材料科学基础第一章材料结构的基本知识PPT课件
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《材料科学基础》课件
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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
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处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
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。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
.
13
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
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1 2
a
101
1 6
a
121
1 3
a
111
3-11
全位错
几何条件：
shockley不全位错
Franker不全位错
• 能量条件：
shockley不全位错
全位错
Franker不全位错
b=a/3<111>和｛111｝面垂直。纯刃位错。
b垂直于滑移面，不是fcc晶体的滑移方向， 不能滑移，只可攀移。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4、（3-8）比较刃位错和螺位错的异同点。
14、表征晶体中晶向和晶面的方法有 解析法 和 图示 法。（晶 体投影图 ）
二、分析计算
1、（2-3）（1）晶面A在x、y、z轴上的截距分别是2a、3b和 6c，求该晶面的米勒指数；（2）晶面B在x、y、z轴上的截 距分别是a/3、b/2和c，求该晶面的米勒指数。
1 : 1 : 1 3: 2:1 236
3 0.40183
0.683
•(4) CsCl的分子量为:
(35.453 +132.905 )=168.358，
•阿佛加得罗常数是6.0238×1023;
•每个CsCl分子的质量A为：
168.358/(6.0238×10 ) 23
ZM / N A a3
1168.358 /(6.02 1023) (0.4018 107 )3
配位数是8.
[CsCl 8] 或 [ClCs8]配位六面体。
（4）
对CsCl晶体，晶体结构为简 单立方，晶胞中含有一个 正离子一个负离子，沿体 对角线正负离子相切:
3a 2r 2r
a=0.4018nm
3a 2 (0.167 0.181) 0.696
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14
3、金属键 • 通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结
合的结合键。 • 价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地
排列在 “电子气”的海洋中． • 金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，
固态溶解
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15
二、二次键 1、范德瓦耳斯键 • 具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相
Cu ： …3p63d104s1
K：…3p64s1
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7
5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强， 同族自上而下逐渐减弱
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8
第二节 原子的结合键
• 一次键 • 二次键 • 混合键 • 结合键的本质及原子间距 • 结合键与性能
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9
按结合力强弱分：
• 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较 强．
晶体： 有确定熔点 单晶体各向异性 多晶体各向同性
非晶体： 无确定熔点 各向同性
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30
二、 原子排列的研究方法
• X射线或电子束 • 衍射原理 布拉格定律：
2dsinn
根据衍射分布图，可 分析晶体中原子排列 的特征（排列方式、 原子面间距等）
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31
第四节 晶体材料的组织
1、结晶过程及多晶组织
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20
由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所 形成的 AB 化合物中离子键结合的比例越高
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21
2、一次键与二次键混合 例如： • 石墨: 片层中为共价键,片层间
材料科学基础.第一章
3.标准投影图
以晶体的某个晶面平行于投影 面，作出全部主要晶面的极射投影 图称为标准投影图（图1.16）。立方 系中，相同指数的晶面和晶向互相 垂直，所以立方系标准投影图的极 点既代表了晶面又代表了晶向。
