原子结构与键合高分子
胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库(章节题库 原子结构与键合)【圣才出品】
第1章 原子结构与键合一、简答题1．固体材料中，内层电子状态通常用哪些量子数描述？外层电子状态通常使用的量子数有哪些？答：固体材料中内层电子状态通常用主量子数n、角（动量）量子数l、磁量子数m 和自旋量子数m s来描述。
固体材料中外层电子状态通常用电子波矢（k x，k y，k z）和自旋量子数m s来描述。
2．原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？答：主量子数n、轨道角动量量子数l i、磁量子数m i和自旋角动量量子数s i。
3．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答：能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。
4．在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？它的性质如何递变？答：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；同一主族元素最外层电子数相同，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。
5．何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答：在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然而它们的化学性质相同，这种物质称为同位素。
由于各同位素所含的中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同6．原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？答：7．S的化学行为有时像2价的元素，而有时却像4价元素。
试解释S这种行为的原因。
答：S的最外层电子为3s23p4。
S与H结合成H2S时，接受2个电子，故为2价；S 与O结合成SO2时，此时S供给4个电子，故为4价。
8．尽管HF的相对分子质量较低，试解释：为什么HF的沸腾温度（19.4℃）要比HCI的沸腾温度（－85℃）高？答：由于HF分子间结合力是氢键，而HCI分子间结合力是范德瓦耳斯力，氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能，因此HF的沸点要比HCI的高。
材料科学基础教案第一章
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静电力(electrost高分子链
Atomic Structure and Interatomic Bonding
第一章原子结构和键合
第二节 原子间的键合
材料的微观结构（Microstructure of Materials）
决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素原子结构； 原子间相互作用、相互结合； 原子或分子在空间的排列和运动规律； 以及原子集合体的形貌特征。
取代基围绕特定原子在空间的排布规律。
构型
构造
近程结构
单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链。 高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度。 高分子链的化学组成不同，化学和物理性能也不同。
链结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) 碳链高分子 聚乙烯（见书9）
一、金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），并在整个晶体内运动，弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云（electron cloud）。 金属中自由电子与金属正离子之间相互作用构成的键合称为金属键。 绝大多数金属均以金属键方式结合，基本特点——电子的共有化
诱导力(induction)
色散力(dispersive force)
贰
壹
第一章原子的结构与键合ppt课件
（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。
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。
金属键模型
电子气 金属离子
图 金属键与金属晶体
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
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？
Pauli不相容原理(Pauli principle) 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 ’s rule) 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
1 H IIA 2 Li Be
碱金属
碱土金属 过渡元素
主族金属
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。
材料科学基础复习题及答案
单项选择题：（每一道题1分）第1章原子结构与键合1.高分子材料中的C-H化学键属于。
（A）氢键（B）离子键（C）共价键2.属于物理键的是。
（A）共价键（B）范德华力（C）氢键3.化学键中通过共用电子对形成的是。
（A）共价键（B）离子键（C）金属键第2章固体结构4.面心立方晶体的致密度为 C 。
