材科+第一章原子结构与键合
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1）能量最低原理：电子排布总是尽可能使体系的能量最低 K→L→M→N… 2）泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动 状态完全相同的两个原子。主量子数为n, 最多容纳电子数 2n2 3）洪德（Hund）定则：在同一亚层的各个能级中，电子的排布尽可 能分占不同的能级，且自旋方向相同。
原子序数较大时，能级有重叠现象
前言
前言
材料科学研究的目的
1.了解和学会合理使用现有的材料。 2.研究开辟现有材料的新工艺、新用途。 3.研究和创建新材料。
前言
❖ 材料分类：金属、陶瓷、高分子、复合材料
❖ 材料性能：
成分 微观组织
原子间的相互作用 在空间的排列分布 原子集合体的形貌特征
❖ 物质由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子的电子结构决 定了原子之间的结合形式 —— 键合
分子：单独存在、保持物质化学特性 分子体积：很小，如d（H2O） = 0.2nm 分子质量：有大有小，如蛋白质、H2 原子： 化学变化中的最小微粒
中子 电中性 原子核
原子
质子 正电荷
电子 负电荷
原子直径：~10-10m 质子质量：~1.67×10-24g
原子核直径：~10-15m 电子质量：~9.11×10-28g
2. 高分子材料：有机聚合物
以高分子化合物为主要成分，与各种添加剂配合，经加 工而成的有机合成材料。包括塑料、橡胶、合成纤维、粘 合剂、涂料等。
热塑性塑料：尼龙 聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯 ……
热固性塑料：树脂 聚氨酯
弹性材料：天然橡胶 合成橡胶
3.陶瓷材料：以天然硅酸盐矿物或人工合成的氧化物、碳化
共用电子对在两成键原子之间
极性键 偏向某一个原子 非极性键 不偏不倚 如（H2）
特点：饱和性，方向性 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差
碳原子间共价键示意图
❖ 范德瓦尔斯力
近邻原子的相互作用引起电荷位移形成偶极子 电偶极矩的感应作用 包括：静电力、诱导力、色散力 特点：属物理键 ，系次价键，无方向性和饱和性，但能很大程度 改变
物、氮化物等为原料，经粉碎、成形、烧结而成的无机非 金属材料。包括 普通陶瓷和特种陶瓷
4.复合材料：由两种或两种以上不同材料组合而成的多相固
体材料，其组成主要包括基体材料(主要起粘结作用)和增强 材料(起承受载荷和显示功能的作用)。
环球网2015年2月25日报道，福特汽 车公司宣布，将与美国陶氏化学合 作，研究制造创新性碳纤维复合材 料，在未来的产品上用使用。
材料性质
原子或分子偶极
极性分子间的范德瓦尔斯力示意图
❖ 氢键
极性分子键，存在于HF，H2O，NF3 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，具有饱和性和方向性
HF氢键示意图
Fe：1s22s22p63s23p63d8
×
1s22s22p63s23p63d64s2
√
❖元素周期表
元素：具有相同核电荷数的同一类原子的总称 元素周期律：元素的外层电子结构随原子序数的递增呈周期性变化
同一周期：核外电子层相同，从左到右，电荷数↑，原子半径↓ ，电离 能↑，失电子能力↓ ，得电子能力↑，金属性↓ ，非金属性↑ 同一主族：从上到下：电子层数↑，原子半径↑，电离能↓ ，失电子能 力↑，得电子能力↓ ，金属性↑，非金属性↓
前言
❖ 材料分类：金属、陶瓷、高分子、复合材料
❖ 材料性能：
成分 微观组织
原子间的相互作用 在空间的排列分布 原子集合体的形貌特征
❖ 物质由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子的电子结构决 定了原子之间的结合形式 —— 键合
第一章原子结构与键合
❖1.1 原子结构
物质的组成：分子、原子或离子
❖ 原子的电子结构
电子云：电子在核外高速转动，呈云雾状。
描述原子中一个电子的空间和能量，用四个量子数表示 ：
1）主量子数 n :决定原子中电子能量以及与 核的平均距离，只能是正整数 1，2，3，4… ， 表示量子壳层 K，L，M，N. . . 2）轨道角动量量子数 li ：决定电子在同一壳 层内所处的能级，与电子运动的角动量有关，
❖ 离子键
多数盐类、碱类和金属氧化物 实质：金属原子将最外层电子给予非 金属原子，正负离子靠静电引力结合 在一起。 特点：以离子而不是以原子为结合单 元，无方向性，无饱和性 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝 缘体