4.吴/乌氏网（Wulff net）
吴氏网是球网坐标的 极射平面投影，具有保 角度的特性，如右下图。
立方系 六方系
对复杂点阵(体心立方，面心立方等)，要考虑晶面层数的增加。 体心立方(001)面之间还有一同类的晶面（002），因此间距减半。
1.2.4 晶体的极射赤面投影
通过投影图可将立体图表现于平面上。晶体投影方法很多， 包括球面投影和极射赤面投影。 1.参考球与球面投影 将立方晶胞置于一个大圆球的中 心，由于晶体很小，可认为各晶面均 过球心。由球心作晶面的法线， 晶面法线与球面的交点称为极点，每 个极点代表一个晶面；大圆球称为 参考球，如图1.14所示。用球面上的 极点表示相应的晶面，这种方法称为 球面投影；两晶面的夹角可在参考球 上量出。
6.晶面间距
晶面族不同，其晶面间距也不同。通常低指数晶面的面间距 较大，高指数晶面的面间距较小；原子密集程度越大，面间距 越大。可用数学方法求出晶面间距：
d hkl ( d hkl d hkl 1 h 2 k l ) ( )2 ( )2 a b c a 正交系
h2 k 2 l 2 1 4 h 2 hk k 2 l ( ) ( )2 3 c a2
图1.12 六方系中的一些晶面与晶向
（2）用四轴坐标确定晶向指数的方法如下： 当晶向OP通过原点时，把OP沿四个轴分解成四个分量（由 晶向上任意一点向各轴做垂线，求出坐标值），可表示为 OP=u a1+v a2+l a3+w C 晶向指数用[u v l w]表示，其中t=-(u + v)。 原子排列相同的晶向属于同一晶向族。在图1.12中
《材料科学基础》课件第1章 材料的结构
◆ 晶体与非晶体区别：
(a)是否具有周期性、对称性； (b)是否有确定的熔点； (c)是否各向异性； 单晶体的各向异性
25
1.2 晶体学基础 1.2.2 空间点阵和晶胞
为了便于分析研究晶体中原子或分子的排 列情况，可把它们抽象为规则排列于空间的无 数个几何点，这些点子可以是原子或分子的中 心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中 心，但各个点子的周围环境必须相同，这种点 的空间排列称为空间点阵。
3. 晶胞
空间点阵
27
晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
28
1.2 晶体学基础
◆选取晶胞的原则：
1.2.2 空间点阵和晶胞
① 应反映出点阵的高度对称性； ② 棱和角相等的数目最多； ③ 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④ 晶胞体积最小。
29
1.2 晶体学基础 4. 晶格（点阵）参数
1.2.2 空间点阵和晶胞
⑷ 简单正交
⑸ 底心正交
⑹ 体心正交
34
⑺ 面心正交
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
（四）四方 a=b≠c =β=γ=90°
⑻ 简单四方
⑼ 体心四方
（五）菱方 a=b=c =β=γ≠90°
⑽ 简单菱方
35
1.2 晶体学基础 （六 ）六方 a=b≠c =β=90°，γ=120°
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力 分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
18
强
较强
最弱
1.1 材料的结合方式 1.1.2工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多
(a)是否具有周期性、对称性； (b)是否有确定的熔点； (c)是否各向异性； 单晶体的各向异性
25
1.2 晶体学基础 1.2.2 空间点阵和晶胞
为了便于分析研究晶体中原子或分子的排 列情况，可把它们抽象为规则排列于空间的无 数个几何点，这些点子可以是原子或分子的中 心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中 心，但各个点子的周围环境必须相同，这种点 的空间排列称为空间点阵。
3. 晶胞
空间点阵
27
晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
28
1.2 晶体学基础
◆选取晶胞的原则：
1.2.2 空间点阵和晶胞
① 应反映出点阵的高度对称性； ② 棱和角相等的数目最多； ③ 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④ 晶胞体积最小。
29
1.2 晶体学基础 4. 晶格（点阵）参数
1.2.2 空间点阵和晶胞
⑷ 简单正交
⑸ 底心正交
⑹ 体心正交
34
⑺ 面心正交
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
（四）四方 a=b≠c =β=γ=90°
⑻ 简单四方
⑼ 体心四方
（五）菱方 a=b=c =β=γ≠90°
⑽ 简单菱方
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1.2 晶体学基础 （六 ）六方 a=b≠c =β=90°，γ=120°
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力 分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
18
强
较强
最弱
1.1 材料的结合方式 1.1.2工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多
材料科学基础--材料结构的基本知识
热力学第二定律对这种自发过程 的叙述为：只有那些使体系自由能A减 小的过程才能自发进行，可表示为：
