工程材料基础-原子结构

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1、单击此处编辑母版标题样式,,,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章,原,原子,结,结构与,原,原子间,结,结合键,2.1,原,原子,结,结构,,2.2,原,原子,序,序数和,原,原子质,量,量,,2.3,原,原子,的,的电子,层,层结构,,2.4,原,原子,的,的结合,键,键,,,2.1,原,原子,结,结构,原子组,成,成：,原子核,和,和核外,电,电子,,原,原子核,内,内又有,质,质子和,中,中子。,原子电,荷,荷：,质子带,正,正电荷,，,，中子,不,不带电,荷,荷，因,此,此原子,核,核,带正电,荷,荷，通,过,过静电,吸,吸引，,将,将带负,电,电荷的

2、,电,电,子束缚,在,在其周,围,围。每,个,个质子,和,和电子,所,所带的,电,电,荷,q,均为1.602×10,-19,库仑。,因,因为原,子,子中质,子,子,和电子,的,的数目,相,相等，,所,所以从,整,整体看,，,，原子,是电中,性,性的。,原子尺,寸,寸,：直径,约,约为10,-10,m，,但原子,核,核直径,很,很小，,仅,仅为,约10,-14,m，,其外部,均,均为电,子,子所包,围,围。,,,续上页,原子质,量,量,：原子,的,的质量,大,大部分,集,集中在,原,原子核,内,内。,一个质,子,子具有1.673,×,×10,-24,g,质量，,中,中,子略重,于,于质子,，,，

3、质量,为,为1.675,×,×10,-24,g，,而一个,电,电子的,质,质量只,有,有9.109,×,×10,-28,g，,仅为质,子,子质量,的,的1/1836。,,表2-1 质,子,子、中,子,子和电,子,子的质,量,量与电,荷,荷,,粒子质量，,g,粒子电荷，库仑,,质子,中子,电子,,1.673×10,-24,1.675×10,-24,9.109,×,10,-28,,+1.602×10,-19,0,-,1.602,×,10,-19,,,,2.2,原,原子,序,序数和,原,原子质,量,量,2．2,．,．1,原,原子序,数,数,元素的,原子序,数,数,等于原,子,子核中,的,的质子,数,

4、数或核,外,外电子,数,数。每,种,种元素,均,均与一,定,定的原,子,子序数,相,相对应,，,，如铁,的,的原子,序,序数为26，,其,其原子,核,核有26个质,子,子和26个核,外,外电子。,,,2．2,．,．2,核,核素与,同,同位素,核素：,原子核,中,中具有,一,一定质,子,子数和,一,一定中,子,子数的,原,原子。,一种碳,原,原子的,原,原子核,中,中有6,个,个质子,和,和6个,中,中子，,它的质,量,量数是12，,这,这种碳,原,原子称,碳,碳-12核素,，,，,写为,12,C,核素；,另,另一种,碳,碳原子,的,的原子,核,核里有6个,质子和7个中,子,子，质,量,量数为1

5、3，,称,称碳-13核,素,素，,可写为,13,C,核素。,,多核素,元,元素,与,单核素,元,元素,。,,同位素,：,：,质子数,相,相同而,中,中子数,不,不同的,同,同一元,素,素的不,同,同,原子互,称,称为,同位素,；即多,核,核素元,素,素中的,不,不同,核素互,称,称为同,位,位素。,12,C,和,13,C,是碳的,同,同位素,。,。,稳定同,位,位素,与,放射性,同,同位素,。,。,,,2.2.3,原,原子质,量,量与相,对,对原子,质,质量,1.,原,原子质,量,量,指某核,素,素一个,原,原子的,质,质量。,由,由于原,子,子的绝,对,对质量,很,很小,, 常,以,12,C

6、,一个原,子,子质量,的,的1/12作,单,单位，,称,称为“,原子质,量,量单位,”，用,“,“,u”,表示（1,u=1.66,×,×10,-24,g），,因此,12,C,的原子,质,质量也,就,就等于12,u。,,,续上页,元素原,子,子的原,子,子质量,：,：,元素的,平,平均原,子,子质量,与,与核素,12,C,原子质量,的,的1/12之比。,所,所谓元素,的,的平均原,子,子质量，,是,是对一种,元,元素含有,多,多种天然,同,同位素而,说,说的，平,均,均原子质,量,量可由这,些,些同位素,的,的原子质,量,量和丰度,（,（指某同,位,位素在所,属,属的天然,元,元素中所,占,占的

7、原子,百,百分数）,来,来计算。,,元素的原,子,子质量用,符,符号,A,r(E),表示，,E,代表某元,素,素，如氧,的,的原子质,量,量等于16.00,，,，可表示,为,为,A,r(O)=16.00。,它表示1,个,个氧原子,的,的平均质,量,量是核素,12,C,原子质量1/12,的,的16.00倍。,可,可见，元,素,素的原子,质,质量只是,一,一种相对,的,的比值。,它,它的单位,为,为一。,,,例题,2-1,：,自然界的,氢,氢元素有,两,两种同位,素,素，实验,测,测得,1,H,的原子质,量,量为1.007825,u，,丰度为99.985%，,2,H,的原子质,量,量为2.0140

8、,u，,丰度为0.015%，试计,算,算氢元素,的,的平均原,子,子质量和,相,相对原子,质,质量。,,解：氢元素的,平,平均原子,质,质量为：,1.007825,u×99.985%+2.0140u×0.015%=1.0079u,根据元素,的,的相对原,子,子质量的,定,定义，氢,的,的相对原,子,子,质量为：,,,2. 相,对,对原子质,量,量,元素的相,对,对原子质,量,量：,1,mol,某种元素,的,的平均质,量,量与1,mol,12,C,核素原子,质,质量1/12之比,，,，也是该,元,元素6.023×10,23,个原子（,阿,阿伏伽德,罗,罗数,N,A,）,的质量，,其,其单位为,g

