第一章原子结构与键合

量 子 数（Quantum number）
主量子数（principal, n） ：K、L、M、N、O、 · · ·
— 代表主壳层，与离原子核的距离相关（2种模型通用）
次量子数（subshell, l） ：s、p、d、f、· · ·
— 代表亚壳层，及其轨道数，与电子云形状相关
磁量子数（magnetic, m） ：-(l -1)、 · · · 、+(l -1)
1.2.2 原子结合的基本类型
Primary Interatomic Bonds（一次健）
离子键（Ionic Bonding）：电负性相差大的原子相互靠近时，
成为正负离子，通过库仑静电引力形成。
例如：NaCl, MgO A 吸引能： E A r
B 排斥能： E R n (n~8) r 无方向性（Non-directional）
量子力学中的原子模型
第一个模型：玻尔原子模型（Bohr Atomic model）
重要特征： 1、电子的特定轨道； 2、电子能量量子化，能级； 原子核 3、能级跃迁。 局限性： 无法解释多电子系统，只适 合氢原子，亦称为“玻尔氢 轨道电子 原子模型”。
第二个模型：几率波模型（Wave-mechanical model）
势 能
当r = r0 时， E0称为结合能（Bonding energy），将2个原子无限分 离所需能量。
通常r0 0.3nm (3Å)
原子间距
力、能量与原子间距离曲线
对于固态原子，都存在一个结合能E0； 结合能大， 则熔点高； 室温下，结合能决定固体、液体、气体状态； 力与原子间距离曲线形状——物质刚硬度相关； 能量与原子间距离曲线形状——物质热膨脹相关
0.25(XA XB ) 2
%离子键性 = [1 e
] 来自百度文库 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。
Pauli不相容原理（exclusion principle）：每个电子 能态最多容纳2个自旋相反的电子
洪德（Hund）法则：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
各壳层、亚壳层可容纳的电子状态数
电子的能级图
从低能到高能 轨道顺序，填 充电子
1s22s22p63s23p64s23d104p6…..
●元素周期表
元素周期表是元素周期律的具体表现形式， 元素性质——原子结构——周期表中位置三者有密切联系。
元素的电负性(Electronegativity)
1.2 固态中的原子键
1.2.1 键合力与能量 （Bonding Forces and Energy）
吸引力（Attractive force）FA； 排斥力（Repulsive force）FR； 净力 （Net force）FN
几率波模型的特点： 1、电子具有波动、粒子特性；
2、电子不再是在特定轨道上运动，其位置描述为 几率分布 （Probability distribution）、电子云（Electron cloud）。
两种模型中电子分布的比较
（a）玻尔模型
（b）几率波模型
两种模型中电子能态的比较
（a）玻尔模型
（b）几率波模型
极性分子 Polar molecule
H
Cl
+ 极化HCl分子图示
分子自身存在永久极化， 即正负电中心偏移； 极性分子使近邻非极性分 子极化（感应极化），产 生结合力； 键能略大于振动感应极化 键。
永久极性键 Permanent dipole bonds
氢键为典型例子：如H2O，HF，NH3等； 键能比其它类型范德瓦尔键能大，达0.52eV/Molecule.
1.1.3 元素周期表（Periodic table）
Alkali IA Alkali earth IIA
VIII IIIB IVB VB VIB VIIB IB IIB
Inert gas 0 Halogen IIIA IVA VA VIA VIIA
稀土系
Rare earth series
锕系
Actinide series
FN = FA + FR
吸引能（Attractive energy）EA； 排斥能（Repulsive energy）ER； 净能 （Net potential energy）EN
E N FN dr FA dr FR dr E A E R

r
r
r
力
平衡距离r0 Equilibrium spacing； 当 FA+ FR = 0 时的原子间距
热学特点
电学特点
熔点高，膨胀系数小， 熔点高，膨胀系数小， 有各种熔点高，导热性 熔体中有离子存在 熔体中有的含有分子 好，液态的温度范围宽
绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为非导体 导电体
根据原子间键和的不同，将材料分为金属、陶瓷和高分子
• 重要原因之一： 键的类型，能够用于解释材料的性质。 • 举例：“Graphite” 石墨 “Diamond” 金刚石
学 习 目 的
通过本章学习，应该能够做到以下几点： 1、两种原子模型的名称，及两者的差异； 2、能够描述主要的有关电子能量的量子力学原理； 3、对于两个原子与离子，能够画出原子间距与吸引、排斥 的能量简图，注意平衡间距和键能； 4、理解重要的术语和基本概念，包括主价键（离子键、共 价键、金属键）等，了解何种材料包含上述键。
教 学 内 容
