《材料科学基础》课件 第一章 原子结构与键合.pptVIP

《材料科学基础》课件 第一章 原子结构与键合.ppt

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?返回 ?返回 * 第一章 原子结构与键合 内部结构 → 材料的性能 结构篇 * 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 * 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 成分 原子排列 相结构 加工工艺 * 1.1 原子结构及其周期性 原子核 + 电子 1922年获得诺贝尔奖(物理学) * 一、核外电子分布 核外电子的运动状态,由四个量子数决定。 主量子数 n = 1、2、3… 距核远近、能量高低。 角量子数 l = 0、1、2… 电子云形状、能量高低。 磁量子数 m = 0、 、 … 电子轨道空间取向 自旋量子数 ms = 电子自旋方向 * 电子轨道 将不同组合的量子数代入薛定谔方程求解, 得到四种电子分布的波函数 — 电子轨道 s — 一种组态(球对称) 2 p — 三种组态(轴对称) 6 d — 五种组态 10 f — 七种组态 14 * d-轨道空间分布示意图 p-轨道空间分布示意图 * 电子分布须遵循的两个原则: 泡利不相容原则 一个原子中,不可能存在有四个量子数完全 相同的两个电子。 能量最低原则 电子总是优先占据能量较低的轨道,使系统 的能量处于稳定的状态。 * 二、原子结构的周期规律 周期表中,周期数 代表了电子主层数n。 1、元素的周期性 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。 s p d f * * 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。 活泼金属→非金属→惰性元素。 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。 * 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。 材料元素的重点选择区域。 * 4、镧系、锕系 分别填入f内层电子(共14个)。 因外层s电子都是2,化学性质非常接近,统称“稀土元素”。 由于f层内有许多空轨道,相互间能级差很小,易于激发,因而具有重要的功能效应。 例如:长余辉稀土铝酸盐材料。 * 5、电负性 周期表中由左至右、由下到上,电负性↑。 同族、同周期元素有相似的性质特点。 例如: Nb具有低温超导性,在它周围的Zr、Mo、V、Ta也有这一特性。 S化物、Se化物、Te化物同族,都有光电特性。 s p d f * 1.2 原子间的键合 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 性质:良好导电、导热性能,延展性好 * 2、离子键(Ionic bonding) 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 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 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) * 4、范德华力 次价键,偶极作用,没有方向性和饱和性。键能弱(几~数十KJ/mol)。 5、氢键: 次价键。H与电负性很大、原子半径较小的O、F、N等结合而产生的较强的键力,几十KJ/mol ,有方向性和饱和性。 * 1.3高分子链(High pol

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