原子结构与排列

4、镧系、锕系
• 分别填入f内层电子（共14个）。
• 因外层s电子都是2，化学性质非常接近，统称“稀土 元素”。
• 由于f层内有许多空轨道，相互间能级差很小，易于激 发，因而具有重要的功能效应。
例如：长余辉稀土铝酸盐材料。
5、电负性
• 周期表中由左至右、由下到上，电负性↑。 • 同族、同周期元素有相似的性质特点。
原子结合键 成分
原子排列
相结构
加工工艺
1.1 原子结构及其周期性
原子核 + 核外运动的电子
一、核外电子分布
核外电子的运动状态，由四个量子数决定。
• 主量子数 n = 1、2、3… 距核远近、能量高低。
• 角量子数 l = 0、1、2… 电子云形状、能量高低。
• 磁量子数 m = 0、 、1 …2 电子轨道空间取向
例如：
s
d
p
Nb具有低温超导性，在它
周围的Zr、Mo、V、Ta也有
这一特性。
S化物、Se化物、Te化物同
f
族，都有光电特性。
1.2 原子的结合键
一、典型结合键
化学键：离子键、共价键、金属键 物理键：范德华力、氢键
离子键： • 电负性相差大的元素之间形成 • 特点：无方向性、无饱和性 • 键能最高＞1000KJ/mol
共价键：电负性相近，有方向性和饱和性， 几百～几千KJ/mol
金属键：无方向性无饱和性，400～800KJ/mol
范德华力 次价键，分子间静电引力，没有方向性和饱和性。
键能弱（几～数十KJ/mol）。
氢键： 次价键。H与电负性很大、原子半径较小的O、F、
N等结合而产生的较强的键力，几十KJ/mol ，有方向性 和饱和性。
电子分布须遵循的两个原则： • 泡利不相容原则
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。
• 能量最低原则 电子总是优先占据能量较低的轨道，使系统
的能量处于稳定的状态。
二、原子结构的周期规律
周期表中，周期数
sp
代表了电子主层数N。
s
sd
sdp
1、元素的周期性
sfd sf
sfdp
• 1、2、3为短周期，外主层电子只有s、p次层。
液晶(介晶态) 既有流动性，又有各向异性。
区别：
• 原子规则排列 —— 紊乱分布 • 熔点固定 —— 逐渐软化 • 各向异性 —— 同性 • 晶体有天然晶型 • 低能量、稳定 —— 能量较高、亚稳
天然水晶 涂蜡云母片
二、晶体结构的归类
• 操作： 将晶体中实际存在的原子、分子、离子或原子集
团等物质质点，抽象为纯粹的几何点，而完全忽略它们 的物质性，余下的空间格架称为空间点阵。
• 空间点阵中的最小单位单元称为晶胞。
• 空间点阵中的几何点称为阵点。
例：Cu晶体的抽象操作
晶胞
阵点
Cu
晶体结构 ＝
Cu原子
f.c.c
结构单元 ＋ 空间点阵
例：NaCl晶体的抽象操作
Na＋ Cl-
NaCl晶体
NaCl分子
f.c.c
重要概念
• 晶体结构：实际晶体
• 结构单元：组成物质的基本物质实体 — 原子、分子 或原子集团。反映物质的物化性质。

Baidu Nhomakorabea
c
Yuvw ua vb wc
其中，uvw表示该阵点的坐标。
二、材料的键合
1、无机非金属：离子键＋共价键
• A-B结合对，离子键比例计算：
e N % [1

1 4
(
x
A

xB
)2
]
100%
其中：xA、xB分别为结合对A、B的电负性。
• 性能：强大的键合力，具有高强、高硬、耐高温、耐 腐蚀，但塑性韧性差。
• 功能：极性强，使其具有宽广的导电、导热、透光 性；良好的铁电、铁磁和压电性。
• 空间点阵：规则排列于空间的几何格架。 反映晶体中物质排列的规律性和对称性。
• 阵点：代表原子、分子或原子集团的中心。
★ 每个阵点（结构单元中心）在实际晶体中的周围环境必 须相同，这是空间点阵的主要特征。
三、晶胞、晶系与布拉菲点阵
1、晶胞 从空间点阵中取出的具有代表性的基本单元
（平行六面体）。 • 晶胞选取的不唯一性。
结构篇
第一章 原子结构与排列
内部结构 → 材料的性能
章目录
1.1 原子结构及其周期性 1.2 原子的结合键 1.3 晶体学基础 1.4 典型金属的晶体结构 1.5 陶瓷的晶体结构
结构的四个层次
• 成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部 结构决定了材料的性能。
• 材料结构分为四个层次:
原子结构
体心正方
选取晶胞的原则
• 充分反映空间点阵的点群对称性。 • 平行六面体内，相等的棱和角的数目应最多。 • 当平行六面体的棱间呈直角时，直角数目应最多。 • 在满足以上的条件下，晶胞应具有最小的体积。
2、晶胞参数
任一晶胞可由a、b、c、α、β、γ六个点阵参数唯一 确定。
• 空间点阵中，任一阵点的位置： z
3、副族元素 ⅢB〜ⅡB
• 分别填入d内层电子(共10个)。
• 由于外层s电子为1、2个，几 乎相同，化学性质变化不大， 统称“过渡族元素”。
过渡族元素
s sd sfd sf
sp sdp sfdp
• 与碱土金属相比，因核内正电荷数目增加，对外层电子吸 引力增大，稳定性上升。
• 材料元素的重点选择区域。
• 4、5、6、7为长周期，除s、p次层外，还有d层电子。
• 6、7周期中，除s、p、d外，还填入了f层电子。
2、主族元素 ⅠA〜ⅧA
• 外主层中分别填入s、p次层电子（1--8），原子的电 负性和化学性质主要它们决定，因此呈周期变化。
• 活泼金属→非金属→惰性元素。
• 以半金属元素ⅣA为中心，可作为材料使用；性质活泼 的元素不宜用作材料。
• 自旋量子数 ms =

1 2
电子自旋方向
电子轨道
将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解， 得到四种电子分布的波函数 — 电子轨道
• s — 一种组态（球对称） 2
• p — 三种组态（轴对称） 6
• d — 五种组态
10
• f — 七种组态
14
y
z
x
x
p-轨道空间分布示意图
z
x
d-轨道空间分布示意图
2、高分子：共价键＋范德华力/氢键
• 分子链内强大的共价键，赋予材料一定的强度、硬度， 极好的柔韧性，高弹性、耐化学药品性。
• 分子链之间结合力弱， 熔点低。
3、金属：金属键
具有良好的综合力 学性能、导电、导热。
聚氯乙烯范德华力
1.3 晶体学基础
一、晶体和非晶体
晶体
雪花、食盐、水晶 简单分子
固体 非晶体 橡胶、玻璃、松香 复杂分子