第1章原子结构与键合b-yao
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第1章原子结构与键合b-yao
虽然准晶体在此前就已被观察到并被研究，但由于它们违背了人们之前对于 晶体结构的认识，所以直至20世纪80年代在开始受到重视。
获得2011年诺贝尔化学奖的丹·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。 1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新 的金属相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论 快报（Physical Review Letters）上（被Journal of Applied Physics 断然拒 掉）。
分子内部原子间存在相互作用——化学键，形成或破坏化学键都伴随着能 量变化。 物质三相之间的转化也伴随着能量变化。这说明：分子间也存在着相互 作用力。
键
合
① 范德华力是一种分子间作用力，属物理键，是由 于原子核外电子云偏移形成极性的结果，没有方 向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。 ② 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。
范德华力氢键和共价键的对比范德华范德华氢键氢键共价键共价键概念概念分子间分子间普遍存普遍存用力用力已经与电负性很强的原子已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另形成共价键的氢原子与另一分子中电负性很强的原一分子中电负性很强的原子之间的作用力子之间的作用力原子之间通原子之间通过共用电子过共用电子对形成的化对形成的化存在存在范围范围分子之分子之分子间或分子内氢原子与分子间或分子内氢原子与电负性很强的电负性很强的nnooff之间之间相邻原子之相邻原子之强度强度微弱微弱较弱较弱很强很强影响影响熔沸点熔沸点溶解性熔沸点溶解性熔沸点主要影响化主要影响化学性质学性质126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
③ 交联的影响：交联使交联点附近的单键内旋
获得2011年诺贝尔化学奖的丹·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。 1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新 的金属相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论 快报（Physical Review Letters）上（被Journal of Applied Physics 断然拒 掉）。
分子内部原子间存在相互作用——化学键，形成或破坏化学键都伴随着能 量变化。 物质三相之间的转化也伴随着能量变化。这说明：分子间也存在着相互 作用力。
键
合
① 范德华力是一种分子间作用力，属物理键，是由 于原子核外电子云偏移形成极性的结果，没有方 向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。 ② 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。
范德华力氢键和共价键的对比范德华范德华氢键氢键共价键共价键概念概念分子间分子间普遍存普遍存用力用力已经与电负性很强的原子已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子与另形成共价键的氢原子与另一分子中电负性很强的原一分子中电负性很强的原子之间的作用力子之间的作用力原子之间通原子之间通过共用电子过共用电子对形成的化对形成的化存在存在范围范围分子之分子之分子间或分子内氢原子与分子间或分子内氢原子与电负性很强的电负性很强的nnooff之间之间相邻原子之相邻原子之强度强度微弱微弱较弱较弱很强很强影响影响熔沸点熔沸点溶解性熔沸点溶解性熔沸点主要影响化主要影响化学性质学性质126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
③ 交联的影响：交联使交联点附近的单键内旋
原子结构和键合AtomicStructureandInteratomicBonding
氢键（Hydrogen - bonding) 介于化学键和范德华力之间
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），形成电子云 （electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键
无规立构（atactic configurations): R取代基在主链平面两侧不规则排列
几何异构（Geometrical isomerism）
双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键
不能旋转，从而每一双就可能有
顺式（cis - structure) 反式（trans - structure)
M.Plank和A.Einstein量子论 Rutherford 原子有核模型
原子结构的量子理论
