第一章 原子结构与键合

（covalent bonding）
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
一、金属键（Metallic bonding）
金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构 成键合称为金属键（图1.3-1.4）。金属键的基本特 点是电子的共有化。 金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子 有可能同更多的原子相结合，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，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良 好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般 都具有良好的导电和导热性能。
图1.2 元素周期表
1.2 原子间的键合( Bonding type with other atom)
金属键 （Metallic bonding） 化学键 （Chemical bonding）
离子键 （Ionic bonding） 共价键
，
主价键
primary interatomic bonds
一、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。
原子结构直接影响原子间的结合方式。 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒
二 原子的结构
原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电
质子（proton):正电荷m＝1.6726×10-27kg 中子（neutron):电中性m＝1.6748×10-27kg
四、 元素周期表
具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。 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，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。
元素周期表（图1.2）共有七个横行，每一横行为
一个周期，共有七个周期。元素在周期表中所属周期
数等于该元素基态原子的电子层数，也等于元素基态 原子的最外电子层的主量子数。 元素周期表中各周期所包含元素的数目，等于相 应能级组中的原子轨道所能容纳的电子总数。
角量子数 l 决定原子轨道的形状，它的取值为 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。
当 l = 0、1、2、3 时，分别称为 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。
（s电子除外） 性质：熔点高、质硬脆、脆性大。其导电性 取决于共价键的强弱。 弱共价键的Sn是导体，Si是半导体，金刚石 就是绝缘体。
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
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Foundations of Materials Science
上课班级：材料11级 主讲教师： 吴 菊 E-mail: lawuju@wxc.edu.cn QQ：584591352 2012-2013学年第二学期
（64学时，4学分）
第一章 原子结构与键合
1.1
1.2 1.3
原子结构
原子间的键合 高分子链
图1.6 共价键与原子晶体
四、范德华力（Van der waals bonding) 分子中由于共价电子的非对称分布，使分子的 某一部分比其他部分更偏于带正电或带负电。一个 分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电部分，
这种结合力称为分子键或范德瓦耳力。
Hale Waihona Puke Baidu+ +
Atomic or molecular dipoles
它是属物理键，系一种次价键，没有方向性
和饱和性（图1.7）。比化学键的键能少1～2个
数量级。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。
实质：近邻原子相互作用→电荷位移→偶极子
(dipoles） 偶极矩的感作用
电应
范德华力 静电力(electrostatic) 诱导力(induction) 色散力(dispersive force)
处的量子壳层。它的取值为1、2、3…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。
2. 轨道角量子数li
3. 磁量子数mi 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,±3因此有2l+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。n和l相同， 但m不同的各原子轨道的能量相同，称为简并轨道或 等价轨道。
描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四 个量子数表示。 多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三 原则，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund 规则。 从内到外，依次为K壳层(n=1)，L壳层(n=2)， M壳层(n=3)。例如Na的原子结构(图1.1)。
1. 主量子数 n
决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所
以自由运动，即呈现离子导电性。
构成物质：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）
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
性质：熔点和硬度均较高，
良好电绝缘体
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结构特点 力学特点 热学特点
电学特点 光学特点
表 2-1 结合键的特性 离子键 共价键 无方向性或方向性不 方向性明显，配位数 明显，配位数大 小，密度小 强度高，膨胀系数小， 强度高，硬度大 劈裂性良好，硬度大 熔点高，膨胀系数小， 熔点高，膨胀系数 熔体中有离子存在 小，熔体中有的含有 分子 绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为非导 体 与各构成离子的性质 折射率大，同气体的 相同， 对红外线的吸收 吸收光谱很不同 强， 多是无色或浅色透 明的
图1.5 离子键与离子晶体
三、共价键（covalent bonding）
两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子
对而形成的化学键就是共价键（图 1.6 ）。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。
共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无 机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键 之间都有确定的方位，配位数比较小。共价键的结合极 为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等
重点和难点
• 描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数
• 核外电子排布遵循的原则
• 元素性质、原子结构和该元素在周期表中 的位置， 三者之间的关系
• 原子间结合键分类及其特点
• 高分子链的近程和远程结构
学习方法指导
高度认识本章内容的重要性 本章是该课程的入门内容，初次接触较多的名 词术语，要从概念上掌握该章的内容。 对指标性内容采用记忆和推算结合的方式进行 掌握。这类指标如四个量子数、元素性质、原子 结构原子间结合键分类及其特点、高分子链的近 程和远程结构等，有的记忆相对容易，有的通过 画图计算的方式较为简单，可以结合自己的特长 进行选择。
原子的核外电子排布: 原子的核外电子排布遵守：泡利不相容原理、能
量最低原理。
1. 泡利不相容原理：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。
2.
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， 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。 依据上述原理，电子从低的能量水平至高的能量 水平，依次排列在不同的量子状态下。决定电子能量 水平的主要因素是主量子数和次量子数、各个主壳层 及亚壳层的能量水平在图1.1中示意画出。
第一章 原子结构与键合
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。
1.1 原子结构

实质: 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 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，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，
由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud）
金属键 无方向性，配位数 大，密度大 有各种强度，有塑 性 有各种熔点，导热 性好，液态的温度 范围宽 导电体 不透明，有金属光 泽
材 料 中 的 键
共价键
半导体 聚合物
金属键
范德瓦尔键（二次键）
金属
离子键
陶瓷和玻璃
1.3 高分子链（High polymer Chain )
高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方
特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。
构成物质：亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非 金属材料 实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而 成 极性(Polar bonding):共用电子对偏于某成键原子 分类 非极性（Nonpolar bonding): 位于两成键原子中间 特点：饱和性 配位数较小 ，方向性
分类
特点：属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能
很大程度改变材料性质；分子键结合力弱，使得材料熔点
和硬度都比较低，是良好的绝缘体材料。
五、氢键（Hydrogen bonding）
它是一种特殊的分子间作用力（图1.8）。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，具有饱和性和方向性。氢 键在高分子材料中特别重要。
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 .11×10-31kg，约为质子的 1/1836

原子的体积很小，直径约为10-10 m数量级，而
-27 -27
其原子核直径更小，仅为10-15 m数量级。
） ´
-31
三、原子的电子结构
面。链结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于
化学结构，又称一级结构。远程结构又称二级结构，
是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。
大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方
式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子
为结合单元（图1.5）。 因此。其熔点和硬度均较高。另外，在离子晶体中很难
一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。
产生自由运动的电子，因此，它们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
延展性好
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图1.3 金属键与金属晶体
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图1.4 金属键与金属晶体
二、离子键（Ionic bonding ）
4. 自旋角量子数si
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，常用箭号 ↑和 ↓表示电子的两种
自旋方向。 ms不能从求解薛定谔方程得到，它是
后来实验和理论进一步研究中引入的。
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。