9、/mol。,各元素的,相,相对原子,质,质量均示,于,于表2-2元素周,期,期表中元,素,素符号的,下,下方。,,,例题2-2,：,(1),根,根据铜的,相,相对原子,质,质量，试,求,求1个铜,原,原子的质,量,量。,(2)1克铜中,有,有多少铜,原,原子？,,解:,(1),铜,铜的相对,原,原子质量,为,为63.54,g/mol，,因63.54,g,铜有,6.023×10,23,个原子,,因,因此, 一个,铜,铜原子的,质,质量为:,63.54,g/mol/6.023×10,23,个原子/,mol=1.05,×,×10,-22,g/,原子,,(2)1克铜的,原,原子数：,6.023×10,

10、23,个原子/,mol/63.54g/mol=9.48×10,21,个原子/,g,,,2.3,原,原子的电,子,子层结构,2．3．1 核外,电,电子的运,动,动状态,,原子中核,外,外电子的,运,运动状态,（,（或分布,情,情况），,要,要用四个,量,量子数加,以,以描述。,这,这四个量,子,子数是：,,１．主量,子,子数,n,２．角量,子,子数,l,３．磁量,子,子数,m,４．自旋,量,量子数,m,s,,,1．主量,子,子数,n,主量,子,子数,n,是描述核,外,外电子的,能,能量和电,子,子离核平,均,均距离的,参,参数，是,决,决定电子,能,能量大小,的,的主要量,子,子数。,n,值

11、越大，,电,电子离核,的,的距离越,远,远，电子,的,的能量愈,高,高。,主量,子,子数,n,可取零以,外,外的正整,数,数，即,n,= 1,2,3 …。,每一个,n,值代表一,个,个电子层,或,或主能级,层,层（主层,）,），在光,谱,谱学上常,用,用拉丁字,母,母表示电,子,子层：,,主量子数,n,1 23 4567,电子,层,层符号,KLMNOPQ,,,2．角量,子,子数,l,角量,子,子数,l,用于描述,原,原子轨道,或,或电子云,的,的形状，,并,并在多电,子,子原子中,和,和主量子,数,数,n,一起决定,电,电子的能,量,量，故又,称,称为副量,子,子数。,,

12、n,确定后，,角,角量子数,l,可取0到,n,-1，,即,l,= 0，1，2,…,…（n-1）。,如,n,= 1,,l,只能取0,；,；,n,= 2，,l,可取0和1两个值,。,。,,电子,亚,亚层或能,层,层常用光,谱,谱符号表,示,示：,角量子数,l,0123,电,子,子亚层符,号,号,spd,,f,,,,l,= 0,表示球形,的,的,s,原子轨道,或,或电子云,；,；,l,= 1,表示哑铃,形,形的,p,原子轨道,或,或电子云,；,；,l,= 2,表示花瓣,形,形的,d,原子轨道,或,或电子云,，,，等等。,图,图2-1,是,是,s、p,和,d,

13、原子轨道,的,的平面图,。,。,在多,电,电子原子,中,中，同一,电,电子层中,的,的,l,数值越大,，,，该电子,亚,亚层的能,级,级越高，,如,如在第三,电,电子层有,s、p,和,d,等3个电,子,子亚层，,其,其中3,d,的能级高,于,于3,p,的能级，3,p,的能级又,高,高于3,s,的能级。,图,2-1,s,、,p,和,d,原子轨道,的,的平面图,,,3．磁量,子,子数,m,磁量,子,子数,m,决定原子,轨,轨道在磁,场,场中分裂,，,，在空间,伸,伸展的方,向,向。其取,值,值受角量,子,子数,l,的限制，,当,当,l,一定，,m,可取0，,±,±1，±2，…，,±,±,l

14、，,共有（2,l +,1）,个数值，,即,即原子轨,道,道或电子,云,云可以沿,着,着（2,l+,1）,个不同方,向,向伸展，,常,常用符号,○,○或□表,示,示。,,,,l,=0,时,，,，,m=0,，,，,原,子,子,轨,轨,道,道,或,或,电,电,子,子,云,云,只,只,有,有,一,一,个,个,伸,伸,展,展,方,方,向,向,；,；,,,l,=1,时,，,，,m=-1,、,、0,、,、+1,，,，,有3,个,个,数,数,值,值,，,，,p,原,子,子,轨,轨,道,道,或,或,电,电,子,子,,,,,,,,,,,,云,云,分,分,别,别,沿,沿,着,着,x

15、,，,，y,和,z,三,个,个,方,方,向,向,伸,伸,展,展,。,。,,,l,=2,时,，,，,m=0,,±,±1,，,，,±,±2,，,，,有5,个,个,数,数,值,值,，,，,即,即,d,原,子,子,轨,轨,道,道,或,或,电,电,,,,,,,,,,,,子,子,云,云,有,有5,个,个,不,不,同,同,伸,伸,展,展,方,方,向,向,的,的,轨,轨,道,道,。,。,,,,磁,磁,量,量,子,子,数,数,与,与,电,电,子,子,能,能,量,量,无,无,关,关,。,。,l,相,同,同,，,，,m,不,同,同,的,的,原,原,子,子,轨,轨,道,道,，,，,即

16、,即,形,形,状,状,相,相,同,同,，,，,空,空,间,间,取,取,向,向,不,不,同,同,的,的,原,原,子,子,轨,轨,道,道,，,，,其,其,能,能,量,量,是,是,相,相,同,同,的,的,。,。,,,4,．,．,自,自,旋,旋,量,量,子,子,数,数,m,s,,,,原,原,子,子,中,中,的,的,电,电,子,子,除,除,了,了,绕,绕,核,核,运,运,动,动,外,外,，,，,还,还,可,可,自,自,旋,旋,。,。,用,用,于,于,描,描,述,述,电,电,子,子,自,自,旋,旋,方,方,向,向,的,的,量,量,子,子,数,数,称,称,为,为,自,自,旋,旋,量,量,子,子,数,数

