原子结构与键合原子结构与键合PPT学习教案
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塑料等高分子材 料、部分层状无机 化合物层间作用力 （石墨、水铝石、 云母）
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二、氢键
氢原子在两个电负性很强的原子(或原子团)之间形成一 个桥梁，把两者结合起来，成为氢键。表达为： X-H—Y
第19页/共31页
结合能： ~10 kcal/mol 具有饱和性和方向性 典型晶体：H2O、HF、KH2PO4（KDP）等
第6页/共31页
（四）自旋量子数
自旋量子数ms描述电子的自旋方向，它的取 值为 +1/2 和 -1/2。
综上所述，n、 l 、m 三个量子数可以确定 一个 原子轨道，而 n、 l、m 、 ms 四个量子数 可以确定电子的运动状态。
第7页/共31页
电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系
n 电子层 l 电子亚层
3.5GPa。
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（二）结合键能与强度
结合键能高的，（抗压）强度高。
（三）结合键能与塑性
金属键赋予材料良好的塑性，而离子键、共价键 结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。
第29页/共31页
本节小结
原子结构
原子间的键合
金属键 离子键 共价键 范德瓦耳斯键 氢键
原子间键合与材料性能的关系
第10页/共31页
1.4 元素周期表
第11页/共31页
2 原子间的键合
一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而成的， 这些微粒可能是分子、原子或离子。原子是化学变化中 的最小微粒。
两个或多个原子形成分子或固体时，它们依靠什么 样的结合力聚集在一起，这就是原子间的键合问题。
化学键 主价键 一次键
金属键 离子键 共价键
原子结构与键合原子结构与键合
会计学
1
1 原子结构
1.1 物质的组成
一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而 成的，这些微粒可能是分子、原子或离子。
分子是能单独存在、并保持物质化学特性的 一种微粒。
分子又是由一些更小的微粒——原子所组成。 原子是化学变化中的最小微粒；原子并不是物质 的最小微粒。
离子是原子失去电子后得到的微粒。
m
1 K 0 1s
0 2s
2
L 1 2p
0 3s
3
M
1 3p 2 3d
0
0 1,0,+1
0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2
轨道 数
1
14 3
1 39 5
0 4s
1 4p
4
N 2 4d
3 4f
0
1
-1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2
3 16 5
-3,-2,-1,0,+1,+2,+3
7
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。
鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 结合的相对值）：
离子结合(%)
[1
e]
1 4
(x
A
x
B
)
2
100%
(1 -1)
式中，XA、XB分别为化合物组成元素A、 B的电负性数值。
第22页/共31页
混合型晶体——石墨的结构
结合能： ~50 kcal/mol
第13页/共31页
二、离子键
当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较 大的活泼非金属元素的原子相互接近时，金属原子失 去最外层电子形成带正电荷的阳离子；而非金属原子 得到电子形成带负电荷的阴离子。
阳、阴离子之间除了静电相互吸引外，还存在电 子与电子、原子核与原子核之间的相互排斥作用。当 阳、阴离子接近到一定距离时，吸引作用和排斥作用 达到了平衡，系统的能量降到最低，阳、阴离子之间 就形成了稳定的化学键。
共价键、离子键化合物的熔点较高，其中 纯共价键的金刚石具有最高的熔点，金属的熔 点相对较低。
金属中过渡族金属有较高的熔点，特别是 难熔金属W、Mo、Ta等熔点更高，这可能起 因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比 例的共价键混合所致。
具有次价键结合的材料，它们的熔点一定 偏低，如聚合物等。
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第5页/共31页
（三）磁量子数
磁量子数m 决定原子轨道在空间的取向，它 的取值为0, ±1, ±2, ± l ，因此有 2 l + 1 种取向。
l ＝0 时，m只能取 0，s 亚层只有 1 个轨道； l ＝1 时， m可取 －1、0、＋1，p 亚层有3 个轨道； 同理，d 亚层有 5 个轨道，f 亚层有7个轨道。
第8页/共31页
二、核外电子的排布遵循三个原则
（一）泡利(Pauli)不相容原理：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。 由泡利不相容原理，可知一个原子轨道最多只 能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。
（二）洪德(Hund)规则：在能级简并的轨道上，电子 尽可能自旋平行地分占不同的轨道；全充满、半充 满、全空的状态比较稳定，因为这时电子云分布近 于球形。