原子（atom) rH = 3.7 10-2 nm rAl = 1.43 10-1nm
原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电
质子（proton）：正电荷m＝1.6726×10 -27 kg 中子（neutron）：电中性m＝1.6748×10 -27 kg
自旋角动量量子数si：表示电子自旋（spin
moment）的方向，取值为＋ 1 或- 1 22
核外电子的排布（electron configuration)规律
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 -
无规共聚物（Random copolymer） 交替共聚物（alteranting copolymer） 嵌段共聚物（block copolymer） 接枝共聚物（graft copolymer）
材料科学基础—原子的结构和键合性质
高分子链 原子间的键合
许多高分子依靠分子力结合成为高分子材料： 聚合物、高聚物、高分子化合物、高分子材料
聚乙烯高分子粒子
碳链高分子
高分子链 原子间的键合 主链
侧基
杂链分子 主链不仅含碳，还含氧、氮、硫等原子
均聚物——由同一种单体聚合而成 共聚物——由两种以上的单体聚合而成
§1 原子结构与键合
原子及分子产生偶极子的方式及其范德瓦耳力： 静电力 诱导力 色散力
静电力 极性分子之间的引力
范德瓦耳力 原子间的键合
诱导力
范德瓦耳力 原子间的键合
色散力（伦敦力）
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力特点
物理键：无电子转移
次价键：结合力很小,大约为主价键力的1%—10% 主价键：金属键、离子键、共价键
1.3.1 高分子的近程结构
1 链结构单元的化学组成
单体单元 (结构单元、重复单元、链节)
高分子近程结构
2 分子链几何形态
（1）线型（2）支化 （3）交联（4）体型（三维网状分子结构）
3 结构单元的键接方式
高分子近程结构
a 均聚物结构单元的链接
顺序异构
单体具有不对称取代基产生的三种结构变化：
单体单元 取代基R
金属铬的价电子数： +1 +2 +3 +4 +5 +6
•各元素原子半径各异
原子结构与键合 原子结构
原子间的键合
原子结合的方式： 金属键 离子键 共价键 范德瓦耳力 氢键
原子结构与键合 原子结构金来自键原子间的键合自由电子 电子气（电子海）
结合力：
正离子与电子气之间的静电力（库仑力）
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。
【最新】一章原子结构与键合
范德瓦耳斯力
2021/2/2
18
五、氢键
1、实质：氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露 的带正电荷的原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥 2、特点： 1）具有方向性和饱和性； 2）键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。
2021/2/2
19
小结
重要概念 分子、原子； 主量子数n、轨道角量子数li、磁量子数mi、自旋角动量量子数si； 能量最低原理、Pauli不相容原理、Hund规则； 元素、元素周期表、周期、族； 结合键、金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键；
2021/2/2
20
第一章 原子结构与键合
宋强 副教授
2021/2/2
1
重点与难点
1、描述原子中电子的空间位置和能量的4个量子数。 2、核外电子排布遵循的原则。 3、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。 4、原子间结合键分类及其特点。
2021/2/2
2
1.1 原子结构
一、物质的组成—分子、原子、离子 1、分子：能单独存在，且保持物质化学特性的一种微粒。 2、原子：化学变化中的最小微粒，是组成分子和物质的基本单元。
2021/2/2
10
四、元素周期表
2、说明
1）7个横行周期按原子序数递增的顺序从左至右排列；
2）18个纵行16族，7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族，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。
3、特点：
1）同一周期元素：核外电子层数相同，从左到右，金属性逐渐减弱，
非金属性逐渐增强。
16
三、共价键
4、性能：1）结构稳定；2）熔点高；3）质硬脆；4）导电、导热能力差。
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18
五、氢键
1、实质：氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露 的带正电荷的原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥 2、特点： 1）具有方向性和饱和性； 2）键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。