17、,，,，,用,用,符,符,号,号,m,s,表,示,示,。,。,自,自,旋,旋,方,方,向,向,只,只,有,有,顺,顺,时,时,针,针,和,和,逆,逆,时,时,针,针,两,两,种,种,,故,故,m,s,=,,,，,，,通,常,常,用,用,符,符,号,号,↑,↑,、,、,↓,↓,表,表,示,示,。,。,自,自,旋,旋,量,量,子,子,数,数,m,s,对,电,电,子,子,所,所,处,处,的,的,能,能,量,量,没,没,有,有,影,影,响,响,。,。,,,,,这,这,样,样,用,用,四,四,个,个,量,量,子,子,数,数,就,就,可,可,以,以,描,描,述,述,电,电,子,子,在,在,原,原

18、,子,子,中,中,的,的,复,复,杂,杂,运,运,动,动,状,状,态,态,，,，,即,即,四,四,个,个,量,量,子,子,数,数,可,可,以,以,确,确,定,定,某,某,一,一,电,电,子,子,在,在,原,原,子,子,核,核,外,外,某,某,一,一,电,电,子,子,层,层,的,的,电,电,子,子,亚,亚,层,层,中,中,的,的,运,运,动,动,，,，,它,它,的,的,电,电,子,子,云,云,或,或,原,原,子,子,轨,轨,道,道,在,在,空,空,间,间,的,的,某,某,一,一,方,方,向,向,伸,伸,展,展,，,，,且,且,本,本,身,身,有,有,一,一,定,定,的,的,自,自,旋,旋,方,方

19、,向,向,。,。,这,这,样,样,可,可,以,以,近,近,似,似,地,地,把,把,这,这,四,四,个,个,量,量,子,子,数,数,看,看,成,成,是,是,电,电,子,子,在,在,空,空,间,间,位,位,置,置,的,的,坐,坐,标,标,。,。,,,2.3.2,多,多,电,电,子,子,原,原,子,子,轨,轨,道,道,的,的,能,能,级,级,能,量,量,E,6,pOOO,5dOOOO,4fOOOOOOO,6sO,5pOOO,4dOOOOO,5sO,4pOOO,3dOOOOO,4sO,3pOOO,3sO,2pOOO,2sO,lsO,能,级,级,组,组,6(6,s4f5d6p),5(5,s4d5p),4

20、(4,s3d4p),3(3,s3p),2(2,s2p),1(,ls),图2-2,原,原,子,子,轨,轨,道,道,近,近,似,似,能,能,级,级,图,图,美,国,国,化,化,学,学,家,家,鲍,鲍,林,林,（,（,Pauling,）,根,据,据,光,光,谱,谱,实,实,验,验,结,结,果,果,，,，,总,总,结,结,出,出,多,多,电,电,子,子,原,原,子,子,中,中,原,原,子,子,轨,轨,道,道,能,能,量,量,高,高,低,低,，,，,并,并,排,排,列,列,给,给,出,出,近,近,似,似,能,能,级,级,图,图,，,，,见,见,左,左,图,图,,,（1,）,）,能,能,级,级,图,图,是

21、,是,按,按,能,能,量,量,的,的,高,高,低,低,顺,顺,序,序,，,，,而,而,不,不,是,是,按,按,原,原,子,子,轨,轨,道,道,距,核,核,的,的,远,远,近,近,排,排,列,列,的,的,。,。,图,图,中,中,将,将,能,能,量,量,相,相,近,近,的,的,轨,轨,道,道,划,划,为,为,一,组,组,（,（,即,即,虚,虚,线,线,方,方,框,框,内,内,的,的,轨,轨,道,道,）,）,，,，,称,称,为,为,能,能,级,级,组,组,。,。,共,共,有7,个,个,能,能,级,级,组,组,，,，,它,它,的,的,能,能,量,量,依,依1,、,、2,、,、3,、,、,…,…,能,能

22、,级,级,组,组,的,的,顺,序,序,逐,逐,次,次,增,增,高,高,。,。,（2,）,）,在,在,近,近,似,似,能,能,级,级,图,图,中,中,，,，,每,每,个,个,小,小,圆,圆,圈,圈,表,表,示,示,一,一,个,个,原,原,子,子,轨,轨,道,道,，,，,如,第,第,二,二,能,能,级,级,组,组,中,中,有,有,四,四,个,个,小,小,圆,圆,圈,圈,，,，,它,它,代,代,表,表,有,有,四,四,个,个,原,原,子,轨,轨,道,道,。,。,（3,）,）,角,角,量,量,子,子,数,数,l,相,同,同,的,的,能,能,级,级,，,，,其,其,能,能,量,量,由,由,主,主,量,量

23、,子,子,数,数,n,决,定,定,，,，,n,越,大,大,，,，,能,能,量,量,越,越,高,高,，,，,如,如,：,：,s,亚,层,层,的,的,能,能,量,量,顺,顺,序,序,是,是,：,：,E,1s,

24、,高,高，如：,E,ns,

25、轨道能量,的,的高低，除,了,了从鲍林的,近,近似能级图,中,中查看外，,我,我国化学家,徐,徐光宪在总,结,结了光谱实,验,验数据后，,归,归纳出（,n+0.7,l,）,的规则，（,n+0.7,l,）,值愈大，能,量,量就愈高。,,例题,2-3,：,试比较,6,s,、,6p,、,4f,和,5,d,轨道的能量,高,高低。,解：,6,s,轨道：,n,= 6,,l,= 0,，（,n,+ 0.7,l,）,= 6+0.7,×,0 = 6,6p,轨道：,n,= 6,,l,= 1,，（,n,+ 0.7,l,）,= 6+0.7,×,1= 6.7,4f,轨道：,n,= 4,,l,= 3,，（,n,+ 0.7,

26、l,）,= 4+0.7,×,3 = 6.1,5d,轨道：,n,= 5,,l,= 2,，（,n,+ 0.7,l,）,= 5+0.7,×,2 = 6.4,所以，,E,6s,

