材料科学基础(上海交大)第1章原子结构与键合4
《材料科学基础》第一章 原子结构与结合健
《材料科学基础》教学大纲四年制本科材料科学与工程专业用80 学时 4 学分一、课程性质和任务《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。
本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。
二、课程学习的目标和基本要求：1．对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。
初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。
2 ．课程的重点和难点本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。
难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3 ．先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配•教学基本内容第一章材料的结构（ 22 学时）1.1 晶体学基础1.2 常见的晶体结构1.3 固溶体的晶体结构1.4 金属间化合物的晶体结构1.5 硅酸盐结构1.6 非晶态固体结构1.7固体的电子能带结构理论1.8 团簇与纳米材料结构1.9 准晶结构本章重点：•结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、•单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。
•常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。
材料科学基础第一章原子结构与键合
7、原子质量素12C的原子质量的1/12 1 amu/atom (or molecule) = 1 g/mol
1.1.2 原子中的电子
电子的确定：
法拉第（Faraday）的电解电池实验，电子作为一个粒子的 概念开始产生； 1891年，斯托尼（Stoney）提出“电子”名称，表示电量单 位； 1897年，Thomson 阴极射线管实验，测定电子质量约为氢原 子质量的1/1840； 1909年，密利根（Millikan）油滴实验，测定电子电荷e。
Johannes Diderik Van der Waals (1837 – 1923) The Nobel Prize in Physics 1910 "for his work on the equation of state for gases and liquids"
偶极子（Dipoles）间的范德瓦尔键 一些高分子材料和陶瓷，它们的分子往往具有极性，即 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分则往往带负电 荷。一个分子的正电荷部位和另一个分子的负电荷部位 间的微弱静电吸引力将两个分子结合在一起，这种结合 方式称为范德瓦尔键，也称“分子键”。
离子键 与 共价键
离子键与共价键可共存； 2种键的存在取决于不同元素在周期表中相对位置
及电负性；
原子间距愈远，电负性差愈大，离子键性愈强
0.25(XA XB ) 2
%离子键性 = [1 e
] 100
XA，XB为元素的电负性
金属键 Metallic Bonding
当金属原子处于聚集状态时，几乎所有的原子都将它们的价 电子贡献出来，为整个原子集体所共有，形成所谓“电子 云”。贡献出价电子的原子成为正离子，与公有化的自由电 子间产生静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。
材料科学基础教案第一章
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静电力(electrost高分子链
Atomic Structure and Interatomic Bonding
第一章原子结构和键合
第二节 原子间的键合
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和运动规律； 以及原子集合体的形貌特征。
取代基围绕特定原子在空间的排布规律。
构型
构造
近程结构
单体通过聚合反应连接而成的链状分子，称为高分子链。 高分子中的重复结构单元的数目称为聚合度。 高分子链的化学组成不同，化学和物理性能也不同。
链结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito) 碳链高分子 聚乙烯（见书9）
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），并在整个晶体内运动，弥漫于金属正离子组成的晶格之中而形成电子云（electron cloud）。 金属中自由电子与金属正离子之间相互作用构成的键合称为金属键。 绝大多数金属均以金属键方式结合，基本特点——电子的共有化
诱导力(induction)
色散力(dispersive force)
贰
壹
上海交大材料科学基础知识点总结
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
材料科学基础ppt精品课件--原子结构与键合解读
conductivity） 。
2. 正的电阻温度系数。 绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然 下降，趋近于零。 3. 良好的塑性（plasticity）变形能力，金属材料的强度（strength）和 韧性好。 金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发 生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。 4. 不透明并呈现特有的金属光泽 金属中的自由电子能吸收并随后辐射出大部分投射到表面的光能。
