1 原子结构和键合
材料科学基础考研知识点总结
材料科学基础考研知识点总结第一章原子结构和键合1.原子键合●金属键●离子键●共价键●氢键●范德华力：静电力诱导力色散力第二章固体结构1.晶体学基础●空间点阵和晶胞●七个晶系14种点阵2.金属的晶体结构●晶体结构和空间点阵的区别3.合金的相结构●晶相指数和晶面指数●晶向指数●晶面指数●六方晶系指数●晶带●晶面间距●晶体的对称性●宏观对称元素●极射投影●金属的晶体结构●三种典型的金属的晶体结构●多晶型性●置换固溶体●间隙固溶体●固溶体的围观不均匀性●影响固溶度的主要因素●固溶体的性质●中间相●正常价化合物●电子化合物●与原子尺寸因素相关的化合物●超结构（有序固溶体）4.常见离子晶体结构●离子晶体配位规则（鲍林规则）●负离子配位多面体规则（引入临界离子半径比值）●电价规则（整体不显电性）●负离子多面体共顶，棱和面规则（由于共用顶，棱和面间距下降，导致库仑力上升，稳定性下降）●不同种类正离子配位多面体规则（能量越高区域越分散）●节约规则（【俄罗斯方块原理】）●典型离子晶体结构●AB型化合物【CsCl结构 NaCl结构 ZnS型结构】●AB2型化合物结构【CaF2 萤石 TiO2金红石型结构】●硅酸盐的晶体结构●孤岛状硅酸盐●组群状硅酸盐●链状硅酸盐●层状硅酸盐●架状硅酸盐5.共价晶体结构第三章晶体中的缺陷1.点缺陷●点缺陷形成●点缺陷的平衡浓度2.位错●刃型位错●螺型位错●混合位错●伯氏矢量●位错运动●位错弹性性质（认识）●位错生成与增值●实际位错中伯氏矢量3.面缺陷●外表面与内表面（了解）●晶界和亚晶界●晶界的特性●孪晶界●相界第四章固体中的扩散1.扩散的表象理论●菲克第一定律●菲克第二定律●扩散方程●置换固溶体扩散（柯肯达尔效应）2.扩散热力学●扩散的热力学分析（上坡扩散）3.扩散的微观理论与机制●扩散机制●晶界扩散及表面扩散●扩散系数4.扩散激活能5.影响扩散的因素●温度●晶体结构●晶体缺陷●化学成分●应力作用6.反应扩散7.离子晶体中的扩散第五章材料的变形1.弹性变形●弹性的不完整性●包申格效应●弹性后效●弹性滞后2.黏弹性变形3.塑性变形●单晶体塑性变形●滑移●孪生●扭折●多晶体的塑性变形●晶粒取向的影响●晶界的影响●合金的塑性变形●单相固溶体塑性变形●影响因素●曲服现象●应变实效●多相合金的塑性变形●弥散分布型合金的塑性变形●塑性变形对组织性能影响●显微组织变化●亚结构变化●性能变化●形变织构●残余应力4.回复与再结晶●冷变形金属在加热时组织与性能的变化●回复●再结晶●晶粒的长大5.热加工●动态回复●动态再结晶●蠕变●超塑性第六章凝固1.相平衡和相率●吉布斯相律2.纯晶体的凝固●液态结构●晶体凝固的热力学条件●形核●晶粒长大●结晶动力学及凝固组织●凝固理论应用3.合金的凝固●正常凝固●区域熔炼●合金成分过冷4.铸锭组织与凝固技术●铸锭的宏观组织●铸锭的缺陷第七章相图1.二元相图基础●2.二元相图●匀晶相图●共晶相图●包晶相图●铁碳相图3.三元相图基●基本特点●表示方法●杠杠定律及重心定律第八章材料的亚稳态1.纳米材料2.准晶3.非晶态4.固态相变形成亚稳相●固体相变形成的亚稳相●固溶体脱溶分解产物●脱熔转变●连续脱溶●不连续脱溶●脱溶过程亚稳相●脱溶分解对性能影响●马氏体转变●特征●形态●贝氏体转变●钢中贝氏体转变特征●贝氏体转变的基本特征。
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。
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。
材料科学基础(笔记)
第一章原子结构与键合概述：了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
第一节原子结构1.物质的组成物质是由无数微粒按一定方式聚集而成的，这些微粒可能是原子、分子或离子；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。
2.原子的结构质子m=1.67×10-24g原子核（10-15m）原子（10-10m）中子核外电子m=9.11×10-28ge=1.6022×10-19C3.原子的电子结构电子的状态和在某处出现的机率可用薛定谔方程的解/波函数来描述，即原子中每个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：a主量子数（n）：决定原子中电子的能量及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层。
如 K、L、M…；b轨道角动量量子数（l）：表示电子在同一壳层内所处的能级，与电子运动的角动量有关。
如 s、p、d、f…；c磁量子数（m）：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数，为2l+1,决定电子云的空间取向；d自旋角动量量子数（s）：反映电子不同的自旋方向，其值可取±1 2。
核外电子的排布规则：a能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；b Pauling 不相容原理：在一个原子中，不可能有上述运动状态完全相同的两个电子；c Hund 规则：在同一个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；4.元素周期表元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称；元素的外层电子结构随着原子序数的递增而呈周期性的变化规律称为元素周期律；元素周期表是元素周期律的表现形式；元素的性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间有着密切的关系。
第二节原子间的键合金属键化学键（主价键）离子键结合键氢键共价键1.金属键物理键（次价键）范德瓦尔斯力由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称金属键。
材料科学基础课后习题答案1-4章
第一章原子结构与键合1. 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。
2. 能量最低原理、Pauli不相容原理，Hund规则。