（A）100% （B）68% （C）74%5.体心立方晶体的致密度为 B 。
（A）100% （B）68% （C）74%6.密排六方晶体的致密度为 C 。
（A）100% （B）68% （C）74%7.以下不具有多晶型性的金属是。
（A）铜（B）锰（C）铁8.面心立方晶体的孪晶面是。
（A）{112} （B）{110} （C）{111}9.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是。
（A）fcc （B）bcc （C）hcp10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式？（A）复合强化（B）弥散强化（C）固溶强化11.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。
（A）氮（B）碳（C）硼12.以下属于正常价化合物的是。
（A）Mg2Pb （B）Cu5Sn （C）Fe3C第3章晶体缺陷13.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系？（A）垂直（B）平行（C）交叉14.能进行攀移的位错必然是。
（A）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错15.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为。
（A）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷16.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为（A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错17.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是（A）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金18.大角度晶界具有____________个自由度。
（A）3 （B）4 （C）5第4章固体中原子及分子的运动19.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。
（A）距离（B）时间（C）温度20.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为。
胡赓祥《材料科学基础》(第3版)(复习笔记 原子结构与键合)【圣才出品】
1.1复习笔记一、原子结构1．物质的组成一切物质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。
（1）分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒；（2）原子具有复杂的结构，其结构直接影响原子间的结合方式。
2．原子的结构（1）原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的；（2）原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷；（3）一个质子的正电荷量正好与一个电子的负电荷量相等，它等于－e（e＝1.6022×10－19C）。
3．原子的电子结构电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。
从薛定谔（SchrodingerE．）方程得到的波函数描述了电子的运动状态和在核外空间某处的出现几率，即原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：（1）主量子数n——决定原子中电子能量以及与核的平均距离；图1-1钠（原子序数为11）原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况（2）轨道角动量量子数l i——给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，…，n－1。
在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的；（3）磁量子数m i——给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。
每个l i下的磁量子数的总数为2l i＋1。
磁量子数决定了电子云的空间取向。
（4）自旋角动量量子数s i——反映电子不同的自旋方向。
s i规定为＋1/2和－1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。
在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：①能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；②泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；③洪德（Hund）定则：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。
原子结构与键合简述
原子结构与键合简述物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的。
在材料科学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。
电子在核外空间作高速旋转运动时，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。
电子既具有粒子性又具有波动性，即具有二象性。
电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。