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小结
重要概念 分子、原子； 主量子数n、轨道角量子数li、磁量子数mi、自旋角动量量子数si； 能量最低原理、Pauli不相容原理、Hund规则； 元素、元素周期表、周期、族； 结合键、金属键、离子键、共价键、范德华力、氢键；
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20
第一章 原子结构与键合
宋强 副教授
2021/2/2
1
重点与难点
1、描述原子中电子的空间位置和能量的4个量子数。 2、核外电子排布遵循的原则。 3、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。 4、原子间结合键分类及其特点。
2021/2/2
2
1.1 原子结构
一、物质的组成—分子、原子、离子 1、分子：能单独存在，且保持物质化学特性的一种微粒。 2、原子：化学变化中的最小微粒，是组成分子和物质的基本单元。
2021/2/2
10
四、元素周期表
2、说明
1）7个横行周期按原子序数递增的顺序从左至右排列；
2）18个纵行16族，7个主族、7个副族、1个Ⅷ族、1个零族，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。
3、特点：
1）同一周期元素：核外电子层数相同，从左到右，金属性逐渐减弱，
非金属性逐渐增强。
16
三、共价键
4、性能：1）结构稳定；2）熔点高；3）质硬脆；4）导电、导热能力差。
第一章 原子结构与键合
5. 氢键
氢键：是一种较强 的分子间作用力。 氢键比化学键弱得 多，但比分子间作 用力稍强。 分子间形成氢键会 使物质的熔点和沸 点升高。
37
分子间作用力与化学键的比较
作用微粒 作用力大小
作用力大 作用力小
意义
影响化学性质和 物理性质
影响物理性质 （熔沸点等）
化学键 范德华力
原子间
分子之间
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类 型
壁虎胶带 ——这一来自幻想中的新技术，已经被专家们评为“ 2004年最 具市场冲击力的十大新技术”之一。 实验表明，2平方毫米的这种人工胶带，就可以支撑一个15厘米，重40克 的蜘蛛侠玩具的整个体重。注意，“蜘蛛侠”只有一只手粘在玻璃平面上。 科学家指出，只要两只手掌上都缚上这种人工胶带，就足以支撑一个成人 36 的全部体重。
原子
新键生成
新物质
化学键的观点
【小结】一个化学反应的过程，本质上就是 旧化学键断裂和新化学键形成的过程。
28
3 .金属键
电子海模型（改性共 价键理论） 金属键：金属正离子 靠自由电子的胶合 作用构成金属晶体， 金属正离子规则排 列，自由电子（从 金属原子上脱落） 在其中自由运动。
金属键的电子海模型
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； ● Hund规则 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。
1．主量子数n 2．轨道角量子数l 3．磁量子数m
给出每个轨 决定 原子中电子 给出电子在同一 道角动量量子数 能量 以及与核的平 量子壳层内所处的 的能级数或轨道 均距 离，即电子所 能级（电子亚层）。 数。反 映 电 子 不 处的量子壳层。
第一章 原子结构与结合键.
宇宙
纳米
质子
材料
（宇观）
夸克
中子
原子核 电子
原子 (离子)
分子
单质 化合物
星体
微观
（介观） 物质世界
宏观
一. 微观粒子的运动
粒子具有波粒二象性。
能量：
E h
粒子说
动量：
p h
波动说
单粒子一维运动的波函数：
A
exp
i 2
h
xpx
Et
薛定谔（Schrodinger E.）方程：
结合键的大小从本质上讲都起源于原子核和电子间的静 电交互作用力即库仑力。
不同的键对应着不同的电子分布方式，但都满足一个共 同的条件，即键合后各原子的外层电子结构要成为稳定的 结构，也就是隋性气体原子的外层 “八电子层”结构 （即ns2 np6 结构）。
化学键
Chemical Bonding
结合键 Bonding
主量子数 1 2 3 4 …… 名称 K L M N …… 壳层
2、轨道角量子数 取值：
是决定电子能 量的另一个参 数, 表征轨道的 形状和轨道角 动量的大小。
Pl
l(l 1) h
2
l 0、1、2 (n 1)
y x
S轨道
z
P轨道
l
轨道名称
01
sp
2 3 …… (n 1)
d f ……
第一章 原子结构与结合键
Atomic Structure and Interatomic Bonding
§1-1 原子结构
Atomic Structure
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（Atom）： 化学变化中最小微粒 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 离子（Ion）：由原子转变而成。 原子是由原子核（质子和中子）及核外的电子所构成。 电子、质子、中子等通称为微观粒子。
《原子结构和键合》PPT课件
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6
J.J Thomson实验汤普森原子模型.swf
