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1、第 1 章 原子結(jié)構(gòu)和鍵合,1,本章主要內(nèi)容,1.1原子結(jié)構(gòu) 1.2原子間的鍵合 1.3高分子鏈,2,重點(diǎn)與難點(diǎn),（1）描述原子中電子的空間位置和能量的4個(gè)量子數(shù)。 （2）核外電子排布遵循的規(guī)則。 （3）元素性質(zhì)、原子結(jié)構(gòu)和該元素在元素周期表中的位置三者之間的關(guān)系。,3,1.1 原子結(jié)構(gòu),1.1.1 物質(zhì)的組成 物質(zhì)是由無(wú)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(dú)存在、且保持物質(zhì)化學(xué)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(xué)變化中最小的微粒；,4,1.1.2 原子結(jié)構(gòu)(atomic structure) 近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明：原子是由原子核(由帶正電荷
2、的質(zhì)子和呈電中性的中子組成)和核外電子(帶負(fù)電荷)構(gòu)成 原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：體積很小，質(zhì)量大部分集中于原子核內(nèi)。,5,1.1.3 原子的電子結(jié)構(gòu) 電子云(election atmosphere)的形成： 電子具有波粒二象性，描述原子中一個(gè)電子的位置和能量用四個(gè)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(dòng)量子數(shù)（自旋方向）,6,主量子數(shù)n 決定原子中電子能級(jí)，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(dòng)量量子數(shù)li 給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級(jí)（電子亞層），與電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量有關(guān)； 磁量子數(shù)mi 給出每個(gè)軌道角動(dòng)
3、量量子數(shù)數(shù)的能級(jí)數(shù)或軌道數(shù)，決定電子云的空間取向； 自旋角動(dòng)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(jù)能量最低的內(nèi)層，再由內(nèi)向外進(jìn)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(gè)原子中在一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)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(gè)能級(jí)中，電子的排布盡可能分占不同的能級(jí)，而且自旋的方向相同。 當(dāng)電子排布為全充滿、半充滿或全空時(shí)，此時(shí)是
4、比較穩(wěn)定的，并且整個(gè)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(gè)元素的原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì).,9,10,1.2 原子間的鍵合,結(jié)合鍵(binding bond) ： 結(jié)合鍵分為：化學(xué)鍵金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵 物理鍵范德華力、氫鍵 1.2.1 化學(xué)鍵（主價(jià)鍵、一次鍵） 金屬鍵(metallic bond) 自由電子金屬正離子間 特點(diǎn)：電子共有化，無(wú)飽和性，無(wú)方向性。 可以解釋金屬的一些特征，如良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，具有較高的強(qiáng)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(diǎn)： 電子共有化,沒(méi)有方向性。 特性： 良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性； (2) 不透明，具有金屬光澤； (3) 具有較高的強(qiáng)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(fù)離子之間 特點(diǎn)：以離子為結(jié)合單位，結(jié)合力較強(qiáng)，決定離子晶體結(jié)構(gòu)的是正負(fù)離子電荷及幾何因素，有較高的配位數(shù)，無(wú)方向性。 可以解釋離子晶體的一些特征，如較高的熔點(diǎn)和硬度，固態(tài)時(shí)為良好的絕緣體而熔融態(tài)時(shí)具有良好的導(dǎo)電性。,13,14,15,16,3. 共價(jià)鍵(covalent bond) 兩個(gè)或多個(gè)原子間共用電子對(duì) 特點(diǎn)：以原子的形式共用
6、電子對(duì)，具有飽和性(只和一個(gè)電子配對(duì)）和方向性（使得電子云達(dá)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(jià)晶體的一些特征，如結(jié)合極為牢固，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，質(zhì)硬而脆，導(dǎo)電性差。,17,圖1.4-5 由共價(jià)鍵方向性特點(diǎn) 決定了的SiO2四面體晶體結(jié)構(gòu),圖1.4-4 形成共價(jià)鍵的SiO2, 藍(lán)色圓圈代表Si的價(jià)電子， 紅色圓圈代表O的價(jià)電子,18,19,20,1.2.2 物理鍵（次價(jià)鍵、二次鍵） 1. 范德華力(Van Der Waals force) 電偶極矩的感應(yīng)作用 特點(diǎn)：除高分子外，鍵的結(jié)合不如化學(xué)鍵牢固，無(wú)飽和性，無(wú)方向性。 2. 氫鍵(hydrogen bond) 分
7、子間特殊作用力 表達(dá)為：XHY 特點(diǎn)：具有飽和性和方向性，可存在于分子內(nèi)或分子間。氫鍵主要存在于高分子材料內(nèi)。,21,1.2.3 混合鍵,實(shí)際材料（金屬和陶瓷）中結(jié)合鍵多為混合鍵 金屬中主要是金屬鍵，還有其他鍵如：共價(jià)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(jià)鍵結(jié)合，而分子凝聚時(shí)依靠范德華力 聚合物的長(zhǎng)鏈分子內(nèi)部以共價(jià)鍵結(jié)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(jié)構(gòu)（short-range Structure) 一、結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)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(jià)鍵相聯(lián)結(jié) 加聚反應(yīng)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(jià)鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得，如聚對(duì)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(jī)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(cè)鏈則有機(jī)基團(tuán)，故兼有無(wú)機(jī)高分子和有機(jī)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(wú)機(jī)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(jī)基團(tuán)，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(jié)構(gòu)單元的鍵合方式（bonding tape）,1.