根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中一个电子的空间位置和能量可用4个量子数表示：(1)主量子数n——决定原子中电子能量，以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层；(2)轨道角动量量子数—给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）；(3)磁量子数m给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数；(4)自旋角动量量子数s—反映电子不同的自旋方向。
在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：(1)能量最低原理——电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由内向外进入能量较高的壳层，尽可能使体系的能量最低。
(2)Pauli不相容原理——在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。
(3)Hund规则——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，而且自旋的方向相同。
当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定的，并且整个原子的能量最低。
元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增，呈周期性变化的规律。
可根据元素在周期表中的位置，推断它的原子结构和特定的性质。
原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。
由于原子间结合键的不同，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。
原子的电子结构决定了原子键合的本身，原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。
化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键3种：(1)金属键，绝大多数金属均为金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化；(2)离子键，大多数盐类、碱类和金属氧化物，主要以离子键方式结合，这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位的；(3)共价键，在亚金属(C,Si,Sn,Ge等)、聚合物和无机非金属材料中，共价键占有重要的地位，它的主要特点是共用电子对。
原子结构与键合
原子结构与键合一、决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构：原子原子间相互作用，相互结合：键合原子或分子在空间的排列：晶体结构原子集合体的形貌特征：显微组织二、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。
三、键的形成：在凝聚状态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，就形成了键。
键分为一次键和二次键：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。
二次键——结合力较弱，包括范德华键和氢键。
混合键——对于大多数晶体而言，它们的键并不单纯属于上述五种中的某一种，而具有某种综合性。
换言之，许多晶体存在混合键。
四、范德华力、氢键和共价键的对比五、石墨（共价键、金属键和范德瓦尔斯力的混合键）1. C原子的三个价电子组成sp2杂化轨道，分别与最近邻的三个C原子形成三个共价键，在同一平面内互成120°，使碳原子形成六角平面网状结构。
2. 第四个价电子未参与杂化，自由的在整个层内活动，具有金属键的特点。
（石墨是一种良导体，可做电极等）3. 层与层之间以范德瓦尔斯力结合。
（结合力弱，所以石墨质地疏松，在层与层之间可插入其它物质，制成石墨插层化合物）。
六、晶体、准晶，非晶体晶体中原子的排列是有序的，即原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则重复排列，有固定的熔点。
而非晶体内部原子的排列是无序的。
准晶体，亦称为“准晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。
准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。
七、弥散强化弥散强化——指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料的强化手段。
是指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)强化的金属材料。
第二相一般为高熔点的氧化物或碳化物、氮化物，其强化作用可保持到较高温度，既可显著提高合金强度和硬度，又可使塑性和韧性下降不大，并且颗粒越细小，越呈弥散均匀分布，强化效果越好。
第二章晶体结构1.晶体的基本概念:晶体(Crystal)就是原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间呈有规律、周期性、重复排列的固体。
6材料内部结构的四个层次以及原子间结合键类型
运动方式
显微组织
金属材料工程基础知识
金属材料内部结构的四个层次
从宏观到微观 ， 其内部结构按研
究尺寸
1、宏观组织结构 （尺度：mm到m量级）
用肉眼和放大镜所能观察到的粗大晶体或相的集合状态
2、显微组织结构 （尺度：10-7-10-4m，µm量级）
借助光学显微镜和电子显微镜观察到的晶粒或相的集合