3. 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；4. 在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。
5. 52.0576. 73% (Cu63); 27% (Cu65)8. a:高分子材料；b:金属材料；c:离子晶体10．a) Al2O3的相对分子质量为M=26.98×2+16×3=101.961mm3中所含原子数为1.12*1020（个）b) 1g中所含原子数为2.95*1022（个）11. 由于HF分子间结合力是氢键，而HCl分子间结合力是范德化力，氢键的键能高于范德化力的键能，故此HF的沸点要比HCl的高。
第2章固体结构1．每单位晶胞内20个原子2．CsCl型结构系离子晶体结构中最简单一种，属立方晶系，简单立方点阵，Pm3m空间群，离子半径之比为0.167/0.181=0.92265，其晶体结构如图2-13所示。
从图中可知，在<111> 方向离子相接处，<100>方向不接触。
每个晶胞有一个Cs+和一个Cl-，的配位数均为8。
3．金刚石的晶体结构为复杂的面心立方结构，每个晶胞共含有8个碳原子。
金刚石的密度(g/cm3)对于1g碳，当它为金刚石结构时的体积(cm3)当它为石墨结构时的体积(cm3)故由金刚石转变为石墨结构时其体积膨胀4.]101[方向上的线密度为1.6. 晶面族{123}=(123)+(132)+(213)+(231)+(321)+(312)+)231(+)321(+)132(+)312(+)213(+)123(+)321(+)231(+)312(+)132(+)123(+)213(+)312(+)213(+)321(+)123(+)132(+)231(晶向族﹤221﹥=[221]+[212]+[122]+]212[+]122[+]221[+]122[+]212[+]221[+]122[+]221[+]212[7. 晶带轴[uvw]与该晶带的晶面(hkl)之间存在以下关系：hu+kv+lw=0；将晶带轴[001]代入，则h×0+k×0+l×1=0；当l=0时对任何h,k取值均能满足上式，故晶带轴[001]的所有晶带面的晶面指数一般形式为(hk0)。
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。
材料科学基础 西安交大1原子与结构键合教案
主量子数n 决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数，有时
亦用K、L、M、N、 O、 P、Q
次量子数l l=0、1 、2 、3,习惯上以s,p,d,f 表示，与电子运动的角动量有关，
反应轨道的形状，又称角量子数或轨道动量量子数。 各壳层上亚层的数目随主量子数不同而异。
磁量子数m 决定电子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为m=0，±1， ±2，
※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom)
➢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。
一、原子键合方式
涉及到原子外层电子的重新分
由此可见，MgO晶体的化学键以离子键为主，而GaAs则 是典型的共价键晶体。
三、 结合力的一般性质
两个质点间的相互作用力或相互作用势能与质点 间距离的关系在定性上是相同的。晶体中质点的相互 作用分为吸引作用和排斥作用两大类。吸引作用在远 距离是主要的，而排斥作用在近距离是主要的。在某 一适当距离时，两者作用相抵消，晶体处于稳定状态。
从根本上揭示了自然界物质的内在联系。
横行→周期，共七个周期。周期的开始对应着电子进入新的壳层， 周期的结束意味着该主量子数的S态和P态已充满。
纵行→族， 18个纵行（column）16族（Group），7个主族、 7个副族、1个Ⅷ族、1个零族（Inert Gases）。 最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。
1
考虑自旋量 子数后的状 态数目
2
各壳层 总电子数目
2=(2×12)
上交材料科学基础习题与解答
各章例题、习题以及解答第1章原子结构与键合1.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？????答案:在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。
????2.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？????答案:原子数=个????价电子数=4×原子数=4×2.144×1024=8.576×1024个????a)????b) 共价键，共有 2.144×1024个；需破坏之共价键数为5×1010/2=2.5×1010个；所以????3.有一共聚物ABS（A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯），每一种单体的质量分数均相同，求各单体的摩尔分数。
????答案:丙烯腈(－C2H3CN－)单体相对分子质量为53；????丁二烯(－C2H3C2H3－) 单体相对分子质量为54;????苯乙烯(－C2H3C6H5－) 单体相对分子质量为104;????设三者各为1g，则丙烯腈有1/53mol，丁二烯有1/54mol，苯乙烯有1/104mol。
????故各单体的摩尔分数为1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？答案2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答案3.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？性质如何递变？答案4.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答案5.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。
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。
材料科学基础复习.