27、子核外电,子,子层上可容,纳,纳的电子数,目,目作了限制,。,。各电子层,容,容纳的最多,电,电子数是：(,,下页,),,,n,= 1(K,层),l,= 0(ls),m,= 01,个轨道,m,s,=,可容纳2个,电,电子,n,= 2(L,层,),l,= 0(2s),l,= 1(2p),m,= 0,-1,m,= 0,+1,4,个轨道,可容纳8个,电,电子,n,= 3(M,层,),l,= 0(3s),l,= 1(3p),l,= 2(3d),m,= 0,-1,m,= 0,+1,-2,-1,m,= 0,+1,+,2,9个轨道,可容纳18,个,个电子,所以,各层可容纳,的,的最多电子,数,数为,2,n

28、,2,个，这原理,又,又称为电子,层,层最大容量,原,原理。,,,（,2,）能量最低,原,原理,核外电子总,是,是优先占据,能,能量最低的,轨,轨道，然后,才,才依次进入,能,能级较高的,原,原子轨道，,使,使整个原子,体,体系处于最,低,低的能量状,态,态。图2-3。,图2-3,原,原子轨道近,似,似能级顺序,图,图,电子进入各,能,能级的先后,次,次序为：,,1,s;2s;2p;3s,3p;4s;3d,4p;5s,4d,5p;6s,4f,5d,6p;7s,5f,,……。,,图中这一顺,序,序用圆圈内,“,“（）”中的阿,拉,拉伯数字表,示,示。,,,（,3,）洪特（,Hund,）,规则,电

29、子在同一,亚,亚层能量相,同,同的等价轨,道,道上排布时,，,，总是尽可,能,能分占不同,的,的轨道，并,且,且自旋方向,相,相同。,,例如2,p,亚层有3个,轨,轨道，若有2个电子进,入,入2,p，,则各占一个,轨,轨道且自旋,平,平行，可写,成,成,，,，而,不,不是,或,或,。,。,,,2．原子的,电,电子层结构,电子在核外,的,的排布情况,称,称为电子层,结,结构。通常,表,表示电子层,结,结构有两种,方,方法。,（1）原子,轨,轨道式,这种表示方,式,式是用一个,小,小方格或小,圆,圆圈代表一,个,个原子轨道,，,，在方格或,圆,圆圈下面注,明,明该轨道的,能,能级，方格,或,或圆圈

30、内用,箭,箭头表示电,子,子的自旋方,向,向。如：,7,N,8,O,1s,2s,2p,1s,2s,2p,,,（2）电子,排,排布式,它是在亚层,符,符号的左边,注,注明电子层,数,数，在亚层,符,符号的右上,角,角用阿拉伯,数,数字表示所,排,排列的电子,数,数。,,如4,p,3,：,4,表示电子层,数,数,n = 4,，,，,是第4电子,层,层的轨道；,p,代表亚层的,符,符号即,l,=1，,表示属,p,轨道；,3 表示在,此,此亚层上的,电,电子数目。,,根据这些原,则,则，我们可,以,以将原子序,数,数为14的,硅,硅元素的原,子,子核外电子,排,排布式列为,：,：1,s,2,2s,2,

31、2p,6,3s,2,3p,2,。,,,有时为了简,化,化，常将内,层,层电子构型,用,用“原子实,”,”来代替。,所,所谓“原子,实,实”是指原,子,子中的内层,电,电子结构与,某,某一稀有气,体,体元素的电,子,子层结构相,同,同的部分，,用,用该稀有气,体,体的元素符,号,号加方括号,来,来表示。如,Ne (,氖)、,Ar (,氩)和,Kr (,氪)的电子,层,层结构分别,为,为1,s,2,2s,2,2p,6,、1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,和1,s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,6,，,因此：,14,Si 1s,2,2s,2

32、,2p,6,3s,2,3p,2,可表示为：［,Ne］ 3s,2,3p,2,,33,As 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,3,可表示为：［,Ar］ 3d104s24p3,,51,Sb 1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,6,4d,10,5s,2,5p,3,可表示为：［,Kr］ 4d105s25p3,,,2．3．4,原,原子的电,子,子层结构与,元,元素周期律,、,、周期表,元素周期律,的,的内容是：,元素的性质,随,随着原子序,数,数（核电荷,数,数）的递增,而,而呈周期性,地,地变化。原,子,子结构的研

33、,究,究证明：随,着,着核电荷数,的,的递增各元,素,素原子的外,电,电子层结构,呈,呈周期性地,重,重复排列。,因,因此，原子,核,核外电子排,布,布的周期性,变,变化正是元,素,素性质周期,性,性变化的本,质,质原因。元,素,素周期表则,是,是各元素原,子,子核外电子,排,排布呈周期,性,性变化的反,映,映。下面分,别,别讨论周期,表,表中的周期,、,、族以及组,（,（区）的划,分,分与原子中,电,电子层结构,的,的关系。,,,1,.周期与原,子,子电子层结,构,构的关系,周期表中有,七,七个横行，,表,表示七个周,期,期。可以看,出,出,：,,(1) 每,一,一周期从第1主族1,A,元素

34、,n,s,1,开始，到形,成,成稳定的稀,有,有,气体特有的,n,s,2,n,p,6,（He,为,ls,2,）,电子层结构,时,时结束。,,(2),周,周期表中每,出,出现一个周,期,期，外层电,子,子就进入一,个,个新的能,级（见表2-4）。因,此,此，元素所,在,在的周期数,，,，等于该元,素原子所具,有,有的电子层,数,数（即能级,组,组数）。,,(3),各周期元素,的,的数目，等,于,于相应能级,组,组中原子轨,道,道所能容,纳的电子总,数,数。,,,周期与能级,组,组的关系,周期,相应能级组中原子轨道,,新增电子数,,元素数,,一,,ls,2,2,二,2,s2p,8,8,三,3,s3

35、p,8,8,四,4,s3d4p,18,18,五,5,s4d5p,18,18,六,6,s4f5d6p,32,32,七,7,s5f6d,未满,,未完,,,,2．族与原,子,子电子层结,构,构的关系,周期表中共,有,有,18,个纵行，每,1,纵行表示,1,个族，而族,又,又有主族和,副,副族之分。,其,其中标有,1,A,至,8,A,的为第,1,到第,8,主族，标有,1,B,至,8,B,的为第,1,到第,8,副族。周期,表,表中主族和,副,副族各半，,但,但主族是,8,个纵行，而,副,副族有,10,个纵行。,,,族与原子结,构,构中外层电,子,子结构：,（1）同一,主,主族元素具,有,有相同的外,层,

