第三章材料的原子结构和原子间的结合键说课讲解
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 材料中原子的排列
3. 晶体的特征 （1）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一 定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周 期 ）。 （2）有固定的凝固点和熔点 （3）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常 是不同的 ：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强 度、光学性质 ）。
第三章材料的原子结构和原子间 的结合键
第一节 材料的结合方式
§3.1.1 化学键
结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固 体的方式和结合力的大小。 结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学 键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后 不再仅仅属于原来的原子 )。 化学键有：离子键、共价键、金属键。
（2）晶胞 从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。 在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是最小平行六 面体 。 整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。 （3）晶格 将阵点用一系列平来自百度文库直线连接起来，构成一空间格架叫晶 格。
图 硅原子四个价键 和 硅的键角
（3）共价晶体特点 结构稳定,熔点高,质硬脆,一般是绝缘体,其导电性能差。
图 共价键的断裂
图 金刚石型结构(a)晶胞；(b)原子在底面的投影
2.离子键 （1）离子键的定义 当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的 原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正 离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠 静电引力结合在一起形成离子键 。 （2）离子键的特点 常温下，电绝缘体；在高温熔融状态时，正负离子在外 电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。 离子键没有方向性、无饱和性。
金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
键合强弱
形成晶体的特点
强 无方向性键、高配位数、 高熔点、高强度、高硬 度、固态不导电、熔态 离子导电
最强
有方向性键、低配位数、 高熔点、高强度、高硬 度、即使在熔态也不导 电
较强
无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性
左图 NaCl离子晶体 上图 离子键材料导电性
（3）离子晶体的特点 离子键很强，故有较高熔点，固体下不导电，熔融时才 导电。 离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏，脆性 材料。 较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力 ）
3.金属键 （1）金属键的定义 由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属 键。 金属键的经典模型有两种：一种认为金属原子全部离子 化；一种认为金属键包括中性原子间的共价键及正离子与 自由电子间的静电引力的复杂结合。 （2）金属键的特点 金属键无方向性，金属键无饱和性，具有高对称性。
最弱 无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图 金属的变形
图 共价键的断裂
§3.1.2 工程材料的键性
图 工程材料的 键性
第二节 晶体学基础
§3.2.1 晶体与非晶体
1.晶体的定义 物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周 期性重复排列所形成的物质叫晶体。 2. 非晶体 非晶体在整体上是无序的 ；近程有序 。
OO HH
羧 酸 分 子 之 间 ： O H O
RC
CR
O H O
聚 酰 胺 分 子 之 间 ：C N H OO N H C
b．分子内氢键
邻羟基苯甲酸：
HO
O
C
H
O
类型
作用力来源
离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力
4.晶体与非晶体的区别 a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复 排列 b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存 在一个软化温度范围 c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各 向同性，称“伪各向同性”）
5.晶体与非晶体的相互转化 玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得 到非晶态 获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法 ）
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光 的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
思考题
常见的金属基本上都是晶 体,但为什么不显示各向异 性?
多晶中各个晶粒往往取向 不同，所以多个晶粒集合 在一起在任一方向上都显 示不出某一个晶向的特性 来。
§3.2.2 空间点阵
1.基本概念 （1）空间点阵：为了便于研究晶体中原子(分子或离子) 的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质 性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。 这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可以是彼此等同 的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的 空间排列称为空间点阵。 可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点 有一群原子（原子集团）。
图 分子键
• 5.氢键
分子间或分子内均可形成，极性很强。 X—H键上的氢原子与另外一个键上的电 负性很大的原子Y上的孤对电子相互吸引 而形成的一种键（X—H….Y），有方向 性。
• 例如 a.分子间氢键
极 性 的 水 分 子 间 ： H H O
O
HH
极 性 的 醇 分 子 之 间 ： H R R
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 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。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。
3. 晶体的特征 （1）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一 定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周 期 ）。 （2）有固定的凝固点和熔点 （3）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常 是不同的 ：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强 度、光学性质 ）。
