上海交通大學 材料科學基礎(chǔ) ch1PPT課件.ppt

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1、第 1 章 原子結(jié)構(gòu)和鍵合,1,本章主要內(nèi)容,1.1原子結(jié)構(gòu) 1.2原子間的鍵合 1.3高分子鏈,2,重點與難點,（1）描述原子中電子的空間位置和能量的4個量子數(shù)。 （2）核外電子排布遵循的規(guī)則。 （3）元素性質(zhì)、原子結(jié)構(gòu)和該元素在元素周期表中的位置三者之間的關(guān)系。,3,1.1 原子結(jié)構(gòu),1.1.1 物質(zhì)的組成 物質(zhì)是由無數(shù)微粒（分子、原子、離子）按一定方式聚集而成的集合體； 分子是能單獨存在、且保持物質(zhì)化學特性的一種微粒； 分子又由一些更小的微粒即原子組成，原子是化學變化中最小的微粒；,4,1.1.2 原子結(jié)構(gòu)(atomic structure) 近代科學實驗表明：原子是由原子核(由帶正電荷

2、的質(zhì)子和呈電中性的中子組成)和核外電子(帶負電荷)構(gòu)成 原子結(jié)構(gòu)的特點：體積很小，質(zhì)量大部分集中于原子核內(nèi)。,5,1.1.3 原子的電子結(jié)構(gòu) 電子云(election atmosphere)的形成： 電子具有波粒二象性，描述原子中一個電子的位置和能量用四個量子數(shù)(quantum number)： 主量子數(shù)（電子層） 軌道量子數(shù)（電子亞層） 磁量子數(shù)（軌道數(shù)） 自旋角動量子數(shù)（自旋方向）,6,主量子數(shù)n 決定原子中電子能級，以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層； 軌道角動量量子數(shù)li 給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級（電子亞層），與電子運動的角動量有關(guān)； 磁量子數(shù)mi 給出每個軌道角動

3、量量子數(shù)數(shù)的能級數(shù)或軌道數(shù)，決定電子云的空間取向； 自旋角動量量子數(shù)si 反映電子不同的自旋方向。,7,核外電子排布遵循的規(guī)律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauli principle)、Hund規(guī)則(Hund s rule)。 能量最低原理電子的排布總是先占據(jù)能量最低的內(nèi)層，再由內(nèi)向外進入能量較高的殼層，盡可能使體系的能量最低。 Pauli不相容原理在一個原子中在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子，主量子數(shù)為n的殼層，最多容納電子2n2。 Hund規(guī)則在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，而且自旋的方向相同。 當電子排布為全充滿、半充滿或全空時，此時是

4、比較穩(wěn)定的，并且整個原子的能量最低。,8,1.1.4 元素周期表 元素是具有相同核電荷數(shù)的同一類原子的總稱。 元素周期表是元素周期規(guī)律的具體表現(xiàn)形式,它反映了元素之間的相互聯(lián)系規(guī)律,元素在周期表中的位置反映了那個元素的原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì).,9,10,1.2 原子間的鍵合,結(jié)合鍵(binding bond) ： 結(jié)合鍵分為：化學鍵金屬鍵、離子鍵、共價鍵 物理鍵范德華力、氫鍵 1.2.1 化學鍵（主價鍵、一次鍵） 金屬鍵(metallic bond) 自由電子金屬正離子間 特點：電子共有化，無飽和性，無方向性。 可以解釋金屬的一些特征，如良好的導電、導熱性，具有較高的強度和良好的延展性，具有金屬

5、光澤，正的電阻溫度系數(shù) 。,11,金屬鍵,特點： 電子共有化,沒有方向性。 特性： 良好的導電、導熱性； (2) 不透明，具有金屬光澤； (3) 具有較高的強度和良好的塑性； (4) 正的電阻溫度系數(shù)。,12,2. 離子鍵(ionic bond) 金屬正離子非金屬負離子之間 特點：以離子為結(jié)合單位，結(jié)合力較強，決定離子晶體結(jié)構(gòu)的是正負離子電荷及幾何因素，有較高的配位數(shù)，無方向性。 可以解釋離子晶體的一些特征，如較高的熔點和硬度，固態(tài)時為良好的絕緣體而熔融態(tài)時具有良好的導電性。,13,14,15,16,3. 共價鍵(covalent bond) 兩個或多個原子間共用電子對 特點：以原子的形式共用

6、電子對，具有飽和性(只和一個電子配對）和方向性（使得電子云達到最大限度重疊），配位數(shù)較小、各鍵間都有確定方位。 可以解釋共價晶體的一些特征，如結(jié)合極為牢固，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熔點高，質(zhì)硬而脆，導電性差。,17,圖1.4-5 由共價鍵方向性特點 決定了的SiO2四面體晶體結(jié)構(gòu),圖1.4-4 形成共價鍵的SiO2, 藍色圓圈代表Si的價電子， 紅色圓圈代表O的價電子,18,19,20,1.2.2 物理鍵（次價鍵、二次鍵） 1. 范德華力(Van Der Waals force) 電偶極矩的感應(yīng)作用 特點：除高分子外，鍵的結(jié)合不如化學鍵牢固，無飽和性，無方向性。 2. 氫鍵(hydrogen bond) 分