积
第三章 典型金属晶体结构
基本参数
点阵常数
fcc
2 R a 4
bcc
3 R a 4
1/ 8 8 1 2
hcp
R 1 a 2
晶胞内原子数 1 / 8 8 1 / 2 6 4 配位数 致密度 最近原子间距
12 0.74 8
1 / 6 12 1 / 2 2 3 6
材料科学基础复习
2019/4/14
第一章 原子结构与键合
◆ 原子的电子结构 核外电子排布规律：能量最低原理、泡利（ Pauli ）不 相容原理、洪德（ Hund ）法则。 要求： 熟悉且能写出一般 元素的核外电子排布式。如C、O、N、Na、Mg、Al等。 ◆ 原子间的键合
物理键：范德华力、氢键
主要依靠原子间的偶极吸引力结合 化学键：金属键、离子键、共价键（极性和非极性）
2
2
2
2019/4/14
第四章 晶体缺陷
例：
b1 a[100]
a b 2 [101] 2
b1 a
a b2 2
1 0 0 a
1
2
2
2
2
0
2
1
2
2 a 2
a b 2 [101] 2
b1 a[100]
第四章 晶体缺陷
根据位错理论的提出背景，当位错受到力的作用时，会 发生运动。
扩散的热力学理论
第五章 固体材料中的扩散
诱发原因：
1）弹性应力场的作用：应力梯度抵消了浓度梯度。 2）电场、磁场的作用：电场、磁场对带电粒子的运动产生影响。
3）晶界内吸附作用：溶质原子向晶界偏聚。
4）调 幅 分 解：典型的化学位梯度与浓度梯度方向相反。
材料科学基础名词术语
《材料科学基础》名词术语（126个）第一章原子结构与键合（5个）4、物理键（次价键）:分子之间的作用力（范德瓦尔斯力）或氢键。
7、范德范德瓦耳斯力:由瞬间偶极矩和诱导偶极矩产生的分子间引力所构成的物理键。
8、二次结构:指单个高分子的大小和形态、链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象，又称远程结构。
9、聚合度:高分子链中的重复结构单元的数目。
10、官能度：指在一个单体上能与别的单体发生键合的位置数目。
第二章固体结构（27个）18、晶体:原子按一定方式在三维空间内周期性地规则重复排列，有固定熔点、各向异性的固体。
18、非晶体:原子没有长程的周期排列，无固定的熔点，各向同性等的固体。
18、空间点阵:指几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列，是人为的对晶体结构的抽象。
18、晶胞:在点阵中取出一个具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
20、布拉菲点阵:除考虑晶胞外形外，还考虑阵点位置所构成的点阵。
22、晶体结构：晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况。
23、晶面：晶体中原子构成的平面。
23、晶向：晶体中原子列的方向。
23、晶向指数：从晶列通过轴矢坐标系原点的直线上任取一格点，把该格点指数化为互质指数，就称为晶向指数，表示为[h,k,l]。
23、晶面指数：是晶面在三个结晶轴上的截距系数的倒数，当化为简单的整数比后所得到的三个整数就称为该晶面的米勒指数，表示为(h,k,l)。
26、晶带：所有平行或相交于某一晶向直线的所有晶面的组合。
26、晶面间距：指相邻两个平行晶面之间的距离。
35、金属键:自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。
38、配位数:晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。
38、致密度:晶体结构中原子体积占总体积的百分数。
42、固溶体:是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶剂原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持溶剂的晶体结构类型。
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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我们知道，在氢原子中，原子轨道的能级只与主量子数n有
关，n越大的轨道能级越高，n相同的轨道能级相同。所以各 轨道的能级顺序应为：1s＜2s＝2p＜3s＝3p＝3d＜4s。