第三章材料的原子结构和原子间 的结合键
第一节 材料的结合方式
§3.1.1 化学键
结合键的定义：所谓结合键是指由原子结合成分子或固 体的方式和结合力的大小。 结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。 根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学 键和物理键。 化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后 不再仅仅属于原来的原子 )。 化学键有：离子键、共价键、金属键。
（2）晶胞 从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。 在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是最小平行六 面体 。 整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。 （3）晶格 将阵点用一系列平来自百度文库直线连接起来，构成一空间格架叫晶 格。
图 硅原子四个价键 和 硅的键角
（3）共价晶体特点 结构稳定,熔点高,质硬脆,一般是绝缘体,其导电性能差。
图 共价键的断裂
图 金刚石型结构(a)晶胞；(b)原子在底面的投影
2.离子键 （1）离子键的定义 当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的 原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正 离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠 静电引力结合在一起形成离子键 。 （2）离子键的特点 常温下，电绝缘体；在高温熔融状态时，正负离子在外 电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。 离子键没有方向性、无饱和性。
金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力
分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
键合强弱
形成晶体的特点
强 无方向性键、高配位数、 高熔点、高强度、高硬 度、固态不导电、熔态 离子导电
最强
有方向性键、低配位数、 高熔点、高强度、高硬 度、即使在熔态也不导 电
较强
无方向性键、配位数高、 塑性较好、有光泽、好 的导热、导电性
左图 NaCl离子晶体 上图 离子键材料导电性
（3）离子晶体的特点 离子键很强，故有较高熔点，固体下不导电，熔融时才 导电。 离子间发生相对位移，电平衡破坏，离子键破坏，脆性 材料。 较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力 ）
3.金属键 （1）金属键的定义 由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属 键。 金属键的经典模型有两种：一种认为金属原子全部离子 化；一种认为金属键包括中性原子间的共价键及正离子与 自由电子间的静电引力的复杂结合。 （2）金属键的特点 金属键无方向性，金属键无饱和性，具有高对称性。
最弱 无方向性键、结构密堆、 高熔点、绝缘
思考题
为什么金属具有良好的塑性,而共价晶体一般硬而且脆?
图 金属的变形
图 共价键的断裂
§3.1.2 工程材料的键性
图 工程材料的 键性
第二节 晶体学基础
§3.2.1 晶体与非晶体
1.晶体的定义 物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周 期性重复排列所形成的物质叫晶体。 2. 非晶体 非晶体在整体上是无序的 ；近程有序 。
OO HH
羧 酸 分 子 之 间 ： O H O
RC
CR
O H O
聚 酰 胺 分 子 之 间 ：C N H OO N H C
b．分子内氢键
邻羟基苯甲酸：
HO
O
C
H
O
类型
作用力来源
离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力
4.晶体与非晶体的区别 a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复 排列 b.晶体熔化时具有固定的熔点,而非晶体无明显熔点,只存 在一个软化温度范围 c.晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性（多晶体也呈各 向同性，称“伪各向同性”）
5.晶体与非晶体的相互转化 玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃 通常呈晶体的物质如果将它从液态快速冷却下来也可能得 到非晶态 获得非晶态的金属和合金（采用特殊的制备方法 ）
图 金属键、金属的导电性和金属的变形
（3）金属键型晶体的特征 良好的延展性 良好的导电性 具有正的电阻温度系数 导热性好 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光 的能量 ）
4.范德瓦尔键 分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷， 一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微 弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也 叫分子键。 范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性。 比化学键的键能少1～2个数量级。
思考题
常见的金属基本上都是晶 体,但为什么不显示各向异 性?
多晶中各个晶粒往往取向 不同，所以多个晶粒集合 在一起在任一方向上都显 示不出某一个晶向的特性 来。
§3.2.2 空间点阵
1.基本概念 （1）空间点阵：为了便于研究晶体中原子(分子或离子) 的排列情况，将晶体看成是无错排的理想晶体，忽略其物质 性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。 这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可以是彼此等同 的原子群或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的 空间排列称为空间点阵。 可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点 有一群原子（原子集团）。
图 分子键
• 5.氢键
分子间或分子内均可形成，极性很强。 X—H键上的氢原子与另外一个键上的电 负性很大的原子Y上的孤对电子相互吸引 而形成的一种键（X—H….Y），有方向 性。
• 例如 a.分子间氢键
极 性 的 水 分 子 间 ： H H O
O
HH
极 性 的 醇 分 子 之 间 ： H R R
1.共价键 （1）共价键的定义 有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数 元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产 生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。 （2）共价键的特点 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。 共价键具有方向性、饱和性。 金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物。