科学家在研究稀薄气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀 薄时，阴极就发出一种射线，这种射线能使对着阴极的玻璃管发出 荧光，叫做阴极射线。
1897年他确认阴极射线是带负电的粒子。同时，他还研究了阴极 射线在电场和磁场中的偏转，根据数据计算出这种带电粒子的荷质 比e/m。发现，不同物质的阴极发出的射线都有相同e/m 值，这表 明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成物质的共有成分。
原子序数＝核电荷数
周期序数＝电子壳层数
主族序数＝最 外 层 电 子 数
零族元素最外层电子数为8（氦为2）
价电子数（Valence electron）
精选课件ppt
20
精选课件ppt
21
※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom)
一、金属键（Metallic bonding）
7
E.Rutherford实验卢瑟福散射实验.swf
根据汤姆生模型计算的结果，α粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度
是很小的。因为电子的质量很小，不到α粒子的七千分之一，α粒于
碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样。运动方向不会发生明
显的改变；正电荷又是均匀分布的，α粒子穿过原子时，它受到的原
子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消，使α粒于偏转的力
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5
汤姆生枣糕式模型
在20世界初，科学家提出了几种原子 模型，其中最有影响的是汤姆生的 “枣糕式模型”。在这种模型里，原 子是一个球体，正电荷均匀分布在整 个球内，而电子就像枣糕里的枣子那 样镶嵌在里面。 汤姆生的原子模型，可以解释原子发 光、阴级射线及光电效应等现象，在 当时各种有关原子结构的模型中占据 主导地位，他的原子模型也称作“无 核原子模型”。 后来被卢瑟福否定
第一章 原子结构与键合
亚金属、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。 极性键(Polar bonding) : 共用电子对偏于某成键原子 非极性键（Nonpolar bonding) : 位于两成键原子中间
特点：饱和性、配位数较小 ，方向性（s电子除外）。 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差。
高分子链的总链长 ：L nd sin
2
均方根：r d n
3. 影响高分子链柔性的主要因素
高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）
主链结构的影响：起决定性作用,C- O,C- N,Si - O内旋的势垒比C- C低，从而使聚酯，
聚酰胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好
第一章 原子结构和键合
二、高分子链的远程结构 （Long-range Structure）
1. 高分子的大小（Molecular Size） 高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性平均相对分子质量。
数均相对分子质量Mn = xi Mi ,
重均相对分子质量Mw＝ wi Mi ,
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。 排列规则：原子序数＝核电荷数；周期序数＝电子壳层数；
主族序数＝最外层电子数＝价电子数（Valence electron）； 零族元素最外层电子数为8（氦为2）。
同周期元素：左 电离能↑，核失电电荷子↑，能原力↓子，半得径电↓子能力↑ 右，金属性↓，非金属性↑ 同主族元素：上 最外电层离电能子↓，数失相电同子，能电力子↑，层得数↑电，子原能子力半↓径↑下，金属性↑，非金属性↓
以氯乙烯为例
─ CH2 ─ CH ─ CH ─ CH2 ─ CH
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：
材料科学基础课件第一章原子结构与键合
当电子从能量为 E1 的轨道跃迁到能量 为 E2 的轨道上时，原子就发出（当 E1 > E2 时）或吸收（当 E1 < E2 时）频率为 ν 的辐射波,当辐射波是电磁波的形式时，频 率 ν 值符合爱因斯坦公式，即：E1 - E2 = h ν(1-101)式中 h 是普朗克常量，h = 6.63×10-34J· s
根据以上的原则我们可以分析元素周期表中 各原子的电子分布。 (1)第一周期只有一个电子壳层，n = 1，只有1s2 一 个状态，故第一周期只有两个原子，分别对应1s1 （氢）和1s2（氦）。 (2)第二周期有两个电子壳层，n = 2，可占据的电子 状态为1s2,2s2,2p6，共可容纳 2+2+6=10个电子， 故包含从锂到氖的8个元素。 (3)第三周期有三个电子壳层，n = 3，可占据的电子 状态除n = 2 的壳层外，还有3s2,3p6,3d 10，但 由于E3d > E4s ，因此，第三壳层中不包括 3d 态。故第三周期可容纳的总电子数为18，只包 含从钠到氩的 8 个元素。
