材料科学基础 第一章 材料结构.答案

特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量 密堆结构

性质：良好导电、导热性能，延展性好
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• 4）范德华力（Van der waals bonding)
近邻原子相互作用→电荷位移 →
电偶极矩的感应作用 偶极子(dipoles） 范德华力
包括：

静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力 (dispersive force)
极性分子之间、极性分子与非极性分子之间、非极性分子之间

属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改 变材料性质，如气体的聚合，塑料、石蜡将大分子链结合 为固体。
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5）氢键（Hydrogen bonding） 极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占 重要地位，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键 结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥 介于化学键与物理键之间，具有饱和性 可表示为：X-H——Y
4
波函数和原子轨道
• 1926年，SchrÖ dinger（薛定谔）根据德布罗伊 • 物质波的观点将电子的粒子性代入波动方程。
2 A cos ( xp Et ) h

是描述波动的函数，称为波函数，可用来表示任何 微观粒子的行为。
5
波函数ψ是三维空间x、y、z的函数，其二阶偏微分方程就 是有名的薛定谔方程
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• 主量子数为n的壳层中最多能容纳的电子数为2n^2
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f
f d d p s p s p s d p s
f d p s
d p s
s
1
2
3
4
主量子数n
5
6
7
能量水平：1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p相邻壳层的能量范围有重叠现象。
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2、元素周期表（periodic Table of the Elements)
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
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3）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
3
一、原子结构
1、原子的电子排列
-27 质子（proton）：正电荷m＝1.6726×10 kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电 -27 中子（neutron）：电中性m＝1.6748×10 kg 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（ele ctron cloud） -31 m ＝9.1095 10 kg，约为质子的1/18 36
s、p、d电子云的角度分布图
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（4）自旋量子数 ms
自旋量子数 ms并不是求解薛定谔方程得出的，
它是人们研究氢光谱的精细结构时，证实了每个轨道 上存在着自旋相反的两个电子，为了表达这两个电子 的区别，引出的第四个量子数。它只有＋1/2、－1/2 两个取值。表示为↑、↓。
原子核外电子的状态由这四个量子数确定
如：IVA族元素Si、Ge、Sn、Pb电负性逐渐下降，失去电子的倾向逐渐增大， 所以这几类元素的结合就是共价键与金属键的混合，到Pb时已成完全的金属键。
• （2）金属-共价混合键，
过渡金属出现的金属键和共价键混合键，可解释高熔点；如：W、Mo
• （3）金属-离子混合键，
金属间化合物之间可形成金属键与离子键的混合键，可解释此类化合物的 29 脆性；如：CuGe
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3）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，内壳层未填满的元素称为过渡元素。 特点：外层电子状态没有改变，都只有1-2个价电子，具 有典型的金属性。
4）电负性
解释IB与IA元素的活泼性？
衡量原子吸引电子能力的参数
特点：电负性越强，吸引电子能力越强，数值越大； 在同一周期内，自左至右电负性逐渐增大；在同一族内自上至下 电负性数据逐渐减小。
•
• •
m = 2(l)+1一个m代表一个轨道（m在-l~+l之间取整数）
0 s 1 3 1 p 5 2 d 7 3 f … … 轨道符号 轨道数目
• 如：角量子数
磁量子数 （0）（-1，0，+1）（-2，-1，0，+1，+2）
•
m 不影响轨道能级，在没有外加磁场的情况下，处于 11 同一亚壳层的电子具有相同的能量。
核越远，能量越高。
主量子数 n 1 2 3 4 5 6 7 …
电子层符号
K
L
M
N O
wenku.baidu.comP Q …
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（2）角量子数 l
角量子数 l 又叫副量子数，表示电子亚层。它确定 着电子轨道的能级和形状。 在n确定后，同一壳层上的电子依据角量子数l再分成若
干个能级大小不同的亚壳层： l= 0、1、2、3、4、5…。
20
22
二、原子结合键
1、键的种类
离子键 共价键 金属键 化学键、主价键
依靠外壳层 电子转移或 共享以形成 稳定的电子 壳层使原子 结合起来
一次键
键
（根据结合力强弱）
范德瓦耳斯键
物理键、次价键
二次键 氢键
原子或分子本身已具有稳定的电子结构， 不能依靠电子转移或共享来结合而只能 借助原子之间的偶极吸引力结合
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•
角量子数 l 的值为：0 —— n－1 2 1 p 2 d 3 3 f 4 … … …
如：主量子数 1 角量子数 0 • • • 轨道符号 s
轨道形状 球形 哑铃形 花瓣形 同样，l 的值越大，轨道距核越远，能量越高
l=0 l=1 l=2
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（3）磁量子数 m
在磁场作用下，电子绕核运动既具有能量，还具有角 动量P。P不仅在数值上不能任意取值，而且相对于磁场 方向的取向也不是任意的且是量子化的 • 磁量子数 m 确定着轨道的数目和空间取向 • 对应于每个l下的磁量子总数（轨道数）为：
第一章 材料结构的基本知识 （一）
09/01/2018
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材料结构
原子结构
原子结合键
材料性能
四层次
原子的排列 显微组织
2
思考
• 1、什么是价电子？
• 2、K与Cu相比，谁更活泼？为什么？
• 3、金属是否均是由金属键构成的？W为什么具有 高熔点？ • 4、一般情况下，金属、陶瓷、聚合物相比，谁的 密度更高？ • 5、什么是弹性模量？
本质上与范德瓦耳斯键一样，也是靠原 子的偶极吸引力结合起来的，只是氢原子 起了关键作用！ 在带有-COOH、-OH、-NH2原子团的高分子聚合物中常出现
氢键，将长链分子结合起来； 在生物分子中如：DNA也起重要的作用
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6）混合键
实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材 料的内部原子结合键往往是各种键的混合！ • （1） 共价-金属混合键，
介于物理键和化学键之间
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• 1）离子键（Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物
实质： e 金属原子 非金属原子 带正电的正离子（Cation） 静电引力 离子键 带负电的负离子（anion）
特点：