NaCl离子键的示意图
❖ 共价键
通过共用电子对而形成的键合（C,Si,Sn,Ge,聚合物，无机非金属）
和- 1 2
❖ 原子的电子结构 1）主量子数n：决定原子轨道的大小（即电子层）和
电子的能量。
2）角量子数li ：决定原子轨道或电子云的形状同时 也影响电子的能量。
3）磁量子数mi ：决定原子轨道或电子云在空间的伸 展方向。
4）自旋量子数si ：决定电子的自旋方向
❖ 核外电子排列遵循以下三个原则：
前言
1. 金属材料：纯金属及其合金。
合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金 属元素组成具有金属性的材料。金属性的特征是具有正的电阻 温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。
钢铁材料(黑色金属) 钢 铸铁
非铁金属材料(有色金属) 轻金属 Al Mg Ca Na … 贵金属 Ag Au Pt Ru Ir 稀土金属 Re(Y Nd …)
同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 元素化合能力：化合价与原子上的电子结构，特别是价电子数密切相关
❖1.2 原子间的键合
化学键 物理键
金属键 离子键 共价键
主价键 次价键
氢键
❖ 金属键
介于化学键和范Biblioteka Baidu华力之间
金属键示意图
金属原子：最外层电子数少，易挣脱原子核束缚，形成电子云 金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合 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：导电性，导热性，延展性
取值 0，1，2 . . .n-1，用s,p,d,f…表示
3）磁量子数 mi : 给出每个轨道角动量量子数 的能级数或轨道数。每个li下的磁量子数总数
钠原子结构中K,L和M量 子壳层的电子分布状况
为 2 li +1，决定电子云的空间取向
4）自旋角动量量子数
si
:
反映电子不同的自旋方向，规定为
+
1 2
重金属 Cu Ni Pb Sn Zn … 稀有金属 Zr Ti Nb … 放射性金属 Ra U Th …
Periodic table of the elements with those elements that are inherently metallic in nature in color.
原子序数较大时，能级有重叠现象
前言
前言
材料科学研究的目的
1.了解和学会合理使用现有的材料。 2.研究开辟现有材料的新工艺、新用途。 3.研究和创建新材料。
前言
❖ 材料分类：金属、陶瓷、高分子、复合材料
❖ 材料性能：
成分 微观组织
原子间的相互作用 在空间的排列分布 原子集合体的形貌特征
❖ 物质由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子的电子结构决 定了原子之间的结合形式 —— 键合
分子：单独存在、保持物质化学特性 分子体积：很小，如d（H2O） = 0.2nm 分子质量：有大有小，如蛋白质、H2 原子： 化学变化中的最小微粒
中子 电中性 原子核
原子
质子 正电荷
电子 负电荷
原子直径：~10-10m 质子质量：~1.67×10-24g
原子核直径：~10-15m 电子质量：~9.11×10-28g
2. 高分子材料：有机聚合物
以高分子化合物为主要成分，与各种添加剂配合，经加 工而成的有机合成材料。包括塑料、橡胶、合成纤维、粘 合剂、涂料等。
热塑性塑料：尼龙 聚乙烯 聚氯乙稀 聚丙烯 ……
热固性塑料：树脂 聚氨酯
弹性材料：天然橡胶 合成橡胶
3.陶瓷材料：以天然硅酸盐矿物或人工合成的氧化物、碳化
共用电子对在两成键原子之间
极性键 偏向某一个原子 非极性键 不偏不倚 如（H2）
特点：饱和性，方向性 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差
碳原子间共价键示意图
❖ 范德瓦尔斯力
近邻原子的相互作用引起电荷位移形成偶极子 电偶极矩的感应作用 包括：静电力、诱导力、色散力 特点：属物理键 ，系次价键，无方向性和饱和性，但能很大程度 改变
物、氮化物等为原料，经粉碎、成形、烧结而成的无机非 金属材料。包括 普通陶瓷和特种陶瓷
4.复合材料：由两种或两种以上不同材料组合而成的多相固
体材料，其组成主要包括基体材料(主要起粘结作用)和增强 材料(起承受载荷和显示功能的作用)。
