chap1-atomic-structure-and-bonding

1、材料物理（材料科學(xué)基礎(chǔ)）,物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 李強(qiáng)2007.1st Term,Xinjiang University,2024/3/20,材料結(jié)構(gòu)的層次,原子結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu),顯微結(jié)構(gòu),宏觀結(jié)構(gòu),,原子結(jié)構(gòu)及其鍵合是各種固體理論的基本出發(fā)點(diǎn)；原子結(jié)構(gòu)中最關(guān)心的電子結(jié)構(gòu)。,Xinjiang University,2024/3/20,第一章 原子的結(jié)構(gòu)和鍵合,原子的結(jié)構(gòu)原子的鍵合（原子核與核外電子的靜電庫侖相互作用）,Xinjian

2、g University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu),原子的結(jié)構(gòu),原子核在原子中只占了很小的體積，但集中了絕大部分的質(zhì)量。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu),電子軌道的經(jīng)典模型(Bohr模型)和量子模型,Bohr Model,Quantum ModelProbability wave,Xinjiang University,2024/3/20,§

3、;1-1 原子的結(jié)構(gòu),原子量以C12質(zhì)量的1/12為單位表示，即一個(gè)質(zhì)子(中子)相當(dāng)于單位1。另外，lmol質(zhì)子(中子)的質(zhì)量巧合為1 g。,問題：為什么元素的原子量都不是整數(shù)？,元素的原子量 = 該元素所有同位素對(duì)其豐率的加權(quán)平均。,例: Cr的原子序數(shù)為24, 有4種同位素(豐率見下),計(jì)算Cr的原子量。⑴ P(Cr50)＝4.31%； ⑵ P(Cr)＝83.76%；⑶ P(Cr53)＝9.55%；⑷ P(Cr54)＝2.38

4、%。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)（原子的電子結(jié)構(gòu)）,原子的電子軌道原子中一個(gè)電子的軌道(狀態(tài))由四個(gè)量子數(shù)確定。主量子數(shù)n：n = 1，2，3，…… K, L, M，……決定了軌道與原子核的平均距離以及電子的能量。軌道角動(dòng)量量子數(shù)l：l = 0，1，2，3，……，n-1 s, p, d, f，……反

5、映了電子軌道的形狀。軌道磁量子數(shù)m：m = 0，±1， ±2，……，±l軌道角動(dòng)量在外磁場方向的投影值。自旋磁量子數(shù)ms：ms = ±1/2電子自旋角動(dòng)量在外磁場方向的投影值。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)（原子的電子結(jié)構(gòu)）,核外電子的排布規(guī)律能量最低原理： ⑴ 電子的能量主要取決于n，此外也與l有關(guān) (屏蔽效應(yīng))。

6、 ⑵ 屏蔽效應(yīng)(形狀越發(fā)散的軌道受到的屏蔽越多，使軌道能量升高)導(dǎo)致能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。 ⑶ 對(duì)于小原子序數(shù)的原子有下面的經(jīng)驗(yàn)公式：for atom: E = n + 0.7 l；for ion: E = n + 0.7 l泡利Pauli不相容原理：洪德Hund法則： ⑴ 全充滿，半充滿或全空的軌道較穩(wěn)定。 ⑵ 自旋趨于平行排列。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)

7、構(gòu)（原子的電子結(jié)構(gòu)）,核外電子的排布規(guī)律,討論：請(qǐng)寫出下列元素的電子排布式。C(6) V(23)Cr(24)W(74),,1s22s22p21s22s22p63s23p63d34s21s22s22p63s23p63d44s21s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p65d56s1,→ 1s22s22p63s23p63d54s1,→ 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s

8、25p65d46s2,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)（元素周期表）,元素周期表Periodic Table,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)（元素周期表）,元素周期表的周期和族最大的主量子數(shù)n → 元素所在的周期最外層的電子數(shù) → 元素所在的族主族：最外層電子來自同一個(gè)殼層副族：最外層電子來自不同的殼層,討

9、論① ：第n殼層能容納的電子數(shù)（軌道數(shù)）Nn。n殼層中： l = 0, 1, 2, …, n-1 共n個(gè)每個(gè)l 中m可取：0, ±1, ±2, …,±l 共2l+1個(gè)∴n=1, 2, 3, 4, … Nn=2, 8, 18, 32, …,,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)（元素周期表）,,討論②：各周期中元素的數(shù)目。

10、I：1s1 ~ 1s2共2個(gè)II：2s1 ~ 2s22p6共8個(gè)III：3s1 ~ 3s23p6 （能級(jí)交錯(cuò)E3d > E4s） 共8個(gè)VI：∵ E4d > E5s， 4s1 ~ 4s24p6, 8個(gè)主族元素，另外, 3d殼層有10個(gè)過渡族元素， ∴共18個(gè) …,Info：關(guān)于過渡族元素，鑭系元素和錒系元素。凡最外層電子填充在d軌道→過渡族元素；凡最外層電子

