同济大学《材料科学基础》讲义
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•电离能 电负性
原子得到电子的能力(夺取其电子需要较大能量）
非金属元素电离能和电负性比金属元素大
•价电子
金属铬的价电子数： +1 +2 +3 +4 +5 +6
•各元素原子半径各异
原子结构与键合 原子结构
1.2原子间的键合
原子结合的方式： 金属键 离子键 共价键 范德瓦耳力 氢键
氢键 原子间的键合
氢键性质
方向性：
先形成的共价键电偶极X—H与原子Y发生氢键结合时 只有当X—H---Y在同一条直线上时结合力最强。
氢键 原子间的键合
氢键性质
属于物理键 氢键结合力比范德瓦耳力大，但小于化学键，
属于次价键 具有无饱和性和方向性
氢键在高分子材料中较为重要
原子间的键合
氢键 —— 氢桥
高分子链的结构
高分子聚集态结构
近程结构
远程结构
§1 原子结构与键合
1.3.1 高分子的近程结构
1 链结构单元的化学组成
单体单元 (结构单元、重复单元、链节)
高分子近程结构
2 分子链几何形态
（1）线型（2）支化 （3）交联（4）体型（三维网状分子结构）
3 结构单元的键接方式
高分子近程结构
a 均聚物结构单元的链接
原子间的键合
C 金刚石（ 钻石） 熔点3550℃ 硬度是金属的数千倍
原子间的键合
1.2.4范德瓦耳力
具有偶极子的原子和分子间的库仑力 偶极子：电荷相等的一对带电体，如果各
自电荷中心不重合，称为偶极子。
范德瓦耳力
原子及分子产生偶极子的方式及其范德瓦耳力： 静电力 诱导力 色散力
静电力 极性分子之间的引力
金属键材料性质： 良好导电 良好导热性 延展性好
容易与其它元素起 反应
金属光泽
原子间的键合
延展性好
原子间的键合
1.2.2 离子键
两种不同原子接近时，其一原子外层电子转移到 另一原子外层轨道内，产生一个异号离子对，正 负离子因库仑力相互吸引，结合在一起。
有电子转移的键合:化学键
离子键特点：
范德瓦耳力 原子间的键合
诱导力
范德瓦耳力 原子间的键合
色散力（伦敦力）
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力特点
物理键：无电子转移
次价键：结合力很小,大约为主价键力的1%—10% 主价键：金属键、离子键、共价键
范德瓦耳力无方向性、无饱和性
分子之间结合成的物质中普遍存在，也称为分子力
顺序异构
单体具有不对称取代基产生的三种结构变化：
单体单元 取代基R
键接异构
来自百度文库
单体具有多处双键，产生键接异构
高分子近程结构
异戊二烯的聚合
b 共聚物的序列结构
高分子近程结构
（a） 交替 （b） 无规 （c） 嵌段 （d） 接枝
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
材料科学基础
2012-2013（1） （第2课）
课件下载： www.115.Com 登录邮箱：clkxjc@sina.cn 登录密码：20112012
原子结构与键合 原子结构
•稳定的电子结构：
最外壳层中同一亚层各轨道上，全充满最稳定、 半充满、全空的状态较稳定
全充满
半充满
全空
元素周期表 原子结构与键合 原子结构
高分子链 原子间的键合
许多高分子依靠分子力结合成为高分子材料： 聚合物、高聚物、高分子化合物、高分子材料
聚乙烯高分子粒子
碳链高分子
高分子链 原子间的键合 主链
侧基
杂链分子 主链不仅含碳，还含氧、氮、硫等原子
均聚物——由同一种单体聚合而成 共聚物——由两种以上的单体聚合而成
高分子结构
1.2.5氢键
表达式： X－H Y
式中X和Y代表F，O，N等电负性大非金属原子 －为共价键， 氢键。
原子间的键合
氢键性质
氢键 原子间的键合
饱和性：
氢原子尺寸小，而其它原子比较大，一旦氢与一原子 形成的氢键，由于负离子之间的相互排斥，另一个 电负性大的原子就难于再接近氢原子。 这就是氢键的饱和性。
1.3 高分子链
1.3.1 高分子的近程结构
1 链结构单元的化学组成
乙烯（小分子） 分子式： C2H4 结构式: CH2=CH2
聚乙烯（PE）分子 （高分子）
原子间的键合
高分子链 原子间的键合
高分子链 原子间的键合 聚乙烯高分子链
单体单元
单体：乙烯
(结构单元、重复单元、链节)
书写法：
链节数n又称聚合度
原子结构与键合 原子结构
1.2.1金属键