但在多电子原子中，各轨道的能级不仅与主量子数有关，还 与角量子数l有关。其原因是由于存在着电子间的相互作用。 鲍林(L．Pauling)根据光谱实验结果，总结出了多电子原子 的原子轨道近似能级图，如下图所示。
周期序数＝电子壳层数
零族元素最外层电子数为8（氦为2）
元素性质的周期性与原子结构的关系
1．原子半径
由于电子在核外运动并没有固定的轨道，因此电子在核
外的分布也就没有明确的边界。 所以就单个原子讨论原子半径是没有意义的。
但原子总是以相互结合的形式存在的，而二个相互结合
的原子间确实存在一定的距离。这个核间距就可以认为是二 个原子的原子半径之和，原子半径的意义也就在于此。 通常，原子半径有三种类型：共价半径，金属半径和范 德华半径。
的原子的I1都大。
第三周期的Mg、P等也有这一现象。 这主要是由于这些原子具有半充满、全完满的电子层结构， 相对较稳定，难以失去电子，所以电离能相对较大。
基态气体原子获得一个电子形成一价气态负离子时所放出的
能量称为第一电子亲合能。类似地有第二、第三电子亲合能。
显然，电子亲合能可用来衡量原子获得电子的难易。 电子亲合能的大小与核的吸引和核外电子相斥二方面的因素 有关。
(零族元素的范待德华半径除外)。
这主要是因为随着原子序数的增加，新增加的电子都分布在 同一最外电子层，而同层电子的屏蔽常数较小，所以作用在 最外层电子的有效核电荷明显地依次增加，核对最外层电子 的吸引力也逐渐增加，所以原子半径逐渐减小。
同一族中自上而下电子层数依次增多，所以原子半径逐
渐增大。
根据电子能量差别，还包含有两个电子亚层。
为了方便常用小写的英文字母来标注： l：0 1 2 3 4 s p d f g
在同一量子壳层里，L取值越大，表明轨道能量越高。即亚 层电子的能量是按S,p,d,f,g的次序递增的。 而且不同电子亚层的电子云形状不同，如S层的电子云是以 原子核为中心的球状，P亚层的电子云是纺锤形。
主量子数 n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，取值
正整数1、2、3、4… … n越大，代表能量越高、离核约远。
1、2、3、4依次命名为K、 L、M、N壳层。
轨道角动量量子数l：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0、1、 2 … …n-1。 例如n=2，就有两个轨道角动量量子数l=0,l=1,即L壳层中，
中最多只能容纳自旋方向相反的两个电子。
因此，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。
（2）能量最低原理：
自然界有一条普遍的规律：体系能量越低的状态相对越
稳定。这一规律也适用于原子结构。
电子总是占据能量最低的壳层，电子先排满能量最低的， 再进入能量较高的壳层，而在同一电子亚层中，电子则依次 按s、p、d、f、g的顺序排列。 当然，前提是不违背泡利不相容原则。
共价半径是指同种原子形成共价单键时二个相邻原子核间距
离的一半。
金属半径是指同种元素的原子组成的金属晶体中两个相邻原 子核间距离的一半。
范德华半径是指二个原子间只靠范德华力相互结合时两个核 间距离的一半，零族元素的原子半径就是范德华半径。
原子半径随原子结构的变化而发生周期性的变化。
对于主族元素，同一周期中，从左至右原子半径逐渐减小
原 子 轨 道 近 似 能 级 图
5s，4d和 5p
轨道合称为第 五能级组。
图中小圆圈表示原子轨道， 每个方框中的各轨道能量相 近，合称为一个能级组
从图中可以看到，对于角量子
数l相同而主量子数 n不同的各
轨道，总是n越大能级越高。 例如 1s＜2s＜3s＜4s…；3d＜ 4d＜5d…。 对于主量子数n相同而角量子数 l不同的各轨道，总是l越大能级
因为原子中电子和质子的数目
相等，所以从整体说来，原子
是电中性的。
3、原子的电子结构
电子具有波粒二象性，既然具有波动性，电子运动就没有固 定的状态，就不可能位于某确定半径的平面轨道上，而是有
可能出现在位于核外空间的任何地方，只是在不同位置出现
的概率不同（就像射箭）。 电子在原子核外空间作高速旋转 运动，就好像带负电荷的云雾笼
例如，Z＝10的 Ne原子，核外有 10个电子，首先在 1s轨道
上填充两个电子，然后在2s轨道上填充两个电子，最后在 2p轨道上填充剩下的 6个电子， 所以 Ne原子的电子组态应为 ：1s22s22p6 轨道符号右上角的数值表示轨道中的电子数。 26号的Fe原子，其电子的填充情况应为 1s22s22p63s23p64s23d6 在原子序数比较大时，相邻壳层的能级有重叠现象。