36、层电子结构,，,，所,谓外层电子,结,结构是指能,参,参与形成化,学,学键的电,子。由于元,素,素的性质主,要,要决定于原,子,子的外层,电子结构，,所,所以同一主,族,族元素具有,相,相似的性质,。,。,,（2）同一,副,副族元素具,有,有相同或相,似,似的外层电,子,子结,构，但次外,层,层电子多数,未,未填满。总,体,体上讲同,一副族元素,性,性质也具有,相,相似性，但,族,族与族间,元素性质递,变,变不明显，,且,且规律性较,差,差。,,,3.元素分,区,区与原子电,子,子层结构的,关,关系,,1,A,,8,A,,,,1,2,A,,3,A,4,A,5,A,6,A,7,A,2,,,,s,

37、区,,,3,3,B,4,B,5,B,6,B,7,B,8,B,1,B,2,B,,4,,,d,区,,,,ds,区,,,,p,区,,5,6,7,镧系,,,锕系,,f,区,周期表中的,元,元素可根据,元,元素原子的,核,核外电子排,布,布的特征，,分,分为五个区:,,,从元,素,素在,周,周期,表,表中,的,的位,置,置推,断,断出,原,原子,的,的电,子,子层,结,结构,；,；知,道,道了,原,原子,的,的电,子,子层,结,结构,，,，也,能,能确,定,定元,素,素在,周,周期,表,表中,的,的位,置,置。,,例题2-4：,已知,某,某元,素,素的,原,原子,序,序数,为,为,26,，写,出,出该,

38、元,元素,原,原子,的,的电,子,子排,布,布式,，,，并,指,指出,该,该元,素,素所,属,属的,区,区、,周,周期,和,和族,，,，以,及,及是,何,何元,素,素。,答：,由,由原,子,子序,数,数26可,知,知该,无,无素,原,原子,核,核外,有,有26个,电,电子,。,。,根据,核,核外,电,电子,排,排布,规,规则,，,，其,核,核外,的,的电,子,子排,布,布式,为,为：,1,s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,6,4s,2,或[,Ar]3d,6,4s,2,。,故该,元,元素,属,属,d,区，,位,位于,第,第四,周,周期,，,，8,B,族，,是,是铁,（,（,F

39、e,）,）,元素,。,。,,,例题2-5,已知,某,某元,素,素属,于,于周,期,期表,中,中第,四,四周,期,期，7,A,族。,试,试写,出,出该,元,元素,的,的电,子,子排,布,布式,，,，并,指,指出,它,它属,于,于何,区,区及,其,其原,子,子序,数,数和,元,元素,名,名称,。,。,,答：,根,根据,该,该元,素,素在,第,第四,周,周期,可,可以,断,断定,最,最高,能,能,级组,数,数是4，,又,又因,为,为属7,A,族，,所,所以,外,外电,子层,构,构型,为,为：4,s,2,4p,5,，,它应,属,属于,p,区元,素,素。,其电,子,子排,布,布式,为,为：,1,s,2,

40、2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,3d,10,4s,2,4p,5,或[,Ar]3d,10,4s,2,4p,5,，,总共,有,有35个,电,电子,，,，故,该,该元,素,素的,原,原子,序,序数,应为35,，,，是,元,元素,溴,溴（,Br,）,）。,,,2．3．5,原子,结,结构,与,与元,素,素性,质,质,1.,原,原,子,子半,径,径,经常,用,用到,的,的原,子,子半,径,径有,原,原子,的,的共,价,价半,径,径、,金,金属,半,半径,和,和范,德,德华,半,半径,等,等。,表,表2-6,列,列出,了,了元,素,素的,原,原子,半,半径,。,。原,子,子半,径,径在50~220,

41、pm,之间,。,。从,表,表2-6,可,可看,出,出，,元,元素,的,的原,子,子半,径,径呈,周,周期,性,性变,化,化。,,,2.,元,元,素,素的,电,电离,能,能,元素,的,的原,子,子失,去,去电,子,子形,成,成正,离,离子,的,的难,易,易程,度,度，,可,可用,电,电离,能,能来,衡,衡量,。,。使,某,某元,素,素一,个,个基,态,态的,气,气态,原,原子,失,失去,一,一个,电,电子,成,成为,一,一价,正,正离,子,子所,需,需的,最,最低,能,能量,，,，称,为,为该,元,元素,原,原子,的,的第,一,一电,离,离能,，,，常,用,用符,号,号,I,1,表示,，,，即,

42、：,：,A,代表,任,任一,元,元素,气态,A,+,再失,去,去一,个,个电,子,子成,为,为二,价,价正,离,离子,所,所需,的,的最,低,低能,量,量，,称,称为,第,第二,电,电离,能,能,I,2,，,即：,依此,类,类推,，,，可,有,有第,三,三电,离,离能,I,3,、,第四,电,电离,能,能,I,4,等。,,,对于,任,任一,元,元素,的,的原,子,子，,其,其电,离,离能,的,的大,小,小顺,序,序是,：,：,I,1,

43、显,显。,图,图2-4,给,给出,了,了元,素,素的,第,第一,电,电离,能,能数,据,据和,其,其周,期,期性,。,。,图2-4,元,元,素,素第,一,一电,离,离能,的,的周,期,期性,,,3.,元,元,素,素的,电,电子,亲,亲和,能,能,元素,的,的原,子,子结,合,合电,子,子的,难,难易,，,，可,用,用电,子,子亲,和,和能,来,来衡,量,量。,使,使某,元,元素,一,一个,基,基态,的,的气,态,态原,子,子获,得,得一,个,个电,子,子成,为,为一,价,价负,离,离子,时,时所,释,释放,的,的能,量,量，,称,称为,该,该元,素,素的,电,电子,亲,亲和,能,能，,常,常用