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第一章 原子结构与键合
1.2 原子间的键合
结合键：使不同的原子、离子、分子结合在一起的结合力。 结合键(binding bond)分为两大类：
化学键（主价键、一次键）：通过外层轨道电子的转移或共
享，在相邻原子之间形成的强键。包括金属键、离子键、共价 键 。 键力由弱到强。
物理键（次价键、二次键）：在原子和分子间由由诱导或永
久电偶极子相互作用而产生的附键。包括范德华力、氢键。
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第一章 原子结构与键合
1.2.1 金属键(metallic bond) （链接）
自由电子—金属正离子间强烈的静电吸引力
特点：电子共有化，无饱和性，无方向性，形成低能量密堆 结构。
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第一章 原子结构与键合
金属的特性
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第一章 原子结构与键合 1.1.3 原子的电子结构 电子云(election atmosphere) ———
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数表示
• 核外电子的排布规律
材料科学基础课件第一章原子结构与键合
三、核外电子组态 在多电子的原子中核外电子的排布遵循如下三个原则： （1）能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。电子总是先占据能量最低的壳层，填满后在依次进入能量较高的壳层。 即按照如下顺序：K→L→M→……。在同一壳层中按照 s、p、d、f 的顺序排列。 （2）Pauli不相容原理（Pauli Exclusion Principle）：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不可能有四个量子数都相同的两个原子。 （3）Hund 规则：在同一亚层中的各个能级中电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同（有例外）。
按照波动力学观点，电子和一切微观粒子都具有二象性，即既具有粒子性，又具有波动性。也就是说对于以一定速度 u（动量为 p）运动的粒子，可与一个波长为 λ 的物质波建立联系，联系二象性的基本方程是： (1-103) 其中，u 是粒子运动的速度，p 是粒子的动量，h 是普朗克常量。
由(1-103)式可以看出，如果通过改变外场而改变电子的动量，电子波的波长也就随之而变该式可以认为是一切有关原子结构和晶体性质的理论的基础。 图1-102 玻尔模型和波动力学模型比较 由于电子具有波动性，谈论电子在某一瞬时的准确位置就没有意义。我们只能问电子出现在某一位置的几率(即可能性），因为电子有可能出现在各个位置，只是出现在不同位置的几率不同。
第一章 原子结构与键合 (Atomic structure and interatomic bonding) 本章要讨论的主要问题是： 为什么原子能结合成固体？ 材料中存在哪几种键合方式？ 决定键合方式的主要因素有哪些？ 材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？
第一节 原子结构 一、经典模型和玻尔（Bohr）理论 经典的原子模型认为，对原子序数为 Z 的原子，是由带正电荷 +Ze 的原子核和 Z 个绕核旋转的电子组成。为了解释原子的稳定性和原子光谱(尖锐的线状光谱），玻尔对此经典模型作了两点重要的修正。
材料科学基础 第一章 原子的结构与键合
第一章原子的结构与键合决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素的原子结构;原子间的相互作用，相互结合;原子或分子在空间的排列及运动规律，原子集合体的形貌特征物质是由原子组成----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1. 金属键(metallic bond) 自由电子——金属正离子间特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。
可以解释金属的一些特征，如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数。
2. 离子键(ionic bond) 金属正离子——非金属负离子之间特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。
可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。
3. 共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。
可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。
4. 氢键(hydrogen bond)5. 范德华力(Van Der Waals force)●金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键●陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合●一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力●聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键※1 原子结构（Atomic Structure ）1.1、物质的组成（Substance Construction）分子(Molecule)：单独存在且能保存物质化学特性dH2O=0.2nm M(H2)为2 M(protein)为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。
