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1、第一章 原子结构和键合Atomic Structure and Interatomic Bonding,物质是由原子组成 材料科学中，最为关心原子的电子结构原子的电子结构原子间键合本质决定材料分类：金属 陶瓷 高分子材 料 性 能：物 化 力学,1 原子结构（Atomic Structure）,1.1、物质的组成（Substance Construction）分子(Molecule)：单独存在且能保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为2 M(protein)为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒,1.2、原子的结构(structure of atomic),1879年 J.J
2、 Thomson 发现电子（electron),揭示了原子内部秘密1911年 E.Rutherford提出原子结构有核模型1913年 N.Bohr将,Bohr atomic model,J.J Thomson实验汤普森原子模型.swf,根据汤姆生模型计算的结果，粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的。因为电子的质量很小，不到粒子的七千分之一，粒于碰到它，就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样。运动方向不会发生明显的改变；正电荷又是均匀分布的，粒子穿过原子时，它受到的原子内部两侧正电荷的斥力相当大一部分互相抵消，使粒于偏转的力不会很大。然而实验却得到了出乎意料的结果。少数粒子却发生了较大的偏转，并且
3、有极少数粒子偏转角超过了90，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到 180。实验中产生的粒子大角度散射现象，使卢瑟福感到惊奇。因为这需要有很强的相互作用力，除非原子的大部分质量和电荷集中到一个很小的核上，大角度的散射是不可能的。为了解释这个实验结果，卢瑟福在1911年提出了如下的原子核式结构学说：在原子的中已有一个很小的核，叫做原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间里绕着核旋转。原子核所带的单位正电荷数等于核外的电子数，所以整个原子是中性的。电子绕核旋转所需的向心力就 是核对它的库仑引力。,E.Rutherford实验卢瑟福散射实验.swf,质子:带有正电荷，
4、m1.672610-27kg,主量子数n,它规定了核外电子离核的远近和能量的高低。n取正整数1，2，3，4等。n值越大，表示电子离原子核越远，能量越高。反之n越小，则电子离核越近，能量越低。这也相当于把核外电子分为不同的电子层，凡n相同的电子属于同一层。习惯用K,L,M,N,O,P来代表n=1，2，3，4，5，6的电子层。,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,轨道角动量量子数li,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,描述的是电子在原子核外出现的几率密度随空间角度的变化，即决定原子轨道或电子云的形
5、状。li可取小于n的正整数，即0，1，2，n-1，如n=4，l可以是0，1，2，3，相应的符号是s,p,d,f 当n相同时，li越大，电子的能量越高。因此，常把n相同，li不同的状态称为电子亚层，一个电子层可以分为几个亚层。,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,磁量子数Mi,规定电子运动状态在空间伸展的取向。m的数值可取0，1，2，l。对某个运动状态可有2i+1个伸展方向。s轨道的l=0,所以只有一种取向，它是球对称的。P轨道i=1,m=-1,0,+1,所以有三种取向，用px,py,和pz表示。,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（
6、quantum numbers）表示,自旋角动量量子数si,电子除绕原子核运动外，它本身还做自旋运动。电子自旋运动有顺时针和逆时针两个方向，分别用si=+1/2和si=-1/2表示，也常用和符号表示自旋方向相反的电子。,描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,小结：四个量子数规定了核外电子的运动状态，每个电子都可以用上述的四个量子数的一套数据来描述其运动状态（对应着一个波函数），同一原子中没有四个量子数完全相同的电子。换句话说，在同一原子中的各个电子，它们的运动状态不可能完全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同的。,描述原子中一个电子的空间和
7、能量，可用四个量子数（quantum numbers）表示,四个量子数的意义,核外电子的排布（electron configuration)规律,全充满,半充满,全空,自旋方向相同,能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-,Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle):2n2,Hund原则（Hund Rule),泡利(Pauli)不相容原理在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。,核外电子的排
8、布（electron configuration)规律,泡利(Pauli)不相容原理在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。,能量最低原理多电子原子处在基态时，核外电子的分布在不违反泡利原理的前提下，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。,全充满,半充满,全空,自旋方向相同,能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-,Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle):2n2,Hu
9、nd原则（Hund Rule),核外电子的排布（electron configuration)规律,泡利(Pauli)不相容原理在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。,能量最低原理多电子原子处在基态时，核外电子的分布在不违反泡利原理的前提下，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。,洪特(Hund)规则原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时，将尽可能单独分布在不同的轨道，而且自旋方向相同(或称自旋平行)。,全充满,半充满,全空,自旋方向相同,能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据