44、,E,ea,表示,，,，即,：,：,,,已有,的,的数,据,据仍,可,可大,致,致地,看,看出,它,它们,的,的变,化,化特,点,点。,活,活泼,的,的非,金,金属,元,元素,一,一般,具,具有,较,较高,的,的电,子,子亲,和,和能,（,（较,大,大的,负,负值,）,），,表,表明,它,它们,易,易于,获,获得,电,电子,成,成为,负,负离,子,子，,而,而活,泼,泼的,金,金属,元,元素,电,电子,亲,亲和,能,能较,小,小，,表,表明,它,它们,难,难于,获,获得,电,电子,形,形成,负,负离,子,子。,,,4.,元,元,素,素的,电,电负,性,性,电负,性,性是,指,指元,素,素的,原

45、,原子,，,，在,分,分子,中,中吸,收,收电,子,子的,能,能力,，,，常,记,记作,χ，,化学,家,家鲍,林,林以,氟,氟原,子,子电,负,负性,为,为,4.0,，并,根,根据,热,热化,学,学的,数,数据,和,和分,子,子的,键,键能,，,，比,较,较各,元,元素,原,原子,吸,吸引,电,电子,的,的能,力,力，,得,得到,了,了其,他,他元,素,素的,相,相对,电,电负,性,性，,如,如表,2-9,所示,。,。元,素,素的,电,电负,性,性数,值,值愈,大,大，,表,表示,原,原子,在,在分,子,子中,吸,吸引,电,电子,的,的能,力,力愈,强,强，,即,即非,金,金属,性,性越,强,

46、强。,可,可以,看,看出,：,：在,周,周期,系,系中,每,每一,周,周期,元,元素,从,从左,到,到右,有,有效,核,核电,荷,荷逐,渐,渐增,大,大，,原,原子,半,半径,逐,逐渐,减,减小,，,，原,子,子在,分,分子,中,中吸,引,引电,子,子的,能,能力,逐,逐渐,增,增加,，,，因,而,而元,素,素电,负,负性,逐,逐渐,变,变大,，,，元,素,素的,非,非金,属,属性,也,也逐,渐,渐增,强,强。,对,对主,族,族元,素,素从,上,上至,下,下随,着,着原,子,子半,径,径增,大,大电,负,负性,逐,逐渐,减,减小,，,，元,素,素的,非,非金,属,属性,依,依次,减,减小,。,

47、。副,族,族元,素,素的,电,电负,性,性变,化,化规,律,律不,明,明显,；,；一,般,般说,来,来，,金,金属,元,元素,的,的电,负,负性,在,在,2.0,以下,，,，非,金,金属,元,元素,的,的电,负,负性,在,在,2.0,以上,。,。,,,2．4,原,原子,的,的结,合,合键,各种,材,材料,都,都是,由,由不,同,同元,素,素的,原,原子,、,、离,子,子或,分,分子,结,结合,而,而成,。,。原,子,子、,离,离子,或,或分,子,子间,的,的结,合,合力,称,称为,结,结合,键,键。,原,原子,的,的结,合,合键,对,对材,料,料的,性,性能,影,影响,很,很大,。,。根,据,

48、据结,合,合力,的,的强,弱,弱可,把,把结,合,合键,分,分成,两,两大,类,类：,,一次,键,键——,结,结合,力,力较,强,强，,包,包括,离,离子,键,键、,共,共价,键和,金,金属,键,键。,二次,键,键——,结,结合,力,力较,弱,弱，,包,包括,范,范德,华,华键,和,和氢,键,键。,,,2．4．1,一,一次,键,键,1．,离,离子,键,键,金属,元,元素,其,其原,子,子最,外,外层,有,有少,数,数价,电,电子,，,，容,易,易逸,出,出；,而,而非,金,金属,原,原子,的,的外,壳,壳层,缺,缺少,1~2,个电,子,子。,当,当这,两,两类,原,原子,结,结合,时,时，,金

49、,金属,原,原子,的,的外,层,层电,子,子转,移,移到,非,非金,属,属原,子,子外,壳,壳层,上,上，,使,使两,者,者都,得,得到,稳,稳定,的,的电,子,子结,构,构，,从,从而,降,降低,了,了体,系,系的,能,能量,。,。此,时,时，,金,金属,原,原子,和,和非,金,金属,原,原子,分,分别,形,形成,正,正离,子,子和,负,负离,子,子。,正,正、,负,负离,子,子由,静,静电,引,引力,相,相互,吸,吸引,，,，使,原,原子,结,结合,在,在一,起,起，,这,这就,是,是离,子,子键,，,，如,图,图,2-5,所示。,图2-5,离,离子键(,a),和离子晶,体,体(,b),,

50、,离子键的,结,结合力很,大,大，因此,离,离子晶体,的,的硬度高,，,，强度大,，,，热膨胀,系,系统小，,但,但脆性,大,大。离子,键,键中很难,产,产生可以,自,自由运动,的,的电子，,所,所以离子,晶,晶体都是,良,良好的绝,缘,缘体。在,离,离子键结,合,合中，由,于,于离子的,外,外层电子,比,比较牢固,地,地被束缚,，,，可见光,的,的能量一,般,般不足以,使,使其受激,发,发，因而,不,不吸收可,见,见光，典,型,型的离子,晶,晶体是无,色,色透明的,。,。陶瓷材,料,料原子间,的,的结合键,以,以离子键,为,为主，其,具,具有上述,的,的主要性,能,能特,点。,离子键特,点,

51、点,,,2. 共,价,价键,相邻原子,间,间可以共,用,用价电子,形,形成满壳,层,层的方式,来,来达到稳,定,定的电子,结,结构。这,种,种由共用,价,价电子对,产,产生的结,合,合键叫共,价,价键[图2-6（,a）]。,金刚石为,最,最具有代,表,表性的共,价,价晶体，,其,其结构见,图,图2-6,（,（,b）。,金刚石由,碳,碳原子组,成,成，每个,碳,碳原子的4个价电,子,子与周围,的,的4个碳,原,原子共有,，,，形成4,个,个共价健,，,，达到稳,定,定的电子,结,结构。,图2-6,共,共价健(,a),和共价晶,体,体(,b),,,共价键特,点,点,共价结合,时,时由于电,子,子对