7、子間特殊作用力 表達為：XHY 特點：具有飽和性和方向性，可存在于分子內(nèi)或分子間。氫鍵主要存在于高分子材料內(nèi)。,21,1.2.3 混合鍵,實際材料（金屬和陶瓷）中結(jié)合鍵多為混合鍵 金屬中主要是金屬鍵，還有其他鍵如：共價鍵、離子鍵 陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵和金屬鍵的混合 一些氣體分子以共價鍵結(jié)合，而分子凝聚時依靠范德華力 聚合物的長鏈分子內(nèi)部以共價鍵結(jié)合，鏈與鏈之間則為范德華力或氫鍵,22,23,3高分子鏈（High polymer Chain),24,近程結(jié)構(gòu)（short-range Structure) 一、結(jié)構(gòu)單元的化學組成（the Chemistry of mer unito) 1.碳鏈高

8、分子 聚乙烯,主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結(jié) 加聚反應(yīng)制得 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯,雜鏈高分子 滌綸,主鏈除C原子外還有其它原子如O、N 、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等,25,3.元素有機高分子 硅橡膠 主鏈中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素與O組成，其側(cè)鏈則有機基團，故兼有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠,4.無機高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷,主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈

9、能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解,26,二、高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bonding tape）,1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序 單烯類單體中 除乙烯分子是完全對稱的，其結(jié)構(gòu)單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：,頭頭,尾尾,頭尾,雙烯類高聚物中，則更復雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同,27,2.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers） 按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為,28,三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（structure）,不溶于任何溶劑， 也不能熔融， 一旦受熱固化便 不能改變形狀 熱固性（thermosetting）

10、,29,四、高分子鏈的構(gòu)型（Molecular configurations）,鏈的構(gòu)型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學鍵斷裂才行,30,旋光異構(gòu)體（stereoisomerism） 由烯烴單體合成的高聚物 在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元 ，有三種排列方式,31,幾何異構(gòu)（Geometrical isomerism） 雙烯類單體定向聚合時，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵 不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有,順式,反式,兩種異構(gòu)體之分，,對于大分子鏈而言就有,稱為幾何異構(gòu),二甲基丁二烯,二甲基丁二烯,32,遠程結(jié)構(gòu)（Long-range

11、Structure),一、高分子的大?。∕olecular Size） 高分子的相對分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性 平均相對分子質(zhì)量,33,高分子鏈中重復單元數(shù)目稱為聚合度,不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質(zhì)，,對加工和使用也有很大影響 。,數(shù)均相對分子量,每鏈節(jié)的質(zhì)量,對力學性能,起決定作用，,34,二、高分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象 主鏈以共價鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長 d和鍵角，每個單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目) 統(tǒng)計學角度高分子鏈取 伸直（straight）構(gòu)象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構(gòu)象幾率極大 高

12、分子鏈的總鏈長 均方根,三、影響高分子鏈柔性的主要因素 （the main influencing factors on the molecular flexibility） 高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性（Flexibility）,35,四、高分子鏈的構(gòu)象統(tǒng)計 高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性，因此高分子柔順性是以其所能采取的構(gòu)象數(shù)目來衡量的，然而高分子鏈具有成千上萬個構(gòu)象，難以測出其實際數(shù)目； 高分子構(gòu)象越多，柔順性越好，則蜷曲越嚴重，因此一般采用其兩端間的直線距離也即末端距h來衡量其柔順性即構(gòu)象數(shù)目。,36,本章內(nèi)容提要,物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，而原子是由位于原子中心帶正電的的原子核和

13、和外高速運轉(zhuǎn)帶負電的電子所構(gòu)成的。在材料學中，一般人們最關(guān)心的是原子結(jié)構(gòu)中的電子結(jié)構(gòu)。電子在核外空間作高速運轉(zhuǎn)時，就好像帶電荷的云霧籠罩在原子核周圍，故形象地稱它為電子云。電子既有粒子性又有波動性，即具有二象性。電子運動沒有固定的軌道，但可根據(jù)電子能量的高低，用統(tǒng)計方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率的大小。,37,根據(jù)量子力學理論，電子的狀態(tài)是用波函數(shù)來描述的，原子中一個電子的空間位置和能量可用4個量子數(shù)來表示 主量子數(shù)決定電子中電子能級，以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層； 軌道角動量量子數(shù)給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級（電子亞層）； 磁量子數(shù)給出每個軌道角動量數(shù)的能級數(shù)

14、或軌道數(shù)； 自旋角動量量子數(shù)反映電子不同的自旋方向。,38,在多電子的原子中，核外電子的排布規(guī)律遵循以下3個規(guī)則： 能量最低原理電子的排布總是先占據(jù)能量最低的內(nèi)層，再由內(nèi)向外進入能量較高的殼層，盡可能使體系的能量最低。 Pauli不相容原理在一個原子中在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子，主量子數(shù)為n的殼層，最多容納電子。 Hund規(guī)則在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，而且自旋的方向相同。當電子排布為全充滿、半充滿或全空時，此時是比較穩(wěn)定的，并且整個原子的能量最低。,39,元素周期表反映了元素的外層電子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)（核中帶正電的質(zhì)子數(shù)）的遞增，呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律?？筛鶕?jù)元素在周期表中的位置，推斷他的原子結(jié)構(gòu)和特定的性質(zhì)。 原子與原子之間是依靠結(jié)合鍵聚集在一起的。由于原子結(jié)合鍵的不同，故可將材料分為金屬、無機非金屬和高分子材料。原子的電子結(jié)構(gòu)決定了原子鍵合的本身，原子間的結(jié)合鍵可分為化學鍵和物理鍵兩大類。,40,