二、波动力学（Wave-Mechanics）理论和近代原 子结构模型 玻尔理论虽然能定性地解释原子的稳定性 （定态的存在）和线状原子光谱，但在细节和定 量方面仍与实验事实有差别。特别是，它不能解 释电子衍射现象，因为它仍然是将电子看作为服 从牛顿力学的粒子，不过附加了两个限制条件， 即能量的分立性和角动量的量子化条件，从理论 上讲这是不严密的。 要克服玻尔理论的缺陷和矛盾，就必须摒弃 牛顿力学，建立崭新的理论，这就是波动力学 （或量子力学）理论。
原则上，只要给定了势函数V，就可以 解出波函数，进而求出能量 E、角动量 L 等物理量。关于在各种情况下薛定谔方程 的解法可参看量子力学教程。 对于孤立原子，每个电子都是在核和 其他电子的势场中运动。如果将势场看成 是有心力场，求解薛定谔方程，就可得到 波函数和相关的物理量（如 E，L 等）。所 得公式中包含 4 个只能取定值的参数：n， li，mi 和 si。
材料科学基础第一章原子的结构与键合
第一章原子的结构与键合决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素的原子结构;原子间的相互作用，相互结合;原子或分子在空间的排列及运动规律，原子集合体的形貌特征物质是由原子组成----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：物化力学1. 金属键(metallic bond) 自由电子——金属正离子间特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。
可以解释金属的一些特征，如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数。
2. 离子键(ionic bond) 金属正离子——非金属负离子之间特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。
可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。
3. 共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。
可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。
4. 氢键(hydrogen bond)5. 范德华力(V an Der Waals force)●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●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 原子结构（Atomic Structure ）1.1、物质的组成（Substance Construction）分子(Molecule)：单独存在且能保存物质化学特性dH2O=0.2nm M(H2)为2 M(protein)为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。
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。
第1章原子结构与键合
1.1 原 子 结 构
1.1.3 原子的电子结构 3. 原子电子结构示意图 原子的重要参数：
原子序数
原子量
阿佛伽德罗常数
原子量单位
电负性
1.1 原 子 结 构
1.1.4 元素周期表 ① 具有相同核电荷数的一类原子为一种元素。 ② 元素周期表是元素周期律的具体表现形式：
元素在周期表中的位置反映了那个元素的原
由于分子上非键合原子之间的相互作用，内
旋转一般是受阻的，使高分子材料既表现出
一定的柔性，又表现出一定的刚性。
1.3 高 分 子 链
1.3.2 高分子链的远程结构 3. 高分子链柔性：高分子链改变其构象的性质。 ① 主链结构的影响：主链结构影响最大。 ② 取代基的影响：取代基团的极性和体积、沿
分子链排布的距离、在主链上的对称性等。
③ 交联的影响：交联使交联点附近的单键内旋
转受到很大的阻碍。
第 一 章 原 子
第1章 习题
1. 何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不 总为正整数？ 2. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 3. 高分子链结构分为近程结构和远程结构。他 们各自包括内容是什么？ 4. 铬的原子序数为24，共有四种同位数： 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。试求铬的原子量。 5. 铜的原子序数为29，原子量为63.54，它共 有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的 同位素之含量百分比。
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1.2 原 子 间 的
1.2.4 范德华力
① 范德华力属物理键，是由于原子核外电子云
第1章原子结构与键合教案