52、之间,的,的强烈排,斥,斥力，使,共,共价键具,有,有明显的,方,方向性。,由,由于方向,性,性，不允,许,许改变原,子,子间的相,对,对位置，,所,所以材料,不,不具塑性,且,且比较坚,硬,硬，像金,刚,刚石就是,世,世界上最,坚,坚硬的物,质,质之一。,共,共价键的,结,结合力很,大,大，熔点,高,高，沸点,高,高和挥发,性,性低。硅,、,、锗、锡,等,等元素也,可,可构成共,价,价晶体。,属,属于共价,晶,晶体的还,有,有,SiC、Si,3,N,4,、BN,等化合物,。,。,,,3. 金,属,属键,原子很容,易,易丢失其,价,价电子而,成,成为正离,子,子。被丢,失,失的价电,子,子不为

53、某,个,个或某两,个,个原子所,专,专有或共,有,有，而是,为,为全体原,子,子所公有,。,。这些公,有,有化的电,子,子叫做自,由,由电子，,它,它们在正,离,离子之间,自,自由运动,，,，形成所,谓,谓电子气,。,。正离子,在,在三维空,间,间或电子,气,气中呈高,度,度对称的,规,规则分布,。,。正离子,和,和电子气,之,之间产生,强,强烈的静,电,电吸引力,，,，使全部,离,离子结合,起,起来。这,种,种结合力,就,就叫做金,属,属键。,图2-7,金,金属键(,a),和金属晶,体,体(,b),,,金属,键特点,在金属晶,体,体中，价,电,电子弥漫,在,在整个体,积,积内，所,有,有的金

54、属,离,离子皆处,于,于相同的,环,环境之中,，,，全部离,子,子(或原,子,子)均可,被,被看成是,具,具有一定,体,体积的圆,球,球，所以,金,金属键无,所,所谓饱和,性,性和方向,性,性。,,金属由金,属,属键结合,，,，因此金,属,属具有下,列,列特性：,① 良好,的,的导电性,和,和导热性,。,。,② 正的,电,电阻温度,系,系数，即,随,随温度升,高,高电阻增,大,大。,③ 金属,中,中的自由,电,电子能吸,收,收并随后,辐,辐射出大,部,部分投,射到表面,的,的光能，,所,所以金属,不,不透明并,呈,呈现特有,的,的,金属光泽,。,。,④ 金属,键,键没有方,向,向性，原,子,子

55、间也没,有,有选择性,，,，所以,在受外力,作,作用而发,生,生原子位,置,置的相对,移,移动时，,结,结,合键不会,遭,遭到破坏,，,，使金属,具,具有良好,的,的塑性变,形,形,能力，金,属,属材料的,强,强韧性好,。,。,,,2．4．2．二次,键,键,原子或分,子,子本身已,具,具有稳定,的,的电子结,构,构，如已,具,具有稳定,电,电子壳层,的,的惰性气,体,体元素，,它,它们的结,合,合不是依,靠,靠电子的,得,得失或共,享,享，而是,借,借原子之,间,间的偶极,吸,吸引力结,合,合而成，,这,这就是二,次,次键。,,,1. 范,德,德华键,原子正负,电,电荷中心,会,会出现瞬,时,

56、时不重合,，,，使一端,带,带正电，,另,另一端带,负,负电，形,成,成一个偶,极,极矩。当,原,原子或分,子,子互相靠,近,近时，一,个,个原子的,偶,偶极矩将,会,会影响另,一,一个原子,内,内电子的,分,分布，电,子,子密度在,靠,靠近第一,个,个原子的,正,正电荷处,更,更高些，,这,这样使两,个,个原子相,互,互静电吸,引,引，使之,结,结合在一,起,起。这种,由,由原子（,或,或分子、,原,原子团）,的,的偶极吸,引,引力产生,的,的结合键,称,称为范德,华,华键，见,图,图2-8,。,。,,,范德华键,特,特点,范德华键,力,力远低于,上,上述三种,化,化学键。,因,因此，由,范

57、,范德华键,结,结合的固,体,体材料熔,点,点低、硬,度,度也很低,，,，因无自,由,由电子而,有,有良好的,绝,绝缘性。,高,高分子材,料,料大分子,内,内的原子,之,之间为共,价,价键结合,，,，而大分,子,子与大分,子,子之间的,结,结合则为,范,范德华键,。,。,2-8,范,范德,华,华键,,,2.,氢键,氢键与,范,范德华,键,键一样,，,，也是,靠,靠原子,（,（或分,子,子、原,子,子团）,的,的偶极,吸,吸引力,结,结合起,来,来的，,只,只是氢,键,键中氢,原,原子起,了,了关键,作,作用。,,,2．4,．,．3,混,混合键,大部分,材,材料的,原,原子结,合,合键往,往,往

58、是不,同,同键的,混,混合。,例如：,金,金钢石,（,（4,A,族,C）,具有单,一,一的共,价,价键，,而,而同族,元,元素的,Si、Ge、Sn,元素的,结,结合是,共,共价键,与,与金属,键,键的混,合,合，金,属,属键的,比,比例按,此,此顺序,递,递增，,到,到,Pb,时，由,于,于电负,性,性已很,低,低，成,为,为完全,的,的金属,键,键结合,。,。,金属主,要,要是金,属,属键，,但,但也会,出,出现一,些,些非金,属,属键，,如,如过渡,族,族元素,（,（特别,是,是高熔,点,点过渡,族,族金属,W、Mo,等）的,原,原子结,合,合中也,会,会出现,少,少量的,共,共价结,合,