原子间的键合
自由电子 电子气（电子海）
结合力：
正离子与电子气之间的静电力（库仑力）
金属键特点：
原子间的键合
电子共有化
无饱和性：
一个离子对周围电子海内所有电子都有引力
无方向性：
离子与电子之间作用力方向不限定
密堆结构
单种离子尽量彼此紧密靠近
高分子近程结构
4高分子链的构型
a 旋光异构（立体异构）
旋光异构体
单体单元上侧基和取代基位置造成异构体互为镜影对称， 称为旋光异构体。
两种镜向乳酸分子不能叠加重合—旋光异构体
原子间的键合
电负性相差较大的原子结合，一般为金属与非金属
（材料必然由两种以上元素组成）
正负离子相间排列 离子尺寸差异是具体排列方式重要因素（几何因素） 离子键无方向性和饱和性（只考虑库仑力因素）
+－+－+－+－ －+－+－+－+ +－+－+－+－ －+－+－+－+
原子间的键合
离子键材料性质：
高分子材料以共价键为主 无机非金属材料中有相当大比例
共价键特点
方向性
与电子云的方向性特点对应
饱和性 H
C
O 极性
原子间的键合
CH4 甲烷 H—C—H 键角109°28
— 表示共价键的键线 H20 水
H—O—H 键角104.5°
共价键材料性质
结构稳定（不溶解） 熔点高 硬度高 脆性大 不导电
熔点高 正负离子静电力强，结合牢固
硬度高 同上原因
固态绝缘性好 （熔融及在溶液中离子可参与导电）
脆性大
离子键物体的脆性
F
+－+－+－+－
－+－+－+－+
+－+－+－+－ －+－+－+－+
原子间的键合
1.2.3共价键
原子间的键合
电负性相差不大的原子通过共用电子对的 方式产生结合力
共价键—— 一对电子的电子云局部重合
原子得到电子的能力(夺取其电子需要较大能量）
非金属元素电离能和电负性比金属元素大
•价电子
金属铬的价电子数： +1 +2 +3 +4 +5 +6
•各元素原子半径各异
原子结构与键合 原子结构
1.2原子间的键合
原子结合的方式： 金属键 离子键 共价键 范德瓦耳力 氢键
氢键 原子间的键合
氢键性质
方向性：
先形成的共价键电偶极X—H与原子Y发生氢键结合时 只有当X—H---Y在同一条直线上时结合力最强。
氢键 原子间的键合
氢键性质
属于物理键 氢键结合力比范德瓦耳力大，但小于化学键，
属于次价键 具有无饱和性和方向性
氢键在高分子材料中较为重要
原子间的键合
氢键 —— 氢桥
高分子链的结构
高分子聚集态结构
近程结构
远程结构
§1 原子结构与键合
1.3.1 高分子的近程结构
1 链结构单元的化学组成
单体单元 (结构单元、重复单元、链节)
高分子近程结构
2 分子链几何形态
（1）线型（2）支化 （3）交联（4）体型（三维网状分子结构）
3 结构单元的键接方式
高分子近程结构
a 均聚物结构单元的链接
原子间的键合
C 金刚石（ 钻石） 熔点3550℃ 硬度是金属的数千倍
原子间的键合
1.2.4范德瓦耳力
具有偶极子的原子和分子间的库仑力 偶极子：电荷相等的一对带电体，如果各
自电荷中心不重合，称为偶极子。
范德瓦耳力
原子及分子产生偶极子的方式及其范德瓦耳力： 静电力 诱导力 色散力
静电力 极性分子之间的引力
金属键材料性质： 良好导电 良好导热性 延展性好
容易与其它元素起 反应
金属光泽
原子间的键合
延展性好
原子间的键合
1.2.2 离子键
两种不同原子接近时，其一原子外层电子转移到 另一原子外层轨道内，产生一个异号离子对，正 负离子因库仑力相互吸引，结合在一起。
有电子转移的键合:化学键
离子键特点：
范德瓦耳力 原子间的键合
诱导力
范德瓦耳力 原子间的键合
色散力（伦敦力）
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力 原子间的键合
范德瓦耳力特点
物理键：无电子转移
次价键：结合力很小,大约为主价键力的1%—10% 主价键：金属键、离子键、共价键
范德瓦耳力无方向性、无饱和性
分子之间结合成的物质中普遍存在，也称为分子力
顺序异构
单体具有不对称取代基产生的三种结构变化：
单体单元 取代基R
键接异构
来自百度文库
单体具有多处双键，产生键接异构
高分子近程结构
异戊二烯的聚合
b 共聚物的序列结构
高分子近程结构
（a） 交替 （b） 无规 （c） 嵌段 （d） 接枝
©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license.
