【最新】一章原子结构与键合
胡赓祥《材料科学基础》(第3版)配套题库(章节题库 原子结构与键合)【圣才出品】
第1章 原子结构与键合一、简答题1．固体材料中，内层电子状态通常用哪些量子数描述？外层电子状态通常使用的量子数有哪些？答：固体材料中内层电子状态通常用主量子数n、角（动量）量子数l、磁量子数m 和自旋量子数m s来描述。
固体材料中外层电子状态通常用电子波矢（k x，k y，k z）和自旋量子数m s来描述。
2．原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？答：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。
3．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答：能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。
4．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？它的性质如何递变？答：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；同一主族元素最外层电子数相同，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。
5．何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答：在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然而它们的化学性质相同，这种物质称为同位素。
由于各同位素所含的中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同6．原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？答：7．S的化学行为有时像2价的元素，而有时却像4价元素。
试解释S这种行为的原因。
答：S的最外层电子为3s23p4。
S与H结合成H2S时，接受2个电子，故为2价；S 与O结合成SO2时，此时S供给4个电子，故为4价。
8．尽管HF的相对分子质量较低，试解释：为什么HF的沸腾温度（19.4℃）要比HCI的沸腾温度（－85℃）高？答：由于HF分子间结合力是氢键，而HCI分子间结合力是范德瓦耳斯力，氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能，因此HF的沸点要比HCI的高。
固体材料的结构基础知识
结构材料的失效
材料的磨损：在机件表面互相接触并作相 对运动产生摩擦的过程中，会有微小颗粒 从表面不断分离出来形成尺寸和形状不同 的磨屑，使材料逐渐损失，导致机件尺寸 变化和质量的损失，这种表面损伤的现象 即为磨损。 磨损的分类：黏着磨损、磨料磨损、腐蚀 磨损及疲劳磨损。
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结构材料的失效
材料的腐蚀：腐蚀就是物质表面因发生化 学或电化学反应而受到破坏的现象。分为 化学腐蚀和电化学腐蚀。
（4）离子键合的材料具有较高的对称性、结构稳定、熔点较高、 硬度大、膨胀系数较小而脆性较大。
（5）离子晶体材料中没有自由电子，所以，通常是电或热的不良 导体是绝缘体，但是，在高温下可以是借助离子本身在晶体中 的运动而导电。
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（2）共价健
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共价健的意义及其特点： （1）通过共享电子对的结合使相邻原子键合起来的形式称为共价
间则为范德华键或氢键。
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1．2．2 键合的本质及其性能 (1) 原子间斥力和引力
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原子间距(r0) ： 两原子在某距离下吸引力和排斥力相等，此时， 该两原子便被稳定在此相对位置上，这一距离r0 称为原子的平衡距离，简称原子间距。 结合能（E）: 原子在平衡距离下的作用能称为原子的结合能。 结合能的大小相当于把两原子分开所需要作的功， E越大，原子的结合也就越稳定。 一般而言： 离子键、共价健的E值最大；金属键的次之；而范 德华的E最小。
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（4）范德华键 意义及其特点：
范德华键力是一种因电偶极矩的感应作用而产生的 键合现象； 除高分子外，键的结合力不如化学键牢固，也无饱 和性和方向性。
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（5）氢键 意义及其特点：
依靠原子或分子的偶极矩引力而形成，但是氢原子 起到了关键作用； 具有明显的饱和性和方向性，结合力大于范德华键， 主要存在于分子内或分子间，如高分子材料中存在 着大量的氢键。
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。
第1章 原子与结构键合教案2
1.1 原子的结构(量子数，电子排布，周期表1.3 原子的性质（半径，电负性） 1.4 化学键的力学模型（原子结构与性质对材 料宏观性质的影响）
弹性模量，熔点，热膨胀系数——原子间作用力 密度——原子量，原子半径，配位数 电导率——化学键
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，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。
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）
实际上只要ΔX≠0，都包含一定的离子键成分。计算离子键的所占比例的经验公式：
离子键%=1－exp[-1/4*（XA－XB）2] 式中XA、XB分别为A、B元素的电负性值。
实际材料以一种键合为主，辅以其它键合
四、元素周期表
元素（Element）：具有相同质子数的同一类原子总称，质子数 是划分元素的依据 同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一元 素的原子如： C612 ，C613 元素有两种存在状态：游离态和化合态
1869年，俄国化学家门捷列夫发现元素性质是按原子相对质量的增加而呈周期 性变化的，这一重要规律称为原子周期律。 →内部原因是由于原子核外电子的排列随原子序数的增加呈现周期性的变化。 →元素周期表：把所有元素按照相对原子质量及电子分布方式排列成的表； 从根本上揭示了自然界物质的内在联系。
（原子半径和离子半径还与配位数和电负性等其他有关，需要校正。一般 说，配位数高,半径显得大。为便于比较，金属晶体统一折算成配位数为 12的半径，离子晶体统一折算成配位数为6的半径）
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。
原子结构与键合简述
原子结构与键合简述物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的。
在材料科学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。
电子在核外空间作高速旋转运动时，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。
电子既具有粒子性又具有波动性，即具有二象性。
电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。
