材料科学与工程基础 (2)ppt课件

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Johannes Diderik van der Waals The Nobel Prize in Physics 1910
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2-3-2 派生键合（Secondary Bonding)
1. 分子间引力（Intermolecular Attraction)：
Schematic illustration of van der Waals bonding between two dipoles.
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2 . 金属键合 (Metallic Bonding)
特点： ① 由正离子排列成有序晶 格； ② 各原子最 (及次)外层电子 释放，在晶格中随机、自由、 无规则运动，无方向性；
Figure 2.11
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2 . 金属键合 (Metallic Bonding)
特点： ③ 原子最外壳层有空轨道或 未配对电子，既容易得到电 子，又容易失去电子；
Figu.re 2.13
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2. 氢键 (Hydrogen bond)
质子给予体（如H）与强电负性原 子X（如O、N、F、Cl）结合，再与另 一强电负性原子Y（质子接受体）形成 一个键的键合方式。
Figure 2.15
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2. 氢键 (Hydrogen bond)
特点： ① 有方向性，饱和性； ② 分子内氢键；分子间氢键； ③ 键能: 一般为几 ~
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☞第二章 物质结构基础
2-1 物质的形态及材料结构
2-2 原子结构
2-3 原子之间的相互作用和结合
2-4 多原子体系电子的相互作用和稳定性
2-5 固体中的原子有序
2-6 固体中的原子无序
2-7 固体中的转变
2-8
固体物质的表面结构 .
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2-3 原子之间的相互作用和结合
(Atomic Interaction and Bonding)
原子间距离很大时, 相互作用很小;
距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式 增大。
平衡间距（Equilibrium Spacing）就是斥力和引力相 等的距离。
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1. 原子间的距离和作用 (Interatomic Separation and Interaction)
平衡间距（Equilibrium Spacing）就是斥力和引力相等的距离。
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☞ 课程主要章节
第一章 绪论 (Introduction)
第二章 物质结构基础 (Structure of Matter)
第三章 材料组成和结构 (Compositions and Structures of Materials )
第四章 材料的性能 (Material Properties)
本文档相关内容参见 视频 5-8
《材料科学与工程基础》
培训课第二单元-1
主讲教师：赵长生
2011年8月10日
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☞ 培训目标
以章为单元, 通过选择典型的主题， 采取示范课形式，及难重点讲解等形 式，帮助学员理解本课程的教学设计 思想、教学方法和技巧。
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☞ 内容安排
以第二章 材料结构基础中两部分内 容为例进行示范课， （1）原子中的电子结构及原子间的相互 作用与结合； （2）晶体结构，重点是面心立方和体心 立方及间隙，离子晶体及配位数。
Unit Cell in crystal Lattice parameters Crystal system
Types of Spacial Lattices
Crystallographic Direction and Planes
Directional Indices , Miller Indices , interplanar
第五章 材料的制备和成型加工
(Preparation and Manufacturing of Materials)
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第二章 物质结构基础
(Structure of Matter)
按照从微观到宏观、从内容到表面、 从静态到动态、从单组分到多组分的顺序， 阐述原子结构、原子间相互作用和结合方 式，固体内部和表面原子的空间排列状态、 聚集态结构及变化规律之间的相互关系。 使学生对材料组成（成分）与物质结构的 内在联系有较系统、深刻的理解。
配位数是一个原子具有的第一邻近（原子或离子）数
（Number of nearest-neighbor atoms）
H-1
Mg为6
Si或C为4
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3. 配位数
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3. 配位数
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3. 配位数
影响因素
① 共价，围绕一个原子的共价键数取决于原 子的价电子数目。
卤族配位数为1；氧族为2。
② 原子的有效堆积，离子化合物具有较高配 位数，最常见为6。
十几 kcal/mol
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氢键
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DNA的双螺旋结构
纤维素、壳聚糖的溶解 尼龙（聚酰胺）的溶解
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2-3-3 原子间距和空间排列 (Interatomic Spacing and Forces)
1. 原子间的距离和作用 (Interatomic Separation and Interaction)
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4、混和键合 (Mixed Bonding)
2）电负性对化学键的影响: 同种原子间无影响 异种原子相互作用时: 两元素电负性相差较大: 非金属——非金属 成极
性共价键 电负性相差很大: 金属—— 非金属 成离子键
电负性差值：可判断无机非金属材料离子性结合键的比例
电负性差值
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2
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A. 取向力: 分子永久偶极间相互作用 (Permanent dipole bonds)
B. 诱导力: 被诱导的偶极与永久偶极间作用 (Polar molecule-induced dipole bonds)
C. 色散力: 非极性分子间瞬时偶极间的作用 (Fluctuating induced dipole bonds)
crystalline and noncrystalline materials. • What is solid solution. • What is the importance of phase diagrams. • What is the characteristic of materials surface.
