLK,15个取值共nnl),1(,.,3,2,1,016个取值共)12(,.,3,2,1,0llm 每一个亚层中，每一个亚层中，m有几个取值，其亚层就有几个不同伸有几个取值，其亚层就有几个不同伸展方向的同类原子轨道展方向的同类原子轨道 磁量子数与电子能量无关，同一亚层的原子轨道，能磁量子数与电子能量无关，同一亚层的原子轨道，能量是相等的，叫等价轨道量是相等的，叫等价轨道(或简并轨道），简并轨道的数或简并轨道），简并轨道的数目，称为简并度。目，称为简并

8、度。17个取值共2,21is电子自旋有顺时针和电子自旋有顺时针和逆时针的两个方向，逆时针的两个方向，通常用通常用和和表示表示Electron spin visualized18例例2：已知核外某电子的四个量子数为：已知核外某电子的四个量子数为：n=2;l=1;m=-1;ms=+1/2说明其表示的意义。说明其表示的意义。指在第二电子层、指在第二电子层、p亚层、亚层、py轨道上、轨道上、自旋方向以自旋方向以(+1/2)为特征的电子。为特征的电子。原子中每个电子的运动状态可用四个量子数来原子中每个电子的运动状态可用四个量子数来描述，四个量描述，四个量 子数确定之后，电子在核外的运动子数确定之后，电子

9、在核外的运动状态就确定了。状态就确定了。191.3 核外电子排布规律核外电子排布规律（1）核外电子的排布规则）核外电子的排布规则多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能地分多电子原子在基态时，核外电子总是尽可能地分布到能量最低的轨道。布到能量最低的轨道。在同一个原子中，没有四个量子数（运动状态）在同一个原子中，没有四个量子数（运动状态）完全相同的电子。完全相同的电子。电子分布到能量相同的等价轨道时，总是先以自电子分布到能量相同的等价轨道时，总是先以自旋相同的方向，单独占据能量相同的轨道。旋相同的方向，单独占据能量相同的轨道。20洪特规则的特例：等价轨道的全充满、半充满洪特规则的特例：等价轨道的全

10、充满、半充满和全空的状态是比较稳定的。和全空的状态是比较稳定的。全充满：全充满：p6，d 10，f 14半充满：半充满：p3，d 5，f 7全全 空：空：p0，d 0，f 0226261011324233sspspds29Cu24Cr22656121223334sspsdsp2114Si：1s22s22p63s23p226Fe：1s22s22p63s23p63d64s247Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s122（Periodic Table of the Elements)121314121314666666C C，C，C，C，C232425 每周期元素的数

11、目等于相应能级组内轨每周期元素的数目等于相应能级组内轨道所能容纳的最多电子数。道所能容纳的最多电子数。元素在周期表中所处的元素在周期表中所处的该元该元素原子的素原子的 元素在周期表中所处的元素在周期表中所处的：主族、第主族、第I副族、第副族、第II副族：最外层电副族：最外层电子数子数262728原子参数（原子参数（Atomic parameters）n 原子半径原子半径 Atomic radiusn 电离能电离能 Ionization energyn 电子亲和能电子亲和能 Electron affinityn 电负性电负性 Electronegativity293 3 原子间的键合原子间的键合

12、 （Atomic Bonding）303.1 3.1 结合力结合力 （Bonding forces）313233343.2 3.2 金属键金属键 （Metallic bonding）35 金属键无方向性，饱和性金属键无方向性，饱和性。金属键的强弱和自由电子。金属键的强弱和自由电子的多少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因的多少有关，也和离子半径、电子层结构等其它许多因素有关，素有关，很复杂。很复杂。n金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故金属可以吸收波长范围极广的光，并重新反射出，故金属晶体不透明，且有金属光泽金属晶体不透明，且有金属光泽。n在外电压的作用下，在外电压的作用下，自

13、由电子可以定向移动，故有自由电子可以定向移动，故有导电性导电性。n受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰受热时通过自由电子的碰撞及其与金属离子之间的碰撞，撞，传递能量，传递能量，故金属是热的故金属是热的良导体良导体。n金属受外力发生变形时，金属键不被破坏，金属受外力发生变形时，金属键不被破坏，故金属故金属有很好的有很好的延展性延展性，与离子晶体的情况相反。，与离子晶体的情况相反。36n计算10 cm3的Ag中能够参与导电的电子的数量。解：47Ag：1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1 Ag只有一个价电子 m=10.49g/cm310cm3=104.9 g 5

14、.851023 atom（1e/atom）=5.851023 eatom105.85atom/mol106.023ol107.868g/m104.9g232337 当电负性小的活泼金属原子与电负性大的活泼当电负性小的活泼金属原子与电负性大的活泼非金属原子相遇时，它们都有达到稀有气体原子非金属原子相遇时，它们都有达到稀有气体原子稳定结构的倾向；稳定结构的倾向；由于两个原子的电负性相差较大，因此它们之由于两个原子的电负性相差较大，因此它们之间容易发生电子的转移，形成正、负离子。间容易发生电子的转移，形成正、负离子。)22()3(621psNasNae)33()33(6252psClpsCleClN