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1.2 原子的结构
原子核 核外电子
质子 中子
原子核位于原子中心、带正电；质子带正电荷，中子呈电中性 电子在原子核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云
第2页/共31页
1.3 原子的电子结构
1926 年，奥地利著名的物理学家薛定谔提出描述 氢原子的电子的运动状态的方程，称为薛定谔方程。
氢键的结合力比范德瓦耳斯键强 在带—COOH、 —OH、 —NH2原子团的高分子 聚合物中常出现氢键 氢键在一些生物分子如DNA中也起重要作用
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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。
表 某些陶瓷化合物中混合键特 征
第21页/共31页
第9页/共31页
（三）能量最低原理：在不违背泡利不相容原理 的前提下，核外电子总是尽可能排布在能量最低 的轨道上，使系统处于最低的能量状态。当能量 最低的轨道排满后，电子才依次排布在能量较高 的轨道上。
值得注意的是相邻壳层 的能量范围有重叠现象。 电子填充时，有可能出现 内层尚未填满前就先进入 外壳层的情况。
第16页/共31页
共价键的本质是由于原子 相互接近时轨道重叠 （即波函数叠加），原 子间通过共用自旋相反 的电子对使能量降低而 成键。
共价键的主要特点是具有 饱和性和方向性。
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2.2 次价键
一、范德瓦耳斯键
范德瓦耳斯键只 是原子间的偶极吸 引力，键力远低于 一次键。
结合能： ~1 kcal/mol
（一）主量子数
主量子数 n 决定原子轨道的能量。n 越大， 电子离原子核的距离越远，电子的能量越高。在 一个原子中，常称 n 相同的电子为一个电子层。
当 n＝1、2、3、4、5、6、7 时，分别称为 第一、二、三、四、五、六、七电子层，相应地 用符号 K、L、M、N、O、P、Q 表示。
第4页/共31页
同时含有 共价键和 范德瓦耳斯键
石墨晶体结构
第23页/共31页
2.4 结合键的本质 与原子间距
双原子模型： 原子间存在的吸
引力和排斥力， 使原子处于平衡
位置，能量处于最 低状态。
第24页/共31页
2.5 结合键与性能
一、物理性能
（一）熔点与键能值有较好的对应关系
表 不同材料的键能和熔点
第25页/共31页
（一）结合键能与弹性模量E
弹性模量E E
：
原子结合就像小弹簧的连结 结合键能与弹性模具有很好的对应关系。 1. 金刚石具有最高的弹性模量值，E＝1000GPa。 2. 高温结构陶瓷如碳化物、氧化物、氯化物等结合
键能高，弹性模量为250一600GPa。 3. 常用金属材料的弹性模量约为70一350GPa。 4. 聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7—
（二）材料的密度与结合键类型有关
1、大多数金属有高的密度； 2、无机材料的密度较低； 3、聚合物密度最低。
（三）材料的导电性和导热性与结合键类型有关
金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性； 而由非金属键结合的无机材料和高分子聚合物在固 态下不导电，少数材料具有半导体性能。
第27页/共31页
二、力学性能
物理键 次价键 二次键
范德瓦耳斯力 氢键
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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 。
金属键没有方向性、饱和性。
+
+
+
特点：电子共有化
+
+
+
+
+
+
+
+
+
金属离子沉浸在自 由电子的海洋中
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）。
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这种阳、阴离子间通过静电作用所形成的化学键 称为离子键。
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结合能 ~ 150 kcal/mol 典型晶体：NaCl、LiF等
离子键既没有方向性 也没有饱和性
··
··
Na+[:Cl:]Na·+ :Cl· →
··
··
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三、共价键
共享电子对
● ●
结合能：~150 kcal/mol 典型晶体：金刚石、SiC等
（二）角量子数
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； n＝2 时，l ＝0、1，L 层有 s、p 亚层； n＝3 时，l ＝0、1、2，M 层有 s、p、d 亚层; n＝4 时，l ＝0、1、2、3，N 层有 s、p、d、f 亚 层。 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。
方程成功地解决了电子在核外运动状态的变化规 律，方程中引入了波函数的概念，以取代经典物理中 圆形的固定轨道，解得的波函数（习惯上又称原子轨 道）描述了电子在核外空间各处位置出现的几率，相 当于给出了电子运动的“轨道”。
电子运动的“轨道”由四个量子数所确定。