离子性结合（%） 1 4 9 15 22 30 39 47 55 63 70 76 82 86 89 92
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% ionic character = {1-exp[-(0.25)(XA - XB)2]}×100
(2.10)
where XA and XB are the electronegativities for the respective elements.
④ 价电子不是紧密结合在离 子芯上，键能低、具有范性 形变。
Figure 2.11
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3. 共价键合 (Covalent Bonding)
两个原子共享最外壳电子的键合。
特点：
① 两原子共享最外壳层电子对；
② 两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向 必须相反；
③ 有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价 键仅两个电子。
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重点和难点
重点 原子间结合类型
难点 配位数
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Chapter 2
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原子之间的相互作用和结合 (Atomic Interaction and Bonding)
自然界：一般由原子或分子组成物质或材料 结合方式： 基本结合：离子键、金属键、共价键 派生结合：分子间作用力、氢键
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2-3-1 基本键合
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学习目的
Chapter 2
学习（部分复习）材料的性能和行为 首先取决于材料中原子的电子状态；另， 原子间的相互作用形式、原子的间距和空 间排列都是影响材料性能的重要因素。
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要点
Chapter 2
• 原子间相互作用的内在因素和结合类型与 性质
• 原子的间距和半径，空间排列状态及配位 数
• 键性与键能
（Primary Interatomic Bonds)
1. 离子键合(Ionic Bonding)
离子键 正离子————负离子
库仑引力
Figure 2.9
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1. 离子键合(Ionic Bonding)
特点： ① 电子束缚在离子中； ② 正负离子吸引，达静电平衡； 电场引力无方向性; ③ 构成三维整体 晶体结构 ； ④ 在溶液中离解成离子。
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2-3-2 派生键合（Secondary Bonding)
作用力也是库仑引力(与离子键相同但弱得多,不存在电 子交换)
1. 分子间引力（Intermolecular Attraction)：
分子（或电中性原子）间的结合力 又称范氏（van der Waals）力。
特点：① 无方向性和饱和性 ② 键能最小
0.127 3+ 6
12
0.1278 1+ 6.
0．042 0．038
0.042 0.038 0.444 0.140 0.127 0.181
0.097
0.066
0.054 0.046 0.074 0.064
0.096
共价键
键 长 / 2 （nm）
单键
0．077
双键
0．065
三键
0．06
单 键 0．117
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3. 配位数
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元素
碳 硅
氧
氯 钠 镁 铝 铁 铜
金属原子
CN 半径(nm)
离子
价 CN 半径 (nm)
4+ 6
4+ 4
2- 8 2- 6 2- 4 2- 2 1- 8 1- 6
8
0.01875 1+ 6
12
0.161 2+ 6
12
0.1431
3+ 6 3+ 4
8
0.1241 2+ 6
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培训课第二单元-2
主讲教师：赵长生
2011年8月10日
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2-5 固体中的原子有序 Chapter 3
Perfections in Solids
Speciality and Properties of Crystals
Crystal Geometry symmetry and Spacial Lattice
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第二章 物质结构基础
(Structure of Matter)
• What are atomic structures and interatomic bonds？ • What are the equilibrium separation and the
bonding energy between atoms. • What is the difference in structures between
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3. 共价键合 (Covalent Bonding)
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注意：
• 各种键合在中学已经学过，这里是 复习； • 这里键合形式是与材料的性能联系； • 金属键合和离子键合的区别。
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4、混和键合 (Mixed Bonding)
1） 电负性 (electronegativity): 表示吸引电子的能力 同一周期 左 → 右 电负性增高 同一族 上 → 下 电负性降低
（1）a，：平衡间距， 合力F= 0，能量U最低，结合能为负值；
（2）a 增大，F为引力，U增大；a 减小，F为斥力，U大大增大。
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2 . 原子半径和离子半径 (Atomic Radius and Ionic Radius)
孤立原子（非键合）的半径——范氏半径 结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a，不同，半径不同
(a) 金属半径：金属键结合的原子距离的一半：a，/ 2
(b) 离子半径：a，= r+ + R- .
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离子价影响离子半径
wk.baidu.com
(c) 共价半径：成键电子云的最大重叠（非球形，多用键长） 单键、双键、三键
温度影.响半径
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3. 配位数 (Coordination Number)-CN： （影响半径）
大部分工程材料具有多个原子组成的配位团
单键 双键
0.075 0.065
单 键 0．099
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2 键能(bonding energy): 裂放出的能量,
1mol 物质结合键分
表示结合的强弱。 化学键 > 物理键（分子键） 化学键中: 共价键≈ 离子键 > 金属键 共价键中: 叁键>双键>单键 氢键 > 范氏键
键性表
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End
《材料科学与工程基础》
• What are the interatomic bonds ? • What are the equilibrium separation,
distance and the bonding energy between atoms? • What is the Coordination Number of atom?