第一章-原子的结构与键合

本章主要内容要求基本概念和术语原子间的结合键对材料性能的影响用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数；2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性；4.具有金属光泽等。材料是国民经济的基础。实践和研究表明：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。为此我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。第一章原子结构与键合第一节原子结构1.1.1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。这些微粒可能是分子、原子或离子。分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒。原子是化学变化中的最小微粒。原子结构直接影响原子间的结合方式。比利时原子球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。电子云(electionatmosphere)———1、描述原子中一个电子的位置和能量用四个量子数(quantumnumber)。主量子数（电子层）决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。只限于正整数1，2，3，4，…，量子壳层可用一个大写英文字母表示，依次命名为K，L，M，N等。轨道角动量量子数（电子亚层）li：给出电子在同一量子壳层内所处的电子亚层。电子亚层取值为0，1，2，···，n-1，按s、p、d、f、g的次序增加。l０１２３４形状球形哑铃形花瓣形复杂更复杂电子亚层符号spdfgl数值与光谱学规定的亚层符号及原子轨道形状的关系为磁量子数（轨道数）mi：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。mi=2li+1磁量子数决定了电子云的空间取向。自旋角动量子数（自旋方向）si：反映电子不同的自旋方向。规定取值+1/2和-1/2，为顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。2、核外电子排布遵循的规律能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。KLM……spdf……Pauli不相容原理(Pauliprinciple)在一个原子中，不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。Hund规则(Hund’srule)在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同IA碱金属碱土金属过渡元素01HIIA主族金属非金属稀有气体IIIAIVAVAVIAVIIAHe2LiBe轻稀土金属重稀土金属贵金属BCNOFNe3NaMgIIBIVBVBVIBVIIBVIIBIBIIBAlSiPSClAr4KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr5RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe6CsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn7FrRaAcRfDbSgBhHsMtUunUuuUub镧系LaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLu锕系AcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrH0.037Li0.152Na0.186K0.227Rb0.248Cs0.207Be0.111Mg0.160Ca0.197Sr0.215Ba0.217Sc0.161Y0.178Lu0.172Ti0.145Zr0.159Hf0.150V0.131Nb0.143Ta0.143Cr0.125Mo0.136W0.137Mn0.137Tc0.135Re0.137Fe0.124Ru0.133Os0.134Co0.125Rh0.135Ir0.130Ni0.129Pd0.138Pt0.139Au0.114Ag0.145Cu0.128Zn0.133Cd0.149Hg0.150AtB0.080Al0.143Ga0.122In0.163Ti0.170C0.077Si0.118Ge0.123Sn0.141Pb0.175N0.074P0.110As0.125Sb0.145Bi0.155F0.071O0.074Cl0.099S0.103Po0.118Te0.143I0.133Br0.114Se0.116La0.187Ce0.183Pr0.182Nb0.181Pm0.181Sm0.180Eu0.180Gd0.178Tb0.176Dy0.175Ho0.174Er0.173Tm0.173Yb0.104注：表中圆圈大小，表示原子半径相对大小同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左→右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素核外电子数相同，但从上→下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低。电离能(ionizationenergy)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。电负性(electronegativity)原子在化合物中把电子吸引向自己的本领。周期-增，主族-减结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学键和物理键。化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后不再仅仅属于原来的原子)。化学键有：离子键、共价键、金属键。物理键有：范德华力，氢键。第二节原子间的键合（1）金属键的定义由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键。金属键的经典模型有两种：一种认为金属原子全部离子化；一种认为金属键包括中性原子间的共价键及正离子与自由电子间的静电引力的复杂结合。（2）金属键的特点电子的共有化，金属键无方向性，金属键无饱和性。可以解释金属的一些特征，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。金属离子金属键模型电子气图金属键与金属晶体©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™图金属键与金属晶体图金属键、金属的导电性和金属的变形问题1：金属具有良好导电、导热性能的原因？（自由电子的存在）问题2：金属具有良好延展性的原因？由于金属键即无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构，当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使金属具有良好的延展性。金属变形时，由金属键结合的原子可变换相对位置（3）金属键型晶体的特征良好的导电、导热性：自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。正的电阻温度系数：金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。不透明，有光泽：自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。具有延展性：金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。（1）离子键的定义当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。（2）离子键的特点常温下，电绝缘体；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，即呈现离子导电性。离子键没有方向性、无饱和性。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。一种材料由两种原子组成，且一种是金属，另一种是非金属时容易形成离子键(Ionbond)的结合。由NaCl离子键的形成可以归纳出离子键特点如下：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。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。离子键键的大小在离子周围各个方向上都是相同的，所以，它没有方向性。©2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™图Cl与Na形成离子键左图NaCl离子晶体上图离子键材料导电性（3）离子晶体的特点离子键很强，故有较高熔点，固体下不导电，熔融时才导电。离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏，脆性材料。较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力）Cl-Na+氯化钠离子键合示意图一般离子晶体中正负离子静电引力强，结合牢固，所以离子晶体大多具有高熔点、高硬度，而且在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。问题：从离子键的角度解释离子晶体的特点？但在高温熔融状态时，正负离子在外电场下可以自由运动，此时即呈现离子导电性。（1）共价键的定义有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。（2）共价键的特点共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。共价键具有方向性、饱和性。金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。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。（3）共价晶体特点结构稳定，熔点高，质硬脆，一般是绝缘体，其导电性能差。图硅原子四个价键和硅的键角图共价键的断裂图金刚石型结构(a)晶胞；(b)原子在底面的投影•由于共价键晶体中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小，因此共价键的结合较为牢固，所以共价键晶体具有结构稳定、硬度高、熔点高。共价键晶体其延展性很差，这是因为共价键材料在外力作用下可能发生键的破断。因此，共价键材料是脆性的。共价键晶体导电能力差，这是因为束缚在相邻原子间的共用电子对不能自由的运动，所以共价结合形成的材料一般都是绝缘体。分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也叫分子键。范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。图分子键诱导力：极性分子—非极性分子色散力：非极性分子—非极性分子静电力：极性分子—极性分子物质性质特点：强度、硬度、熔点、密度较低，热膨胀系数大。它是一种特殊的分子间作用力，表达为：X—H—Y。它是由氢原子同时与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。特点：具有饱和性和方向性，可存在于分子内或分子间。氢键主要存在于高分子材料内。如O-H-O类型作用力来源键合强弱形成晶体的特点离子原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力最强无方向性和饱和性、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电共价相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力强有方向性和饱和性、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电金属自由电子气与正离子实之间的库仑引力较强无方向性和饱和性、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性范德华力原子间瞬时电偶极矩的感应作用较弱无方向性和饱和性，熔点、硬度低，不导电，导热性差氢键氢原子核与极性分子间的库仑引力弱有方向性和饱和性，熔点、硬度、低，不导电，导热性好结合键实例结合能主要特征类型kal/mol*eV/mol金属LiNaKRb37.725.721.519.61.631.110.9310.852非方向键配位数及密度都极高导电率高延性好共价金刚石