能量最低原则解决了电子在能级不同的各轨道中的分布
问题。
n和l都相同的三个p轨道，其能级是相同的。这种能级 相同的一组轨道称为等价轨道。
在等价轨道中电子又是如何分布的呢?洪德根据光谱数 据总结出了电子在等价轨道中的分布规律，即洪德定则。
（3）洪德定则：电子在等价轨道中（即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
一般金属元素的电负性小于 2.0(除铂系元素和金)，而非金属 元素(除Si)大于2.0。
元素电负性是一个相对的数值，鲍林指定氟的电负性为4.0， 不同的处理方法所获得的元素电负性数值有所不同。
在周期表中每一周期元素从左到右的有效核电荷数逐渐增大，
原子半径逐渐减小，原子在分子中吸引电子的能力逐渐增加， 因而元素电负性逐渐变大，元素的非金属性也逐渐增强。
罩在原子核周围，故形象地称它
为电子云，后来就用电子云来代 替轨道表示单个电子出现的概率。
电子云是电子在核外空间概率密度分布的形象描述。 电子云图象中每一个小黑点表示电子出现在核外空间中的一 次概率，电子云密度越大，就是表示电子出现的概率越大。
量子力学中反映微观粒子运动的基本方程称为薛定谔方
程，它的解称为波函数，电子的状态和出现在某处的概 率我们可以用波函数来描述，既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。 四个量子数依次是：主量子数 n、角量子数l、磁量子数 m、自旋角动量量子个数ms。
3．电负性
元素的电离能和电子亲合能各自从一个方面表达原子得失电 子的能力，但没有考虑原子间的成键作用等情况。
为了定量地比较原子在分子中吸引电子的能力，1932年鲍林 在化学中引人了电负性的概念来衡量分子中原子吸引电子的 能力。
电负性越大，原子在分子中吸引电子的能力越大；电负性越
小，原子在分子中吸引电子的能力越小。
2．电离能与电子亲合能
使基态的气体原子失去一个电子形成一价气态正离子所需
的最低能量称为原子的第一电离能(用I1表示).
由一价气态正离子再失去一个电子形成二价气态正离子所需 的最低能量称为第二电离能(用I2表示)，其余依此类推。
显然，电离能的大小表示原子失去电子的难易程度。 对于主族元素，同一周期中，从左至右，电离能依次增大，
自旋角动量量子个数ms：反映电子不同的自旋方
向，每个轨道上可容纳两个电子，自旋方向相反，
一个电子顺时针运动，另一个逆时针运动，分别
表示为+1/2，-1/2。
当该轨道上只有一个电子时 ，该电子的自旋量子
数的取值是任意的。
钠元素11个电子中每个电子的全部量子数
在多电子的原子中核外电子的排布规律遵循以下原则：
对于副族元素，同一周期中，从左至右，原子半径缩小 较缓慢。同一副族中，自上而下，电子层数增加，原子 半径也略有增加。
但第五、六周期的同一副族二种元素的原子半径相差很
小，近于相等，这是由所谓的镧系收缩造成的。
总的来说，主族元素原子半径随原子结构的变化规律性 较强、较明显，而副族元素变的吸引力依次增大，原
子失去电子越来越难，致使具有完满电子层结构的零族元素
最难失去电子。
同一族中，自上而下，随原子半径的增大，核的吸引力相应 减小，原子越易失去电子，所以电离能依次减小。这些规律
都是总趋势，但也有一些特殊情况。
如第二周期的 Be、N二原子的I1分别较同一周期中前后相邻
（1）泡利不相容原理：
一个原子轨道最多只能容纳二个电子,且这二个电子自 旋方向必须相反，这就是泡利不相容原理。 其实质就是一个原子中不可能有两个电子具有完全相同 的运动状态，也就是不可能有两个电子具有完全相同的四个 量子数。对于一个原子轨道来说，n、l和m都是相同的，因 此这个轨道中的各个电子其ms必须不相同，所以这一轨道
以分成原子，而原子却不能再分。
原子是化学变化中最小微粒
2、原子的结构
质子（proton）：正电荷m＝1.6726×10 -27 kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电 -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） m＝9.1095 10-31 kg，约为质子的1/1836
物质是由原子组成
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 复合材料 材料性能：物理 化学 力学
一、原子结构
1、物质的组成 物质由无数微粒聚集而成，这些微粒可能是分子、原子 或离子。 分子：能单独存在且保存物质化学特性