根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中一个电子的空间位置和能量可用4个量子数表示：(1)主量子数n——决定原子中电子能量，以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层；(2)轨道角动量量子数—给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）；(3)磁量子数m给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数；(4)自旋角动量量子数s—反映电子不同的自旋方向。
在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：(1)能量最低原理——电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由内向外进入能量较高的壳层，尽可能使体系的能量最低。
(2)Pauli不相容原理——在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。
(3)Hund规则——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，而且自旋的方向相同。
当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定的，并且整个原子的能量最低。
元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增，呈周期性变化的规律。
可根据元素在周期表中的位置，推断它的原子结构和特定的性质。
原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。
由于原子间结合键的不同，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。
原子的电子结构决定了原子键合的本身，原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。
化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键3种：(1)金属键，绝大多数金属均为金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化；(2)离子键，大多数盐类、碱类和金属氧化物，主要以离子键方式结合，这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位的；(3)共价键，在亚金属(C,Si,Sn,Ge等)、聚合物和无机非金属材料中，共价键占有重要的地位，它的主要特点是共用电子对。
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)。
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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
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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：
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》第一章 原子结构与结合健
《材料科学基础》教学大纲四年制本科材料科学与工程专业用80 学时 4 学分一、课程性质和任务《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。
本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。
二、课程学习的目标和基本要求：1．对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。
初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。
2 ．课程的重点和难点本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。
难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3 ．先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配•教学基本内容第一章材料的结构（ 22 学时）1.1 晶体学基础1.2 常见的晶体结构1.3 固溶体的晶体结构1.4 金属间化合物的晶体结构1.5 硅酸盐结构1.6 非晶态固体结构1.7固体的电子能带结构理论1.8 团簇与纳米材料结构1.9 准晶结构本章重点：•结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、•单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。
•常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。
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。
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。
原子结构和键合1-文档资料37页
金 属 键 （ Metallic bonding）
化 学 键 （ Chemicalbonding） 离 子 键 （ Ionicbonding）主 价 键 primaryinteratomicbonds
物 理 键 （ physicalbonding), 次 共 价 价 键 键 (（ Seccoovnadlaernytb bo on nd di in ng g) ） ， 亦 称 VanderWaalsbonding
因子当亚此n相层，同，常时一把，个n相li电越同子大，层，li可不电以同子分的的为状能几态量个称越亚为高层电。。
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子 数（quantum numbers）表示
磁量子数Mi
规定电子运动状态在空间伸展的取向。 m的数值可取0，± 1 ，±2，……±l。
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子 数（quantum numbers）表示
四个量子数的意义
电子运动状态 轨道运动状态 自旋运动状态
量子数 主量子数 n 角量子数 li 磁量子数 Mi
自旋量子数 si
意义
作用
“轨道”半径大 小
决定“电子层”
“轨道”形状 决定“电子亚层”
“轨道”的取向 决定“电子轨道”
元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)
7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增 的顺序从左至右排列
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。
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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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第一章 原子结构与键合
宋强 副教授
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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。
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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。