材料科学基础
2012-2013（1） （第2课）
课件下载： www.115.Com 登录邮箱：clkxjc@sina.cn 登录密码：20112012
原子结构与键合 原子结构
•稳定的电子结构：
最外壳层中同一亚层各轨道上，全充满最稳定、 半充满、全空的状态较稳定
全充满
半充满
全空
元素周期表 原子结构与键合 原子结构
高分子链 原子间的键合
许多高分子依靠分子力结合成为高分子材料： 聚合物、高聚物、高分子化合物、高分子材料
聚乙烯高分子粒子
碳链高分子
高分子链 原子间的键合 主链
侧基
杂链分子 主链不仅含碳，还含氧、氮、硫等原子
均聚物——由同一种单体聚合而成 共聚物——由两种以上的单体聚合而成
高分子结构
1.2.5氢键
表达式： X－H Y
式中X和Y代表F，O，N等电负性大非金属原子 －为共价键， 氢键。
原子间的键合
氢键性质
氢键 原子间的键合
饱和性：
氢原子尺寸小，而其它原子比较大，一旦氢与一原子 形成的氢键，由于负离子之间的相互排斥，另一个 电负性大的原子就难于再接近氢原子。 这就是氢键的饱和性。
1.3 高分子链
1.3.1 高分子的近程结构
1 链结构单元的化学组成
乙烯（小分子） 分子式： C2H4 结构式: CH2=CH2
聚乙烯（PE）分子 （高分子）
原子间的键合
高分子链 原子间的键合
高分子链 原子间的键合 聚乙烯高分子链
单体单元
单体：乙烯
(结构单元、重复单元、链节)
书写法：
链节数n又称聚合度
原子结构与键合 原子结构
1.2.1金属键
原子间的键合
自由电子 电子气（电子海）
结合力：
正离子与电子气之间的静电力（库仑力）
金属键特点：
原子间的键合
电子共有化
无饱和性：
一个离子对周围电子海内所有电子都有引力
无方向性：
离子与电子之间作用力方向不限定
密堆结构
单种离子尽量彼此紧密靠近
高分子近程结构
4高分子链的构型
a 旋光异构（立体异构）
旋光异构体
单体单元上侧基和取代基位置造成异构体互为镜影对称， 称为旋光异构体。
两种镜向乳酸分子不能叠加重合—旋光异构体
原子间的键合
电负性相差较大的原子结合，一般为金属与非金属
（材料必然由两种以上元素组成）
正负离子相间排列 离子尺寸差异是具体排列方式重要因素（几何因素） 离子键无方向性和饱和性（只考虑库仑力因素）
+－+－+－+－ －+－+－+－+ +－+－+－+－ －+－+－+－+
原子间的键合
离子键材料性质：
高分子材料以共价键为主 无机非金属材料中有相当大比例
共价键特点
方向性
与电子云的方向性特点对应
饱和性 H
C
O 极性
原子间的键合
CH4 甲烷 H—C—H 键角109°28
— 表示共价键的键线 H20 水
H—O—H 键角104.5°
共价键材料性质
结构稳定（不溶解） 熔点高 硬度高 脆性大 不导电
熔点高 正负离子静电力强，结合牢固
硬度高 同上原因
固态绝缘性好 （熔融及在溶液中离子可参与导电）
脆性大
离子键物体的脆性
F
+－+－+－+－
－+－+－+－+
+－+－+－+－ －+－+－+－+
原子间的键合
1.2.3共价键
原子间的键合
电负性相差不大的原子通过共用电子对的 方式产生结合力
共价键—— 一对电子的电子云局部重合