原子结构与键合 东华ppt课件.ppt
第一节课一、姓名：赵国仙 Email:二、课程情况 材料科学基础是材料科学与工程专业一级学科公共主干专业基础课。本课程将系统、全面地介绍材料基础理论知识，诸如材料的结合键、材料的晶体结构、晶体结构缺陷、材料的相结构与相图、材料的凝固、材料中的扩散、材料的塑性变形与强化、材料的亚稳态。 本课程为后续课程，如材料加工成型、材料热处理、材料性能、工程材料学、材料测试、材料的近代研究方法、计算机在材料科学中的应用等提供理论基础。,1,西安石油大学材料科学与工程学院,三、专业课学习方法 一、二年级：公共课和基础课程，三年级：专业基础课和部分专业课，四年级：专业课和毕业设计、做毕业论文。专业课授课特点：1）介绍思路多，详细讲解少。主要讲授重点和难点内容，授课速度快。2）抽象理论多，直观内容少。3) 参考书目多，课外习题少。4) 讲授比较少，不会照本宣科。,西安石油大学材料科学与工程学院,专业课的学习方法1）了解本专业方向所要求的专业课，包括每门专业课的修前预备课程，心中有数。2）学习目标明确具体，不断提高学习动机和学习兴趣，主动克服各种学习困难。 3）课前预习：专业课课时安排少，信息量大。事先预习，以便抓住重点、难点。4）课堂听讲、提问：对课堂上不易懂的内容应及时提问。5）课后的作业、讨论：对课堂教学的内容，至少两倍的时间消化吸收。6）利用互联网，查阅相关专业资料。 7）理论联系实际。,西安石油大学材料科学与工程学院,四、课程学习的意义 1、材料科学在人类历史发展中的重要地位：材料是人类进步的里程碑。 历史学家：制造工具的原材料作为社会发展的标志。 石器时代：公元前100万年 青铜器时代：公元前3000年。商周时代，对青铜器的使用达到鼎盛 铁器时代：公元前1000年 钢时代：1800年 半导体时代：1950年 新材料时代：1990年:纳米材料、复合材料、功能材料,4,西安石油大学材料科学与工程学院,6个时代,23:33,5,西安石油大学材料科学与工程学院,20世纪70年代，人们把材料、信息和能源称为当代文明的三大支柱；20世纪80年代，又把材料、信息和生物并列为新技术革命的重要标志；20世纪90年代以来，把材料、信息、能源和生物技术作为国民经济发展的四大支柱产业。1986年，科学的美国人杂志指出“先进材料对未来的宇航、电子设备、汽车以及其他工业的发展是必要的，材料科学的进步决定了经济关键部门增长速率的极限范围。”1990年，美国总统的科学顾问Allany.Bromley明确指出“材料科学在美国是最重要的学科”。1991年，日本为未来工业规划技术列举的11项主要项目中有7项基于先进材料基础之上。 材料科学历来是技术进步的支柱！,五、材料科学关心的核心问题 材料科学是以物理、化学等学科为基础，涉及材料晶体结构、材料热力学、材料动力学、材料性能等系统的材料科学知识。材料科学的核心问题是材料的成分（Composition）、组织结构（Structure）和材料性能（Property）和使用性能（Performance）之间的关系。,23:33,6,西安石油大学材料科学与工程学院,23:33,7,西安石油大学材料科学与工程学院,图1 材料科学与工程四要素,材料科学与材料工程的关系科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎么做”的学问。 材料科学 ：是一门科学，从事材料本质的发现、分析和了解方面的研究，其目的在于提供材料结构的统一描绘或模型，以及解释结构与性能之间的关系。 材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地、而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。材料科学与工程（MSE，Material Science and Engineering）,8,西安石油大学材料科学与工程学院,六、材料的应用a、飞机材料1903年美国莱特兄弟实现飞行梦想：木材和帆布，时速16公里/小时波音737和空中客车A320能达到8001000公里/小时，最先进的飞机时速可达10000公里/小时。材料的比强度，即强度/比重之比是飞机速度的关键。若用高强度高分子纤维芳纶制成飞机，从纽约到东京只需要2小时。,9,西安石油大学材料科学与工程学院,六、材料的应用b、钛合金钛合金自行车。