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，相邻原子间可以共同组成一个 新的电子轨道，由两个原子中各有一个 电子共用，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间
等温等容 ΔA T、V<0 自发过程 等温等压 ΔG T、P<0 自发过程 两种自由能的表达式为：
A=U–TS G=H–TS
U——内能 H——焓 S——熵 T——热力学温度 反应速率ν与热力学温度T之间满足：
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列
原子 ——可看成是原子核及分布在核 周围的电子组成。
原子核 ——中子和质子组成，核的体 积很小，集中了原子的绝大部 分质量。
电子 ——绕着原子核在一定的轨道 上旋转质量虽可忽略，但电子 的分部却是原子结构中最重要 的问题，它不仅决定单个原子 的行为，也对工程材料内部原 子的结合及某些性能起着决定 性作用。
二、元素周期表及性能的周期性变化
原子周期律——早在1869年，俄国化 学家已发现了元素性质是按原子相对 质量的增加而程周期性的变化。这正 是由于原子核外电子的排列是随原子 序数的增加呈周期性变化。 族——周期表上竖的各列。同一族元 素具有相同的外壳层电子数，同一族 元素具有非常相似的化学性能。
过渡元素——周期表中部的ⅢB~ⅧB对 应着内壳层电子逐渐填充的过程，把这 些内壳层未填满的元素称过渡元素。
一、一次键
离子键——当两类原子结合时，金属原 子的外层电子很可能转移到非金属原子 外壳层上，使两者都得到稳定的电子结 构，从而降低体系的能量，此时金属原 子和非金属原子分别形成正离子和负离 子，正负离子间相互吸引，使原子结合 在一起，这就是离子键。（如NaCl）
共价键——价电子数为4或5个的ⅣA、 ⅤA族元素，离子化比较困难，在这种 情况下，相邻原子间可以共同组成一个 新的电子轨道，由两个原子中各有一个 电子共用，利用共享电子对来达到温定 的电子结构。这就是共价键。 金属键——金属原子很容易失去外壳层 电子而具有稳定的电子壳层，形成带正 电的阳离子，由正离子和自由电子之间
材料科学基础ppt
组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排 列状况等组成关系的组成物。不同的组织具有不同的力学性能和物理性能。
第一章 材料结构的基本知识
一、原子的电子排列
第一节 原子结构
原子
原子核
中子 质子
核外电子
原子的结构示意图
原子的运动轨道是有四个量子数所确定的，它们分别为主量子数、次量子数、磁 量子数以及自旋量子数。四个量子数中最重要的是主量子数n(n=1、2、3、4·····），
正方晶系： d h k 1 / l h [ /a ) ( 2 ( k /b ) 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
六方晶系：
d h k 1 / l4 / [ 3 ( h 2 h k k 2 ) /a 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
第二节 纯金属的晶体结构
一. 典型金属的晶体结构
金属晶体中的结合键是金属键，由于金属键没有方向性和饱和性，使大多数金属晶 体都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的典型金属通常具有面心立方（A1 或fcc）、体心立方（A2或bcc）和蜜排六方（A3或hcp）三种晶体结构。
四. 晶面间距
1. 晶面间距：相邻两平行晶面间的距离。
2. 计算公式
对于各晶系的简单点阵，晶面间距与晶面指数 (hkl) 和点阵常数(a,b,c)之间有如下
关系：
立方晶系：
dhk la/h ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2k2l2]1/2
四方晶系：
d h k1 l/h [2 (k 2 )/a 2 ( l/c )2 ] 1 /2
二.材料性能与内部结构的关系
材料的不同性能都是由其内部结构决定的。从材料的内部结构来看，可分为四个 层次：原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非晶体）以及显微组织。
第一章 材料结构的基本知识
一、原子的电子排列
第一节 原子结构
原子
原子核
中子 质子
核外电子
原子的结构示意图
原子的运动轨道是有四个量子数所确定的，它们分别为主量子数、次量子数、磁 量子数以及自旋量子数。四个量子数中最重要的是主量子数n(n=1、2、3、4·····），
正方晶系： d h k 1 / l h [ /a ) ( 2 ( k /b ) 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
六方晶系：
d h k 1 / l4 / [ 3 ( h 2 h k k 2 ) /a 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
第二节 纯金属的晶体结构
一. 典型金属的晶体结构
金属晶体中的结合键是金属键，由于金属键没有方向性和饱和性，使大多数金属晶 体都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的典型金属通常具有面心立方（A1 或fcc）、体心立方（A2或bcc）和蜜排六方（A3或hcp）三种晶体结构。
四. 晶面间距
1. 晶面间距：相邻两平行晶面间的距离。
2. 计算公式
对于各晶系的简单点阵，晶面间距与晶面指数 (hkl) 和点阵常数(a,b,c)之间有如下
关系：
立方晶系：
dhk la/h ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2k2l2]1/2
