原子间作用力和结合能

化工学院高分子§3.2原子间作用力和结合能化工学院高分子2原子的聚集态聚集态——气态、液态、固态物质最常见的存在方式液体液晶橡胶态玻璃态晶态弹性模量体积模量——向立方块物体表面施加一均匀压力时，其体积将减小，其单位体积的体积变化作为所需压力大小的度量切变模量——当物体受到方向相反的切向力时，将受剪切而变形，而没有体积变化，单位剪切应变的切应力的大小E＝σ/εK＝－dp/dτ/τμ＝－dσ/ε化工学院高分子3原子的聚集态凝聚态——物质最常见的存在方式液体液晶橡胶态玻璃态晶态弹性模量体积模量切变模量趋于零很大零很小很大趋于零很小很大很小很大很大很大很大很大很大化工学院高分子4原子间作用力和结合能原子间的距离和作用原子间距离很大时,相互作用很小;距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式增大。平衡间距就是斥力和引力相等的距离。a’：平衡间距，合力F=0，能量E最低，结合能的负值；r增大，F为引力，E增大；r减小，F为斥力，E大大增大。FRFA化工学院高分子5RArRANEEdrFFE)(NEAERENFAFRF——总作用势能——吸引能——排斥能——总作用力——吸引力——排斥力化工学院高分子6(a)金属半径(b)离子半径原子半径和离子半径结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a’不同，半径不同化工学院高分子7多原子间的相互作用材料类型→结合能的大小势能曲线晶体的结合能EB＝EN－E0E0晶体总能量，EN组成该晶体的N个原子在自由状态的总能量晶体结合能离子晶体m＝1,n=9金属晶体m＝1，n＝3nmrBrArE化工学院高分子8§3.3原子间结合键原子结合方式——键型化学键：(一次键)物理键：(二次键)离子键金属键共价键分子键(范德华力)氢键化工学院高分子9化学键(一次键)离子键共价键金属键这三种物质在固态下都有很高的熔点化学键的结合中存在电子的交换，这些电子称为价电子。——NaCl——Si——Cu801℃1683℃1356℃化工学院高分子10离子键正离子————负离子库仑引力以离子为结合单元离子键(IonicBonding)化工学院高分子11离子键多数盐类、碱类和金属氧化物特点：结合力很大电子束缚在离子中；正负离子吸引，达静电平衡,相间排列电场引力无方向性无饱和性；在溶液中离解成离子性质：熔点和硬度均较高，热膨胀系数小良好电绝缘体，不吸收可见光，无色透明化工学院高分子12共价键(CovalentBonding)实质：两个或多个电负性差不大的原子通过共用电子对的键合。类型极性键：共用电子对偏于某成键原子非极性键：位于两成键原子中间化工学院高分子13共价键亚金属(C、Si、Sn、Ge)，聚合物和无机非金属材料特点：两原子共享最外壳层电子对；有饱和性；8－N有方向性；结合力很大性质：熔点高、硬度大、脆性大、沸点高、不易挥发、导电能力差化工学院高分子14金属键(MetallicBonding)价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，在整个晶体内自由地运动，形成电子云。金属键——金属中自由电子气与金属正离子之间的静电吸引力主要物质：金属和以金属为主的合金化工学院高分子15金属键特点：由正离子排列成有序晶格；各原子最(及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变(可塑性)。性质：良好导电、导热性能，延展性好，有不透光性化工学院高分子16物理键(二次键)作用力也是库仑引力与离子键相同但弱得多不存在电子交换，原子或分子————电子分布不均匀——原子或分子的极性结合种类分子键(范德华键)氢键外界条件化工学院高分子17分子键分子键——分子（或电中性原子）间的结合力，是以弱静电吸引的方式使分子或原子团连接在一起的力，又称范德华力。特点：无方向性和饱和性键能最小分类原子或分子的偶极静电力(葛生力)诱导力(德拜力)色散力(伦敦力)化工学院高分子18静电力实质：分子永久偶极间相互作用，如HCl分子作用能1.2×10～2.1×10KJ/mol影响因素分子极性与温度成反比与分子间距的6次方成反比化工学院高分子19诱导力实质：被诱导的偶极与永久偶极间作用作用能：0.6×10～1.2×10KJ/mol产生于：极性－非极性极性－极性离子－分子离子－离子影响因素：分子极性被诱导分子的外层电子壳越大，越易变形与分子间距的6次方成反比化工学院高分子20色散力实质：非极性分子间瞬时偶极间的作用作用能：0.8～8.4KJ/mol特点：普遍性具有加和性影响因素：分子的变形性越大，色散力越大分子的电离势越低，色散力越大分子间距离的6次方成反比化工学院高分子21分子键分子键与物质的性质沸点、熔点、汽化热、熔化热、溶解度、和表面张力存在于惰性气体分子性固体——聚合物(长链大分子构成)液体化工学院高分子22实质：质子给予体(如H)与强电负性原子X(如O、N、F、Cl)结合，再与另一强电负性原子Y(质子接受体)形成一个键的键合方式。氢键(Hydrogenbond)条件：•分子中必须含有氢•另一个元素必要电负性很强的非金属元素；化工学院高分子23氢键特点：有方向性，饱和性；分子间氢键；键能:一般为几~十几kJ/mol主要存在于固体和液体中水、胺、羧酸、无机酸、水合物、氨合物蛋白质、脂肪、糖分子键与物质的性质沸点、熔点、溶解度、表面吸附化工学院高分子24各种键性比较方向性：金属键、离子键——无共价键、分子键、氢键——有键能：在101.3kPa，298K条件下，1mol物质结合键分裂放出的能量——表示结合的强弱化学键物理键化学键中:共价键≈离子键金属键共价键中:叁键双键单键物理键中:氢键分子键化工学院高分子25不同结合键的键能及熔点注：1cal＝4.18J化工学院高分子§3.4结合键与材料类型及性质化工学院高分子271.材料类型与结合键金属——金属键——简单金属——金属键＋共价键——过渡金属高分子材料分子内部——共价键分子之间——分子键或氢键陶瓷材料离子键（为主）共价键化工学院高分子282.