3、原子（或分子）排列结构 （尺度：10-10m，0.1nm量级）
的来源：偶极间的静电力 诱导力 色散力
氢键
定义：氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子
金属材料工程基础知识 四、常见材料结合键
1、金属键合
金属和合金的基本键合方式
高导热，高导电
2、陶瓷键合
陶瓷包含金属和非金属元素的化合 物主要以离子键合，电子不能移动，
故不导电，不导热
3、高分子键合
主要以共价键构成
不耐热、导热导电有限
小资料：一种材料一般主要由一种类型的主要价键，但也有其他类型键，所以
混合间很普遍，如锡，有金属性，也有共价性，故较脆；硅，主要是共价键，但也 ……
有金属键，故能激发电子，因此用作半导体。
金属材料工程基础知识 一、材料的内部结构的四个层次 二、材料的常见结合键：
（根据结合力强弱）
原子外层电子重新排布，不再属于原来的原子
一次键
金属材料工程基础知识
离子键与离子晶体
离子键：正、负离子经库仑静电引力相互结合起来的结合键 离子晶体：由离子键结合而成的固体，如NaCl(无色透明)
共价键和共价晶体
共价键：相邻原子共同占有部分价电子，使最外层电子处于满壳状态 特点：饱和性方向性
晶体的原子排列结构，也称为晶体结构
876-材料科学基础 考试大纲
海南大学硕士研究生入学考试《876-材料科学基础》考试大纲一、考试性质海南大学硕士研究生入学考试初试科目。
二、考试时间180分钟。
三、考试方式与分值闭卷、笔试。
满分150分。
四、考试内容第一章原子结构与键合.第一节原子结构第二节原子间的键合第三节高分子链第二章固体结构第一节晶体学基础第二节金属的晶体结构第三节合金相结构…………第四节离子晶体结构第五节共价晶体结构第六节聚合物的晶态结构第七节准晶态结构第八节液晶态结构第九节非晶态结构第三章晶体缺陷第一节点缺陷第二节位错第三节表面及界面第四章固体中原子及分子的运动第一节表象理论第二节扩散的热力学分析第三节扩散的原子理论第四节扩散激活能第五节影响扩散的因素第六节影响扩散的因素第七节高分子的分子运动第五章材料的形变和再结晶第一节弹性和黏弹性第二节晶体的塑性变形第三节回复和再结晶第四节热变形与动态回复、再结晶第五节陶瓷材料变形的特点第六节高聚物的变形特点第六章单组元相图及纯晶体的凝固第一节单元系相变的热力学及相平衡第二节晶体的塑性变形第三节纯晶体的凝固第四节热变形与动态回复、再结晶第七章二元系相图和合金的凝固与制备原理第一节相图的表示和测定方法第二节相图热力学的基本要点第三节二元相图分析第四节二元合金的凝固理论第五节高分子合金概述第六节陶瓷合金概述第八章原子结构与键合第一节三元相图的基础第二节固态互不溶解的三元共晶相第三节固态有限互溶的三元共晶相图。
广西大学2020年《材料科学基础(822)》考试大纲与参考书目
广西大学2020年《材料科学基础(822)》考试大纲与参考书目考试性质考试方式和考试时间试卷结构考试内容一、金属材料（一）原子结构和键合了解的内容：1. 原子结构。
2.高分子链。
重点：原子间的键合。
（二）晶体学基础了解的内容：1. 晶体的对称性。
2.极射投影3.倒易点阵理解的内容：1.中间相特性。
掌握的内容：1. 空间点阵与晶胞。
2.晶向指数和晶面指数。
3.晶带定律。
4.晶面间距。
5. 三种典型的金属晶体结构。
6.晶体的原子堆垛方式和间隙。
7.固溶体的性质。
重点：典型的金属晶体结构、空间点阵、密勒指数。
（三）晶体缺陷了解的内容：1.点缺陷的运动。
2.外表面。
3.相界理解的内容：1. 点缺陷的形成。
2.点缺陷的平衡浓度。
3.位错的应力场。
4.位错的应变能与线张力。
5.作用在位错线上的力。
6.位错间的交互作用力。
7.实际晶体结构中的伯氏矢量。
8.不全位错掌握的内容：1.刃型位错、螺型位错、混合位错的特征。
2.伯氏矢量的确定、特性与表示方法。
3.位错的滑移、攀移与交割。
4.位错的密度。
5.位错的生成与增值。
6.位错反应。
7.晶界和亚晶界。
8.堆垛层错9.孪晶界。
重点：位错类型及其特点、位错理论。
（四）固体中原子及分子的运动了解的内容：1.交换机制。
2.扩散系数D与浓度相关时的求解。
3.原子跳跃。
4.无规则行走与扩散距离。
理解的内容：1.扩散的热力学分析。
2.扩散激活能。
3.反应扩散。
掌握的内容：1.菲克第一定律、第二定律。
2.扩散方程的解（一端成分不受扩散影响的扩散体）。
3.柯肯达尔效应。
4.间隙机制。
5.空位机制。
6.扩散系数。
7.影响扩散的因素。
重点：扩散机制、扩散系数的影响因素。
（五）材料的形变和再结晶了解的内容：1.弹性变形的本质。
2.弹性变形的特征和弹性模量。
3.弹性的不完整性。
4.粘弹性。
理解的内容：1.多晶体的塑性变形:晶粒取向的影响。
2. 再结晶后的晶粒长大的影响因素。
3.再结晶退火后的组织。
839材料科学基础
2.5 共价晶体结构
第三章 晶体缺陷（★★★★）
什么是晶体缺陷？有几种存在方式？ 3.1 点缺陷 点缺陷的形成有哪几种？离子晶体？ 点缺陷的平衡浓度的形成原因？
真题再现
平衡浓度的公式
n 点C缺陷 的运动Aexp(
EV
)
N
kT
3.2 位错 刃型位错和螺型位错的特点，混合位错。 伯氏矢量的确定？位错型的确定？特性？ 位错的运动？滑移、攀移，交割。要求会判断运动方向等问题
4.1 表象理论
菲克第一定律
J D d 物理意义，单位，使用条件
菲克第二定dx律 使用条件，理解其推导过程
化学扩散，自扩散 渗碳厚度计算
（x, t）
s
(s
0 )erf
( 2
x) Dt
x A Dt 或x2 BDt
薄膜扩散衰减分布
（x, t） M exp( x2 )
置换固溶体2中的D扩t 散 4Dt 柯肯达尔效应，互扩散系数
4.7 反应扩散
概念，不存在两相混合区的解释 4.8 离子晶体中的扩散
真题再现
第五章 材料的形变和再结晶（★★★★★）
5.1 弹性和粘弹性 了解弹性形变的本质 弹性模量的物理意义和其对材料的影响
真题再现
弹性不完整性的现象 粘性流动和粘弹性的概念，性质，粘弹性的物理模型