材料科学基础第1章原子结构与键合
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
材料科学基础习题1-答案-原子结构与键合
《材料科学基础》第一章习题——原子结构与键合1、2、a：高分子材料；b ：金属材料；c ：离子晶体3、对TiO2：IC=[1-e2)5.15.3)(25.0(--]×100=63.2% 对InSb ：IC=[1-e 2)7.19.1)(25.0(--]×100=1.0% 4、由于HF 分子间结合力是氢键，而HCl 分子间结合力是范德瓦耳斯力，氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能，因此HF 的沸点要比HCl 的高。
5、6、热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再形成；热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦定型后不能再改变形状，无法再生。
7、官能度是指一个单体能与别的单体发生键合的数目。
要获得三维网状的高分子材料，其单体至少需要三个官能度。
8、数均相对分子质量n M =Σx i M i =21150；重均相对分子质量w M =Σωi M i =23200；而PVC 每链节系由2个C 原子、3个H 原子和1个Cl 原子所组成，C ，H 和Cl 的相对原子质量分别为12.01，1.008和35.45，因此每链节的质量m =2×12.01+3×1.008+35.45=62.50故数均聚合度n n =m M n=50.6221150=338线型高分子、支化高分子、交联高分子、三维网状高分子等四类高聚物能否溶于溶剂？加热过程中能否变成液态和气态？ 结合键 高分子链结近程结构（一次结构）：化学结构，分子链中的原子排列，结构单元的键接顺序，支化，交联等。
远程结构（二次结构）：相对分子质量及分布，链的柔顺性及构象。
《材料科学基础》第一章 原子结构与结合健
《材料科学基础》教学大纲四年制本科材料科学与工程专业用80 学时 4 学分一、课程性质和任务《材料科学基础》是材料科学方法与工程专业一级学科公共主干课，是介于一般基础课与专业课之间的专业基础课。
本课程将系统全面介绍材料科学的基础理论知识，诸如固体材料的结合键，材料的结构与性能，材料中的扩散，材料的相变，材料的塑性变形与强化，以及材料科学研究方法等，将金属材料、无机非金属材料、聚合物材料紧密地结合在一起，使学生更好地把握材料的属性，熟悉材料的共性，为后继课程的学习、进一步深造和从事科技工作奠定基础。
二、课程学习的目标和基本要求：1．对能力培养的要求通过学习，要求学生掌握材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，深入理解材料组织结构—成分—工艺—性能相互关系，培养学生应用所学的知识，分析、解决材料研究、开发和使用中实际问题的能力。
初步掌握材料科学研究的思路和方法，为后续课程的学习和进一步深造奠定理论基础。
2 ．课程的重点和难点本课程重点是料组织结构—成分—工艺—性能相互关系的基本规律和基本理论，如材料结构与缺陷，材料凝固与相图，塑性变形与强韧化等，并能应用所学的理论分析和解决实际问题。
难点是材料结构，位错理论，合金凝固，二元相图，三元相图，材料强韧化，晶体塑性变形等，3 ．先修课程及基本要求无机化学、物理化学、材料力学三、课程内容及学时分配•教学基本内容第一章材料的结构（ 22 学时）1.1 晶体学基础1.2 常见的晶体结构1.3 固溶体的晶体结构1.4 金属间化合物的晶体结构1.5 硅酸盐结构1.6 非晶态固体结构1.7固体的电子能带结构理论1.8 团簇与纳米材料结构1.9 准晶结构本章重点：•结晶学基础知识 (晶体的概念与性质、晶体宏观对称要素、晶体定向、•单位平行六面体的划分、配位数与配位多面体的概念、鲍林规则 )。
•常见材料的结构理论与模型（常见无机化合物的晶体结构、硅酸盐晶体结构分类及特征、固溶体晶体结构类型及影响因素、缺陷化学反应表示法、金属间化合物的结构类型及影响因素，玻璃的结构）。
上交材料科学基础习题与解答
各章例题、习题以及解答第1章原子结构与键合1.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？????答案:在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然它们的化学性质相同的物质称为同位素。
由于各同位素的含中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同位素的元素总的相对原子质量不为正整数。
????2.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？????答案:原子数=个????价电子数=4×原子数=4×2.144×1024=8.576×1024个????a)????b) 共价键，共有 2.144×1024个；需破坏之共价键数为5×1010/2=2.5×1010个；所以????3.有一共聚物ABS（A-丙烯腈，B-丁二烯，S-苯乙烯），每一种单体的质量分数均相同，求各单体的摩尔分数。
????答案:丙烯腈(－C2H3CN－)单体相对分子质量为53；????丁二烯(－C2H3C2H3－) 单体相对分子质量为54;????苯乙烯(－C2H3C6H5－) 单体相对分子质量为104;????设三者各为1g，则丙烯腈有1/53mol，丁二烯有1/54mol，苯乙烯有1/104mol。