材料性质与结合键弹性模量E=σ/ε=S0/r0FRFA金属——金属键——大陶瓷材料——离子键和共价键——大高分子——分子键——小交联——增大化工学院高分子292.材料性质与结合键密度——原子量、原子半径、配位数熔点——原子结合力热膨胀系数电导率——原子键化工学院高分子30材料结构组成材料的原子(或离子、分子)的构造原子间的结合方式原子间的排列方式结构中存在的缺陷结合键晶体结构位错、晶格畸变化工学院高分子31晶体结构金刚石和石墨都是由碳原子构成的，但是它们的性质截然不同。金刚石是正四面体结构，每个面都是三角形，所以金刚石坚硬无比；石墨是片层结构，层与层之间很容易滑动，所以石墨较软而且有滑腻感，可以作高温润滑剂。化工学院高分子32结晶特性晶体：原子(团)沿三维空间呈周期性长程有序排列的固体物质金属，大多陶瓷及一些聚合物非晶体：原子(团)无周期性长程有序排列的物质包括气体，液体和部分固体化工学院高分子33晶体的性质熔点确定有自发形成规则多面体外形的能力稳定性（晶体能量最低）各向异性（物理性质不同）均匀性（周期小，宏观连续）化工学院高分子34晶体学基础基本概念空间点阵晶胞晶系和布拉菲点阵晶向、晶向指数、晶向族晶面和晶面指数晶面族和晶面间距化工学院高分子351．点阵：晶体结构的微观特征某种结构单元（基元）在三维空间作周期性规则排列基元：原子、分子、离子或原子团(组成、位形、取向均同)抽象为基元几何点抽象为基元的三维空间周期排列空间点阵点阵+基元=晶体结构化工学院高分子36化工学院高分子37化工学院高分子38化工学院高分子39空间点阵的特征：点阵反映晶体结构的平移对称点阵是抽象的几何图形点阵中每个阵点的周围环境均相同化工学院高分子402．晶胞晶胞：代表晶体内部结构的基本重复单位（平行六面体）晶胞的基本要素：A．大小和形状B．各原子坐标位置晶轴上晶胞三个边的长度a，b，c和其夹角α，β，γ称为晶格常数简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点复杂晶胞：除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点化工学院高分子41晶胞选取晶胞的原则Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性；Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多；Ⅳ）在满足上述条件，晶胞应具有最小的体积。化工学院高分子423.晶系和布拉菲点阵按晶格常数的不同组合可将晶胞分为7种类型，对应7个晶系7个晶系中，共有14种空间点阵型式——布拉菲点阵3.晶系与布拉菲点阵7个晶系，14个布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点阵三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ单斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90º≠β正交a≠b≠c，α=β=γ＝90º简单三斜简单单斜底心单斜简单正交底心正交体心正交面心正交六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90º，γ=120º菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90º四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90º立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90º简单六方简单菱方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方底心单斜简单三斜简单单斜底心正交简单正交面心正交体心正交简单菱方简单六方简单四方体心四方简单立方体心立方面心立方化工学院高分子484.晶向、晶向指数、晶向族晶胞定位（用分数坐标）原点（0,0,0）晶胞内离原点最远的顶角点(1,1,1)，即位置为(1a,1b,1c)定位系数以晶胞的尺度来表示,点的位置用(x,y,z)表示(点在晶胞内,无符号,分数)化工学院高分子49方向可不同晶向和晶向指数、晶向族(1)晶向是原点出发通过某点的射线(或过若干结点的直线方向)(2)晶向指数用晶胞各轴上投影的最低整数标明[uvw]表示晶向，其中uvw即晶向指数一个晶向代表了一系列相互平行的阵点构成的直线晶体中同一晶向的阵点直线系列称为晶列，用〈uvw〉表示晶向族，代表原子密度相同(等价)的所有晶向。化工学院高分子50化工学院高分子51定义右图中的晶向指数晶向指数计算举例解xyz投影a/21b0c根据晶格常数投影1/210取整120晶向指数[120]返回化工学院高分子52如立方晶体中：111[111][111][111][111]XZY化工学院高分子53立方晶系常见的晶向为：]111[]111[]111[]111[:111]110[]011[]101[]011[]101[]110[:110]001[]010[]100[:100、、、、、、、、、、化工学院高分子54晶面：晶体内的阵点（组成的）平面。晶面指数：是晶面在三个晶轴上的截距倒数之比，用(hkl)表示。截距用晶格常数a，b，c的倒数r，s，t表示即：h:k:l=1/r:1/s:1/t，最小整数5.晶面和晶面指数化工学院高分子55化工学院高分子56解:xyz截距∞a-bc/2根据晶格常数的截距∞-11/2取倒数s0-12化为整数(必要时)加上括号(012)化工学院高分子576.晶面族：晶面族用{hkl}表示,代表原子排列和面间距相同（晶面方位不同）的所有晶面。对立方晶体：A．{100}3组B．{111}4组C．{110}6组化工学院高分子58{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY化工学院高分子59立方晶系常见的晶面为：)111()111()111()111(:}111{)110()011()101()011()10