5.2 晶体的塑性变形 什么是滑移线和滑移带？什么是滑移系？ fcc,bcc,hcp的滑移系各是什么，会产生什么影响
（三）晶体中的缺陷 1．点缺陷 2．位错 3．面缺陷
（四）固体中的扩散 1．扩散的表象理论 2．扩散的热力学 3．扩散的微观理论与机制 4．扩散激活能 5．影响扩散的因素 6．反应扩散 7．离子晶体中的扩散
838材料科学基础
838材料科学基础《材料科学基础》考试大纲一、考试的基本要求《材料科学基础》是材料学科的专业基础课，着重研究材料的成分、加工方法与材料的组织、性能之间的关系以及其变化规律，是发挥材料潜力、充分利用现有材料和研究开发新材料的理论基础，是考生学习后续相关材料课程和今后从事材料专业的工作基础课程。
要求考生比较系统地掌握材料科学的基本概念、基础理论及其应用。
系统地理解材料与成分、组织结构与性能内在联系，具备综合运用知识分析和解决工程实际问题的能力。
二、考试内容第1部分材料的原子结构和键合原子结构与原子的电子结构；原子结构：原子是由质子和中子以及原子核外的电子组成的原子核。
原子核中的中子是电中性的，质子带正电荷。
通过静电吸引，带负电荷的电子牢牢地束缚在原子核周围。
因为中性原子中电子和质子的数量相等，所以原子作为一个整体是电中性的。
原子的电子结构：电子在原子核外的空间进行高速旋转遥控。
电子在原子中的空间位置和能量可以由四个量子数决定，A.主量子数n；b、轨道角动量量子数L；c、磁量子数；d、自选角动量量子数原子结构、原子排列对材料性能的影响材料中键的类型和本质，以及每种键对材料性能的影响。
金属键：金属中的自由电子与金属正离子相互作用形成的键。
大多数金属以金属键的形式结合在一起。
它的基本特征是电子共享；当金属受力变形并改变原子间的相互位置时，不会破坏金属键，使金属具有良好的延展性。
此外，由于自由电子的存在，金属通常具有良好的导电性和导热性。
离子键：本质上，金属原子将其最外层的价电子给予非金属原子，使其自身带正电荷的正离子，而非金属原子获得价电子，使其自身带负电荷的负离子。
这样，正离子和负离子通过它们之间的静电结合。
特点：以离子为结合单元；一般离子晶体中正负离子静电引力强，结合牢固。
因此，其熔点和硬度相对较高。
难以产生自由遥控的电子是良好的绝缘材料，但在高温熔融状态下，正负离子在外电场的作用下可以自由移动。
此时，它们表现出离子导电性。
材料科学基础第1章原子结构和键合
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较高。 密度与结合键有关。多数金属有高的密度，原因为金属有较高的相对原子质量，金属键结合没有方向性，原子趋于密集排列 导热、导电性 2.力学性能 弹性模量与结合能有较好的对应关系。 强度 塑性
原子结构
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。
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)。
03
04
金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键
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
05
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
1.2.3 混合键 （补充）
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。
1.2.1 化学键（主价键、一次键） 1. 金属键(metallic bond) 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：
814材料科学基础-第一章 原子结构与键合例题讲解
北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人：薛老师第一章 原子结构与键合典型例题讲解1.金属键（01,04年）答：解题思路：是什么？为什么？怎么样？（1）由金属中自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为为金属键。
其强弱和自由电子的多少、离子半径以及电子层结构等许多因素有关；（2）既无饱和性又无方向性，因而原子趋于与更多原子结合，形成低能量的密堆结构；（3）金属键在金属受外力时不易被破坏，因而使得金属具有良好的延展性；（4）公有化电子，且由于存在自由电子，因此金属导电、导热性良好；（5）密堆结构且相对原子质量大，因此金属密度较大。
2 离子键答：（1）金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起，这种结合力就是离子键。
（2）无饱和性、无方向性；（3）正负离子相间排列（4）大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键方式结合。
（5）离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固，因而导致离子晶体熔点和硬度较高；（6）离子晶体中很难产生自由电子，因此导热、导电性差3 结合键有哪几种？分别有什么特点？答：是由原子结合成分子或固体的方式以及结合力的大小。
结合键主要分为化学键和物理键两类。
（1）金属键。
特点：金属自由电子与正离子相互吸引；键能较强；无饱和性与方向性；导电导热性能好，熔点较高。
（2）离子键。
特点：正负离子相互吸引而成；键能很强；无饱和性与方向性；导电导热性能差，熔点、硬度很高。
（3）共价键。
特点：相邻原子的共用电子对结合而成；键能强，有饱和性和方向性；导电导热性差，熔点、硬度较高。
（4）范德瓦尔斯力。
特点：近邻原子间瞬时的电偶极矩作用；键能较弱，大小与相对分子质量有关；无饱和性和方向性；（5）氢键。
特点：氢原子核与相邻分子的引力作用；键能弱；有方向性和饱和性、是一种介于化学键和范德瓦尔斯力之间的键。
