第 1 章 原子结构和键合
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本章主要内容
1.1原子结构 1.2原子间的键合 1.3高分子链
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重点与难点
（1）描述原子中电子的空间位置和能量的4个量子数。 （2）核外电子排布遵循的规则。 （3）元素性质、原子结构和该元素在元素周期表中的
位置三者之间的关系。
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1.1 原子结构
正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外 电子(带负电荷)构成
原子结构的特点：体积很小，质量大部分 集中于原子核内。
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1.1.3 原子的电子结构 电子云(election atmosphere)的形成： 电子具有波粒二象性，描述原子中一个电
子的位置和能量用四个量子数(quantum number)：
非金属原子得到此电子使外层填满
，结果双双变得稳定。
2.金属原子失去电子带正电荷，
非金属原子得到电子带负电荷，双
双均成为离子
3. 离子键键的大小在离子周围各
个方向上都是相同的，所以，它没
有方向性。
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图1.4-1 Cl与Na形成 离子键
Cl和Na离子在引力和斥力作用下，相互保持r0的距 离，即F＝0，能量E为最小（如图1.4-2）的位置。每一
图1.4-3 NaCl 晶体
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3. 共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对 特点：以原子的形式共用电子对，具有饱
和性(只和一个电子配对）和方向性（使得电 子云达到最大限度重叠），配位数较小、各 键间都有确定方位。
可以解释共价晶体的一些特征，如结合极 为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导 电性差。
Pauli不相容原理——在一个原子中在一个原子中 不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子 数为n的壳层，最多容纳电子2n2。
Hund规则——在同一亚层中的各个能级中，电子 的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向 相同。
当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时 是比较稳定的，并且整个原子的能量最低。
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图1.4-4 形成共价键的SiO2, 蓝色圆圈代表Si的价电子， 红色圆圈代表O的价电子
图1.4-5 由共价键方向性特点 决定了的SiO2四面体晶体结构
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1.2.2 物理键（次价键、二次键）
1. 范德华力(Van Der Waals force) 极矩的感应作用
键 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德
华力 聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则
为范德华力或氢键
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道数，决定电子云的空间取向；
自旋角动量量子数si—— 反映电子不同的自旋方向。
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核外电子排布遵循的规律：能量最低原理、Pauli 不相容原理(Pauli principle)、Hund规则 (Hund ’s rule)。
能量最低原理——电子的排布总是先占据能量最 低的内层，再由内向外进入能量较高的壳层，尽 可能使体系的能量最低。
特性： (1)良好的导电、导热性； (2) 不透明，具有金属光泽； (3) 具有较高的强度和良好
的塑性； (4) 正的电阻温度系数。
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2. 离子键(ionic bond) 非金属负离子之间
Hale Waihona Puke 金属正离子——特点：以离子为结合单位，结合力较强， 决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因 素，有较高的配位数，无方向性。
1.1.1 物质的组成 物质是由无数微粒（分子、原子、离子）
按一定方式聚集而成的集合体； 分子是能单独存在、且保持物质化学特
性的一种微粒； 分子又由一些更小的微粒即原子组成，
原子是化学变化中最小的微粒；
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1.1.2 原子结构(atomic structure) 近代科学实验表明：原子是由原子核(由带
物理键－范德华力、氢键
1.2.1 化学键（主价键、一次键）
1. 金属键(metallic bond)
2.
自由电子——金属正离子间
特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。
可以解释金属的一些特征，如良好的导电、
导热性，具有较高的强度和良好的延展性， 具有金属光泽，正的电阻温度系数 。
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金属键
特点： 电子共有化,没有方向性。
可以解释离子晶体的一些特征，如较高的 熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态 时具有良好的导电性。
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一种材料由两种原子组成，且一种
是金属，另一种是非金属时容易形
成离子键 ( Ion bond)的结合(如图
1.4-1)。由NaCl离子键的形成可以
归纳出离子键特点如下：
1.金属原子放弃一个外层电子，
电偶
特点：除高分子外，键的结合不如化学键 牢固，无饱和性，无方向性。
2. 氢键(hydrogen bond) 分子间特殊作用 力 表达为：X—H—Y
特点：具有饱和性和方向性，可存在于分 子内或分子间。氢键主要存在于高分子材料内。
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1.2.3 混合键
实际材料（金属和陶瓷）中结合键多为混合键 金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子
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1.1.4 元素周期表
元素是具有相同核电荷数的同一类原子 的总称。
元素周期表是元素周期规律的具体表现 形式,它反映了元素之间的相互联系规律, 元素在周期表中的位置反映了那个元素的 原子结构和一定的性质.
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1.2 原子间的键合
结合键(binding bond) ：
结合键分为：化学键－金属键、离子键、共价键
主量子数（电子层） 轨道量子数（电子亚层） 磁量子数（轨道数） 自旋角动量子数（自旋方向）
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主量子数n——
决定原子中电子能级，以及与核的平均距 离，即表示电子所处的量子壳层；
轨道角动量量子数li—— 给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电
子亚层），与电子运动的角动量有关；
磁量子数mi—— 给出每个轨道角动量量子数数的能级数或轨
个Cl（或Na）离子与其近邻的Na（或Cl）离子均保持 这种最低的能量关系，从而，形成NaCl特有的晶体结构， 如图1.4-3所示。许多陶瓷材料主要是离子键结合的。离 子键的结合能比较高，所以陶瓷材料的熔点也较高。表
1.4-1 列出了几种材料的结合能和熔点。
图1.4-2 Cl和Na离子保持r0的距离精品课件