材料科学基础第1章原子结构与键合
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材料科学基础
第1章 原子结构和键合
材料科学基础第1章原子结构和键合
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） 以及原子集合体的形貌特征，（显微组 织）
材料科学基础第1章原子结构和键合
1.2 原子间的键合
化学键影响物质的化学性质（主）和 物理性质 范德华力影响物质的物理性质（熔、沸 点及溶解度等） 分子间范德华力越大，熔沸点越高
材料科学基础第1章原子结构和键合
思考？夏天经常见到许多壁虎在墙壁或天花板上爬行， 却掉不下来，为什么？ 壁虎为什么能在天花板土爬行自如?这曾是一个困扰 科学家一百多年的谜。用电子显微镜可观察到，壁虎 的四足覆盖着几十万条纤细的由角蛋白构成的纳米级 尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力?实验证明，如果在一 个分币的面积土布满100万条壁虎足的细毛，可以吊起 20kg重的物体。近年来，有人用计算机模拟，证明壁 虎的足与墙体之间的作用力在本质上是它的细毛与墙 体之间的范德华力。
冰是一种典型的氢键晶体，水分子 H2O之间主要靠氢键 相结合，氢原子不但与一个氧原子形成共价键，而且还 和另一个水分子中氧原子相吸引，但后者结合较弱。冰 有许多相，图2-1-3是冰的一种结构。氢键和范德瓦尔斯 键都是弱键，但前者较后者略强一些。
材料科学基础第1章原子结构和键合
范德华力、氢键和共价键的对比
+ b) –
极化分子
间的作用力
c)
a)理论的电子云分布 b)原子偶极矩的产生 c)原子（或分子）间的范德瓦耳斯键结合
材料科学基础第1章原子结构和键合
影响范德华力大小的因素 ①结构相似的分子，相对分子质量 越大，范德华力越大。如卤素单质 ②分子极性越强，范德华力越大
材料科学基础第1章原子结构和键合
பைடு நூலகம்
范德华力对物质性质的影响
范德华 力
氢键
共价键
概念 分子间 普遍存 在的作 用力
已经与电负性很强的原子 形成共价键的氢原子与另 一分子中电负性很强的原
子之间的作用力
原子之间通 过共用电子 对形成的化
学键
存在 分子之 分子间或分子内氢原子与 相邻原子之
范围 间 电负性很强的N、O、F之间
间
强度 微弱
对物 熔沸点 质的 影响
较弱 溶解性、熔沸点
材料科学基础第1章原子结构和键合
1.2
原 1.2.5 氢键
子
氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子
间
同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子
的
（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比一般次
键
价键大的键力，具有饱和性和方向性。如O-H—
合
O
材料科学基础第1章原子结构和键合
© 2003 Brooks/Cole Publishing /
材料科学基础第1章原子结构和键合
1.2 1.2.4 范德华力
原 分子内部原子间存在相互作用——化学键，形成或破坏化学键都伴随着能
子
量变化。
间 物质三相之间的转化也伴随着能量变化。这说明：分子间也存在着相互
的
作用力。
键
① 范德华力是一种分子间作用力，属物理键，是由 于原子核外电子云偏移形成极性的结果，没有方
1.2
原 1.2.1 金属键 1.2.2 离子键
子 1.2.3 共价键
间
的 1.2.4 范德华力 键 1.2.5 氢键 合 1.2.6 混合键
材料科学基础第1章原子结构和键合
共价键的特点： 每2个原子之间共享一个以上的价电子。 有方向性，2原子连接的方向即为键的方向。 晶体结构与键具有方向性有关。
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，包括范德瓦耳 斯键和氢键。
材料科学基础第1章原子结构和键合
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
一、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）
材料科学基础第1章原子结构和键合
阅读材料：
荷兰物理学家范德华,1910年获得诺贝尔物理奖,因 确立真实气体状态方程和分子间范德华力而闻名于世。
他是分子间作用力的首位发现者，所以人们又把分子 间作用力叫做范德华力。
范德华力是一种普遍存在于固体、液体和气 体中分子之间的作用力。
思考:
1、范德华力与化学键的强弱？ 2、影响范德华力的因素有哪些？ 3、范德华力是否具有饱和性和方向性？ 4、范德华力对物质的哪些性质有影响？
材料科学基础第1章原子结构和键合
很强
主要影响化 学性质
1.2.6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。
完全共价结合：金刚石 c-c,(共有的电子在两个C原子上被找到的概率相等） 完全离子键结合：NaCl
材料科学基础第1章原子结构和键合
石墨结构示意图
材料科学基础第1章原子结构和键合
2. SiO2、P2O5、B2O3等是玻璃的主要形成体，Stanworth 发现均具有混合型键。其中SiO2有 共价键──离子键； P2O5有 共价键──离子键；B2O3有 共价键──离子键。 形 成玻璃必须为混合键。
3. 大部分合金都具有金属键──共价键的混合键型，同时 键的性质可随成分变化，故可通过改变成分改变键性比 例，从而改进材料性能等。
合 向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。
② 不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范 德华力不同是一个重要因素。
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电子云