第1章 原子结构与键合(1)-原子结构与键合
2.3 混合键
实际的材料内部原子结合键往往是各种键的 混合，结合键也表现出一定的过渡性。 混合，结合键也表现出一定的过渡性。
表 某些陶瓷化合物中混合键特征
化合物中离子键的比例取决于组成元素的电 负件差，电负性相差越大则离子键比例越高。 负件差，电负性相差越大则离子键比例越高。 鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 ：（确定化合物AB 结合的相对值）： 结合的相对值）：
1 (x A x B ) 2 4
离子结合(%) = [1 e]
×100%
(1 - 1)
式中， 分别为化合物组成元素A、 式中，XA、XB分别为化合物组成元素 、B 的电负性数值。 的电负性数值。
混合型晶体——石墨的结构 石墨的结构 混合型晶体
同时含有 共价键和 共价键和 范德瓦耳斯键
石墨晶体结构
金属键
化学键
主价键
一次键
离子键 共价键 范德瓦耳斯力 氢键
物理键
次价键
二次键
2.1 主价键 一、金属键
正离子与充满整个结构中的自由电子气之间的强相互作用。 正离子与充满整个结构中的自由电子气之间的强相互作用。 金属键没有方向性、饱和性。 金属键没有方向性、饱和性。 + + + + + + + + + + 结合能： 结合能： ~50 kcal/mol + + 特点： 特点：电子共有化 金属的导电性、导热性、 金属的导电性、导热性、 延展性都直接起因于金属 键结合（电子气）。 键结合（电子气）。
（二）角量子数
决定原子轨道的形状， 角量子数 l 决定原子轨道的形状 ， 取值为 0、1、 、 、 2….n－1。在多电子原子中，当 n 相同而 l 不同时，电子 不同时， － 。在多电子原子中， 的能量还有差别，又常将一个电子层分为几个亚层。 的能量还有差别，又常将一个电子层分为几个亚层。 n＝1 时，l ＝0，K 层只有 s 亚层； ＝ ， 亚层； n＝2 时，l ＝0、1，L 层有 s、p 亚层； ＝ 、 ， 、 亚层； n＝3 时，l ＝0、1、2，M 层有 s、p、d 亚层 ＝ 、 、 ， 、 、 亚层; n＝4 时，l ＝0、1、2、3，N 层有 s、p、d、f 亚层。 ＝ 、 、 、 ， 、 、 、 亚层。 在多电子原子中， 也决定着原子轨道的能量。 在多电子原子中， l 也决定着原子轨道的能量。当 n 相同时，随 l 的增大，原子轨道的能量升高。 相同时， 的增大，原子轨道的能量升高。
原子结构与键合
原子结构与键合原子结构与键合是化学领域中非常重要的概念。
了解原子结构和键合的基本原理，对于我们理解物质的性质和化学反应过程至关重要。
本文将介绍原子的基本结构、元素周期表以及不同类型的化学键。
一、原子结构原子是构成一切物质的基本单位，由质子、中子和电子组成。
质子和中子位于原子的核心，被称为原子核，而电子则以轨道的形式环绕在核外。
质子带正电荷，中子不带电荷，而电子带负电荷。
原子的质量主要由质子和中子贡献，而电子的质量相对较小可以忽略不计。
质子和电子数量相等时，原子是电中性的。
原子的质量数等于质子和中子的总数，原子的原子序数等于质子的数目。
例如，碳的原子序数为6，表示碳原子有6个质子。
二、元素周期表元素周期表是化学元素按照一定规律排列的表格，用于组织和展示元素的特性。
元素周期表按照原子序数的递增顺序排列，相邻的元素具有相似的化学性质。
元素周期表的每一个水平行称为周期，代表了不同能级的电子壳；每一个垂直列称为族，具有相同的电子外层结构。
元素周期表中的元素按照周期和族的顺序排列，从左至右上升，从上至下递增。
元素周期表上的一些重要区域包括主族元素、过渡金属、稀有气体等。
主族元素位于周期表的左侧和右侧，拥有稳定的外层电子结构。
过渡金属位于周期表中间，具有良好的导电性和催化性能。
稀有气体位于周期表最后一列，具有高度稳定的原子结构。
三、化学键化学键是原子之间的相互作用力，用于将原子联系在一起形成化合物。
常见的化学键包括离子键、共价键和金属键。
离子键是由正负离子之间的静电引力形成的。
当金属原子失去电子并形成阳离子时，非金属原子接受这些电子并形成阴离子，两者之间的电荷吸引力形成离子键。
离子键通常存在于金属与非金属原子之间。
共价键是由共用电子对形成的。
当两个非金属原子之间的电负性差异不大时，它们会共享电子对，形成共价键。
共价键可以形成单、双或三重键，取决于原子间共享的电子数目。
金属键是由金属原子之间的电子云共享形成的。
材料科学基础教程及习题_上海交通大学
目录第1章原子结构与键合 (1)1.1 原子结构 (1)1.2 原子间的键合 (2)1.3 高分子链 (2)本章重点复习 (3)第2章固体结构 (4)2.1 晶体学基础 (4)2.2 金属的晶体结构 (5)2.3 合金相结构 (7)2.4 离子晶体结构 (9)2.5 共价晶体结构 (10)2.6 聚合物的晶体结构 (11)2.7 非晶态结构 (13)本章重点复习 (13)第3章晶体缺陷 (15)3.1 点缺陷 (15)3.2 位错 (16)3.3 表面及界面 (18)本章重点复习 (20)第4章固体中原子及分子的运动 (23)4.1 表象理论 (23)4.2 扩散的热力学分析 (23)4.3 扩散的原子理论 (24)4.4 扩散激活能 (25)4.5 无规则行走与扩散距离 (25)本章重点复习 (25)第5章材料的形变和再结晶 (27)5.1 弹性和粘弹性 (28)5.2 晶体的塑性变形 (29)5.3 回复和再结晶 (33)5.4 高聚物的塑性变形 (36)本章重点复习 (36)第6章单组元相图及纯晶体凝固 (38)6.1 单元系相变的热力学及相平衡 (38)6.2 纯晶体的凝固 (39)本章重点复习 (40)第7章二元系相图及合金的凝固 (42)7.1 相图的表示和测定方法 (42)7.2 相图热力学的基本要点 (43)7.3 二元相图分析 (44)7.4 二元合金的凝固理论 (45)7.5 高分子合金概述 (47)本章重点复习 (48)第8章三元相图 (52)8.1 三元相图基础 (52)8.2 固态互不溶解的三元共晶相图 (55)8.3 固态有限互溶的三元共晶相图 (57)8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶二元系构成的三元相图 (58)8.5 包共晶型三元系相图 (59)8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图 (60)8.7 形成稳定化合物的三元系相图 (60)8.8 三元相图举例 (61)8.9 三元相图小结 (63)本章重点复习 (64)第9章材料的亚稳态 (66)9.1纳米晶材料 (66)9.2 准晶态 (69)9.3 非晶态材料 (70)9.4 固态相变形成的亚稳相 (71)本章重点复习 (72)上海交通大学材料科学基础网络课程整理73材料是国民经济的物质基础。