????故各单体的摩尔分数为1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？答案2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答案3.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？答案4.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答案5.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：4.31%的Cr原子含有26个中子，83.76%含有28个中子，9.55%含有29个中子，且2.38%含有30个中子。
材料科学基础(上海交大)第1章原子结构与键合4
图1.9
3）共聚物的结构
由两种或两种以上单体单元所组成的高分子称为共
聚物。
4）高分子链的构型 链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列， 这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断
不同的共聚物结构，对材料性能的影响也各不相同。
裂和重组。
构型不同的异构体有旋光异构和几何异构两种。
3. 旋光异构体
图1.2 元素周期表
1.2 原子间的键合
1.2.1 金属键
金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构 成键合称为金属键（图1.3-1.4）。金属键的基本特 点是电子的共有化。 金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子 有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的 密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互 位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良 好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般 都具有良好的导电和导热性能。
3. 磁量子数mi 磁量子数m 决定原子轨道在空间的取向。它的 取值为0,±1，±2,±3因此有2l+1种取向。
l =0时，m只能取0，s亚层只有1个轨道； l =1时，m可取-1、0、+1，p亚层有3个轨道。
同理，d亚层有5个轨道，f亚层有7个轨道。n和l 相同，但m不同的各原子轨道的能量相同，称为 简并轨道或等价轨道。
材料与化学化工学院
第1章 原子结构与键合
1.1
1.2 1.3
原子结构
原子间的键合 高分子链
重点和难点
• 描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数
• 核外电子排布遵循的原则
• 元素性质、原子结构和该元素在周期表中 的位置， 三者之间的关系
• 原子间结合键分类及其特点
• 高分子链的近程和远程结构
材料科学基础-名词解释
材料科学基础名词解释（上海交大第二版）第一章原子结构结合键结合键分为化学键和物理键两大类，化学键包括金属键、离子键和共价键；物理键即范德华力。
化学键是指晶体内相邻原子（或离子）间强烈的相互作用。
金属键金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键。
离子键阴阳离子之间通过静电作用形成的化学键叫作离子键共价键由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。
范德华力是借助临近原子的相互作用而形成的稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。
氢键氢与电负性大的原子（氟、氧、氮等）共价结合形成的键叫氢键。
近程结构高分子重复单元的化学结构和立体结构合称为高分子的近程结构。
它是构成高分子聚合物最底层、最基本的结构。
又称为高分子的一级结构远程结构由若干个重复单元组成的大分子的长度和形状称为高分子的远程结构第二章固体结构1、晶体：原子在空间中呈有规则的周期性重复排列的固体物质。
晶体熔化时具固定的熔点，具有各向异性。
2、非晶体：原子是无规则排列的固体物质。
熔化时没有固定熔点，存在一个软化温度范围，为各向同性。
3、晶体结构：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
4、空间点阵：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。
5、阵点：把实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体，并将其中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。
6、晶胞：为了说明点阵排列的规律和特点，在点阵中取出一个具有代表性的单基本元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。
7、晶系：根据六个点阵参数间的相互关系，将全部空间点阵归属于7中类型，即7个晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。
13、晶带轴：所有平行或相交于某一晶向直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。
属于此晶带的晶面称为共带面。
14、晶面间距：晶面间的距离。
