《材料科学基础》课程教学课件（PPT讲稿）原子结构和键合 Atomic Structure and Interatomic Bonding

材料的微观结构（MicrostructureofMaterials）决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构一→原子间相互作用，相互结合→原子或分子在空间的排列，运动规律→以及原子集合体的形貌特征第一章原子结构和键合Atomic StructureandInteratomicBonding※1原子结构JAtomic Structure一、物质的组成（SubstanceConstruction）物质由无数微粒（Particles）聚集而成分子（Molecule）：单独存在保存物质化学特性dh20=0.2nm M(H2)为2 Mprotein为百万原子（Atom）：化学变化中最小微粒

第一章原子结构和键合 Atomic Structure and Interatomic Bonding 材料的微观结构（Microstructure of Materials） 决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素原子结构 → 原子间相互作用，相互结合 →原子或分子在空间的排列，运动规律 →以及原子集合体的形貌特征 ※1原子结构 （Atomic Structure ） 一、物质的组成（SubstanceConstruction） 物质由无数微粒（Particles）聚集而成 分子（Molecule）：单独存在 保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2 )为2 Mprotein为百万 原子（Atom）： 化学变化中最小微粒

尺寸大小的示意图Billions ofAmillionnanometersThepinhead sizedpatchnanometersof thisthumb(circled inAtwometertall maleThousands of nanometersistwobillionblack)isamillionBiologicalcells,likethesnanometerstall.nanometersacross.redbloodcells,havediame-Nanometerters in therangeof thou-Ten shoulder-to-shoul-sands ofnanometers.derhydrogenatomsLess thana nanometer(blueballs)span1Individual atomsareupnanometer.DNAmole-toafewangstroms,orculesareabout2.5uptoafewtenths ofananometerswide.nanometer,in diameter

尺寸大小的示意图

生物学的本质是化学结构、工程化学的本质是物理物理的本质是数学数学的本质是材料科学固体物理核物理10-1610-1210-410010410-8cm尺寸范围

尺寸范围 10-16 10-12 10-8 10-4 100 104 cm 固体物理 材料科学 结构、工程 核物理 生物学的本质是化学 化学的本质是物理 物理的本质是数学 数学的本质是

二、 原子的结构1879年J.JThomson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M.Plank和A.Einstein量子论1913年N.Bohr将原子结构的量子理论Rutherford原子有核模型Bohr atomic modelK壳层（n=1)L光层（#=2）原子（atom)不12个串子=3.7×10nmM亮层（n=3）rai=1.43×10-nm图1.1钠（原子序数为11)原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况质子（proton）：正电荷m=1.6726×10-27kg原子核（nucleus）：位于原子中心、带正电中子（neutron）：电中性m=1.6748×10-27kg电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（electroncloud）m=9.1095×10-31kg，约为质子的1/1836

二、原子的结构  1879年 J.J 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       M.Plank和A.Einstein量子论 原子结构的量子理论 Rutherford 原子有核模型   -2 H -1 Al 原子（atom) r = 3.7 10 nm r = 1.43 10 nm              -27 -27 -31 （proton） （neutron） 质子 ：正电荷m＝1.6726×10 kg 原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电 中子 ：电中性m＝1.6748×10 kg 电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（electron cloud） m＝9.1095 10 kg，约为质子的1/183 6

描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数（quantumnumbers）表示名称定义取值及对应符号决定电子能量以及其与核的平2314主量子数n均距离，表示电子所在的量子壳KMNL.层（见图1-1-1）确定电子在同一量子壳层内所012n-1轨道角动量量子数处的能级《电子亚层）fdp..S确定每个轨道角动量量子数的对于每个4，m可取24+1个值磁量子数mi能级数或轨道数，决定电子云的例：当4=2时，m可取0，±1，±2空间取向+1/21/2自旋角动量量子数S表示电子的自旋方向.1核外电子的排布（electronconfiguration）规律能量最低原理（MinimumEnergyprinciple）电子总是占据能量最低的壳层1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5pPauli不相容原理（PauliExclusionprinciple)：2n?全充满Hund原则（HundRule）自旋方向相同半充满全空