以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间 排列，且无方向性，无饱和性
• （4）离子-共价混合键
陶瓷化合物中混合键（离子-共价）情况 离子键的比例取决于组成元素的电负性差
离子键结合（ %） [1 e
2 1 ( X A XB ) 4
] 100%
（记忆次公式）
XA、XB分别为A、B的电负性数值
例如，MgO从表2－2中查得 XMg ＝1.31， XO＝3.44，代入(2-12)式， 求得化合物中离子键比例为68％
13 14 C12 ，C ，C 6 6 6
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）
核电荷 ↑ ，原子半径 ↓ 同周期元素：左 右，金属性↓ ，非金属性↑ 电离能 ↑ ，失电子能力 ↓ ，得电子能力 ↑ 最外层电子数相同，电子层数 ↑ ，原子半径 ↑ 同主族元素：上 下，金属性↑ ，非金属性↓ 电离能 ↓ ，失电子能力 ↑ ，得电子能力 ↓
正是复合材料的结合方式是混合键，键合比例又随材料的组成和 种类而变化，故复合材料的性能丰富又多样。 31
2、结合键的本质
吸引
吸引力
固体原子之间总存 在两种力：吸引力 和排斥力，且与距 离关系密切 原子间距：吸引力、 原子间距r 排斥力相等时原子之 间的距离
作用力F
合力 0
排斥力
排斥
r0
作用位能与原子之间 的距离和作用力有关 系
6
四个量子数
(1) 主量子数
（2）角量子数
n，电子层；
l，同一壳层上的电子依据能量水平不同分 的亚壳层（spdf)，反映了轨道的形状；
m，确定轨道的空间取向； ms，每个状态下可以存在自旋方向相反的 两个电子；
（3）磁量子数 （4）自旋量子数
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(1) 主量子数
n
主量子数 n 表示电子层，其值越大，轨道距
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1）价电子：指原子核外电子中能与其他原子相互作用形成
化学键的电子 。价电子直接参与原子间的结合，对材料的 物理、化学等性能有很大的影响。主族元素？副族元素？ （如：铬的价电子层结构是3d54s1，6个价电子都可以参加 成键）
2）原子价（也称化合价）：表明一个原子和其他原子相结
合的数目，原子价(valence)是指一种原子之间化合的能力。 这是由电子排列最外层的s态、p态能级中的电子数所决定。
这些亚壳层可用小写字母 s、p、d、f 表示；s、p、d、f 是根据四个亚壳层的光谱线特征得到的， 即 sharp (敏锐的)、principal(主要的), diffuse(漫散 的), fundamental(基本的)。 n相同但内壳层的轨道不同，电子的能级也不同，能量 水平是随s，p，d，f 依次升高。
8 m 2 2 2 ( E V) 0 2 x y z h
2 2 2 2
电子的波函数对原子核外电子运动的描述具有十分重 要意义：
波函数不同，其能量不同。
每一个波函数，都表示核外电子运动的一种状态，称为 原子轨道。 相当于给出了电子运动的“轨道”。
•
• • •
• •
元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数 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 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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（5）异类混合键：一次键+二次键
如：气体分子凝聚体；
聚合物； 石墨
● 线性高分子材料的大分子链是共价键结合方式，但大分子链之间是 范德华键或氢键的结合方式。 ● 现代复合材料是由二种或二种以上不同的材料经特殊的成型加工复 合而成，其内部结合键是混合键。
混合键的意义： 使得材料的性能可在很广的范围内调节！
作用位能E
吸引
0 E0 原子间距r
排斥
平衡距离下的作用 能定义为原子的结合 能，即把两个原子完 全分开所需要作的功！
性质：熔点和硬度均较高， 良好电绝缘体 典型代表：
MgO, Mg2Si, CuO
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2）共价键（covalent bonding） 亚金属（C、Si、Sn、 Ge），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
(Polar bonding):共用电子对偏于某成键原子 极性键 非极性键（Nonpolar bonding): 位于两成键原子中间
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电子分布情况
原则： 1）泡利不相容原理 2）电子总是优先占据能量低的轨道
角量子数和自旋量子数
主量子数和次量子数
3) 洪特规则：同一亚壳层的能量等价的轨道上，电子总是尽 可能地分别占据不同的轨道，且自旋方向相同。
电子能量分布情况
电子能量随主量子数n的增加而升高； 同一壳层的能量按s、p、d、f次序依次升高 相邻壳层的能量范围有重叠现象；