均聚物結(jié)構(gòu)單元鍵接順序 單烯類單體中 除乙烯分子是完全對(duì)稱的，其結(jié)構(gòu)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(duì)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(fù)雜，除有上述三種，還依雙鍵開(kāi)啟位置而不同,27,2.共聚物的序列結(jié)構(gòu)（Copolymers） 按結(jié)構(gòu)單元在分子鏈內(nèi)排列方式的不同分為,28,三、高分子鏈的結(jié)構(gòu)（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(gòu)型（Molecular configurations）,鏈的構(gòu)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(guò)化學(xué)鍵斷裂才行,30,旋光異構(gòu)體（stereoisomerism） 由烯烴單體合成的高聚物 在其結(jié)構(gòu)單元中有一不對(duì)稱C原子，故存在兩種旋光異構(gòu)單元 ，有三種排列方式,31,幾何異構(gòu)（Geometrical isomerism） 雙烯類單體定向聚合時(shí)，可得到有規(guī)立構(gòu)聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵 不能旋轉(zhuǎn)，從而每一雙就可能有,順式,反式,兩種異構(gòu)體之分，,對(duì)于大分子鏈而言就有,稱為幾何異構(gòu),二甲基丁二烯,二甲基丁二烯,32,遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（Long-range
11、Structure),一、高分子的大小（Molecular Size） 高分子的相對(duì)分子質(zhì)量M不是均一的，具有多分散性 平均相對(duì)分子質(zhì)量,33,高分子鏈中重復(fù)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(zhì)，,對(duì)加工和使用也有很大影響 。,數(shù)均相對(duì)分子量,每鏈節(jié)的質(zhì)量,對(duì)力學(xué)性能,起決定作用，,34,二、高分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象 主鏈以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長(zhǎng) d和鍵角，每個(gè)單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個(gè)單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目) 統(tǒng)計(jì)學(xué)角度高分子鏈取 伸直（straight）構(gòu)象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構(gòu)象幾率極大 高
12、分子鏈的總鏈長(zhǎng) 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(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性（Flexibility）,35,四、高分子鏈的構(gòu)象統(tǒng)計(jì) 高分子鏈能改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性，因此高分子柔順性是以其所能采取的構(gòu)象數(shù)目來(lái)衡量的，然而高分子鏈具有成千上萬(wàn)個(gè)構(gòu)象，難以測(cè)出其實(shí)際數(shù)目； 高分子構(gòu)象越多，柔順性越好，則蜷曲越嚴(yán)重，因此一般采用其兩端間的直線距離也即末端距h來(lái)衡量其柔順性即構(gòu)象數(shù)目。,36,本章內(nèi)容提要,物質(zhì)是由原子構(gòu)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(yùn)轉(zhuǎn)帶負(fù)電的電子所構(gòu)成的。在材料學(xué)中，一般人們最關(guān)心的是原子結(jié)構(gòu)中的電子結(jié)構(gòu)。電子在核外空間作高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)性，即具有二象性。電子運(yùn)動(dòng)沒(méi)有固定的軌道，但可根據(jù)電子能量的高低，用統(tǒng)計(jì)方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率的大小。,37,根據(jù)量子力學(xué)理論，電子的狀態(tài)是用波函數(shù)來(lái)描述的，原子中一個(gè)電子的空間位置和能量可用4個(gè)量子數(shù)來(lái)表示 主量子數(shù)決定電子中電子能級(jí)，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(dòng)量量子數(shù)給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級(jí)（電子亞層）； 磁量子數(shù)給出每個(gè)軌道角動(dòng)量數(shù)的能級(jí)數(shù)
14、或軌道數(shù)； 自旋角動(dòng)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(gè)規(guī)則： 能量最低原理電子的排布總是先占據(jù)能量最低的內(nèi)層，再由內(nèi)向外進(jìn)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(gè)原子中在一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)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(gè)能級(jí)中，電子的排布盡可能分占不同的能級(jí)，而且自旋的方向相同。當(dāng)電子排布為全充滿、半充滿或全空時(shí)，此時(shí)是比較穩(wěn)定的，并且整個(gè)原子的能量最低。,39,元素周期表反映了元素的外層電子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)（核中帶正電的質(zhì)子數(shù)）的遞增，呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律?？筛鶕?jù)元素在周期表中的位置，推斷他的原子結(jié)構(gòu)和特定的性質(zhì)。 原子與原子之間是依靠結(jié)合鍵聚集在一起的。由于原子結(jié)合鍵的不同，故可將材料分為金屬、無(wú)機(jī)非金屬和高分子材料。原子的電子結(jié)構(gòu)決定了原子鍵合的本身，原子間的結(jié)合鍵可分為化學(xué)鍵和物理鍵兩大類。,40,
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