原子结构和键合

③高分子材料（高聚物） 只含有非金属元素的材料可 通过共有电子而形成大分子，成为工程上的高分子材 料，这类材料是非金属化合物。高分子材料的结合键 是共价键和分子键，即大分子链内的原子键合（如碳 与氢、碳与碳）是共价键，而大分子链与链之间是弱 的分子键。由于高分子材料的分子量很大，所以大分 子间的作用力也达到相当大程度，因而也具有一定的 力学特性。 显然，复合材料一般更是多种结合键的组合。

J.J Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密 E.Rutherford提出原子结构有核模型 N.Bohr将 M.Plank和A.Einstein量子论
Rutherford 原子有核模型
原子结构的量子理论
Bohr atomic model
二、原子的结构
37
K
IVB VB VIB VIIB 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn
38 Sr 39
VIII IB IIB 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn
铝
Al 14 Si
S
氯
I
Cl
18 Ar
氩
54 Xe
31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr
一、物质的组成（Substance Construction） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 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
1879年 1911年 1913年
本章依次介绍其主要理论框架： 材料的原子结构和键合作用； 材料的原子排列特征； 材料的结构缺陷； 材料中的原子扩散； 材料的相图与相变；

材料的强化与韧化等。
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，运动规 律，以及原子集合体的形貌特征
杜 钅 喜 钅 钅 卢 钅 麦 Uun Uuu Uub 波 钅 黑 钅 镨
Pr 60 Nd U
61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65
114
Er
116
69Tm 70 Yb 71
118
Lu
57 La 58 Ce 59
镧 铈 锕 钍
钕 钷
钐 铕 钆 镅 锔
Tb
铽 镝
66 Dy 67 Ho 68


离子晶体

共价晶体

高分子晶体（线型高聚物）
高分子晶体（体型高聚物）
工程材料的键性

工程上使用的材料，有的是单纯一种键，但更多的是几种键的结 合。根据键性可以大致估计出材料的性能。 ①金属材料 金属材料的结合键主要是金属键，也有以共价键（如灰锡为 共价键、白锡为金属键）和离子键（如金属间化合物Mg3Sb2、 CuGe、MgSi2等）为主的。过渡族金属及其合金也不是典型的金属 键，现代观点认为是不饱和共价键，因而结合力强、熔点高、弹 性模量大，而导电性远不如简单金属（如碱金属）。钢铁等过渡 族金属及合金为重要结构材料的基础。
金属键（Metallic bonding） 化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding） 主价键primary interatomic bonds 共价键（covalent bonding） 物理键（physical bonding),次价键(Secondary bond ing)，亦称Van der Waals bonding 氢键（Hydrogen - bonding) 介于化学键和范德华力之间

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

四、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) 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 五、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
87 Fr 88 Ra 89 -103 104Rf 105Db 106Sg 107Bh 108 Hs 109Mt 110 111 112
Rb
Y
40 Zr 41 Nb 42 Mo 43
Tc 44 Ru
45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49
In
50 Sn 51 Sb 52 Te 53
Ac-Lr
原子（atom) rH = 3.7 10 -2 nm rAl = 1.43 10 -1 nm
-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
基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简 并轨道。
三、元素周期表（periodic Table of the Elements)
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
1 氢
3
IA 1 H
2
2 锂 铍 11 Na 12 Mg 3 钠 镁 IIIB
19
IIA Li 4 Be
IIIA IVA 5 B 6 C
VA 7 N
15
VIA VIIA 氦 8 O 9 F 10 Ne
He
硼
13
碳 硅
氮 氧 磷 硫
P
16
氟 氖
17
4 钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪
钬
铒 铥
镱 镥
89 Ac
90 Th 91 Pa 92
镤
铀 镎 钚
93 Np 94 Pu 95Am 96 Cm 97 Bk 98
锫 锎
Cf
99 Es 100Fm 101 Md 102No 103 Lr
锿 镄
钔 锘 铹

※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom)
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 ↓

Leabharlann Baidu

②无机非金属材料（陶瓷材料） 形成稳定无机晶体的主要作用力是正、负离子间的静电引力（如 NaCl），以及原子间共有电子对形成的共价结合。陶瓷材料的结 合键是离子键和共价键，多以离子键为主，所以陶瓷材料有高的 熔点和很高的硬度，但脆性较大。有些陶瓷材料，它们由性质相 差不大的非金属元素或类金属元素构成，如SiC和硅酸盐，还有某 些这类元素的单质，如金刚石、单晶硅和砷等，这些材料完全或 主要是共价键结合。共价键本身是很强的，但是以这种方式结合 起来的材料，其延展性和导电性都很差。


二、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 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体
镁(原子序数12)原子结构中K,L和M量子壳层的电子分布状况
1.能量最低原理 基态原子核外电子的排布力求使整个原子的能量处于最低状 态。 填充顺序：构造原理 2.泡利不相容原理 基态多电子原子中不可能同时存在4个量子数完全相同的电 子。 或：在一个轨道里最多只能容纳2个电子，它们的自旋方向 相反。 3.洪特规则
5 铷 锶 钇 锆 铌 钼 锝 钌 铑 钯 银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 氙 55 Cs 56 Ba 57-71 72 Hf 73 Ta 74 W 75Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 6 铯 钡 LaLu 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 氡 7 钫 镭 镧系 锕系
第2章 材料科学基础

材料不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩 的不同层次结构的物质。而且，从微观到宏观，各个 层次上的结构都具有不同的特征，它们均在不同程度 上和不同的范围内影响着材料的行为与性能。近百年 来，经过几代人不断地试验与研究、探索与归纳，已 经就不同结构层次上材料的特征与行为而总结出许多 规律来，建立了相应的概念、原理，它们共同组成材 料科学的基本理论。
第一节
原子结构和键合
Atomic Structure and Interatomic Bonding
物质(Substance)是由原子（atom）组成 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 材料性能：物 化 力学
人类认识原子历史回顾
※1原子结构 （Atomic Structure ）

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
主量子数n i：决定原子中电子能量和核间距离，即量子壳层，取正整数K、L、M、N、O、 P、Q electron shell 轨道动量量子数l ：与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2， n 1, s， p， d， f i shape of the electron subshell 磁量子数m ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向，取值为-l ，-(l 1), 1, 0,1, l i i i i spatial orientation of an electron cloud 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 2 2 核外电子的排布（electron configuration)规律
NaCl离子键

三、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



元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State& Combined Form)
13 14 C12 ，C ，C 6 6 6
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。


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 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