材科+第一章-原子结构与键合课件

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1、燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心前言前言燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心前言前言燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心 了解和学会合理使用现有的材料。了解和学会合理使用现有的材料。研究开辟现有材料的新工艺、新用途。研究开辟现有材料的新工艺、新用途。研究和创建新材料。研究和创建新材料。材料科学研究的目的材料科学研究的目的燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v 材料分类：金属、陶瓷、高分子、复合材料材料分类：金属、陶瓷、高分子、复合材料v 材料性能：材料性能：v 物质由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子的电子结构决物质由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子的电子

2、结构决定了原子之间的结合形式定了原子之间的结合形式 键合键合成分成分微观组织微观组织原子间的相互作用原子间的相互作用在空间的排列分布在空间的排列分布原子集合体的形貌特征原子集合体的形貌特征前言前言燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心金属材料金属材料：纯金属及其合金。：纯金属及其合金。钢铁材料钢铁材料(黑色金属黑色金属)钢钢 铸铁铸铁非铁金属材料非铁金属材料(有色金属有色金属)轻金属轻金属 Al Mg Ca Na Al Mg Ca Na 重金属重金属 Cu Ni Pb Sn Zn Cu Ni Pb Sn Zn 贵金属贵金属 Ag Au Pt Ru IrAg Au Pt Ru Ir稀有金属稀有

3、金属 Zr Ti Nb Zr Ti Nb 稀土金属稀土金属 Re(Y Nd Re(Y Nd)放射性金属放射性金属 Ra U Th Ra U Th 合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金合金是由两种或两种以上元素组成，其中至少有一种为金属元素组成具有属元素组成具有金属性金属性的材料。金属性的特征是具有正的电阻的材料。金属性的特征是具有正的电阻温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。温度系数，这是由于它的导电是自由电子的运动所决定的。前言前言燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心Periodic table of the elements with those eleme

4、nts that are inherently metallic in nature in color.燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心高分子材料高分子材料：有机聚合物：有机聚合物 以高分子化合物为主要成分，与各种添加剂配合，经加以高分子化合物为主要成分，与各种添加剂配合，经加工而成的有机合成材料。包括工而成的有机合成材料。包括塑料塑料、橡胶橡胶、合成纤维合成纤维、粘粘合剂合剂、涂料涂料等。等。热塑性塑料：尼龙热塑性塑料：尼龙 聚乙烯聚乙烯 聚氯乙稀聚氯乙稀 聚丙烯聚丙烯 热固性塑料：树脂热固性塑料：树脂 聚氨酯聚氨酯弹性材料：天然橡胶弹性材料：天然橡胶 合成橡胶合成橡胶燃料电池研究开

5、发中心燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心 3.陶瓷材料陶瓷材料：以天然硅酸盐矿物或人工合成的以天然硅酸盐矿物或人工合成的氧化物氧化物、碳化碳化物物、氮化物氮化物等为原料，经粉碎、成形、烧结而成的等为原料，经粉碎、成形、烧结而成的无机非无机非金属材料。金属材料。包括包括 普通陶瓷和特种陶瓷普通陶瓷和特种陶瓷燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心 4.复合材料复合材料：由两种或两种以上不同材料组合而成的由两种或两种以上不同材料组合而成的多相多相固固体材料，其组成主要包括基体材料体材料，其组成主要包括基体材料(主要起主要起粘结作用粘

6、结作用)和增强和增强材料材料(起承受起承受载荷载荷和和显示功能显示功能的作用的作用)。环球网环球网2015年年2月月25日报道，福特汽日报道，福特汽车公司宣布，将与美国陶氏化学合作，车公司宣布，将与美国陶氏化学合作，研究制造创新性碳纤维复合材料，在研究制造创新性碳纤维复合材料，在未来的产品上用使用。未来的产品上用使用。燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v 材料分类：金属、陶瓷、高分子、复合材料材料分类：金属、陶瓷、高分子、复合材料v 材料性能：材料性能：v 物质由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子的电子结构决物质由原子构成，原子由原子核和核外电子构成，原子的电子结构决定了原子之间