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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。
共价键材料在外力作用下可能发生键的破断。因此，共价键材料是脆性的
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17
四、范德华力
1、实质：由于近邻原子的相互作用引起电荷位移而形成偶极子，借助这种 微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来具有稳定的原子结构的原子 或分子结合为一体的键合。 2、静电力、诱导力、色散力 3、特点： 1）无方向性和饱和性； 2）结合力弱
离子键（Ionic bonding）
主价键 Primary atomic bonding
共价键（Covalent bonding）
结合键
物理键 （Physical bonding） → 次价键
Secondary atomic bonding
氢键 （Hydrogen bonding）
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12
li
0
1
2
3
4
能级
s
p
d
f
g
说明：在同一量子壳层中，亚层电子的能量是按s,p,d,f,g的次序递增
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5
三、原子的电子结构（重点掌握）
3）磁量子数mi—给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。
每个li下的磁量子数为2li+1
li
0
1
2
3
4
能级
s
p
d
f
g
轨道数 1
3
5
7
9
4）自旋角动量量子数si—反映电子不同的自旋方向
注意—原子不是物质的最小微粒 二、原子的结构 1、结构：原子核（质子+中子）+核外电子 2、特点：1）电中性，质子数=核外电子数；
2）体积小； 3）质量主要集中在原子核内
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3
三、原子的电子结构（重点掌握）
电子云:用统计的方法判断电子在核外空间某一区域内出现的几率的大小 1、原子中的一个电子的空间位置和能量用四个量子数确定： 1）主量子数n—决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所
电子总是先占据能量最低的壳层，排满后再进入下一壳层 K→L→M→N
同一电子层，电子按照s→p→d→f→g
2）泡利不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子
主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子
3）洪德（Hund）定则：
①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
规定：si为
1 ห้องสมุดไป่ตู้ 2
1 ，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，用“↑”和 2
“↓”
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6
钠（原子序数为11）原子结构中K﹑L、M量子壳层的电子分布状况 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（重点掌握）
2、核外电子的排布规律遵循的原则：
1）能量最低原理：电子排布总是尽可能使体系得能量最低
4、性能： 良好的导电、导热性能，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，因而金属具有良好的延性
将电压作用于金属时，电子云中的电子很容易运动并传送电流
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14
二、离子键
1、结合实质
金属原子失电子→带正电的正离子
非金属原子得电子→带负电的负离子
静电引力结合
2、特点： 1）以离子而不是原子为结合单位； 2）正负离子相间排列，异号离子间吸引力最大， 同号离子间斥力最小； 3) 无方向性、无饱和性。 3、性能：1）熔点高；2）质硬且脆；3）导电性差。
处的量子壳层。 n=1，2，3，4……； 依次命名为K、L、M、N壳层
电 2021/2/2 子 云
量子壳层
镁的电子分布状况4
三、原子的电子结构（重点掌握）
2）轨道角动量量子数li—给出电子在同一量子壳层所处的能级（电子亚层） 取值为0，1，2，…，n-1
例：若n=2，则有两个轨道角动量量子数l2=0和l2=1 说明L壳层中，根据电子能量的差别，还包含两个电子亚层
7s 7p 7d 6s 6p 6d 6f 5s 5p 5d 5f 4s 4p 4d 4f 3s 3p 3d 2s 2p 1s
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四、元素周期表
1、基本概念回顾 ★元素：具有相同核电荷数的同一类原子的总称。 ★元素周期律：元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子 数）的递增而呈周期性的变化的规律。 ★同位素:具有相同的质子数而中子数不同的同一元素的原子。 质量不同、化学性质相同
2）同一主族元素：从上到下电子层数增多，金属性逐渐增强，非金属性
逐渐减弱。
3）价电子数：惰性元素、碱金属、过渡族金属
写出Fe2+：1s22s22p63s23p63d6
Fe3+：1s22s22p63s23p63d5
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11
1.2 原子间的键合
金属键（Metallic bonding）
化学键 （Chemical bonding）
一、金属键
1、典型金属原子的结构特点 1）最外层电子数很少； 2）价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云； 2、定义：金属中自由电子与金属正离子之间构成的键 3、金属键特点： 1）电子共有化； 2）无饱和性、无方向性； 3）形成低能量密堆结构。
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金属键 13
一、金属键
离子键
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三、共价键
1、实质：由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。
2、分类：
1）极性键—共用原子对偏于某成键原子。
2）非极性键—共用原子位于两成键原子中间。
3、特点：
1）具有方向性（s层除外）；
2）具有饱和性；
共价键
3）配位数较小，结合极为牢固。
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自旋方向相同；
②当电子排布为全充满、半充满或全空时，整个原子的能量最低。
举例：碳、氮、氧三元素原子的电子层排布
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需注意的问题
当原子序数较大时，电子排列并不总是按 照规则依次排列的，d和f能级开始被填充 时，相邻壳层的能级有重叠现象。 举例：①原子序数为26的铁原子
1s22s22p63s23p63d64s2 ②写出原子数为32、62的原子的电子排布 1s22s22p63s23p63d104s24p2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f65s25p66s2 ③写出原子数为24、29的原子的电子排布