材料科学基础复习题与部分答案
单项选择题：第 1 章原子结构与键合1.高分子材料中的 C-H 化学键属于。
（A）氢键（B ）离子键（ C）共价键2.属于物理键的是。
（ A ）共价键（ B）范德华力（ C）离子键3.化学键中通过共用电子对形成的是。
（ A ）共价键（ B）离子键（ C）金属键第 2章固体结构4.以下不具有多晶型性的金属是。
（A）铜（ B）锰（ C）铁5.fcc 、 bcc 、hcp 三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是。
（ A ） fcc（ B） bcc（ C） hcp6.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。
（A）氮（ B）碳（ C）硼7.面心立方晶体的孪晶面是。
（ A ） {112}（B ） {110}（ C） {111}8.以下属于正常价化合物的是。
（ A ） Mg 2Pb（B ） Cu5Sn（ C） Fe3C第 3章晶体缺陷9.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为。
（ A ）肖特基缺陷（B ）弗仑克尔缺陷（ C）线缺陷10.原子迁移到间隙中形成空位 -间隙对的点缺陷称为。
（ A ）肖脱基缺陷（B ） Frank 缺陷（ C）堆垛层错11.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系是？（ A ）垂直（B）平行（C）交叉12.能进行攀移的位错必然是。
（ A ）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错13.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是（ A ）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金14.大角度晶界具有 ____________ 个自由度。
（A）3（B）4（C）5第 4 章固体中原子及分子的运动15.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。
（ A ）距离（B）时间（C）温度16.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为。
（ A ）原子互换机制（B）间隙机制（C）空位机制17.固体中原子和分子迁移运动的各种机制中，得到实验充分验证的是（ A ）间隙机制（B）空位机制（C）交换机制18.原子扩散的驱动力是。
原子结构与键合
束缚）,并在整个晶体内运动，形成电子云。这种由
金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属
键。
特点：既无饱和性又无方向性。 性质：良好导电、导热性能，延展性好
6
二、离子键
多数盐类、碱类和金属氧化物
实质: 金属原子 非金属原子 带正电的正离子（Cation） 带负电的负离子（Anion） 静电引力离 子键
第一章
原子结构与键合
四大量子数
主量子数n
-----决定电子能量，与核平均距离。 轨道角动量量子数li -----给出电子在同一壳层内所处的能级。 磁量子数mi -----给出每个轨道角动量子数的能级数或轨道数。 自旋角动量量子数si -----给出电子不同的自旋方向。
2
电子排布规则
不溶于任何溶剂，也不 能熔融,一旦受热固化便不 能改变形状—热固性 （Thermosetting）
21
四、高分子链的构型
链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之
须通过化学键断裂才行
22
旋光异构体（Optical
isomerism） CH2 ─ CHR 由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种 旋光异构单元 ，有三种排列方式:
17
3.元素有机高分子
主链中不含C原子，而由Si、
B 、P 、Al、 Ti 、As等元 素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有 机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高 弹性和可塑性，如硅橡胶等。
4.无机高分子
主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元 素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量 不高，并易水解。
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旋光异构
由烯烴单体合成的高聚物 CH2 ─ CHR 在其结构 单元中有一不对称C原子，故存在两种旋光异构单元 ，有 三种排列方式： 全同立构：高分子链全部 由一种旋光异构单元键 接而成 间同立构：高分子链由两 种旋光异构单元交替键 接而成 无规立构：高分子链由两 种旋光异构单元无规键 接而成
交联高分子：不溶不熔