第1章原子结构与键合教案第一篇：第1章原子结构与键合教案第二篇：《原子结构与元素周期表》教案《原子结构与元素周期表》教案第二节原子结构与元素周期表【教学目标】理解能量最低原则、泡利不相容原理、洪特规则，能用以上规则解释1~36号元素基态原子的核外电子排布；能根据基态原子的核外电子排布规则和基态原子的核外电子排布顺序图完成1~36号元素基态原子的核外电子排布和价电子排布；【教学重难点】解释1~36号元素基态原子的核外电子排布；【教师具备】多媒体【教学方法】引导式启发式教学【教学过程】【知识回顾】原子核外空间由里向外划分为不同的电子层?2同一电子层的电子也可以在不同的轨道上运动?3比较下列轨道能量的高低（幻灯片展示）【联想质疑】为什么第一层最多只能容纳两个电子，第二层最多只能容纳八个电子而不能容纳更多的电子呢？第三、四、五层及其他电子层最多可以容纳多少个电子？原子核外电子的排布与原子轨道有什么关系？【引入新】通过上一节的学习，我们知道：电子在原子核外是按能量高低分层排布的，同一个能层的电子，能量也可能不同，还可以把它们分成能级，就好比能层是楼层，能级是楼梯的阶级。
各能层上的能级是不一样的。
原子中的电子在各原子轨道上按能级分层排布，在化学上我们称为构造原理。
下面我们要通过探究知道基态原子的核外电子的排布。
【板书】一、基态原子的核外电子排布【交流与讨论】（幻灯片展示）【讲授】通过前面的学习我们知道了核外电子在原子轨道上的排布是从能量最低开始的，然后到能量较高的电子层，逐层递增的。
也就是说要遵循能量最低原则的。
比如氢原子的原子轨道有1s、2s、2px、2p、2pz等，其核外的惟一电子在通常情况下只能分布在能量最低的1s原子轨道上，电子排布式为1s1。
也就是说用轨道符号前的数字表示该轨道属于第几电子层，用轨道符号右上角的数字表示该轨道中的电子数（通式为：nlx）。
例如，原子的电子排布式为1s2s22p2。
基态原子就是所有原子轨道中的电子还没有发生跃迁的原子，此时整个原子能量处于最低．【板书】1能量最低原则【讲解】原则内容：通常情况下，电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当这些轨道占满后，电子才依次进入能量较高的轨道，这就是构造原理。
第1章 原子结构和键合
钠元素11个电子中每个电子的全部量子数
三、原子的电子结构
• 在多电子的原子中核外电子的排布规律遵循以下原则： （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。
实质：一个原子中不可能有两个电子具有完全相同的运动状
态- -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
从左至右，核对最外层电子的吸引力依次增大，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。
2、电离能与电子亲合能
• 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，电离能依次减小。
• 特殊情况：如第二周期的 Be 、 N 二原子的 I1 分别较同一
周期中前后相邻的原子的I1都大。
第一章
物质是由原子组成
原子结构和键合
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
第一章
1.1 原子结构
原子结构和键合
1.2 原子间的键合
1.3 高分子链
1.1 原子结构
一、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 分子由更小的微粒原子所组成，在化学变化中，分子可以分成原 子，而原子却不能再分。 原子是化学变化中最小微粒
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
第一章、原子结构与键合
定义
金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用构成的结合键
离子键两种电负性相差大的原子靠近时，其中电负性小的原子失去电子成为正离子，电负性大的原子获得离子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成的化学键
共价键由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对形成的化学键
范德华力一个分子的正电荷部位与另一个分子的负电荷部位以微弱静电力相吸引，使之结合在一起的次价键
氢键氢原子同时与两个电负性很大原子半径较小的原子（ONF）相结合而产生的具有比一般次价键键能大的键
静电力是由极性原子团或分子的永久偶极之间的静电相互作用引起的
诱导力当极性分子（原子）和非极性分子（原子）相互作用时，非极性分子中产生诱导偶极与极性分子的永久偶极间的相互作用力
色散力由于某些电子运动导致原子瞬时偶极间的相互作用力
特性材料特性
无方向性饱和性；电子的公有化具有良好的延展性；有良好的导电和导热性；金属不透明并具有光泽
无方向性饱和性；离子一般具有较高配位数熔点和硬度均较高；是良好的电绝缘体，但处于高温熔融态时，具有导电性
具有方向性和饱和性具有电绝缘性；结构稳定，熔点高质硬脆无方向性饱和性；是一种次价键对熔点、沸点、溶解度的影响很大
具有方向性饱和性；键能介于范德华力和化学键之间。
第一章 原子的结构与键合
1.1.3 原子的结构
（2）能量最低原理： 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。
