上海交通大學 材料科學基礎 ch1PPT課件.ppt

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1、第 1 章 原子結構和鍵合,1,本章主要內容,1.1原子結構 1.2原子間的鍵合 1.3高分子鏈,2,重點與難點,（1）描述原子中電子的空間位置和能量的4個量子數(shù)。 （2）核外電子排布遵循的規(guī)則。 （3）元素性質、原子結構和該元素在元素周期表中的位置三者之間的關系。,3,1.1 原子結構,1.1.1 物質的組成 物質是由無數(shù)微粒（分子、原子、離子）按一定方式聚集而成的集合體； 分子是能單獨存在、且保持物質化學特性的一種微粒； 分子又由一些更小的微粒即原子組成，原子是化學變化中最小的微粒；,4,1.1.2 原子結構(atomic structure) 近代科學實驗表明：原子是由原子核(由帶正電荷

2、的質子和呈電中性的中子組成)和核外電子(帶負電荷)構成 原子結構的特點：體積很小，質量大部分集中于原子核內。,5,1.1.3 原子的電子結構 電子云(election atmosphere)的形成： 電子具有波粒二象性，描述原子中一個電子的位置和能量用四個量子數(shù)(quantum number)： 主量子數(shù)（電子層） 軌道量子數(shù)（電子亞層） 磁量子數(shù)（軌道數(shù)） 自旋角動量子數(shù)（自旋方向）,6,主量子數(shù)n 決定原子中電子能級，以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層； 軌道角動量量子數(shù)li 給出電子在同一量子殼層內所處的能級（電子亞層），與電子運動的角動量有關； 磁量子數(shù)mi 給出每個軌道角動

3、量量子數(shù)數(shù)的能級數(shù)或軌道數(shù)，決定電子云的空間取向； 自旋角動量量子數(shù)si 反映電子不同的自旋方向。,7,核外電子排布遵循的規(guī)律：能量最低原理、Pauli不相容原理(Pauli principle)、Hund規(guī)則(Hund s rule)。 能量最低原理電子的排布總是先占據能量最低的內層，再由內向外進入能量較高的殼層，盡可能使體系的能量最低。 Pauli不相容原理在一個原子中在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子，主量子數(shù)為n的殼層，最多容納電子2n2。 Hund規(guī)則在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，而且自旋的方向相同。 當電子排布為全充滿、半充滿或全空時，此時是

4、比較穩(wěn)定的，并且整個原子的能量最低。,8,1.1.4 元素周期表 元素是具有相同核電荷數(shù)的同一類原子的總稱。 元素周期表是元素周期規(guī)律的具體表現(xiàn)形式,它反映了元素之間的相互聯(lián)系規(guī)律,元素在周期表中的位置反映了那個元素的原子結構和一定的性質.,9,10,1.2 原子間的鍵合,結合鍵(binding bond) ： 結合鍵分為：化學鍵金屬鍵、離子鍵、共價鍵 物理鍵范德華力、氫鍵 1.2.1 化學鍵（主價鍵、一次鍵） 金屬鍵(metallic bond) 自由電子金屬正離子間 特點：電子共有化，無飽和性，無方向性。 可以解釋金屬的一些特征，如良好的導電、導熱性，具有較高的強度和良好的延展性，具有金屬

5、光澤，正的電阻溫度系數(shù) 。,11,金屬鍵,特點： 電子共有化,沒有方向性。 特性： 良好的導電、導熱性； (2) 不透明，具有金屬光澤； (3) 具有較高的強度和良好的塑性； (4) 正的電阻溫度系數(shù)。,12,2. 離子鍵(ionic bond) 金屬正離子非金屬負離子之間 特點：以離子為結合單位，結合力較強，決定離子晶體結構的是正負離子電荷及幾何因素，有較高的配位數(shù)，無方向性。 可以解釋離子晶體的一些特征，如較高的熔點和硬度，固態(tài)時為良好的絕緣體而熔融態(tài)時具有良好的導電性。,13,14,15,16,3. 共價鍵(covalent bond) 兩個或多個原子間共用電子對 特點：以原子的形式共用

6、電子對，具有飽和性(只和一個電子配對）和方向性（使得電子云達到最大限度重疊），配位數(shù)較小、各鍵間都有確定方位。 可以解釋共價晶體的一些特征，如結合極為牢固，結構穩(wěn)定，熔點高，質硬而脆，導電性差。,17,圖1.4-5 由共價鍵方向性特點 決定了的SiO2四面體晶體結構,圖1.4-4 形成共價鍵的SiO2, 藍色圓圈代表Si的價電子， 紅色圓圈代表O的價電子,18,19,20,1.2.2 物理鍵（次價鍵、二次鍵） 1. 范德華力(Van Der Waals force) 電偶極矩的感應作用 特點：除高分子外，鍵的結合不如化學鍵牢固，無飽和性，無方向性。 2. 氫鍵(hydrogen bond) 分

7、子間特殊作用力 表達為：XHY 特點：具有飽和性和方向性，可存在于分子內或分子間。氫鍵主要存在于高分子材料內。,21,1.2.3 混合鍵,實際材料（金屬和陶瓷）中結合鍵多為混合鍵 金屬中主要是金屬鍵，還有其他鍵如：共價鍵、離子鍵 陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵和金屬鍵的混合 一些氣體分子以共價鍵結合，而分子凝聚時依靠范德華力 聚合物的長鏈分子內部以共價鍵結合，鏈與鏈之間則為范德華力或氫鍵,22,23,3高分子鏈（High polymer Chain),24,近程結構（short-range Structure) 一、結構單元的化學組成（the Chemistry of mer unito) 1.碳鏈高