正电中心
原子核
原子核
a)
电子云
负电 中心
第1章 原子结构和键合
材料科学基础第1章原子结构和键合
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） 以及原子集合体的形貌特征，（显微组 织）
材料科学基础第1章原子结构和键合
1.2 原子间的键合
化学键影响物质的化学性质（主）和 物理性质 范德华力影响物质的物理性质（熔、沸 点及溶解度等） 分子间范德华力越大，熔沸点越高
材料科学基础第1章原子结构和键合
思考？夏天经常见到许多壁虎在墙壁或天花板上爬行， 却掉不下来，为什么？ 壁虎为什么能在天花板土爬行自如?这曾是一个困扰 科学家一百多年的谜。用电子显微镜可观察到，壁虎 的四足覆盖着几十万条纤细的由角蛋白构成的纳米级 尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力?实验证明，如果在一 个分币的面积土布满100万条壁虎足的细毛，可以吊起 20kg重的物体。近年来，有人用计算机模拟，证明壁 虎的足与墙体之间的作用力在本质上是它的细毛与墙 体之间的范德华力。
冰是一种典型的氢键晶体，水分子 H2O之间主要靠氢键 相结合，氢原子不但与一个氧原子形成共价键，而且还 和另一个水分子中氧原子相吸引，但后者结合较弱。冰 有许多相，图2-1-3是冰的一种结构。氢键和范德瓦尔斯 键都是弱键，但前者较后者略强一些。
材料科学基础第1章原子结构和键合
范德华力、氢键和共价键的对比
+ b) –
极化分子
间的作用力
c)
a)理论的电子云分布 b)原子偶极矩的产生 c)原子（或分子）间的范德瓦耳斯键结合
材料科学基础第1章原子结构和键合
影响范德华力大小的因素 ①结构相似的分子，相对分子质量 越大，范德华力越大。如卤素单质 ②分子极性越强，范德华力越大
材料科学基础第1章原子结构和键合
பைடு நூலகம்
范德华力对物质性质的影响
范德华 力
氢键
共价键
概念 分子间 普遍存 在的作 用力
已经与电负性很强的原子 形成共价键的氢原子与另 一分子中电负性很强的原
子之间的作用力
原子之间通 过共用电子 对形成的化
学键
存在 分子之 分子间或分子内氢原子与 相邻原子之
范围 间 电负性很强的N、O、F之间
间
强度 微弱
对物 熔沸点 质的 影响
较弱 溶解性、熔沸点
材料科学基础第1章原子结构和键合
1.2
原 1.2.5 氢键
子
氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子
间
同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子
的
（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比一般次
键
价键大的键力，具有饱和性和方向性。如O-H—
合
O
材料科学基础第1章原子结构和键合
© 2003 Brooks/Cole Publishing /
材料科学基础第1章原子结构和键合
1.2 1.2.4 范德华力
原 分子内部原子间存在相互作用——化学键，形成或破坏化学键都伴随着能
子
量变化。
间 物质三相之间的转化也伴随着能量变化。这说明：分子间也存在着相互
的
作用力。
键
① 范德华力是一种分子间作用力，属物理键，是由 于原子核外电子云偏移形成极性的结果，没有方
1.2
原 1.2.1 金属键 1.2.2 离子键
子 1.2.3 共价键
间
的 1.2.4 范德华力 键 1.2.5 氢键 合 1.2.6 混合键
材料科学基础第1章原子结构和键合
共价键的特点： 每2个原子之间共享一个以上的价电子。 有方向性，2原子连接的方向即为键的方向。 晶体结构与键具有方向性有关。
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，包括范德瓦耳 斯键和氢键。
材料科学基础第1章原子结构和键合
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一、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）
材料科学基础第1章原子结构和键合
阅读材料：
荷兰物理学家范德华,1910年获得诺贝尔物理奖,因 确立真实气体状态方程和分子间范德华力而闻名于世。
他是分子间作用力的首位发现者，所以人们又把分子 间作用力叫做范德华力。
范德华力是一种普遍存在于固体、液体和气 体中分子之间的作用力。
思考:
1、范德华力与化学键的强弱？ 2、影响范德华力的因素有哪些？ 3、范德华力是否具有饱和性和方向性？ 4、范德华力对物质的哪些性质有影响？
材料科学基础第1章原子结构和键合
很强
主要影响化 学性质
1.2.6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。
完全共价结合：金刚石 c-c,(共有的电子在两个C原子上被找到的概率相等） 完全离子键结合：NaCl
材料科学基础第1章原子结构和键合
石墨结构示意图
材料科学基础第1章原子结构和键合
2. SiO2、P2O5、B2O3等是玻璃的主要形成体，Stanworth 发现均具有混合型键。其中SiO2有 共价键──离子键； P2O5有 共价键──离子键；B2O3有 共价键──离子键。 形 成玻璃必须为混合键。
3. 大部分合金都具有金属键──共价键的混合键型，同时 键的性质可随成分变化，故可通过改变成分改变键性比 例，从而改进材料性能等。
合 向性和饱和性。比化学键的键能少1～2个数量级。
② 不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范 德华力不同是一个重要因素。
材料科学基础第1章原子结构和键合
© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
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