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第1章原子结构和键合1.1原子结构1.1.1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1.1.2原子的结构1.1.3原子的电子结构核外电子排布遵循以下3个原则：1.1.4元素周期表⎧⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎪⎨⎪⨯⎪⎪⎩-27-27-31（proton）（neutron）质子：正电荷m＝1.6726×10kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电中子：电中性m＝1.6748×10kg 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 ） m ＝9.109510kg，约为质子的1/1836i i n K L M N l (the orbital quantum number)主量子数（the principal quantum number)： 决定原子中电子能量和核间距离(the energy of the electron)， 即量子壳层，取正整数1、2、3、4、5?…， 用、、、……表示轨道动量量子数： 给出电子在同一量子壳层内所处的能级, 与电子运动的角动量有i n 1, s p d f m the inner quantum number)(spatial orientation of an electron cloud)1),1,0,⋅⋅⋅⋅⋅⋅--⋅⋅⋅⋅⋅⋅-i i 关(shape of the electron subshell)， 取值为0，1，2，用，，，……表示磁量子数( ：决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向， 取值为-l ，-(l i 1,s the spin quantum number)⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⋅⋅⋅⋅⋅⋅⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩i l 自旋角动量量子数( ： 表示电子自旋（spin moment ）的方向，11取值为＋或-22不可能有运动状态完全相同的电子， 同一亚层中电子尽量分占不同能级，2能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s -2s -2p -3s -3p -4s -3d -4p -5s -4d -5p -Pauli 不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n Hund 原则（Hund' Rule)自⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎩⎩全充满半充满 全空旋方向相同 −−−−−−−−−−−→−−−−−−−−−−−−→电离核电荷↑，原子半径↓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↑电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓同周期元素：左右，金属性↓，非金属性↑同主族元素：上下，金属性↑，非金属性↓1.2原子间的键合1.2.1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1.2.2离子键（Ionic bonding)实质： 金属原子 带正电的正离子（Cation ）非金属原子 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1.2.3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1.2.4范德华力（Van der waals bonding)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1.2.5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1.3高分子链（High polymer Chain)⎧⎨⎩键电对键键两键间极性(Polar bonding):共用子偏于某成原子非极性（Nonpolar bonding): 位于成原子中⎧⎨⎩链结构（Chain Structure)高分子结构聚集态结构（Structure of aggregation state)1.3.1高分子链的近程结构1.结构单元的化学组成（the Chemistry of mer units)2.高分子链的几何形态（structure ）热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成型热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化后不能再改变形状，无法再生3.高分子链的键接方式4.高分子链的构型（Molecular configurations ）o 线热变软动热链联线胶联变强韧状性高分子（linear polymers）: 加后，甚至流，可反复加工－ 塑性（therm plastic）支高分子（branched polymers）：交高分子（crosslinked polymer）：性天然橡用S交后耐磨体型（立体网）高分子（network on three -dimensional poly ⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩mer)近程结构（一次结构）：化学结构，分子链中的原子排列，结构单元高分子链结构 的键接顺序，支化，交联等相对分子质量及其分布，链的柔顺性及构象1.3.2高分子链的远程结构1.高分子的大小2.高分子链的内旋转构象主链以共价键联结，有一定键长 d 和键角θ，每个单键都能内旋转（Chain twisting ）故高分子在空间形态有mn-1( m 为每个单键内旋转可取的位置数，n 为单键数目)※ 键的内旋转使得高分子存在多种构象统计学角度高分子链取 伸直（straight ）构象几率极小，呈卷曲（zigzag ）构象几率极大3.