化学键的再研究

金属学金属学结构原子结构原子的空间排列显微组织§1化学键的再研究金属学金属学晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等参数。结构原子结构原子的空间排列显微组织金属学金属学结构原子结构原子的空间排列显微组织原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型金属学金属学晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的力学性能。结构原子结构原子的空间排列显微组织金属学金属学原子结构理论原子原子核质子(10-8cm,1836倍)(10-8cm)(10-12cm)中子(10-8cm,1838倍)电子(10-13cm)(9.1х10-28g)金属学金属学金属原子的结构特点其最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。价电子金属学金属学金属学金属学金属学金属学当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。结合力一、一次键和二次键金属学金属学外层电子作用形式稳定的八电子排布结构接受或释放额外电子共有电子金属学金属学共有价电子→电子云→键无方向性和饱和性性能特点：1)良好的导电性及导热性；2)正的电阻温度系数；3)良好的强度及塑性；4)特有的金属光泽。金属键离子键共价键一次键金属学金属学金属键离子键共价键得失价电子→正负离子→①高熔点、高硬度、低塑②良好的电绝缘体等一次键金属学金属学金属键离子键共价键共有电子对→键有饱和性→①高熔点、高硬度、低塑性②电绝缘体等一次键金属学金属学范德瓦尔键二次键形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为分子键。特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。金属学金属学离子键共价键金属键结构特点方向性不明显，配位数大方向性明显，配位数小，密度小无方向性，配位数大，密度大力学性能强度高，劈裂性良好，硬度大强度高，硬度大有各种强度，有塑性热力性质熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子有各种熔点，导热性好，液态的温度范围宽电学性质绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为非导体导电体（自由电子）光学性质与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的折射率大，同气体的吸收光谱很不同不透明，有金属光泽结合键的特性金属学金属学问题：金属原子为什么趋于规则排列？金属学金属学二、键能曲线结合力与结合能以双原子模型为例（NaCl）吸引力：正离子与负离子（电子云）间静电引力，长程力排斥力：正离子间，电子间的作用力，短程力结合力＝吸引力＋排斥力;结合能＝吸引能＋排斥能金属学金属学引力式中：Zi为化合价；q为一个电子的电荷；e0为真空介电常数；x为离子间的距离。202214xqZZFa（2-1）金属学金属学斥力式中，K和m都是常数，m＞2（常见的实验值为m=12）。比较方程（2-1）和（2－2），可见，排斥力是在x很小时起主导作用，而吸引力是在较大距离时才占优势。（吸引力长程力，排斥力为短程力）mrxKF（2－2）金属学金属学离子间的平衡距离离子间的平衡距离可以由力的总和为零得到。即当x满足以下方程时：0420221mraxKxqZZFF金属学金属学•原子间必须保持一定的平衡距离，这是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。金属学金属学结合力与结合能x0就是原子之间中心到中心的平均距离，因此也叫做键长。（力-距离曲线）金属学金属学原子间的键－能曲线金属学金属学如果以x→∞时势能为零处作为能量的零点，在吸引力作用下，两个原子逐渐移近，引力愈来愈强，系统对外界做功，为负值xqZZdxFUxaa02214吸引能nxarxCdxFU排斥能raUUU总的能量金属学金属学对应U-x曲线上的最小值是两个原子间的平衡距离。当xx0时，吸力大于斥力；当xx0时，吸力小于斥力；在x=x0处，吸力和斥力平衡。可见要将原子相互间拉开或压缩都需要做功，都会引起能量的升高。0xx时，金属学金属学U称为原子间的结合能或键能，它相当于把原子完全拆散所需要的功。由于它在能量曲线上总处于最低点，所以也称原子间的能阱或势阱。阱越深即位能越低，表示结合能越大。金属学金属学上述双原子作用力模型，推广到原子集合体中会有偏差，但基本原则还是对的。因此，可以将金属理想晶体看作是原子在能量的周期场中分布着，每个原子处于势阱的底部。模型虽粗糙，但它有助于定性地去理解金属和合金中有关结构和性能方面的不少问题。金属学金属学三、键的类型对材料性能的影响不同金属—作用力曲线、作用能曲线的曲率、势阱深度不同例：碱金属钠、钾、锂等，曲线在平衡点附近较平缓，势阱小，说明原子间作用力弱或结合能小。铜、银、金等则正相反，说明结合力强、结合能大。金属学金属学前一类金属原子在平衡时，它的内电子层实际上并没有相接触，或者说，正离子间还有相当大的间隔，原子易压缩，刚度小称之为开放型金属；后一类金属则不然，原子处于平衡时，其内电子层已有相当的重叠，原子很不易压缩，刚度大称为封闭型金属。封闭型金属往往比开放型金属的弹性模量大，热膨胀系数小，熔点高，比热大，强度也高。金属学金属学从键-能曲线上能够直接获取一些重要的宏观材料性能，特别是可以估算键能、平均键长、弹性模量和热膨胀系数等。金属学金属学键能、键长U可以解释为将相距无限远的两个离子或原子集合在一起时系统所作的功，或等同于将原子完全地相互分开所需向系统提供的能量。因此，在x0处U（x）的大小，即能量势阱的深度，就是键的固有强度，即键能的度量，平衡间距x0对应于键长；在外场作用下，键长和键能会发生变化。金属学金属学弹性模量E考虑原子系统对外载荷的响应。键-力曲线在平衡位置附近时近似于直线，在x0处曲线的斜率:xF/就是将原子从其平衡位置移开时所需力的度量。数学上，在x0附近，位移dx与力成正比:aExF金属学金属学式中，a是几何因子，E为材料特性，称为杨氏模量或称弹性模量。弹性模量是材料抵抗使原子分离的力(刚度)的度量。键-力曲线在平衡间距处的斜率越陡(也就是E值越高)，将原子从其平衡位置移开所需的力越大。因此，E值大的材料较为刚硬，更能抵抗外加载荷下的长度变化金属学金属学值得注意的是，曲率半径越小，刚度越高，这种关系的物理解释为:能量势阱的两壁越陡，将原子从平衡位置移动所需的能量越大。ExU22键-能曲线在x0处的曲率也正比于弹性模量:金属学金属学线膨胀系数ath是与键-能曲线密切相关的另一个宏观特性随着温度的升高，原子获得能量，能够“移升”到能量势阱的侧壁。金属学金属学图键能曲线与线膨胀系数的关系（a）虚线穿过等能量线段的中点，表明平均间距随能量（温度）增加而增大（b）两种材料的键能曲线，比较它们不同的线膨胀系数（a）（b）金属学金属学图a表明在相应于能量E*的温度下，有两个相同E*的x值。如果假定原子在这两个位置之间振动，那么，中间点就表示平均间距。画出一系列等能量线段，连接其中点，我们看到平均原子间距随温度升高而增大。在一定的温度范围内，可以用线性方程表示这种关系：)(000TTxxxthe式中，xe为温度T时的平衡间距，x0为参考温度T0时的平衡间距，ath为线膨胀系数金属学金属学随着键-能曲线不对称性的增加，ath的数值增大。具有高键能的材料(具有深的对称阱的材料)会有低的ath值。高熔点的元素具有强的一次键和低的线膨胀系数。金属学金属学下图为A、B两种材料的键能曲线，请比较两种材料线膨胀系数的大小，简要说明理由。金属学金属学小结一次键、二次键（强键、弱键）线膨胀曲线的应用