11、填充在4f軌道→鑭系元素；凡最外層電子填充在5f軌道→錒系元素。,,Xinjiang University,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu)（元素周期表）,元素周期表中的周期性規(guī)律,電負(fù)性electronegativity: 反映了原子吸引電子的能力。 EN＝ 0.18( IE + EA),電離能: 對(duì)同一周期的元素，最外層電子排布為半充滿，全充滿，以及ns2np6時(shí)較穩(wěn)定。,Xinjiang Univers

12、ity,2024/3/20,§1-1 原子的結(jié)構(gòu),元素的電負(fù)性,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合,共同的特點(diǎn)：鍵合后各原子的外層電子結(jié)構(gòu)要構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如1s2, ns2np6, (n-1)d10ns2np6, …,,結(jié)合鍵,化學(xué)鍵,物理鍵,,金屬鍵,離子鍵,共價(jià)鍵,,范德瓦爾斯鍵,氫鍵,,極性共價(jià)鍵,非極性共價(jià)鍵,Xinjiang University,20

13、24/3/20,§1-2 原子間的鍵合（化學(xué)鍵）,金屬鍵,特點(diǎn) ：金屬鍵既無方向性，也無飽和性。這導(dǎo)致金屬傾向于密堆積排列，fcc, hcp, bcc；良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，好的延展性。,金屬原子的最外層電子數(shù)少，極易擺脫原子核的束縛成為自由電子。自由電子可在整個(gè)金屬中自由運(yùn)動(dòng)，被共有化。金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子

14、間的鍵合（化學(xué)鍵）,離子鍵,特點(diǎn) ：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列；無方向性和飽和性，這導(dǎo)致離子晶體一般具有較高的配位數(shù)；結(jié)合牢固，熔點(diǎn)和硬度較高，良好的電絕緣體。,大多數(shù)的鹽類、堿類以及金屬氧化物通過離子鍵結(jié)合。通過電子轉(zhuǎn)移，形成各自穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的帶電的正負(fù)離子，通過庫侖相互作用結(jié)合在一起。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（化學(xué)鍵）,共價(jià)鍵,亞金屬（C

15、，Si，Sn，Ge）、聚合物，無機(jī)非金屬材料。由兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過共用電子對(duì)而形成的化學(xué)鍵。,特點(diǎn) ：有方向性：除s軌道，其它軌道都有一定的方向性，鍵的方向沿著電子云重疊最大的方向；有飽和性：導(dǎo)致配位數(shù)較少；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，硬，脆，導(dǎo)電性差。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（化學(xué)鍵）,共價(jià)鍵,Si晶體,sp軌道雜化,Xinjiang Univers

16、ity,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（化學(xué)鍵）,共價(jià)鍵,SiO2晶體,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（物理鍵）,范德瓦爾斯鍵,特點(diǎn) ：與R-6成正比；鍵能比化學(xué)鍵小1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；無方向性和飽和性，趨向密堆積排列。,是惰性氣體以及許多有機(jī)分子晶體的主要的吸引相互作用。電中性的原子（分子），由于相互作用而瞬時(shí)產(chǎn)生電荷的不均勻分布，形成電偶極矩。在

17、電偶極矩的作用下，將電中性的原子（分子）結(jié)合在一起。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（物理鍵）,氫鍵,特點(diǎn) ：形成氫鍵的條件: (1) 分子中必須有氫；(2) 另一個(gè)元素必須是顯著的非金屬元素。鍵能大小介于化學(xué)鍵和范德瓦爾斯鍵之間。,當(dāng)氫原子核外電子被其它原子所共有，使氫端成為裸露的帶正電的原子核。它與鄰近分子的負(fù)端相互吸引，從而形成氫鍵。,問題：盡管HF的相對(duì)分子質(zhì)量比

18、較低，但HF的沸點(diǎn)(19.4℃)遠(yuǎn)大于HCl(－85℃)。請(qǐng)解釋原因。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（總結(jié)）,原子間結(jié)合鍵總結(jié)：,鍵能的大小反映了材料的熔點(diǎn)。,方向性與材料的延展性有關(guān)。,導(dǎo)電性與原子的最外層電子有關(guān)。,飽和性決定了晶體結(jié)構(gòu)中原子的配位數(shù)及致密度。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（總結(jié)）,電子云的

19、交疊：,,,,,,,范德瓦爾斯鍵,離子鍵,,,金屬鍵,,,,共價(jià)鍵,,價(jià)電子軌道交疊形成能帶。,形成分子軌道軌道雜化。,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（總結(jié)）,實(shí)際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不多。,價(jià)鍵四面體,Xinjiang University,2024/3/20,§1-2 原子間的鍵合（總結(jié)）,實(shí)際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不多。范德瓦爾斯鍵會(huì)存在于所有的晶體中