10、能量的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-,Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle):2n2,Hund原则（Hund Rule),核外电子的排布（electron configuration)规律,泡利(Pauli)不相容原理在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。,能量最低原理多电子原子处在基态时，核外电子的分布在不违反泡利原理的前提下，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。,洪特(Hund)规则原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时，将尽可能单
11、独分布在不同的轨道，而且自旋方向相同(或称自旋平行)。,全充满,半充满,全空,自旋方向相同,能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-,Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle):2n2,Hund原则（Hund Rule),三、元素周期表（periodic Table of the Elements),元素（Element）：具有相同核电荷的同一类原子总称，共116种，核电荷数是划分元素的依据同位素（Isotope）：具有相同的质子数和不同中子数的同一
12、元素的原子 元素有两种存在状态：游离态和化合态（Free State&Combined Form)7个横行（Horizontal rows)周期（period）按原子序数（Atomic Number)递增的顺序从左至右排列18个纵行（column）16族（Group），7个主族、7个副族、1个族、1个零族（Inert Gases）最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。,原子序数核电荷数 周期序数电子壳层数主族序数最 外 层 电 子 数 零族元素最外层电子数为8（氦为2）价电子数（Valence electron）,2原子间的键合(Bonding type with other
13、 atom),一、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,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：良好导电、导热性能，延展性好,二、离子键（Ionic bonding)多数盐类、碱类和金属氧化物,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,实质：金属原子
14、带正电的正离子（Cation）非金属原子 带负电的负离子（anion）,e,三、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,四、范德华力（Van der waals bonding),包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force)属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质,五、氢键（Hydrogen bonding）极性
15、分子键 存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，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,3高分子链（High polymer Chain),近程结构（short-range Structure)一、结构单元的化学组成（the Chemistry of mer unito)1.碳链高分子 聚乙烯,主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得如 聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯,杂链高分子 涤纶,主链除C原子外还有其它原子如O、N、S等，并以共价键联接，缩聚反应而得，如聚对苯二甲酸
16、乙二脂（涤纶）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等,3.元素有机高分子 硅橡胶 主链中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素与O组成，其侧链则有机基团，故兼有无机高分子和有机高分子的特性，既有很高耐热和耐寒性，又具有较高弹性和可塑性，如硅橡胶,4.无机高分子 二硫化硅 聚二氯氮化磷,主链既不含C原子，也不含有机基团，而完全由其它元素所组成，这类元素的成链能力较弱，故聚合物分子量不高，并易水解,二、高分子链结构单元的键合方式（bonding tape）,1.均聚物结构单元键接顺序 单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外，其它单体因有不对称取代，故
17、有三种不同的键接方式（以氯乙烯为例）：,头头,尾尾,头尾,双烯类高聚物中，则更复杂，除有上述三种，还依双键开启位置而不同,2.共聚物的序列结构（Copolymers）按结构单元在分子链内排列方式的不同分为,三、高分子链的结构（structure）,不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化便不能改变形状热固性（thermosetting）,四、高分子链的构型（Molecular configurations）,链的构型系指分子中原子在空间的几何排列，稳定的，欲改变之须通过化学键断裂才行,旋光异构体（stereoisomerism）由烯烴单体合成的高聚物 在其结构单元中有一不对称C原子，故存在两种
18、旋光异构单元，有三种排列方式,几何异构（Geometrical isomerism）双烯类单体定向聚合时，可得到有规立构聚合物。但由于含有双键，且双键不能旋转，从而每一双就可能有,顺式,反式,两种异构体之分，,对于大分子链而言就有,称为几何异构,二甲基丁二烯,二甲基丁二烯,远程结构（Long-range Structure),一、高分子的大小（Molecular Size）高分子的相对分子质量M不是均一的，具有多分散性平均相对分子质量,高分子链中重复单元数目称为聚合度,不仅影响高分子溶液和熔体的流变性质，,对加工和使用也有很大影响。,数均相对分子量,每链节的质量,对力学性能,起决定作用，,二、高分子的形状（Molecular shape）主链以共价键联结，有一定键长 d和键角，每个单键都能内旋转（Chain twisting）故高分子在空间形态有mn-1(m为每个单键内旋转可取的位置数，n为单键数目)统计学角度高分子链取 伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大高分子链的总链长 均方根,三、影响高分子链柔性的主要因素（the main influencing factors on the molecular flexibility）高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）,