59、合，这,正,正是过,渡,渡金属,具,具有高,熔,熔点的,内,内在原,因,因。,,,陶瓷化,合,合物中,常,常出现,离,离子键,与,与共价,键,键混合,的,的情况,。,。表,2-10,给出了,某,某些陶,瓷,瓷化合,物,物中混,合,合键的,相,相对比,例,例,。,,表2-10,某,某些陶,瓷,瓷化合,物,物的混,合,合键特,征,征,化合物,,结合原子对,,电负性差,,离子键比例,/%,共价键比例,/%,,,MgO Mg-O 2.13 68 32,Al,2,O,3,Al-O 1.83

60、 57 43,SiO,2,Si-O 1.54 45 55,,Si,3,N,4,Si-N 1.14 28 72,,SiC Si-C 0.65 10 90,,,2.2.4,结,结合键,的,的本质,及,及原子,间,间距,图2-10,双,双原子,作,作用模,型,型,,,2．

61、4,．,．5,结,结合键,与,与性能,1.,物,物理性,能,能,熔点的,高,高低代,表,表了材,料,料稳定,性,性的程,度,度。物,质,质加热,时,时，当,热,热振动,能,能足以,破,破坏相,邻,邻原子,间,间的稳,定,定,结合时,，,，便会,发,发生熔,化,化，所,以,以熔点,与,与键能,值,值有较,好,好的对,应,应关系,。,。由表,2-11,可见,：,表2-11,不,不同材,料,料的键,能,能和熔,键型,,物质,,键能,,熔点,,键型,,物质,,键能,,熔点,,KJ,·,mol,-1,,℃,,KJ,·,mol,-1,,℃,,离子,,NaCl,MgO,640,1000,801,2800,金

62、属,,Fe,W,406,849,1538,3410,共价,,Si,C(,金刚石,),450,713,1410,>3550,范德华,,Ar,Cl,2,,7.7,3.1,-189,-101,金属,,Hg,Al,68,324,-39,660,氢键,,NH,3,H,2,O,35,51,-78,0,,,各键特,点,点比较,共价键,、,、离子,键,键化合,物,物的熔,点,点较高,，,，其中,纯,纯共价,键,键的金,刚,刚石具,有,有最高,的,的熔点,，,，金属,的,的熔点,相,相对较,低,低，这,是,是陶瓷,材,材料比,金,金属具,有,有更高,热,热稳定,性,性的根,本,本原因,。,。,,,大多数,金,金

63、属有,高,高的密,度,度，如,铂,铂、钨,、,、金的,密,密度达,到,到工程,材,材料中,的,的最高,值,值。金,属,属的高,密,密度有,两,两个原,因,因：,第一，,金,金属元,素,素有较,高,高的相,对,对原子,质,质量；,第二，,金,金属键,没,没有方,向,向性；,所以金,属,属原子,总,总是趋,于,于密集,排,排列，,常,常得到,简,简单的,原,原子密,排,排结构,。,。相反,，,，对于,离,离子键,或,或共价,键,键结合,的,的情况,，,，原子,排,排列不,可,可能很,致,致密，,共,共价结,合,合时，,相,相邻原,子,子的个,数,数要受,到,到共价,键,键数目,的,的限制,，,，离

64、子,结,结合则,要,要满足,正,正、负,离,离子间,电,电荷平,衡,衡的要,求,求，它,们,们的相,邻,邻原子,数,数都不,如,如金属,多,多，所,以,以陶瓷,材,材料的,密,密度较,低,低。聚,合,合物由,于,于其二,次,次键结,合,合，分,子,子链堆,垛,垛不紧,密,密，加,上,上组成,原,原子的,质,质量较,小,小（,C,、,H,、,O,），,在工程,材,材料中,具,具有最,低,低的密,度,度数据,。,。,,此外，,金,金属键,使,使金属,材,材料具,有,有良好,的,的导电,性,性和导,热,热性，,而,而由非,金,金属键,结,结合的,陶,陶瓷、,聚,聚合物,则,则在固,态,态下不,导,导

65、电，,它,它们可,以,以作为,绝,绝缘体,或,或绝热,体,体在工,程,程上应,用,用。,,,2.,力,力学性,能,能,弹性模,量,量是材,料,料应力,－,－应变,曲,曲线上,弹,弹性变,形,形段的,斜,斜率，,以,以,E,表示之,，,，其意,义,义为：,,,,即,E,相当于,发,发生单,位,位弹性,变,变形所,需,需的应,力,力。可,把,把原子,结,结合比,喻,喻成很,多,多小弹,簧,簧的连,结,结（图,2-11,）。结,合,合键能,是,是影响,弹,弹性模,量,量的主,要,要因素,，,，结合,键,键能越,大,大，则,“,“弹簧,”,”越“,硬,硬”，,原,原子之,间,间距离,的,的移动,所,所

66、需的,外,外力就,越,越大，,即,即弹性,模,模量越,大,大。结,合,合键能,与,与弹性,模,模量两,者,者间有,很,很好的,对,对应关,系,系。,,,工程材,料,料的强,度,度与结,合,合键能,也,也有一,定,定的联,系,系，一,般,般来说,，,，结合,键,键能高,的,的，强,度,度也高,一,一些,;,材料的,塑,塑性与,结,结合键,类,类型有,关,关，金,属,属键赋,予,予材料,良,良好的,塑,塑性，,而,而离子,键,键、共,价,价键结,合,合，使,塑,塑性变,形,形困难,，,，所以,陶,陶瓷材,料,料的塑,性,性很差,。,。,图2-11,原,原子间,结,结合力,性,性质的,模,模型,,,小结,(一),原子由,质,质子、,中,中子和,电,电子三,种,种粒子,构,构成。,原,原子核,带,带正电,荷,荷，通,过,过静电,吸,吸引，,将,将带负,电,电荷的,电,电子束,缚,缚在其,周,周围，,从,从整体,看,看，原,子,子是电,中,中性的,。,。原子,核,核直径,很,很小，,但,但原子,质,质量大,部,部分集,中,中在原,子,子核内,；,；电子,占,占据了,几,几乎所,有,有原子,体,体