15、a静电引力3.3 3.3 离子键离子键 （Ionic bonding）38离子键的特点离子键的特点 没有方向性；没有方向性；没有饱和性；没有饱和性；NaCl 晶体晶体39由阴、阳离子按一定规则排列在晶格结点上形成的由阴、阳离子按一定规则排列在晶格结点上形成的晶体为晶体为离子晶体离子晶体。n 离子晶体中晶格结点上微粒间的作用力为离子键，离子晶体中晶格结点上微粒间的作用力为离子键，这种力较强烈，故离子晶体的这种力较强烈，故离子晶体的熔、沸点较高熔、沸点较高，常温，常温下均为固体，且下均为固体，且硬度较大硬度较大。n 在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此

16、，它们都是良好的它们都是良好的绝缘体绝缘体。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。的方式结合。40一些离子化合物的熔点一些离子化合物的熔点 离子的电荷越高、半径越小，静电离子的电荷越高、半径越小，静电作用力就越强，熔点就越高。作用力就越强，熔点就越高。413.4 3.4 共价键共价键 （Covalent bonding）42氢氢分分子子中中共共价价键键的的形形成成 形成氢分子时，两个氢原子的核外电子形成氢分子时，两个氢原子的核外电子就是两个氢原子共有的，即两个外层电子是就是两个氢原子共有的，即两个外层电子是围绕两个氢原子核运动的，每个氢原子

17、都通围绕两个氢原子核运动的，每个氢原子都通过共用一对电子获得了过共用一对电子获得了1s2 的稳定外层结构。的稳定外层结构。同样，两个氧原子通过共用两对价电子获得同样，两个氧原子通过共用两对价电子获得八电子层的稳定结构，形成稳定的氧分子。八电子层的稳定结构，形成稳定的氧分子。43 2003 Brooks/Cole Publishing/Thomson Learning44 共价键理论的两个基本要点，决定了共价键具有的两种特共价键理论的两个基本要点，决定了共价键具有的两种特性，即性，即饱和性饱和性和和方向性方向性。n饱和性饱和性 根据自旋方向相反的两个未成对电子，可以配对形根据自旋方向相反的两个未

18、成对电子，可以配对形成一个共价键，推知一个原子有几个未成对电子，就只能和成一个共价键，推知一个原子有几个未成对电子，就只能和同数目的自旋方向相反的未成对电子配对成键，即原子所能同数目的自旋方向相反的未成对电子配对成键，即原子所能形成共价键的数目受未成对电子数所限制。这一特征称为共形成共价键的数目受未成对电子数所限制。这一特征称为共价键的饱和性。价键的饱和性。n方向性方向性 原子轨道中，除原子轨道中，除s s轨道是球形对称没有方向性外，轨道是球形对称没有方向性外，p p，d d，f f原子轨道中的等价轨道，都具有一定的空间伸展方向。原子轨道中的等价轨道，都具有一定的空间伸展方向。在形成共价键时，

19、只有当成键原子轨道沿合适的方向相互靠在形成共价键时，只有当成键原子轨道沿合适的方向相互靠近，才能达到最大程度重叠，形成稳定的共价键。因此，共近，才能达到最大程度重叠，形成稳定的共价键。因此，共价键必然具有方向性，价键必然具有方向性，称为共价键的方向性。称为共价键的方向性。共价键的特征共价键的特征45 化学键的极性大小常用离子性来表示化学键的极性大小常用离子性来表示。所谓化学键。所谓化学键的离子性，就是把完全得失电子而构成的离子键定为离的离子性，就是把完全得失电子而构成的离子键定为离子性子性100%100%；把非极性共价键定为离子性；把非极性共价键定为离子性0%0%；如果离子性；如果离子性大于大

20、于50%50%，可以认为该化学键属于离子键。纯粹的离子，可以认为该化学键属于离子键。纯粹的离子键是没有的，绝大多数的化学键，既不是纯粹的离子键，键是没有的，绝大多数的化学键，既不是纯粹的离子键，也不是纯粹的共价键，它们都具有双重性。对某一具体也不是纯粹的共价键，它们都具有双重性。对某一具体的化学键来讲，只是哪一种性质占优势而已。的化学键来讲，只是哪一种性质占优势而已。元素的电负性体现了各种元素的原子在形成价键时吸元素的电负性体现了各种元素的原子在形成价键时吸引电子的能力引电子的能力 鲍林用电负性差值鲍林用电负性差值XXAXB来计算化合物中离子来计算化合物中离子键的成份。差值越大，离子键成分越高

21、。键的成份。差值越大，离子键成分越高。离子键分数与电负性差值（离子键分数与电负性差值（XAXB）的关系）的关系473.5 3.5 范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力（Van Der waals bonding）n 分子之间的作用力是分子之间的作用力是1873年由荷兰物理学家范德华首先提出年由荷兰物理学家范德华首先提出来的，故又称范德华力，本质上也属于一种电性引力。来的，故又称范德华力，本质上也属于一种电性引力。n 是存在于分子间或分子内非键合原于间的相互作用力。两分是存在于分子间或分子内非键合原于间的相互作用力。两分子间的范德华力子间的范德华力F(r)及相互作用能及相互作用能E(r)是分子之间距离是分子

