第三章 材料的原子结构和原子间的结合键

2020/2/17材料科学与工程导论材料导论基础2020/2/17第三章材料的原子结构和原子间的结合键材料的原子结构和原子间的结合键2020/2/17内容简介：本章主要讲述了各种材料的原子结构和原子特性，并介绍了原子间结合键种类及材料的分类。本章重点：3.1材料结构和原子特性；3.3原子间的结合键；2020/2/17概述在外界条件固定时，材料的性能取决于材料内部的构造，即组成材料的原子种类和含量（称为成分）以及它们的排列方式和空间分布（称为组织结构）。我们研究材料结构与性能之间的关系，首先必须弄清楚组成材料的原子结构以及相互之间的结合特点。第一节材料结构和原子特性2020/2/17学习目标：1.了解材料结构的基本涵义；2.理解原子结构、量子力学的基本概念。材料结构和原子特性材料结构的涵义：材料结构是指组成材料的原子（或离子、分子）相互结合的方式或构成的形式（这些形式称为结构要素）以及结构要素按一定次序的组合、排列及相互间的各种联系。材料结构包括以下内容：1.组成材料原子（或离子、分子）的构造2.组成材料原子（或离子、分子）间的结合3.组成材料原子（或离子、分子）的排列4.材料结构内存在的缺陷材料结构从宏观到微观，即按研究的层次，大致可分为宏观组织结构、显微组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构等。原子特性——原子结构二、原子特性（一）原子结构在结构上，原子核是由带正电荷的粒子即质子和不带电荷的粒子即中子组成。质子数也即原子序数（Z），决定了元素的本性。核内质子和中子的总数决定了原于量。每个原子的原子核周围有电子围绕。原子的轨道电子或电子云，能被电力、磁力和机械力所改变或干忧。这种改变和和干扰对工程材料的性能，如导电性、导热性、磁性和抗腐蚀性等产生很大的影响。原子特性——量子力学基本概念(二)量子力学几个基本概念1．微观粒子的波粒两象性2．海森堡测不准原理原子特征—核外电子（三）核外电子电子在原子中的运动状态是由主量子数、角量子数、磁量子数和自旋量子数，对应着一个特定的波函数ψ。在多电子的原子中，电子的分布必须遵守泡利不相容原理、能量最低原理和最多轨道原理（洪特规则）。第二节原子间作用力和结合能学习目标：1.掌握原子的聚集态分类；2.了解原子间作用力和结合能。原子的聚集态一、原子的聚集态：除了在某些特殊条件下之外，元素难得以原子态存在，基本上均以分子或液态及固态存在，后二者统称为凝聚态。根据结合键的不同状态，可把凝聚态分成五大类：液体、液晶、橡胶态、玻璃态和晶态。聚集态原子间作用力和结合能二、聚集态原子间作用力和结合能图3-1势能及作用力与原子间距离的关系聚集态原子间作用力和结合能从图3-1可看到，当原子间距r很大时，原子之间的作用力很小；当原子离开得更远时（无限距离），相互间作用力趋近于零，位能也是如此。当原子间距离r较小时，存在着很大的吸引力，势必把原子拉在一起，当原子更接近即r=r0时，终于达到原子间吸引力与排斥力相平衡，换言之，力的和等于零，此时原子对的位能为最小值，该能量代表了原子间的键能，该位置是原子最稳定的构型，该间距称为平衡间距。第三节原子间的结合键学习目标：1.掌握结合键的概念；2.了解各种结合键原子间的结合键原子之间的结合力，也称结合键．它主要表现为原子间吸引力和排斥力的合力结果。结合键可大致分为两类：化学键和物理键或称一次键和二次键。化学键（一次键）通常指离子键、共价键和金属键，而物理键（二次键）则是范德瓦尔斯键和氢键．原子间的结合键原子间的结合键金属键分子键共价键离子键氢键离子键一、离子键：正离子和负离子由于静电引力相互吸引，当它们充分接近时会产生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。离子键要求正负离子相间排列，而且要使异号离子之间的引力最大，同号离子之间的斥力最小。离子键的结合力比较大，所以离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。例如MgO、Al2O3和钢中的某些非金属夹杂等。共价键二、共价键：由共用价电子对产生的化学键叫做共价键。由共价键形成的晶体为共价晶体。共价晶体中的粒子为中性原子，所以也叫做原子晶体。具有代表性的共价晶体为金刚石。共价键的结合力很大，所以共价晶体具有强度高、硬度大、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低等性质，结构也比较稳定。由于相邻原子所共有的电子不能自由运动，共价晶体的导电能力较差。金属键三、金属键正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来，这种结合力就叫做金属键。由金属键结合起来的晶体为金属晶体。由于存在自由电子，金属就具有高导电性和导热性，自由电子能吸收光波能量，产生跃迁，从而表现出有金属光泽、不透明。另外，金属键无所谓的饱和性和方向性。分子健（范德瓦尔斯力）四、分子健（范德瓦尔斯力）范德瓦尔斯键有3个来源：①偶极间的静电力（葛生力）②诱导力（德拜力）③色散力（伦敦力）晶体几种不同结合键中，离子键结合能最高，共价键其次，金属键第三，而范德瓦尔键最弱。氢键五、氢键：在含氢的物质中，特别是含氢的聚合物中，经常可以见到由氢离子所引起的键。一般一个中性氢原子只和一个另外的原子形成共价键。但是在一定的条件下，一个氢原子可以同时与两个电子亲合能大的，半径较小的原子（F、O、N等）相结合，这种结合力叫氢键。氢键结合起来的晶体为氢键晶体。水、冰中都有氢键，化工材料硼酸就是典型的氢键晶体。第四节原子间结合键与材料类型及性质学习目标：1.了解原子间结合键与材料类型的关系；2.了解原子间结合键与材料性质的关系。原子间结合键与材料类型一、原子间结合键与材料类型工程上主要根据固体中的结合键的特点或本性将材料分为以下四类：（1）金属材料（2）高分子材料（3）陶瓷材料（4）复合材料原子间结合键与材料性质二、原子间结合键与材料性质(一)原子间结合键与材料的弹性模量金属材料弹性模量的主要由晶体中原子的本性，晶格类型以及晶格常数等因素决定。在无机非金属材料中，金刚石具有极高的弹性量；硅酸盐材料一般也具有较高的弹性模量，原因在于硅酸盐材料的结合键主要是共价键和离子键，故键合力大。有机高分子材料的弹性模量很低，且在相当大的范围内变化，这与其结合键的性质有关。原子间结合键与材料性质（二）原子间结合键与材料其它性能材料的密度由原子量、原子半径和配位数控制。强度受双原子模型的合力曲线的影响电导率与原子键的性质密切相关。思考题思考题1．材料结构的具体涵义是什么？他们与性能的关系如何？3．说明三大类材料的键性及与其性质的关系。2.从原子外层电子相互作用角度，说明各种结合键的具体特征。