三维网状高分子：不溶 于任何溶剂，也不能 熔融，一旦受热固化 便不能改变形状，热 固性
四、高分子链的空间构型
构型：分子中由化学键所固定的原子在空 间的排列。这种排列是热力学稳定 的，要改变构型必需经过化学键的 断裂与重排。 取代基围绕特定原子在空间的排列 规律。
主要有：旋光异构和几何异构
CH3 CH2 C CH
1、2加成
CH3
CH
CH2
CH2 CH3
CH2
C
CH CH2
C
3、4加成
CH 2
CH2
CH
C
CH
1、4加成
CH 3
2.共聚物的序列结构
按结构单元在分 子链内排列方式的 不同分为： 无规共聚物 交替共聚物 嵌段共聚物 接枝共聚物
三、高分子链的几何形态
线形高分子：加热后变 软，甚至流动，可反 复加工，热塑性 支化高分子：可溶可熔
R C C R C C R C C R C C
R C C C R
R C C R C C
R C C C R
R C R C C C
C C
间同立构（syndisotactic configurations): R取代基交替地处在主链平面两侧， 即两旋光异构单元交替 全同立构（isotactic configurations): R取代基全处在主链平面一边， 即全部由一种旋光异构体 无规立构（atactic configurations): R取代基在主链平面两侧不规则排列
亦称高聚物、聚合物。
几个基本概念
单体
聚合反应前最初的简单低分子化合物，一种或几种。 链节 组成高分子链的结构相同的基本重复单元。 聚合度 高分子链中链节的重复次数。聚合度反映了高分子链的长短和 高分子化合物的相对分子质量。 官能度 指单体能与别的单体发生键合的位置数目。
高分子是由许多单个的高分子链聚集而成，其结构包括两方面： （1）单个高分子链的结构； （2）许多高分子链聚在一起表现出来的聚集态结构。
高分子化合物的分子量有一定分布，不是均一的，聚合物分 子量的这种特性称为“多分散性”。 聚合度是指高分子中所含的重复单元的数目，其值与分子量 成正比；可以作为衡量高分子大小的参数。
W(M)
左图是分子量的微分分布曲 线：横坐标是分子量，纵坐 标是分子量为M的组分的相对 含量。由图能知道高分子的 平均大小和分子量的分散程 度，即分子量分布的宽度。 M
链结构单元的化学组成
构造
结构单元的键接方式 分子链的几何形态
近程结构 高分子 链内结构
远程结构 高聚物 结构 晶态结构 高分子 链间结构 非晶结构 取向结构 织态结构 构型
取代基围绕特定原子 在空间的排列规律
大小、构象、柔顺性
2.2 高分子链的近程结构
一、高分子链的化学组成
聚合物高分子链由主链和侧基构成 （一）碳链高分子 主链由C原子以共价键联结，侧基为氢原子、 有机基团或取代基。 如： PE、PS、PP、PVC 等
S \ Si / S
二硫化硅
S Cl / │
Cl │ N ─ P │ Cl
聚二氯—氮化磷
P
\ │ S Cl
N
二、高分子链结构单元的键合方式
1.均聚物结构单元键接顺序
单烯类单体中，除乙烯分子是完全对称的，其结构单元 在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代， 故有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：
对于大分子链而言就有： 顺反无序； 顺反交替； 全顺； 全反。
H │ ─ C │ H ─ CH 3 │ C H │ ＝ C ─ H │ C │ 3 │ C ＝ C │ H ─
H │ C │ H ─
顺式
二甲基丁二烯
反式 二甲基丁二烯
2.3 高分子链的远程结构
第二节 高分子结构
2.1 高分子结构概述 2.2 高分子链的近程结构 2.3 高分子链的远程结构
2.1 高分子结构概述 高分子化合物（Macro Molecular Compound ）
1）由一种或多种简单的相对分子质量小的 有机化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合 物。 2）由千百个原子彼此以共价键结合形成相 对分子质量特别大、具有重复结构单元的有机化 合物， 也称为高分子、大分子。
聚合物的分子量或聚合度到达某一数值后，才能显示出适用的机 械强度，这一数值称为临界聚合度。对极性强的高聚物来说，其 临界聚合度约为40；非极性高聚物的临界聚合度约为 80；弱极性 的介于二者之间。
│ H
（三）无机元素有机高分子 主链中含有 Si 、P 、B 等无机元素的高分子链 如：聚二甲基硅氧烷
CH 3 Si CH 3 O
硅橡胶
（四）无机高分子 主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由 其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚 合物分子量不高，并易水解。
S \ Si / S \ /
不同的旋光异构构型，对高分子聚合物的宏观性 能有明显影响： 全同立构 PP （聚丙烯）： 熔点 165℃；密度 0.92 ；易结晶塑料 无规立构 PP （聚丙烯） ： 软化点 80℃；密度 0.85 ；弹性体
几何异构
双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且 双键不能旋转，就可能有顺式和反式两种异构体之分，称为几何异构。
─ CH 2 ─ CH │ Cl ─ CH │ Cl ─ CH 2 ─ CH │ Cl
头—头
─ CH ─ CH 2 ─ CH 2 ─ CH ─ CH 2 │ │ Cl Cl
─ CH 2 ─ CH │ Cl ─ CH 2 ─ CH │ Cl ─ CH 2
尾—尾
头—尾
不同键接方式，对高聚物结晶能力、力学性能、 热稳定性能等有着重要影响。 对双烯类烯烃的加成聚合键接方式更复杂
CH2 CH2
CH2 CH Cl
（二）杂链高分子 主链由二种或更多原子以共价键联结 主要是C、O、N、S等原子 如：环氧树脂、尼龙6、尼龙66、PET等
O C ─ O H H
│ │ ─ C ─ O ─ C ─ C ─ O │
涤 纶
│ H