影响高分子链柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility ）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility ）处链两侧两单处链边体间无规（syndisotactic configurations): （isotactic configurations):（atactic configuration R取代基交替地在主平面， 即旋光异构元交替R取代基全在主平面一， 即全部由一种旋光异构同立构全同立构立构⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩链两侧规则s):R取代基在主平面不排列⎧⎪⎪⎨⎪⎪⎩链结响决内势垒从酰响链链对称积响联响联单键内转碍联时主构的影：起定性作用,C -O,C -N,Si-O 旋的比C -C低，而使聚酯， 聚胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好取代基的影：取代基的极性，沿分子排布距离，在主上性，体均有影交的影：因交附近的旋受阻，交度大，柔性↓↓第2章固体结构2.1晶体学基础（Basis Fundamentals of crystallography）晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列（periodic repeated array），即存在长程有序（long-range order）性能上两大特点：1.固定的熔点（melting point）,2.各向异性（anisotropy）2.1.1空间点阵和晶胞※空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵（space lattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)※晶胞（Unite cells）代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities选取晶胞的原则：Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。
材料科学基础-chp-1--原子结构与键合.答案
• 以半金属元素ⅣA为中心，可作为材料使用；性质活泼 的元素不宜用作材料。
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3、副族元素 ⅢB〜ⅡB
• 分别填入d内层电子（共10个）。
• 由于外层s电子为1、2个，几乎相同，化学性质变化不 大，统称“过渡族元素”。
• 因核内正电荷数目增加，对外层电子吸引力增大，稳 定性上升。
周期表中，周期数
代表了电子主层数n。
s
d
p
1、元素的周期性 f
1、2、3为短周期，外层电子只有s、p次层。
4、5、6、7为长周期，除s、p次层外，还有d层电子。
6、7周期中，除s、p、d外，还填入了f层电子。
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2、主族元素 ⅠA〜ⅧA
• 分别填入外层s、p电子（2+6=8），原子的电负性和 化学性质由此呈周期变化。
结构篇
第一章 原子结构与键合
内部结构 → 材料的性能
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章目录
1.1 原子结构及其周期性 1.2 原子间的键合 1.3 高分子链
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结构的四个层次
• 成分、加工工艺共同决定着材料的结构，材料的内部 结构决定了材料的性能。
• 材料结构分为四个层次:
•
原子结构
•
原子结合键
1、金属键（ ）
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（ ）极易
挣脱
原子核之束缚而成为自由电子（ ），形成电子云（ ）金属中自由电子与金
属正离子之间构成键合称为金属键
性质：良好导电、导热性能，延展性好
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• 2、离子键（ ) 实• 质： 金属原子
上海交大材料科学基础课件教学大纲
第一章原子结构和键合（4学时）了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素。
§1 原子结构(一)、原子结构； (二)、原子间的键合； (三)、高分子链。
§2 原子间的键合(一)、金属键 (二)、离子键 (三)、共价键(四)、范德华力 (五)、氢键第二章固体结构(8学时)固态原子按其原子（或分子）聚集的状态，可划分为晶体与非晶体两大类。
晶体中的原子在空间呈有规则的周期性重复排列；而非晶体中的原子则是无规则排列的。
材料的性能与材料各元素的原子结构和键合密切相关，也与固态材料中原子或分子在空间的分布排列和运动规律以及原子集合体的形貌特征密切相关。
§1 晶体学基础(一)、晶体的空间点阵1．空间点阵概念2．晶胞3．晶系与布拉菲点阵4．晶体结构与空间点阵的关系(二)、晶向指数和晶面指数1．阵点坐标2．晶向指数3．晶面指数4．六方晶系指数5．晶带6．晶面间距§2 金属的晶体结构(一)、面心立方晶体结构的晶体学特征(fcc)(二)、体心立方晶体结构的晶体学特征(bcc)(三)、密排六方晶体结构的晶体学特征(hcp)§3 金属的相结构(一)、固溶体1．置换固溶体2．间隙固溶体3．有序固溶体4．固溶体的性质(二)、中间相1．正常价化合物2．电子化合物3．原子尺寸因素化合物(ⅰ)间隙相和间隙化合物§4 离子晶体结构(一)、NaCl型结构 (二)、萤石型结构 (三)、CsCl型结构 (四)、a-Al2O3型结构§5 共价晶体结构(一)、金刚石结构 (二)、SiO2结构 (三)、VA、VIA族亚金属结构§6 聚合物晶态结构(一)、晶胞结构 (二)、晶态结构模型 (三)、聚合物结晶形态§7 非晶态结构第三章晶体缺陷(12学时)实际晶体常存在各种偏离理想结构的区域晶体缺陷。
