第一章原子结构和键合Atomic Structure and Interatomic Bonding 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 核外电子的排布(electron configuration)规律 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。 ※2原子间的键合 ( Bonding type with other atom) 二、离子键(Ionic bonding) 多数盐类、碱类和金属氧化物 四、范德华力(Van der waals bonding) ※3高分子链(High polymer Chain) 近程结构(short-range Structure) 一、结构单元的化学组成(the Chemistry of mer unito) 1.碳链高分子 聚乙烯 3.元素有机高分子 硅橡胶 主链中不含C原子,而由Si、 B 、P 、Al、 Ti 、As等元素与O组成,其侧链则有机基团,故兼有无机高分子和有机高分子的特性,既有很高耐热和耐寒性,又具有较高弹性和可塑性,如硅橡胶 二、高分子链结构单元的键合方式(bonding tape) 1.均聚物结构单元键接顺序 单烯类单体中 除乙烯分子是完全对称的,其结构单元在分子链中的键接方法只有一种外,其它单体因有不对称取代,故有三种不同的键接方式(以氯乙烯为例): 2.共聚物的序列结构(Copolymers) 按结构单元在分子链内排列方式的不同分为 四、高分子链的构型(Molecular configurations) 链的构型系指分子中原子在空间的几何排列,稳定的,欲改变之须通过化学键断裂才行 远程结构(Long-range Structure) 一、高分子的大小(Molecular Size) 高分子的相对分子质量M不是均一的,具有多分散性 平均相对分子质量 二、高分子的形状(Molecular shape) 主链以共价键联结,有一定键长 d和键角θ,每个单键都能内旋转(Chain twisting)故高分子在空间形态有mn-1( m为每个单键内旋转可取的位置数,n为单键数目) 统计学角度高分子链取 伸直(straight)构象几率极小,呈卷曲(zigzag)构象几率极大 高分子链的总链长 均方根 * * 物质(Substance)是由原子(atom)组成 在材料科学中,最为关心原子的电子结构 原子的电子结构—原子间键合本质 决定材料分类:金属 陶瓷 高分子 材料性能:物 化 力学 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(Substance Construction) 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 M(protein)为百万 原子(Atom): 化学变化中最小微粒 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 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) 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 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, 且无方向性,无饱和性 性质:熔点和硬度均较高,良好电绝缘体 三、共价键(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 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 包括:静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force) 属物理键 ,系次价键,不如化学键强大,但能很大程度改变材料性质 五、氢键(Hydrogen bonding) 极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ,在高分子中占重要地位, 氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有(共价键结合),裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥 介于化学键与物理键之间,具有饱和性 主链以C原子间共价键相联结 加聚反应制得 如 聚乙烯,聚氯乙烯,聚丙烯,聚甲基丙稀酸甲酯,聚丙烯 杂链高分子 涤纶 主链除C原子外还有其它原子如O、N 、S等,并以共价键联接,缩聚反应而得,如聚对苯二甲酸乙二脂(涤纶)聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等 4.无机高分子
材料的微观结构t.ppt
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