8、分子 聚乙烯,主鏈以C原子間共價鍵相聯(lián)結 加聚反應制得 如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯,雜鏈高分子 滌綸,主鏈除C原子外還有其它原子如O、N 、S等，并以共價鍵聯(lián)接，縮聚反應而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等,25,3.元素有機高分子 硅橡膠 主鏈中不含C原子，而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素與O組成，其側鏈則有機基團，故兼有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠,4.無機高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷,主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈

9、能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解,26,二、高分子鏈結構單元的鍵合方式（bonding tape）,1.均聚物結構單元鍵接順序 單烯類單體中 除乙烯分子是完全對稱的，其結構單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：,頭頭,尾尾,頭尾,雙烯類高聚物中，則更復雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同,27,2.共聚物的序列結構（Copolymers） 按結構單元在分子鏈內排列方式的不同分為,28,三、高分子鏈的結構（structure）,不溶于任何溶劑， 也不能熔融， 一旦受熱固化便 不能改變形狀 熱固性（thermosetting）

10、,29,四、高分子鏈的構型（Molecular configurations）,鏈的構型系指分子中原子在空間的幾何排列，穩(wěn)定的，欲改變之須通過化學鍵斷裂才行,30,旋光異構體（stereoisomerism） 由烯烴單體合成的高聚物 在其結構單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構單元 ，有三種排列方式,31,幾何異構（Geometrical isomerism） 雙烯類單體定向聚合時，可得到有規(guī)立構聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵 不能旋轉，從而每一雙就可能有,順式,反式,兩種異構體之分，,對于大分子鏈而言就有,稱為幾何異構,二甲基丁二烯,二甲基丁二烯,32,遠程結構（Long-range

11、Structure),一、高分子的大?。∕olecular Size） 高分子的相對分子質量M不是均一的，具有多分散性 平均相對分子質量,33,高分子鏈中重復單元數(shù)目稱為聚合度,不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質，,對加工和使用也有很大影響 。,數(shù)均相對分子量,每鏈節(jié)的質量,對力學性能,起決定作用，,34,二、高分子的內旋轉構象 主鏈以共價鍵聯(lián)結，有一定鍵長 d和鍵角，每個單鍵都能內旋轉（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個單鍵內旋轉可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目) 統(tǒng)計學角度高分子鏈取 伸直（straight）構象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構象幾率極大 高

12、分子鏈的總鏈長 均方根,三、影響高分子鏈柔性的主要因素 （the main influencing factors on the molecular flexibility） 高分子鏈能改變其構象的性質稱為柔性（Flexibility）,35,四、高分子鏈的構象統(tǒng)計 高分子鏈能改變其構象的性質稱為柔性，因此高分子柔順性是以其所能采取的構象數(shù)目來衡量的，然而高分子鏈具有成千上萬個構象，難以測出其實際數(shù)目； 高分子構象越多，柔順性越好，則蜷曲越嚴重，因此一般采用其兩端間的直線距離也即末端距h來衡量其柔順性即構象數(shù)目。,36,本章內容提要,物質是由原子構成的，而原子是由位于原子中心帶正電的的原子核和

13、和外高速運轉帶負電的電子所構成的。在材料學中，一般人們最關心的是原子結構中的電子結構。電子在核外空間作高速運轉時，就好像帶電荷的云霧籠罩在原子核周圍，故形象地稱它為電子云。電子既有粒子性又有波動性，即具有二象性。電子運動沒有固定的軌道，但可根據電子能量的高低，用統(tǒng)計方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內出現(xiàn)的幾率的大小。,37,根據量子力學理論，電子的狀態(tài)是用波函數(shù)來描述的，原子中一個電子的空間位置和能量可用4個量子數(shù)來表示 主量子數(shù)決定電子中電子能級，以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層； 軌道角動量量子數(shù)給出電子在同一量子殼層內所處的能級（電子亞層）； 磁量子數(shù)給出每個軌道角動量數(shù)的能級數(shù)

14、或軌道數(shù)； 自旋角動量量子數(shù)反映電子不同的自旋方向。,38,在多電子的原子中，核外電子的排布規(guī)律遵循以下3個規(guī)則： 能量最低原理電子的排布總是先占據能量最低的內層，再由內向外進入能量較高的殼層，盡可能使體系的能量最低。 Pauli不相容原理在一個原子中在一個原子中不可能有運動狀態(tài)完全相同的兩個電子，主量子數(shù)為n的殼層，最多容納電子。 Hund規(guī)則在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，而且自旋的方向相同。當電子排布為全充滿、半充滿或全空時，此時是比較穩(wěn)定的，并且整個原子的能量最低。,39,元素周期表反映了元素的外層電子結構隨著原子序數(shù)（核中帶正電的質子數(shù)）的遞增，呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律?？筛鶕卦谥芷诒碇械奈恢?，推斷他的原子結構和特定的性質。 原子與原子之間是依靠結合鍵聚集在一起的。由于原子結合鍵的不同，故可將材料分為金屬、無機非金屬和高分子材料。原子的電子結構決定了原子鍵合的本身，原子間的結合鍵可分為化學鍵和物理鍵兩大類。,40,