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材料结构理论

四种键都源于静电作用 材料中四种结合键并不能截然分开。存在
不同程度的过渡型 通常,结合能大的材料,强度和熔点也高,
但存在极化键的材料性能上会有很大变化
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三、晶体结构与晶体学
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1、晶体概述
定义 晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期 性地重复排列构成的固体物质。 注意 (1)一种物质是否是晶体是由其内部结构决
即41.8 kJ/mol) 氢键是典型极化键
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5、极化键
H
oxygen
H oxygen
H
氢键形成示意图
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H
5、极化键
极化键对材料性质的影响 增强材料内部的作用力; 提高材料的熔点和沸点; 改变材料的强度,刚度,塑性等特性
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6、结合键小结
离子键、共价键、金属键结合能较大,属 一次键;极化键结合力较弱,仅强结合键 的1/100,属二次键
固定熔点:晶体的熔点即向非晶态转变时 的临界温度
各向异性:晶体在不同的方向上,性质各 不相同
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2、晶体学基础
晶体结构与空间点阵
阵点的基本特征
周期性: 周期性排列; 同一性:每个阵点在空间分布必须具有完全相同的 周围环境(surrounding)
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晶体结构与空间点阵的区别
晶体结构指原子或离子在晶体中的真实排 列情况
空间点阵是对晶体结构的抽象和提炼
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晶胞与晶格
晶胞是晶体结构中 能够反映晶体周期 性和对称性的最小 平行六面体格子;
晶格是对晶胞的几 何抽象和简化;
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选取晶胞的原则
选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样 的对称性;
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2、离子键
成键机理: 电负性相差较大的两原子相互接近时,通过
得失电子形成价层全空或全满的正负离子, 再通过静电作用成键。
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2、离子键
离子键的形成示意图
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2、离子键
离子键的特征 在电负性相差较大的原子间形成 电子在原子间发生转移,生成离子 无方向性和饱和性——每个离子被最大数目 的相反离子包围 强度高 (150~370 kcal/mol,即627~1546.6 kJ/mol)
n:主量子数,决定原子中电子能量以及离核 平均距离,即电子层数;
l:副(角)量子数,与角动量有关,与电子 能量也有关,还影响轨道的形状;
ml:磁量子数,与电子运动的角动量在z轴上 的分量有关,影响原子轨道的伸展方向;
ms:自旋量子数,表示电子自旋方向; 以四量子数可以完整描述电子运动的状态
定的,而非由外观判断; (2)周期性是晶体结构最基本的特征。
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1、晶体概述
(3)晶体的有序性,既要求近程有序,也要 求长程有序
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1、晶体概述
晶体的特征 自限性:自发形成 规则外形的几何多面 体 解理性:能沿一定 晶面发生劈裂
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对称性:晶体旋转一定角度后格点重合的 特性,晶体只具有1,2,3,4,6次对称轴
一、原子结构基础
1、原子结构
可通过波函数进行描述原子核 由带正电的质子和不带电的种 子构成
核外电子在具有特定能量的轨 道上运动
轨道能级越高,离核越远,其 中的电子能量越大
电子以吸收或辐射特定波长电 磁波的方式发生激发或跃迁
核外电子的运动状态可通过波 函数进行描述
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2、四量子数
1s
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4、电子排布规律与性质——元素周期表
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原子尺寸
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电负性
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二、原子结合与结合键
1、原子间的相互作用力
吸引力:源于异性电荷 的库仑引力,长程力, 与原子间距离的平方成 反比;
排斥力:源于同性电荷 之间的库仑斥力和Pauli 不相容的排斥作用,短 程力;
电负性相差较大的原子之间形成共价键后, 共用电子对强烈偏向电负性大的原子一侧, 从而使分子一端呈正电,另一端呈负电,从 而可再以静电作用成键。
Neutral atom
E
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5、极化键
极化键的特点 极化使分子间产生静电引力(二次键) 一般无方向性,但影响周围区域的分子 弱结合力 (强结合力的1/100;<10 kcal/mol,
kcal/mol,即104.5~836 kJ/mol) 无方向性:趋向于与最大数目的相邻原子
结合 无饱和性:电子为所有原子共享
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4、金属键
金属材料的性质特点 良好的延展性,适于机械加工 良好的导电性 良好的导热性
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5、极化键(Van Der waals键)
成键机理
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3、共价键
共价化合物的性质特点 高熔点、高硬度和强度; 一般是绝缘体,熔融状态下也不能导电。
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4、金属键
成键机理 金属原子相互靠近时,原子核形成紧密堆积, 所有原子的价电子脱离原轨道形成广域电子 云被所有原子共用。
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4、金属键
金属键的特征 低电负性原子间形成 高强度 (稍小于共价键和离子键; 25~200
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2、离子键
离子化合物性质特点 熔点较高,硬度较大; 易溶于水; 本身导电性并不好,但溶于水或熔化时都能 导电
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3、共价键
成键机理 电负性相差较小的两原子相互接近时,价 电子在杂化轨道上重排后形成共用电子对 而成键。
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3、共价键
共价键的特征 高电负性原子间形成 两个相邻原子间共用电子 饱和性、方向性(电子云交叠有方向,价电 子数量有限) 高强度 (稍低于离子键; 125~300 kcal/mol, 即522.5~1254 kJ/mol)
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3、核外电子排布规律
能量最低原理:多电子原 子处在基态时,总是尽量 占有能量最低的轨道
Pauli不相容原理:同一轨 道上能且只能排布两个自 旋方向相反的电子;
Hund规则:电子将尽可能 多地分占不同的等价轨道, 且自旋平行(同向),符 合能量最低原理
7s 7 p 7d 6s 6 p 6d 6 f 5s 5 p 5d 5 f 4s 4 p 4d 4 f 3s 3 p 3d 2s 2 p
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