根据晶体缺陷分布的几何特征可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
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3. 磁量子数mi 磁量子数m 决定原子轨道在空间的取向。它的 取值为0,±1，±2,±3因此有2l+1种取向。
l =0时，m只能取0，s亚层只有1个轨道； l =1时，m可取-1、0、+1，p亚层有3个轨道。
同理，d亚层有5个轨道，f亚层有7个轨道。n和l 相同，但m不同的各原子轨道的能量相同，称为 简并轨道或等价轨道。
称为几何异构
H │ CH 3 │ ─ C ＝ C │ H ─ H │ C │ H ─
─
C │ H
顺式二甲基丁二烯
反式二甲基丁二烯
1.3.2 高分子链的远程结构
1. 高分子的大小
高分子的相对分子质量不是均一的，它实
际上是由结构相同、组成相同但相对分子质量
大小不同的同系高分子的混合物聚集而成。低
聚物转向高分子时，强度有规律地增大。但增
材料与化学化工学院
第1章 原子结构与键合
1.1
1.2 1.3
原子结构
原子间的键合 高分子链
重点和难点
• 描述原子中电子的空间位置和能量的四个量子数
• 核外电子排布遵循的原则
• 元素性质、原子结构和该元素在周期表中 的位置， 三者之间的关系
• 原子间结合键分类及其特点
• 高分子链的近程和远程结构
学习方法指导
图1.2 元素周期表
1.2 原子间的键合
1.2.1 金属键
金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构 成键合称为金属键（图1.3-1.4）。金属键的基本特 点是电子的共有化。 金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子 有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的 密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互 位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良 好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般 都具有良好的导电和导热性能。
高度认识本章内容的重要性 本章是该课程的入门内容，初次接触较多的名 词术语，要从概念上掌握该章的内容。 对指标性内容采用记忆和推算结合的方式进行 掌握。这类指标如四个量子数、元素性质、原子 结构原子间结合键分类及其特点、高分子链的近 程和远程结构等，有的记忆相对容易，有的通过 画图计算的方式较为简单，可以结合自己的特长 进行选择。
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图1.5 离子键与离子晶体
1.2.3 共价键
两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用 电子对而形成的化学键就是共价键（图1.6）。共价 键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠， 形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较 小 。 共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物 和无机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体 中各个键之间都有确定的方位，配位数比较小。共 价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、 熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝 缘体，其导电性能差。
由烯烴单体合成的高聚物
CH 2 ─ CHR
n
在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两 种旋光异构单元 ，有三种排列方式：
间同立构（syndisotactic configurations): R取代基交替地处在主链平面两侧， 即两旋光异构单元交替 全同立构（isotactic configurations): R取代基全处在主链平面一边， 即全部由一种旋光异构体 无规立构（atactic configurations): R取代基在主链平面两侧不规则排列
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图1.3 金属键与金属晶体
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图1.4 金属键与金属晶体
1.2.2 离子键
大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子
称为高分子链，高分子中的重复结构单元的 数目称为聚合度。
1）碳链高分子 聚乙烯
H │ C │ H ─ H │ C │ H
n
主链以C原子间共价键相联结
加聚反应制得，
如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲 酯，聚丙烯。
2） 杂链高分子
图1.9
3）共聚物的结构
由两种或两种以上单体单元所组成的高分子称为共
聚物。
4）高分子链的构型 链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列， 这种排列是稳定的，要改变构型必须经过化学键的断
不同的共聚物结构，对材料性能的影响也各不相同。
裂和重组。
构型不同的异构体有旋光异构和几何异构两种。
3. 旋光异构体
长到一定的相对分子质量后，这种依赖性又变
得不明显了，强度逐渐趋于一极限值。
2. 高分子的内旋转构象