7、的结合形式定了原子之间的结合形式 键合键合成分成分微观组织微观组织原子间的相互作用原子间的相互作用在空间的排列分布在空间的排列分布原子集合体的形貌特征原子集合体的形貌特征前言前言燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心第一章原子结构与键合第一章原子结构与键合 燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v1.1 原子结构原子结构 物质的组成：分子、原子或离子物质的组成：分子、原子或离子 分子：单独存在、保持物质化学特性分子：单独存在、保持物质化学特性 分子体积：很小，如分子体积：很小，如d（H2O）=0.2nm 分子质量：有大有小，如蛋白质、分子质量：有大有小，如蛋白质、H2 原子：原子：化学变化

8、中的最小微粒化学变化中的最小微粒 原子原子中子中子 电中性电中性质子质子 正电荷正电荷原子核原子核电子电子 负电荷负电荷原子直径：原子直径：10-10m原子核直径：原子核直径：10-15m质子质量：质子质量：1.6710-24g电子质量：电子质量：9.1110-28g燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v原子的电子结构原子的电子结构 电子云：电子在核外高速转动，呈云雾状。电子云：电子在核外高速转动，呈云雾状。描述原子中一个电子的空间和能量，用四个量子数表示描述原子中一个电子的空间和能量，用四个量子数表示：1）主量子数主量子数 n:决定原子中电子能量以及与决定原子中电子能量以及与 核的平均距

9、离，只能是核的平均距离，只能是正整数正整数 1，2，3，4，表示量子壳层表示量子壳层 K，L，M，N.2）轨道角动量量子数轨道角动量量子数 li ：决定电子在同一壳：决定电子在同一壳 层内所处的能级，与电子运动的角动量有关，层内所处的能级，与电子运动的角动量有关，取值取值 0，1，2.n-1，用，用s,p,d,f表示表示 3）磁量子数磁量子数 mi:给出每个轨道角动量量子数给出每个轨道角动量量子数 的能级数或轨道数。每个的能级数或轨道数。每个li下的磁量子数总数下的磁量子数总数 为为 2 li+1，决定电子云的空间取向，决定电子云的空间取向 4）自旋角动量量子数自旋角动量量子数 si:反映电子

10、不同的自旋方向，规定为反映电子不同的自旋方向，规定为+和和-1212钠原子结构中钠原子结构中K,L和和M量量子壳层的电子分布状况子壳层的电子分布状况燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v原子的电子结构原子的电子结构1）主量子数）主量子数n：决定原子轨道的大小（即电子层）和决定原子轨道的大小（即电子层）和电子的能量。电子的能量。2）角量子数）角量子数li：决定原子轨道或电子云的形状同时决定原子轨道或电子云的形状同时也影响电子的能量。也影响电子的能量。3）磁量子数）磁量子数mi：决定原子轨道或电子云在空间的伸决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向。展方向。

11、4）自旋量子数）自旋量子数si：决定电子的自旋方向决定电子的自旋方向燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v核外电子排列遵循以下三个原则：核外电子排列遵循以下三个原则：1）能量最低原理能量最低原理：电子排布总是尽可能使体系的能量最低：电子排布总是尽可能使体系的能量最低 KLMN 2）泡利（泡利（Pauli）不相容原理）不相容原理：在一个原子中不可能有运动：在一个原子中不可能有运动 状态完全相同的两个原子。主量子数为状态完全相同的两个原子。主量子数为n,最多容纳电子数最多容纳电子数 2n2 3）洪德（洪德（Hund）定则）定则：在同一亚层的各个能级中，电子的排布尽可：在同一亚层的各个能级中，电