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。
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。 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。
分子中吸引电子的能力。电负性大，表示原子吸引电子 能力强； 反之，电负性小，表示原子吸引电子的能力。
鲍林标度：指定最活泼的非金属元素F的电负性值为4.0，
然后通过计算得到其它元素原子的电负性值。
一般金属元素（Au和Pt等除外）的电负性小于2.0，而
非金属元素（Si除外）大于2.0。
周期-增，主族-减
本章主要内容要求
基本概念和术语 原子间的结合键对材料性能的影响 用结合键的特征解释材料的性能。如用金属键的
特征解释金属材料的性能：1.正的电阻温度系数； 2.良好的延展性；3.良好的导电、导热性；4.具 有金属光泽等。
第一章 原子结构与键合
材料是国民经济的基础。
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。
原子结构与键合1原子结构与键合33页PPT
原子结构与键合1原子结构与键合
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
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键
合
1.2.5 氢键
1.2.6 混合键
共价键的特点：
每2个原子之间共享一个以上的价电子。
有方向性，2原子连接的方向即为键的方向。 晶体结构与键具有方向性有关。
1.2 原 子 间 的
1.2.4 范德华力
图 双原子模型
1.2.8 结合键与性能
1、物理性能 （1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。共价键、离子键 化合物的熔点很高这是陶瓷材料比金属材料具有更高热稳定性 的根本原因。二次键结合的材料熔点一定偏低，如聚合物等。 （2）材料的密度与结合键类型有关。金属有高的密度，陶瓷 材料的密度很低。聚合物由于其是二次键结合密度最低。 （3）金属键使金属材料具有良好的导电性和导热性，而由非 金属键结合色陶瓷、聚合物均在固态下不导电。
4. 高分子链的构型：分子中由化学键所固定的 几何排列。构型不同的异构体有旋光异构和 几何异构两种。
1.3 高 分 子 链
1.3.2 高分子链的远程结构
1. 相对分子量：高分子实际上是由结构相同、
组成相同但相对分子质量大小不同的同系高
分子的混合物聚集而成。相对分子量越高， 高分子材料的强度有规律地增大。但增长到 一定的后，强度逐渐趋于一极限值。 2. 内旋转构象：高分子链的单键由δ电子组成，
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正电中心 电子云
原子核
原子核
a) 电子云
负电 中心
+
b)
–
极化分子 间的作用力
c)
a)理论的电子云分布
b)原子偶极矩的产生 c)原子（或分子）间的范德瓦耳斯键结合
影响范德华力大小的因素
①结构相似的分子，相对分子质量 越大，范德华力越大。如卤素单质
②分子极性越强，范德华力越大
范德华力对物质性质的影响
化学键影响物质的化学性质（主）和 物理性质
范德华力影响物质的物理性质（熔、沸 点及溶解度等）
分子间范德华力越大，熔沸点越高
思考？夏天经常见到许多壁虎在墙壁或天花板上爬行， 却掉不下来，为什么？ 壁虎为什么能在天花板土爬行自如?这曾是一个困扰 科学家一百多年的谜。用电子显微镜可观察到，壁虎 的四足覆盖着几十万条纤细的由角蛋白构成的纳米级 尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力?实验证明，如果在一 个分币的面积土布满100万条壁虎足的细毛，可以吊起 20kg重的物体。近年来，有人用计算机模拟，证明壁 虎的足与墙体之间的作用力在本质上是它的细毛与墙 体之间的范德华力。
非晶硅薄膜太阳能电池
非晶铁芯
饱和磁感应强度、高导磁率、高电感 量、低损耗、体积小、重量轻、抗电 磁干扰能力强、频率特性优良、温度 稳定性高的特性
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。根据晶体局限定理（crystallographic restriction theorem），普通晶体只能具有二次、 三次、四次或六次旋转对称性，但是准晶的布拉 格衍射图具有其他的对称性，例如五次对称性或 者更高的如六次以上的对称性。
C60结构示意图
除金刚石和石墨外，碳的第三种结晶形式为C60固体，称作足球烯 或富勒烯。C60是由60个碳原子组成的分子，其结构如图所示。碳 原子分布在由 20个六边形和 12 个五边形环所组成的封闭的多面体， 形式象足球，直径约为7Å。在球面上每个碳原子以sp2 杂化轨道与 三个近邻碳原子形成共价键，剩下的一个p电子的电子云分布在球 内外表面上形成π键。 C60固体是由 C60分子组成， C60占据晶格位 置，以范德瓦尔斯键相结合，属于分子晶体。温度在260K以上时 C60晶体是面心立方结构，260K以下转变为简单立方结构。 C60固 体具有许多奇特的物理性质、化学性质，可能有重要的应用前景 而引起人们的重视。
石墨结构示意图