单键是由δ电子组成，线型高分子链中含有成
千上万个δ键。由于分子上非键合原子之间的相互
作用，内旋转一般是受阻的，即旋转时需要消耗
一定的能量。高分子链的内旋转也像低分子一样，
因受链上的原子或基团的影响不是完全自由的。
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© 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™ຫໍສະໝຸດ 图1.6 共价键与原子晶体
1.2.4 范德华力
它是属物理键，系一种次价键，没有方向性和
饱和性（图1.7）。比化学键的键能少1～2个数量
涤纶
O C ─ ─ O C │ ─ O ─ H │ C │ H ─ H │ C │ H ─ O
n
主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等，并 以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸乙
二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等。
1.1.1 物质的组成 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集
而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。
原子结构直接影响原子间的结合方式。
1.1.2 原子的结构
近代科学实验证明：原子是由质子和中子组 成的原子核，以及核外的电子所构成的，原子的 体积很小，直径约为10-10 m数量级，而其原子核 直径更小，仅为10-15 m数量级。然而，原子的质 量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子
2. 高分子链结构单元的键合方式
1） 均聚物结构单元键接方式
单烯类单体中除乙烯分子是完全对称的，其结
构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它
单体因有不对称取代，故有三种不同的键接方式
（以氯乙烯为例）：
─ CH 2
─ CH │ Cl
─ CH │ Cl
─ CH 2
─ CH │ Cl
头—头
─ CH │ Cl
高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方 面。链结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于 化学结构，又称一级结构。远程结构又称二级结构， 是指单个高分子的大小和形态、链的柔顺性及分子在 各种环境中所采取的构象。
1.3.1 高分子链的近程结构
1. 链结构单元的化学组成
单体通过聚合反应连接而成的链状分子，
─ CH 2
─ CH 2
─ CH │ Cl
─ CH 2
尾—尾
─ CH 2
─ CH │ Cl
─ CH 2
─ CH │ Cl
─ CH 2
头—尾
双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种， 还依双键开启位置而不同 。
2） 双组分共聚物单体链节的 连接方式（图1.9） 无规连接（无规共聚物） 交替连接（交替共聚物） 嵌段连接（交替共聚物） 分叉连接（接枝共聚物）
1.1.4 元素周期表
具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。 元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反
映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位
置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。
元素周期表（图1.2）共有七个横行，每一横行为
一个周期，共有七个周期。元素在周期表中所属周期
数等于该元素基态原子的电子层数，也等于元素基态 原子的最外电子层的主量子数。 元素周期表中各周期所包含元素的数目，等于相 应能级组中的原子轨道所能容纳的电子总数。
4. 几何异构
双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构 聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从 而每一双就可能有两种异构体之分：
顺式（cis - structure) 反式（trans - structure)
H │ ─ C │ H ─ CH 3 │ C ＝ H │ C ─ H │ C │ H ─
级。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。
1.2.5 氢键
它是一种特殊的分子间作用力（图1.8）。它
是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较 小的原子（O，F，N等）相结合而产生的具有比 一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢 键在高分子材料中特别重要。
1.3 高分子链
它既表现出一定的柔性，又表现出一定的刚性。
3. 影响高分子链柔性的主要因素
高分子链能够改变其构象的性质称为柔性。 a. 主链结构的影响： 主链结构对高分子链的刚柔性的 影响起决定性的作用。 b. 取代基的影响： 取代基团的极性、取代基沿分子链 排布的距离、取代基在主链上的对称性和取代基的
表示。
2. 轨道角量子数li
角量子数 l 决定原子轨道的形状，它的取值为 0、1、2….n-1。在多电子原子中，当 n 相同而 l
不同时,电子的能量还有差别又常将一个电子层分
为几个亚层。当 l = 0、1、2、3 时，分别称为 s、 p、d、f 亚层。 在多电子原子中， l 也决定着原子轨道的能量。 当 n 相同时，随 l 的增大，原子轨道的能量升高。