四方晶系：
d h k1 l/h [2 (k 2 )/a 2 ( l/c )2 ] 1 /2
二.材料性能与内部结构的关系
材料的不同性能都是由其内部结构决定的。从材料的内部结构来看，可分为四个 层次：原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非晶体）以及显微组织。
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20
由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所 形成的 AB 化合物中离子键结合的比例越高
21
2、一次键与二次键混合 例如： • 石墨: 片层中为共价键,片层间
为范德瓦尔斯键 • 高分子:分子链中为共价键,链
与链之间为二次键
22
四、结合键的本质及原子间距
1、结合键的本质 — 结合键的强弱反映了原子或分 子间结合时互作用能降低的程度．
11
12
2、共价键 • 通过共用电子对使原子结合的结合键．例如，金
刚石…
13
(1) 具有方向性和结构稳定性．金刚石109.5° (2) 8-N 定律 — 一个原子周围的共用电子对的数目，
其中，Ｎ为原子的价电子数 • Ⅳ A族，4个共用电子对，空间网络状结构 • Ⅴ A族，3个共用电子对，空间层状结构 • Ⅵ A族，2个共用电子对，空间链状结构
离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之， 范德瓦尔斯键最弱。
23
2、原子间的互作用力及结合能
（1）双原子模型 • 固体原子间总存在着
两种力： 吸引力、排斥力 • 引力与斥力相等时，
r0称原子间距。
E 0 Fdx
• 平衡距离下的作用能定义为
原子的结合能Ｅ0 • 结合能越大，原子结合越稳
定。
24
XA, XB –A,B 的电负性数值。（表1-2，P17）
19
例题: 计算化合物 (1)MgO、(2)GaAs中离子键结合的 比例．
解：(1) MgO 查电负性表得 X Mg = 1.31, X O = 3.44 代入公式得, 离子键结合比例＝68% (2) GaAs 查电负性表得, X Ga = 1.81, X As = 2.18 代入公式得, 离子键结合比例＝4%
25
2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度也高，但还受组织
确定每一壳层的亚壳层数目(spdf)
2
③磁量子数 m：确定每一亚壳层中空间取向不同的轨道数目。 m=0,±1，±2，…, 轨道空间取向（spdf→1357）
④自旋量子数ms ：确定每一轨道中能容纳的电子数目。ms=+1/2,1/2
• 各壳层能够容纳的电子总数：2n2(n-主量子数)
3
（2）两个基本原理： ①泡利不相容原理；一个原子中不可能存在有四 个量子数完全相同的两个电子。 ②最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨 道，使系统处于最低的能量状态。
（2）原子结合能的实验测定及理论计算 • 实验测定原理
测定固体的蒸发热 • 理论计算(自学P24例题) 五、结合键与性能 1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料
的最低． 2) 密度：金属键的最高，共价键、离子键的较
低，高分子材料的最低． 3) 导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。
16
2、氢键 • 含氢的分子具有极性，与另一个具有较强电负性
的原子通过氢离子而结合的结合键。 如冰… X-H--Y X-H: 离子键 H--Y：氢键
17
三、混合键 大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混 合。
1、一次键混合 （1）共价键与金属键混合 如Ⅳ A族中，
C Si Ge Sn Pb
共价键
14
3、金属键 • 通过正Байду номын сангаас子与自由电子之间相互吸引力使原子结
合的结合键。 • 价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地
排列在 “电子气”的海洋中． • 金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，
固态溶解
15
二、二次键 1、范德瓦耳斯键 • 具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相
互吸引而结合的结合键。 如石蜡、塑料…
内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族 活泼 例如：
Cu ： …3p63d104s1
K：…3p64s1
7
5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强， 同族自上而下逐渐减弱
8
第二节 原子的结合键
• 一次键 • 二次键 • 混合键 • 结合键的本质及原子间距 • 结合键与性能
9
按结合力强弱分： • 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结
第一章 材料结构的基本知识
结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织
1
第一节 原子结构
一、原子的电子排列 1、 原子的核式结构 • 原子由原子核及核外电子构成 • 原子核：体积小，质量大，带正电 • 电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转，带负电 2、电子分布 （1）4个量子数： ①主量子数 n ：电子能级的壳层序数。n=1,2,3,…7； ②次量子数 l(角量子数、轨道量子数)：l=0,1,2,…,