环球网2015年2月25日报道，福特汽 车公司宣布，将与美国陶氏化学合 作，研究制造创新性碳纤维复合材 料，在未来的产品上用使用。
材料性质
原子或分子偶极
极性分子间的范德瓦尔斯力示意图
❖ 氢键
极性分子键，存在于HF，H2O，NF3 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，具有饱和性和方向性
HF氢键示意图
Fe：1s22s22p63s23p63d8
×
1s22s22p63s23p63d64s2
√
❖元素周期表
元素：具有相同核电荷数的同一类原子的总称 元素周期律：元素的外层电子结构随原子序数的递增呈周期性变化
同一周期：核外电子层相同，从左到右，电荷数↑，原子半径↓ ，电离 能↑，失电子能力↓ ，得电子能力↑，金属性↓ ，非金属性↑ 同一主族：从上到下：电子层数↑，原子半径↑，电离能↓ ，失电子能 力↑，得电子能力↓ ，金属性↑，非金属性↓
前言
❖ 材料分类：金属、陶瓷、高分子、复合材料
❖ 材料性能：
成分 微观组织
原子间的相互作用 在空间的排列分布 原子集合体的形貌特征
❖ 物质由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子的电子结构决 定了原子之间的结合形式 —— 键合
第一章原子结构与键合
❖1.1 原子结构
物质的组成：分子、原子或离子
❖ 原子的电子结构
电子云：电子在核外高速转动，呈云雾状。
描述原子中一个电子的空间和能量，用四个量子数表示 ：
1）主量子数 n :决定原子中电子能量以及与 核的平均距离，只能是正整数 1，2，3，4… ， 表示量子壳层 K，L，M，N. . . 2）轨道角动量量子数 li ：决定电子在同一壳 层内所处的能级，与电子运动的角动量有关，
❖ 离子键
多数盐类、碱类和金属氧化物 实质：金属原子将最外层电子给予非 金属原子，正负离子靠静电引力结合 在一起。 特点：以离子而不是以原子为结合单 元，无方向性，无饱和性 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝 缘体
NaCl离子键的示意图
❖ 共价键
通过共用电子对而形成的键合（C,Si,Sn,Ge,聚合物，无机非金属）
和- 1 2
❖ 原子的电子结构 1）主量子数n：决定原子轨道的大小（即电子层）和
电子的能量。
2）角量子数li ：决定原子轨道或电子云的形状同时 也影响电子的能量。
3）磁量子数mi ：决定原子轨道或电子云在空间的伸 展方向。
4）自旋量子数si ：决定电子的自旋方向
❖ 核外电子排列遵循以下三个原则：
前言
1. 金属材料：纯金属及其合金。
合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金 属元素组成具有金属性的材料。金属性的特征是具有正的电阻 温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。
钢铁材料(黑色金属) 钢 铸铁
非铁金属材料(有色金属) 轻金属 Al Mg Ca Na … 贵金属 Ag Au Pt Ru Ir 稀土金属 Re(Y Nd …)
同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子 元素化合能力：化合价与原子上的电子结构，特别是价电子数密切相关
❖1.2 原子间的键合
化学键 物理键
金属键 离子键 共价键
主价键 次价键
氢键
❖ 金属键
介于化学键和范Biblioteka Baidu华力之间
金属键示意图
金属原子：最外层电子数少，易挣脱原子核束缚，形成电子云 金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合 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：导电性，导热性，延展性
取值 0，1，2 . . .n-1，用s,p,d,f…表示
3）磁量子数 mi : 给出每个轨道角动量量子数 的能级数或轨道数。每个li下的磁量子数总数
钠原子结构中K,L和M量 子壳层的电子分布状况
为 2 li +1，决定电子云的空间取向
4）自旋角动量量子数
si
:
反映电子不同的自旋方向，规定为
+
1 2
重金属 Cu Ni Pb Sn Zn … 稀有金属 Zr Ti Nb … 放射性金属 Ra U Th …
Periodic table of the elements with those elements that are inherently metallic in nature in color.