22、之间距离r的函的函数如图所示。数如图所示。n 作用能作用能:28kJ/mol drrdErF 0drrdE当当r=r0时时,F(r)=0r48原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。性和饱和性。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。分子键与分子晶体分子键与分子晶体49 在高分子材料中总的范德华力超过化学键的作用，故在去除所有的范德华力作用前化学键早已断裂了，所以高分子往往没有气态，只有固态和液态。为什么高分子材料只有固态和液态，而没有气态。503.6 3.6 氢键氢键 （Hydrogen bondin

23、g）51525354氢键对化合物性质的影响553.7 3.7 各种结合键的特点比较各种结合键的特点比较 结合键结合键按照晶体中的原子结合力性质的不同，分为：按照晶体中的原子结合力性质的不同，分为：晶体中五种典型的键的形式晶体中五种典型的键的形式键键 型型离子键离子键共价键共价键金属键金属键范德瓦范德瓦尔斯键尔斯键氢氢 键键作用力作用力静电库仑力共用电子对静电库仑力分子间力特点特点无方向性无饱和性方向性饱和性无方向性无饱和性饱和性方向性晶体晶体性质性质离子晶体（NaCl）共价晶体（Cl2、SiO）金属晶体（Cu、Fe)分子晶体（干冰CO2）冰（H2O）熔点高、硬度大、导电性能差、膨胀系数小熔点高

24、、硬度大、导电性能差良好的导电性、导热性、延展性、塑性不导电、熔沸点低、硬度小不导电、熔沸点低、硬度小分子间力分子间力金属键金属键离子键离子键共价键共价键8/13/2022598/13/2022626364 价键四面体6566674 4 材料的结合键与性能材料的结合键与性能 68结合键与物理性能的关系熔点结合键与物理性能的关系熔点69结合键与物理性能的关系密度结合键与物理性能的关系密度70结合键与物理性能的关系密度结合键与物理性能的关系密度71结合键与化学性能的关系腐蚀结合键与化学性能的关系腐蚀72结合键与力学性能的关系硬度结合键与力学性能的关系硬度73结合键与力学性能的关系弹性模量结合键与力

25、学性能的关系弹性模量74结合键与力学性能的关系弹性模量结合键与力学性能的关系弹性模量75结合键与力学性能的关系强度结合键与力学性能的关系强度76结合键与力学性能的关系塑性结合键与力学性能的关系塑性77iiinln 1,spdfm i主量子数：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、P、Q electron shell轨道动量量子数：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，shape of the electron subshell磁量子数：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-li1),1,0,1,spatial orientation of an el

26、ectron cloudsii，-(ll11自旋角动量量子数：表示电子自旋（spin moment）的方向，取值为 或-22l描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbersquantum numbers）表示表示本章小结本章小结2 2全充满全充满半充满 半充满 全空全空自旋方向相同自旋方向相同能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层最低的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p

27、-5s-1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-4d-5p-PauliPauli不相容原理（Pauli Exclusion principle):不相容原理（Pauli Exclusion principle):2n2nHundHund原则（Hund Rule)原则（Hund Rule)79金金属属键键（M Me et ta al ll li ic c b bo on nd di in ng g）化化学学键键（C Ch he em mi ic ca al l b bo on nd di in ng g）离离子子键键（I Io on ni ic c b bo on nd

28、 di in ng g）主主价价键键p pr ri im ma ar ry y i in nt te er ra at to om mi ic c b bo on nd ds s共共价价键键（c co ov va al le en nt t b bo on nd di in ng g）物物理理键键（p ph hy ys si ic ca al l b bo on nd di in ng g),次次价价键键(S Se ec co on nd da ar ry y b bo on nd di in ng g)，亦亦称称V Va an n d de er r W Wa aa al ls s b bo

29、 on nd di in ng g氢氢键键（H Hy yd dr ro og ge en n-b bo on nd di in n和g g)介介于于化化学学键键范范德德华华力力之之间间l一、金属键（一、金属键（Metallic bondingMetallic bonding）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子（极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electronFree electron），形成电子），形成电子云（云（elect

30、ron cloudelectron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键为金属键l特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构特点：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80l 特点：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，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体静静 电电键键引引 力力 离离 子子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

31、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特点：饱和性 配位数较小，方向性（s电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导电能力差 实质：金属原子 带正电的正离子（Cation）非金属原子 带负电的负离子（anion）e 81 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包括：静电力(electrosta

32、tic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)l属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中，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（共价键结合），裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性 离子键（ionic bond）化学键 共价键 （covalent bond）金属键（metallic bond）物理键 范德华键（Van der Waals bond）氢键（hydrogen bond）由此把晶体分成5种典型类型：离子晶体、共价晶体（原子晶体）、金属晶体、分子晶体、氢键晶体。