12、子的排布尽可能分占不同的能级，且自旋方向相同。能分占不同的能级，且自旋方向相同。原子序数较大时，能级有重叠现象原子序数较大时，能级有重叠现象 Fe：1s22s22p63s23p63d8 1s22s22p63s23p63d64s2 燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v元素周期表元素周期表 元素：具有相同核电荷数的同一类原子的总称元素：具有相同核电荷数的同一类原子的总称 元素周期律：元素的外层电子结构随原子序数的递增呈周期性变化元素周期律：元素的外层电子结构随原子序数的递增呈周期性变化 同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子同位素：具有相同的质子数和不同中子数的同一元素的原子

13、元素化合能力：化合价与原子上的电子结构，特别是价电子数密切相关元素化合能力：化合价与原子上的电子结构，特别是价电子数密切相关同一周期：核外电子层相同，从左到右，电荷数同一周期：核外电子层相同，从左到右，电荷数，原子半径，原子半径，电离，电离能能，失电子能力，失电子能力，得电子能力，得电子能力，金属性，金属性，非金属性，非金属性同一主族：从上到下：电子层数同一主族：从上到下：电子层数，原子半径，原子半径，电离能，电离能，失电子能，失电子能力力，得电子能力，得电子能力，金属性，金属性，非金属性，非金属性 燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v1.2 原子

14、间的键合原子间的键合v金属键金属键 金属原子：最外层电子数少，易挣脱原子核束缚，形成电子云金属原子：最外层电子数少，易挣脱原子核束缚，形成电子云 金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成键合 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：导电性，导热性，延展性性质：导电性，导热性，延展性化学键化学键金属键金属键离子键离子键共价键共价键主价键主价键物理键物理键 次价键次价键氢键氢键 介于化学键和范德华力之间介于化学键和范德华力之间金属键示意图金属键示意图燃料电池研究开发中

15、心燃料电池研究开发中心v离子键离子键 多数盐类、碱类和金属氧化物多数盐类、碱类和金属氧化物 实质：金属原子将最外层电子给予非实质：金属原子将最外层电子给予非 金属原子，正负离子靠静电引力结合金属原子，正负离子靠静电引力结合 在一起。在一起。特点：以离子而不是以原子为结合单特点：以离子而不是以原子为结合单 元，无方向性，无饱和性元，无方向性，无饱和性 性质：熔点和硬度均较高，良好电绝性质：熔点和硬度均较高，良好电绝 缘体缘体NaCl离子键的示意图离子键的示意图燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v共价键共价键 通过共用电子对而形成的键合（通过共用电子对而形成的键合（C,Si,Sn,Ge,聚合

16、物，无机非金属）聚合物，无机非金属）共用电子对在两成键原子之间共用电子对在两成键原子之间 特点：饱和性，方向性特点：饱和性，方向性 性质：熔点高、质硬脆、导电能力差性质：熔点高、质硬脆、导电能力差极性键极性键 偏向某一个原子偏向某一个原子非极性键非极性键 不偏不倚不偏不倚 如（如（H2）碳原子间共价键示意图碳原子间共价键示意图燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v范德瓦尔斯力范德瓦尔斯力近邻原子的相互作用引起电荷位移形成偶极子近邻原子的相互作用引起电荷位移形成偶极子电偶极矩的感应作用电偶极矩的感应作用包括：静电力、诱导力、色散力包括：静电力、诱导力、色散力特点：属物理键特点：属物理键，系次价键，系次价键，无方向性和饱和性无方向性和饱和性，但能很大程度，但能很大程度 改变改变材料性质材料性质 原子或分子偶极原子或分子偶极极性分子间的范德瓦尔斯力示意图极性分子间的范德瓦尔斯力示意图燃料电池研究开发中心燃料电池研究开发中心v氢键氢键 极性分子键极性分子键，存在于，存在于HF，H2O，NF3 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将与近邻分子的负端相互吸引氢桥氢桥 介于化学键与物理键之间，介于化学键与物理键之间，具有饱和性和方向性具有饱和性和方向性HF氢键示意图氢键示意图