2. SiO2 、 P2O5 、B2O3 等是玻璃的主要形成体， Stanworth 发现均具有混合型键。其中 SiO2 有 共价键 ── 离子键； P2O5有 共价键──离子键；B2O3有 共价键──离子键。 形 成玻璃必须为混合键。
3. 大部分合金都具有金属键──共价键的混合键型，同时 键的性质可随成分变化，故可通过改变成分改变键性比 例，从而改进材料性能等。
由于分子上非键合原子之间的相互作用，内
旋转一般是受阻的，使高分子材料既表现出
一定的柔性，又表现出一定的刚性。
1.3 高 分 子 链
1.3.2 高分子链的远程结构 3. 高分子链柔性：高分子链改变其构象的性质。 ① 主链结构的影响：主链结构影响最大。 ② 取代基的影响：取代基团的极性和体积、沿
分子链排布的距离、在主链上的对称性等。
2、力学性能 结合键是影响弹性模量的主要因素。结合键能越大，弹性 模量越大，材料的强度越大。
第 一 章 原 子
1.3 高分子链
1. 高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构 两方面。链结构又分近程结构和远程结构。 2. 近程结构属于化学结构，又称一级结构。 3. 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。如图：单个高分子的几种 构象图。
范德华力、氢键和共价键的对比
范德华 力 概念 分子间 普遍存 在的作 用力 存在 分子之 范围 间
强度 微弱
氢键
已经与电负性很强的原子 形成共价键的氢原子与另 一分子中电负性很强的原 子之间的作用力 分子间或分子内氢原子与 电负性很强的N、O、F之间 较弱 溶解性、熔沸点
共价键
原子之间通 过共用电子 对形成的化 学键 相邻原子之 间 很强 主要影响化 学性质
虽然准晶体在此前就已被观察到并被研究，但由于它们违背了人们之前对于 晶体结构的认识，所以直至20世纪80年代在开始受到重视。
获得2011年诺贝尔化学奖的丹·舍特曼是第一个正式报道发现了准晶的人。 1984年他和以色列理工学院的同事们在快速冷却的铝锰合金中发现了一种新 的金属相，其电子衍射斑具有明显的五次对称性。这篇文章发表于物理评论 快报（Physical Review Letters）上（被Journal of Applied Physics 断然拒 掉）。
银铝合金准晶的原子模型
格(lattice)局限多边形。 兼容：六次（三次）、4次（二次）； 不兼容: 八次、五次。
晶体中找不到五重对称
铝锰合金的5重对称电子衍射图
结
构 与
键
合
1.3 高 分 子 链
1.3.1 高分子链的近程结构
1. 链结构单元：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。
2. 分子结构：一般高分子都是线性的，分子链 长可以蜷曲成团，也可以伸展成直线。
3. 共聚物的结构：由两种或两种以上单体单元 所组成的高分子称为共聚物。
阅读材料：
荷兰物理学家范德华,1910年获得诺贝尔物理奖,因 确立真实气体状态方程和分子间范德华力而闻名于世。 他是分子间作用力的首位发现者，所以人们又把分子 间作用力叫做范德华力。
范德华力是一种普遍存在于固体、液体和气 体中分子之间的作用力。
思考:
1、范德华力与化学键的强弱？ 2、影响范德华力的因素有哪些？ 3、范பைடு நூலகம்华力是否具有饱和性和方向性？ 4、范德华力对物质的哪些性质有影响？
分子内部原子间存在相互作用——化学键，形成或破坏化学键都伴随着能 量变化。 物质三相之间的转化也伴随着能量变化。这说明：分子间也存在着相互 作用力。
键
合
① 范德华力是一种分子间作用力，属物理键，是由 于原子核外电子云偏移形成极性的结果，没有方 向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。 ② 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。
对物 熔沸点 质的 影响
1.2.6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。
完全共价结合：金刚石 c-c,(共有的电子在两个C原子上被找到的概率相等） 完全离子键结合：NaCl
一、石墨（共价键、金属键和范德瓦尔斯力的混合键）
1.2 原子间的键合
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，包括范德瓦耳 斯键和氢键。
1.2 原 子 间 的
1.2.1 金属键 1.2.2 离子键 1.2.3 共价键 1.2.4 范德华力
材料科学基础B
第1章 原子结构与键合
姚宝殿 材料工程学院
办公室：行政楼1618室，电话：67791474
Email: yaobd@
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） 以及原子集合体的形貌特征，（显微组织）
F=
E=
dE dχ
∞∫ 0
Fdχ
金属的弹性变形
弹性
图 弹性变形与塑性变形
弹性的实质是原子作用势的不对称性。 可以用双原子模型来解释。
原子处于平衡位置时，原子间距为 r0，位能U处于最低位置，相互作 用力为零，这是最稳定的状态。当 原子受力后将偏离其平衡位置，原 子间距增大时将产生引力；原子间 距减少时将产生斥力。这样外力去 除后，原子恢复其原来的平衡位置， 所产生的变形完全消失，这就是弹 性变形。
1.2 原 子 间 的