Kr：…4s23d104p6
Xe：…5s24d105p6
Rn：…6s24f145d106p6
Na：…3s1
5
二、元素周期表及性能的周期性变化
6
1、周期对应于电子主壳层 2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的化
学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族的
共价键＋金属键
金属键
再如，过渡族元素，有时会出现少量共价键
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（2） 金属键与离子键混合 如金属间化合物中 （3）共价键与离子键混合 如陶瓷化合物中
• AB化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负性 差，差越大，离子键比例越高：
离 子 键 结 合 （ ％ ） ＝ [ 1 - e - 1 4 (X A X B ) 2 ] 1 0 0 %
合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较 强． • 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合 键．包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱．
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结合键．
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• 例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成正离子，带正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成负离子，带负电
（3）能级的重叠 相邻主壳层的能量范围 有重叠
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例题 ：写出原子序数为11的钠原子及原子序数
解： Na: 为1s2202的s22钙p6原3s子1 的电子分布
Ca: 1s22s22p63s23p64s2
3、原子的活泼程度
主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否
例如：
He：1s2
Ne：…2s22p6
Ar：…3s23p6
由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所 形成的 AB 化合物中离子键结合的比例越高
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2、一次键与二次键混合 例如： • 石墨: 片层中为共价键,片层间
为范德瓦尔斯键 • 高分子:分子链中为共价键,链
与链之间为二次键
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四、结合键的本质及原子间距
1、结合键的本质 — 结合键的强弱反映了原子或分 子间结合时互作用能降低的程度．
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2、共价键 • 通过共用电子对使原子结合的结合键．例如，金
刚石…
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(1) 具有方向性和结构稳定性．金刚石109.5° (2) 8-N 定律 — 一个原子周围的共用电子对的数目，
其中，Ｎ为原子的价电子数 • Ⅳ A族，4个共用电子对，空间网络状结构 • Ⅴ A族，3个共用电子对，空间层状结构 • Ⅵ A族，2个共用电子对，空间链状结构
离子键、共价键最强，金属键次之，氢键再次之， 范德瓦尔斯键最弱。
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2、原子间的互作用力及结合能
（1）双原子模型 • 固体原子间总存在着
两种力： 吸引力、排斥力 • 引力与斥力相等时，
r0称原子间距。
E 0 Fdx
• 平衡距离下的作用能定义为
原子的结合能Ｅ0 • 结合能越大，原子结合越稳
定。
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XA, XB –A,B 的电负性数值。（表1-2，P17）
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例题: 计算化合物 (1)MgO、(2)GaAs中离子键结合的 比例．
解：(1) MgO 查电负性表得 X Mg = 1.31, X O = 3.44 代入公式得, 离子键结合比例＝68% (2) GaAs 查电负性表得, X Ga = 1.81, X As = 2.18 代入公式得, 离子键结合比例＝4%
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2、对力学性能的影响 （1） 强度：结合键强，则强度也高，但还受组织
确定每一壳层的亚壳层数目(spdf)
2
③磁量子数 m：确定每一亚壳层中空间取向不同的轨道数目。 m=0,±1，±2，…, 轨道空间取向（spdf→1357）
④自旋量子数ms ：确定每一轨道中能容纳的电子数目。ms=+1/2,1/2
• 各壳层能够容纳的电子总数：2n2(n-主量子数)
3
（2）两个基本原理： ①泡利不相容原理；一个原子中不可能存在有四 个量子数完全相同的两个电子。 ②最低能量原理：电子总是优先占据能量低的轨 道，使系统处于最低的能量状态。