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Βιβλιοθήκη Baidu
一、四个量子数
主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数
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二、氢键
氢原子在两个电负性很强的原子(或原子团)之间形成一 个桥梁，把两者结合起来，成为氢键。表达为： X-H—Y
第19页/共31页
结合能： ~10 kcal/mol 具有饱和性和方向性 典型晶体：H2O、HF、KH2PO4（KDP）等
第6页/共31页
（四）自旋量子数
自旋量子数ms描述电子的自旋方向，它的取 值为 +1/2 和 -1/2。
综上所述，n、 l 、m 三个量子数可以确定 一个 原子轨道，而 n、 l、m 、 ms 四个量子数 可以确定电子的运动状态。
第7页/共31页
电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系
n 电子层 l 电子亚层
3.5GPa。
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（二）结合键能与强度
结合键能高的，（抗压）强度高。
（三）结合键能与塑性
金属键赋予材料良好的塑性，而离子键、共价键 结合，使塑性变形困难，所以陶瓷材料的塑性很差。
第29页/共31页
本节小结
原子结构
原子间的键合
金属键 离子键 共价键 范德瓦耳斯键 氢键
原子间键合与材料性能的关系
第10页/共31页
1.4 元素周期表
第11页/共31页
2 原子间的键合
一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而成的， 这些微粒可能是分子、原子或离子。原子是化学变化中 的最小微粒。
两个或多个原子形成分子或固体时，它们依靠什么 样的结合力聚集在一起，这就是原子间的键合问题。
化学键 主价键 一次键
金属键 离子键 共价键
原子结构与键合原子结构与键合
会计学
1
1 原子结构
1.1 物质的组成
一切物质均是由无数微粒按一定方式聚集而 成的，这些微粒可能是分子、原子或离子。
分子是能单独存在、并保持物质化学特性的 一种微粒。
分子又是由一些更小的微粒——原子所组成。 原子是化学变化中的最小微粒；原子并不是物质 的最小微粒。
离子是原子失去电子后得到的微粒。
m
1 K 0 1s
0 2s
2
L 1 2p
0 3s
3
M
1 3p 2 3d
0
0 1,0,+1
0 -1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2
轨道 数
1
14 3
1 39 5
0 4s
1 4p
4
N 2 4d
3 4f
0
1
-1,0,+1 -2,-1,0,+1,+2
3 16 5
-3,-2,-1,0,+1,+2,+3
7
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。
鲍林经验公式：（确定化合物AB中离子键 结合的相对值）：
离子结合(%)
[1
e]
1 4
(x
A
x
B
)
2
100%
(1 -1)
式中，XA、XB分别为化合物组成元素A、 B的电负性数值。
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混合型晶体——石墨的结构
结合能： ~50 kcal/mol
第13页/共31页
二、离子键
当电负性较小的活泼金属元素的原子与电负性较 大的活泼非金属元素的原子相互接近时，金属原子失 去最外层电子形成带正电荷的阳离子；而非金属原子 得到电子形成带负电荷的阴离子。
阳、阴离子之间除了静电相互吸引外，还存在电 子与电子、原子核与原子核之间的相互排斥作用。当 阳、阴离子接近到一定距离时，吸引作用和排斥作用 达到了平衡，系统的能量降到最低，阳、阴离子之间 就形成了稳定的化学键。
共价键、离子键化合物的熔点较高，其中 纯共价键的金刚石具有最高的熔点，金属的熔 点相对较低。
金属中过渡族金属有较高的熔点，特别是 难熔金属W、Mo、Ta等熔点更高，这可能起 因于内壳层电子未充满，使结合键中有一定比 例的共价键混合所致。
具有次价键结合的材料，它们的熔点一定 偏低，如聚合物等。
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第5页/共31页
（三）磁量子数
磁量子数m 决定原子轨道在空间的取向，它 的取值为0, ±1, ±2, ± l ，因此有 2 l + 1 种取向。
l ＝0 时，m只能取 0，s 亚层只有 1 个轨道； l ＝1 时， m可取 －1、0、＋1，p 亚层有3 个轨道； 同理，d 亚层有 5 个轨道，f 亚层有7个轨道。
第8页/共31页
二、核外电子的排布遵循三个原则
（一）泡利(Pauli)不相容原理：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。 由泡利不相容原理，可知一个原子轨道最多只 能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。
（二）洪德(Hund)规则：在能级简并的轨道上，电子 尽可能自旋平行地分占不同的轨道；全充满、半充 满、全空的状态比较稳定，因为这时电子云分布近 于球形。
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1.2 原子的结构
原子核 核外电子
质子 中子
原子核位于原子中心、带正电；质子带正电荷，中子呈电中性 电子在原子核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云