 核外电子的排布（electron configuration）规律 ⚫ 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                2 全充满 半充满 全空 自旋方向相同 能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s - 2s - 2p - 3s - 3p - 4s - 3d - 4p - 5s - 4d - 5p - Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 2n Hund原则（Hund' Rule)

三、元素周期表(periodicTableoftheElements)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元素的原子Ch,cloCha元素有两种存在状态：游离态和化合态（FreeState&CombinedForm）7个横行（Horizontalrows）周期（period）按原子序数（AtomieNumber）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VI族、1个零族（InertGases）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。原子序数一核电荷数周期序数一电子壳层数主族序数一最外层电子数零族元素最外层电子数为8（氮为2）价电子数（Valenceelectron）核电荷原子半径同周期元素：左右，金属性，非金属性电离能，失电子能力，得电子能力最外层电子数相同，电子层数！原子半径下，金属性1，非金属性！同主族元素：上电离能，失电子能力，得电子能力

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Ⅷ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。 12 13 14 666 C ，C ，C 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） ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 电离 核电荷↑，原子半径↓ 能↑，失电子能力↓，得电子能力↑ 最外层电子数相同，电子层数↑，原子半径↑ 电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓ 同周期元素：左 右，金属性↓，非金属性↑ 同主族元素：上 下，金属性↑，非金属性↓

元素周期表过渡元素碱金属碱土金属IA稀有气体主族金属非金属IIAHIIIAIVAVAYIAVIIAHe2LiBeB0Ne3IVBVBVIBVIIIBIBIIBAINaMqIIIBVIIBSArYNiKTiCrMnFeGaScCoCuZnCaGeBtKrAssePdRbYZrNbMoRURhSbSrTCAqCdSnXeInTe业PtHFReOSIrTIPbBiBaLaTaAuHgPoAtRnCSUubRfDb5gBhFrRaACHsMtUunUuu镧NdGdTbPrEuErYbCePmSmDYHoImLULa系钢系CF业BkMdThPaNpPUESFmNoACAmCmLr

※2原子间的键合（Bondingtypewithotheratom）金属键（Metallicbonding）化学键（Chemicalbonding）离子键（Ionicbonding）主价键primary interatomic bonds共价键（covalentbonding）物理键（physicalbonding），次价键（Secondarybonding），亦称Van der Waalsbonding氢键（Hydrogen一bonding）介于化学键和范德华力之间一、金属键（Metallicbonding）典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valenceelectron）极易脱原子核之束缚而成为自由电子（Freeelectron），形成电子云（electroncloud）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

 ※2原子间的键合( Bonding type with other atom)      金属键（Metallic bonding） 化学键（Chemical bonding）离子键（Ionic bonding） 主价键primary interatomic bonds 共价键（covalent bonding） 物理键（physical bonding),次价键(Secondary bonding)，亦称Van der Waals bonding 氢键（Hydrogen - bondin           g) 介于化学键 范德华力之间 和 ⚫ 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（lonicbonding）多数盐类、碱类和金属氧化物实质：金属原子带正电的正离子（Cation）静电引力离离子键非金属原子带负电的负离子（Anion）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无方向性，无饱和性性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体三、共价键（covalentbonding）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极性键（Polarbonding）：共用电子对偏于某成键原子非极性键（Nonpolarbonding）：位于两成键原子中间特点：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

 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， 无方向性，无饱和性 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体    静电 键 引力 离子 ⚫ 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    键 电 对 键 键 两 键 间 极性 (Polar bonding):共用 子 偏于某成 原子 非极性 （Nonpolar bonding): 位于 成 原子中 ⚫ 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） e

库仑键力O--一大部分材料内部原子之间结合往往是各种键合的混合过渡族金属W、Mo等：少量共价键成分：金属间化合物：金属键与离子键混合：=e-(0.25)4F2陶瓷化合物：离子键与共价键混合covalent

大部分材料内部原子之间结合往往是各种键合的混合 • 过渡族金属W、Mo等：少量共价键成分； • 金属间化合物：金属键与离子键混合； • 陶瓷化合物：离子键与共价键混合