（2）原子结合能的实验测定及理论计算 • 实验测定原理
测定固体的蒸发热 • 理论计算(自学P24例题) 五、结合键与性能 1、对物理性能的影响 1) 熔点：共价键、离子键的最高，高分子材料
的最低． 2) 密度：金属键的最高，共价键、离子键的较
低，高分子材料的最低． 3) 导电导热性：金属键最好，共价键、离子键最差。
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2、氢键 • 含氢的分子具有极性，与另一个具有较强电负性
的原子通过氢离子而结合的结合键。 如冰… X-H--Y X-H: 离子键 H--Y：氢键
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三、混合键 大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混 合。
1、一次键混合 （1）共价键与金属键混合 如Ⅳ A族中，
C Si Ge Sn Pb
共价键
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3、金属键 • 通过正Байду номын сангаас子与自由电子之间相互吸引力使原子结
合的结合键。 • 价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地
排列在 “电子气”的海洋中． • 金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，
固态溶解
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二、二次键 1、范德瓦耳斯键 • 具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相
互吸引而结合的结合键。 如石蜡、塑料…
内壳层未满，故ⅠB族和ⅡB族不如ⅠA族和ⅡA族 活泼 例如：
Cu ： …3p63d104s1
K：…3p64s1
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5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强， 同族自上而下逐渐减弱
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第二节 原子的结合键
• 一次键 • 二次键 • 混合键 • 结合键的本质及原子间距 • 结合键与性能
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按结合力强弱分： • 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结
第一章 材料结构的基本知识
结构分4个层次： • 原子结构 • 结合键 • 原子的排列 • 显微组织
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第一节 原子结构
一、原子的电子排列 1、 原子的核式结构 • 原子由原子核及核外电子构成 • 原子核：体积小，质量大，带正电 • 电子：质量可忽略，在一定轨道绕核旋转，带负电 2、电子分布 （1）4个量子数： ①主量子数 n ：电子能级的壳层序数。n=1,2,3,…7； ②次量子数 l(角量子数、轨道量子数)：l=0,1,2,…,
Kr：…4s23d104p6
Xe：…5s24d105p6
Rn：…6s24f145d106p6
Na：…3s1
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二、元素周期表及性能的周期性变化
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1、周期对应于电子主壳层 2、同一族元素具有相同的外壳层电子数和相似的化
学性质 3、过渡族元素具有未满的内壳层和典型的金属性 4、ⅠB族和ⅡB族的内壳层填满，ⅠA族和ⅡA族的
共价键＋金属键
金属键
再如，过渡族元素，有时会出现少量共价键
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（2） 金属键与离子键混合 如金属间化合物中 （3）共价键与离子键混合 如陶瓷化合物中
• AB化合物中离子键的比例取决于组成元素的电负性 差，差越大，离子键比例越高：
离 子 键 结 合 （ ％ ） ＝ [ 1 - e - 1 4 (X A X B ) 2 ] 1 0 0 %
合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较 强． • 二次键：通过偶极吸引力使原子结合的结合 键．包括氢键、范德瓦尔斯键，结合力较弱．
一、一次键 1、离子键 • 通过正负离子间相互吸引力
使原子结合的结合键．
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• 例如：NaCl, MgO 对于 NaCl： Na：1S22S22P63S1 Cl： 1S22S22P63S23P5 Na 原子失去一个外层电子，变成正离子，带正电 Cl 原子得到一个外层电子，变成负离子，带负电
（3）能级的重叠 相邻主壳层的能量范围 有重叠
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例题 ：写出原子序数为11的钠原子及原子序数
解： Na: 为1s2202的s22钙p6原3s子1 的电子分布
Ca: 1s22s22p63s23p64s2
3、原子的活泼程度
主要取决于外壳层（S层和P层）填满与否
例如：
He：1s2
Ne：…2s22p6
Ar：…3s23p6