第2页/共31页
1.3 原子的电子结构
1926 年，奥地利著名的物理学家薛定谔提出描述 氢原子的电子的运动状态的方程，称为薛定谔方程。
氢键的结合力比范德瓦耳斯键强 在带—COOH、 —OH、 —NH2原子团的高分子 聚合物中常出现氢键 氢键在一些生物分子如DNA中也起重要作用
第20页/共31页
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。
表 某些陶瓷化合物中混合键特 征
第21页/共31页
第9页/共31页
（三）能量最低原理：在不违背泡利不相容原理 的前提下，核外电子总是尽可能排布在能量最低 的轨道上，使系统处于最低的能量状态。当能量 最低的轨道排满后，电子才依次排布在能量较高 的轨道上。
值得注意的是相邻壳层 的能量范围有重叠现象。 电子填充时，有可能出现 内层尚未填满前就先进入 外壳层的情况。
第16页/共31页
共价键的本质是由于原子 相互接近时轨道重叠 （即波函数叠加），原 子间通过共用自旋相反 的电子对使能量降低而 成键。
共价键的主要特点是具有 饱和性和方向性。
第17页/共31页
2.2 次价键
一、范德瓦耳斯键
范德瓦耳斯键只 是原子间的偶极吸 引力，键力远低于 一次键。
结合能： ~1 kcal/mol
（一）主量子数
主量子数 n 决定原子轨道的能量。n 越大， 电子离原子核的距离越远，电子的能量越高。在 一个原子中，常称 n 相同的电子为一个电子层。
当 n＝1、2、3、4、5、6、7 时，分别称为 第一、二、三、四、五、六、七电子层，相应地 用符号 K、L、M、N、O、P、Q 表示。
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同时含有 共价键和 范德瓦耳斯键
石墨晶体结构
第23页/共31页
2.4 结合键的本质 与原子间距
双原子模型： 原子间存在的吸
引力和排斥力， 使原子处于平衡
位置，能量处于最 低状态。
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2.5 结合键与性能
一、物理性能
（一）熔点与键能值有较好的对应关系
表 不同材料的键能和熔点
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（一）结合键能与弹性模量E
弹性模量E E
：
原子结合就像小弹簧的连结 结合键能与弹性模具有很好的对应关系。 1. 金刚石具有最高的弹性模量值，E＝1000GPa。 2. 高温结构陶瓷如碳化物、氧化物、氯化物等结合
键能高，弹性模量为250一600GPa。 3. 常用金属材料的弹性模量约为70一350GPa。 4. 聚合物由于二次键的作用，弹性模量仅为0.7—
（二）材料的密度与结合键类型有关
1、大多数金属有高的密度； 2、无机材料的密度较低； 3、聚合物密度最低。
（三）材料的导电性和导热性与结合键类型有关
金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性； 而由非金属键结合的无机材料和高分子聚合物在固 态下不导电，少数材料具有半导体性能。
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二、力学性能
物理键 次价键 二次键
范德瓦耳斯力 氢键
第12页/共31页
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 。
金属键没有方向性、饱和性。
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特点：电子共有化
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金属离子沉浸在自 由电子的海洋中
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）。
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这种阳、阴离子间通过静电作用所形成的化学键 称为离子键。
第14页/共31页
结合能 ~ 150 kcal/mol 典型晶体：NaCl、LiF等
离子键既没有方向性 也没有饱和性
··
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Na+[:Cl:]Na·+ :Cl· →
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三、共价键
共享电子对
● ●
结合能：~150 kcal/mol 典型晶体：金刚石、SiC等
（二）角量子数
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； n＝2 时，l ＝0、1，L 层有 s、p 亚层； n＝3 时，l ＝0、1、2，M 层有 s、p、d 亚层; n＝4 时，l ＝0、1、2、3，N 层有 s、p、d、f 亚 层。 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。
方程成功地解决了电子在核外运动状态的变化规 律，方程中引入了波函数的概念，以取代经典物理中 圆形的固定轨道，解得的波函数（习惯上又称原子轨 道）描述了电子在核外空间各处位置出现的几率，相 当于给出了电子运动的“轨道”。
电子运动的“轨道”由四个量子数所确定。
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一、四个量子数
主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数