• 1.1 原子结构 1.1.1 基本概念 1.1.2 原子中的电子 1.1.3 元素周期表 • 1.2 固态中的原子键 1.2.1 键合力与能量 1.2.2 原子结合的基本类型 1.2.3 范德瓦尔键
1.1.1 基本概念
1、基本电荷(Charge magnitude)：1.6021 x 10-19 C; 2、质子、中子质量(Proton, Neutron mass)：1.67 x 10-27 kg 3、电子质量(Electron mass)：9.1091 x 10-31 kg; 4、原子数( Atomic number Z) = 等于质子数 5、原子质量(Atomic mass A) = Proton mass + Neutron mass 6、同位素( Isotope )：质子数相同，但中子数不同
— 代表每个轨道中的能级、及其数目
自旋量子数（spin, s） ：-1/2, +1/2
— 代表电子自旋方向，每个能级只能有2种不同的自旋
原子核外电子的排布规律
— 3个原则
能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量 最低。从低能壳层到高能壳层（K、L、M、N、）、从低能亚
层（轨道）到高能亚层次序（s、p、d、f、 ）填充
键能在 3 ~ 8 eV/atom范围
共价键（Covalent Bonding）：电负性相差不大的原子相互靠
近时，原子间不产生电子转移，借共用电子对所产生的力结合。
例如：diamond, Si, Ge, GaAs, InSb, SiC, H2, Cl2, F2, CH4, H2O, HNO3, HF
+ +
Atomic or molecular dipoles 由微弱静电吸引力结合，键能弱：~0.1 eV/atom(10 kJ/mol); 存在于所有原子或分子间；
振动感应极化键 （Fluctuating Induced Dipole Bonds）
电对称原子或分子，由于热振动引起正负电中心偏移， 产生瞬间极化； 是范德瓦尔键中最弱的键； 例如：H2，Cl2等，熔、沸点很低。
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”。
方向性（directional）； 最多键数：8-N’， N’—价电子 数；如：Cl的N’为7，最多形成1 个共价键。 強 (diamond) 或弱 (Bi)； 高分子材料为典型例子。
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
氢 键 Hydrogen bond
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。
结合键的特性
离子键 共价键 金属键 无方向性或方向性不明 方向性明显，配位数小，无方向性，无饱和性， 结构特点 显，配位数大 密度小 配位数极大，密度大 强度高，膨胀系数小， 力学特点 强度高，硬度大 有各种强度，有塑性 劈裂性良好，硬度大
离子核
电子海（sea of electron）
电子云（electron cloud）
胶体（glue）； 离子核心（ion cores），不具方向性；
键能：0.7 eV/atom for Hg
价电子海
8.8 eV/atom for W 良导电、导热体，延展性好
1.2.3 范德瓦尔键
（Secondary Bonding 二次健）
7、原子质量单位（Atomic mass unit (amu)）：
为最常见的碳同位素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。
电子能量水平随主量子数 和次量子数的变化情况
1s
3d
3s
2p
3p
4d
4p
电 子 组 态 Eelectron configuration
电子能态（Energy state）：每个电子的能量状态（值）， 用所处的亚层（轨道）表示 最底能态（Ground state）：电子填充的最低能量状态 电子组态：即原子结构，核外所有电子依据3个原则，占 据壳层、亚层（轨道）的方式
第一章
原子结构和结合键
电化学沉积铜（Cu）于 金（Au）的表面
金（Au）的（111）面
Scanning tunneling microscope (STM) 扫描隧道显微镜 图片
Fe原子在Cu基板上原子像
CO原子在Pt基板上原子像(IBM)
Xe原子在Ni基板上原子像(IBM)
Why Study Atomic Structure and Interatomic bondings?
微观粒子波粒二象性： 1924年，德布洛意（de Broglie）在光的波粒二象性的启示下，提出微观 粒子波粒二象性的假说。 德布洛意关系：
E/h h/ p
2 4 E 2 p 2 c 2 m0 c
E – 机械能；p – 动量；m0 – 实物粒子静止质量； - 波动 量频率； - 波动量频率；h – 普朗克常数，c – 光速
钠（Sodium）原子的填充能态
1s22s22p63s1
价电子（Valence electron）： 参与键的形成； 决定物理、化学性质
不同原子的电子组态
稳定电子组态： Stable electron configuration 最外、价电子壳层完全填充， 如：He、Ne、Ar等惰性气体； 获得、失去、或共享电子，达到 稳定组态，如离子； 轨道杂化（Hybrid），如碳的 sp3杂化