ch1 原子结构和键合

1.2.5 氢键 氢键（Hydrogen bonding）
是一种特殊的分子间作用力。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）相结合而产生的极性分子键
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 具有比一般次价键大的键力，介于化学键与物理键之间， 具有饱和性和方向性。 存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位
物质(Substance)是由原子（atom）组成的
在材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构—原子间键合本质
决定材料分类：金属 陶瓷 高分子 材料性能：物理 化学 力学
1.1 原子结构 （Atomic Structure ） 1.1.1 物质的组成（Substance Construction）
1.1.4 元素周期表
元素周期表是元素周期律的具体表现形式， 元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之 间相互联系的规律， 间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素 的原子结构和一定的性质。 的原子结构和一定的性质。 元素（Element）：共116种 元素（Element）：共116种，核电荷数是划分元素的依据 ）： 7个横行 7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（ 个横行（ rows)周期 period）按原子序数（ 周期（ Atomic Number)递增的顺序从左至右排列 递增的顺序从左至右排列 18个纵行（column）16族（Group）， 个主族、7个副族、 个纵行（ ），7个主族 个副族、 个纵行 ） 族 ）， 个主族、 个副族 1个Ⅷ族、1个零族（Inert Gases）最外层的电子数相同，按 个 个零族（ 个零族 ，C13，C14 C12）最外层的电子数相同， 6 6 6 电子壳层数递增的顺序从上而下排列。 电子壳层数递增的顺序从上而下排列。 元素有两种存在状态：游离态和化合态（ 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)
bonding): ):共用 ( 极性键 Polar bonding):共用电子对偏于某成键原子 bonding): 非极性键（Nonpolar bonding): 位于两成键原子中间
1.2.4 范德华力 范德华力（Van der waals bonding）
原子相互作用→ 近邻原子相互作用 → 电荷位移 → 偶极子(dipoles） 偶极子(dipoles） 电偶极矩的感应作用→ 范德华力
原子结构直接影响原子间的结合方式。 原子结构直接影响原子间的结合方式。 原子间的结合方式
1.1.2 原子的结构
近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子 近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子 质子 组成的 以及核外的电子所构成的。 核外的电子所构成的 核，以及核外的电子所构成的。 原子的体积很小，直径约为10 数量级， 原子的体积很小，直径约为10-10m数量级， 原子核直径仅为10 数量级。 原子核直径仅为10-15m数量级。 1879年 发现电子（electron),揭示 1879年 J.J Thomson 发现电子（electron),揭示 了原子内部秘密 1911年 1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型 E.Rutherford提出原子结构有核模型
金属键（ bonding） 1.2.1 金属键（Metallic bonding）
典型金属原子结构：最外层电子数很少， 典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子 electron） （valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成 为自由电子（ electron）， ），形成电子云 为自由电子（Free electron），形成电子云 （electron cloud） cloud）
1.1.3.2 核外电子的排布（electron configuration) 核外电子的排布（ 规律
多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则， 多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即 三原则 能量最低原理、 不相容原理和Hund规则。 规则。 能量最低原理、Pauli不相容原理和 不相容原理和 规则
e
金属原子 非金属原子
带正电的正离子 带负电的负离子
静电引力 离子键
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：一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固—— 其熔点和硬度均较高。 在离子晶体中很难产生自由运动的电子——都是良好的电绝缘 体。 但当处在高温熔融状态时，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。
原子（atom) 原子（atom) rH = 3.7 × 10 -2 nm rAl = 1.43 × 10 -1 nm
质子（proton）：正电荷m＝1.6726×10-27 kg proton） 正电荷m 6726× 原子核（nucleus) 位于原子中心、 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电 neutron） 电中性m 6748× -27 中子（neutron）：电中性m＝1.6748×10 kg 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（electron cloud） ）：核外高速旋转 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（electron cloud） kg，约为质子的1 1836 m＝ m＝9.1095×10-31 kg，约为质子的1/1836
包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和 色散力(dispersive force)
特点：
属物理键 ，系次价键，没有方向性和饱和性。 不如化学键强大，比化学键的键能少1～2个数量级。 但能很大程度改变材料性质：不同的高分子聚合物 有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要 因素。
原子结构 原子间的键合 高分子链
1.2 原子间的键合 ( Bonding type with other atom)
金属键（ bonding） 金属键（Metallic bonding） 化学键（ bonding） 离子键（ bonding） 价键primary 化学键（Chemical bonding） 离子键（Ionic bonding） 主价键primary interatomic bonds 共价键（covalent bonding） bonding） 共价键（ 物理键（ bonding) 次价键( bonding) 亦称Van ing)， 物理键（physical bonding),次价键(Secondary bonding)，亦称Van der Waals bonding 氢键（Hydrogen - bonding) 介于化学键和范德华力之间 氢键（
第一章 原子结构和键合
Atomic Structure and Interat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，运动规律，以及原 子集合体的形貌特征
1913年 N.Bohr将原子有核模型与M.Frank和 将原子有核模型与M.Frank 1913年 N.Bohr将原子有核模型与M.Frank和 A.Einstein的量子论结合 形成原子结构的量子理论 的量子论结合， A.Einstein的量子论结合，形成原子结构的量子理论
Bohr atomic model
原子序数＝ 原子序数＝核电荷数 周期序数＝电子壳层数 周期序数＝ 主族序数＝ 子数——价电子数（Valence 价电子数（ 主族序数＝最 外 层 电 子数 价电子数 electron） ） 零族元素最外层电子数为8（氦为 ） 零族元素最外层电子数为 （氦为2）
第一章 原子结构和键合
Atomic Structure and Interatomic Bonding
金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金 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：电子共有化， 无饱和性又无方向性， 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 性质：良好导电、导热性能， 性质：良好导电、导热性能，延展性好
1.2.2 离子键
大多数盐类、碱类和金属氧化物 实质：
能量最低原理（ principle)电子总是占据能量最低的壳层 能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n 2 不相容原理（ principle): Pauli不相容原理 全充满 Hund原则（Hund' Rule)半充满 Hund原则 Hund' Rule) 原则（ 自旋方向相同 全空
核电荷 ，原子半径 ↑ ↓ 同周期元素： 右， → 同周期元素：左 右，金属性 ，非金属性 ↓ ↑ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↑ ↓ ↑ 最外层电子数相同， 最外层电子数相同，电子层数 ，原子半径 ↑ ↑ 同主族元素： →下， 同主族元素：上 下，金属性 ，非金属性 ↑ ↓ 电离能 ，失电子能力 ，得电子能力 ↓ ↑ ↓
一切物质都是由无数微粒 一切物质都是由无数微粒（Particles）按一定 微粒 按一定 的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、 的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或 分子 离子。 离子。
分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M（protein）为百万 原子（Atom）：化学变化中最小微粒