通常用于需要抗腐蚀、耐疲劳、高弹性的场合。钛合金的人工关节、义眼和义齿等。钛合金的钻杆。,10,西安石油大学材料科学与工程学院,11,西安石油大学材料科学与工程学院,12,西安石油大学材料科学与工程学院,c、911事件与世贸大厦的坍塌： 2001年秋，美国东部时间9月11日(星期二)。8时50分，一架遭到劫持的波音767飞级撞向纽约市最高建筑物和纽约市象征的世界贸易中心，撞击北塔后发生剧烈爆炸。距离北塔被撞爆炸仅仅18分钟，另一架载有64人的飞机掠过北塔楼撞向南塔(楼)，引发连续爆炸，大楼方圆数公里洒满玻璃碎片。到10时30分时，世贸中心双塔曾经耸立的地方已是一片废墟。 两座塔楼相继坍塌时，大楼金属骨架歪曲和断裂发出巨大声响。距离世贸中心40公里外的气象台用地震仪记录下了塔楼坍塌形成的地震波，相当于里氏2.3级地震。,13,西安石油大学材料科学与工程学院,世贸中心这样的钢铁混凝土巨人为什么经受不起一架飞机的袭击? 据世界最权威的科技杂志之一科学杂志报道：塔楼坍塌的原因：高温下材料强度迅速降低的连锁反应。,14,西安石油大学材料科学与工程学院,c、911事件与世贸大厦的坍塌： 飞机上约有3万公升的油料爆炸后，在局部形成了1000以上的高温，引燃了某些可燃的建筑材料及楼内可燃物质。几乎任何材料一旦在较高温度时其强度都会迅速降低。支撑塔楼的钢梁钢柱经过600以上的持续烘烤，必然发生严重软化，原有的强度几乎丧失殆尽。 暴露在高温下的那层楼板率先脱落，压在下一层楼板上，引起负重增加，再加上相继带来的持续高温效应，从而引起下一层楼板再脱落，如此引发连锁反应，导致塔楼最终坍塌。,15,西安石油大学材料科学与工程学院,七、本课程的主要内容1.材料的微观结构：包括原子的排列方式、固体结构、晶体缺陷、固体中原子和分子的运动（扩散）、材料的变形和回复再结晶。2.材料组织结构的变化规律：包括单元系的相变、二元合金系的相变规律、三元合金系的相变规律。,17,西安石油大学材料科学与工程学院,八、本课程的特点及学习方法1、本课程特点：概念术语多、需要记忆的知识多、涉及相关学科多2、学习方法： 掌握基础理论和基本概念，注意重点，做好笔记； 掌握例题的解题方法，还要理论联系实际； 学以致用，善于归纳总结，通过综合实验加以巩固； 独立完成作业。九、课程安排 课程性质：必修课，专业基础课 总学时72学时，讲授64学时。 考试情况：期末成绩占70%，平时的出勤和作业占30%。,18,西安石油大学材料科学与工程学院,十、教材和参考书目1、教材：胡赓祥主编 材料科学基础；上海交通大学出版社，2010年5月第三版，2011年7月第17次印刷2、主要参考书目：谢希文等编材料科学基础北京航空航天大学出版社1999张联盟等编材料科学基础武汉理工大学出版社2004崔忠圻编金属学与热处理机械工业出版社1989赵品主编 材料科学基础教程；哈尔滨工业大学出版社，2006年3、自学辅导参考网址：http:/,19,西安石油大学材料科学与工程学院,20,十一、材料界著名的院士师昌绪 2004年6月4日，“第五届光华工程科技奖”在人民大会堂揭晓，我国著名材料科学专家、两院院士师昌绪荣获“光华工程科技奖成就奖”，奖金高达100万元人民币。 师昌绪是一位爱国科学家。建国初期排除万难回到祖国，是当时美国国务院明令禁止回到“红色中国”的35名中国学者之一。1980年当选为中国科学院学部委员、中国工程院发起人及筹备组副组长之一，1994年当选为首批工程院院士并担任副院长，1995年当选为第三世界科学院院长，现为国家自然科学基金委员会研究员、特邀顾问，中国科学院金属研究所名誉所长。中国高温合金开拓者之一，发展了中国第一个铁基高温合金。,西安石油大学材料科学与工程学院,21,卢柯 2003年11月24日，中科院金属研究所研究员、37岁的卢柯成为改革开放以后当选的最年轻的中科院院士。而且，值得骄傲的是，纳米专家卢柯是地地道道在中国打造出炉的。 卢柯说，自然界是公平的，它给每个人的时间是一样的，做了这个，就不能做那个。有的人活得很轻松，一天的活儿用两天的时间干，我则希望用半天的时间就能把一天的活儿干完。如果这样算来，我干一天的活儿等于别人干两天的活儿。我在金属所干了18年，等于干了三四十年的活儿，那么，我37岁当院士，这样算起来也并不年轻。,西安石油大学材料科学与工程学院,22,李鹤林 1961年毕业于西安交通大学。1997年当选为中国工程院院士。 李鹤林院士是材料科学与工程专家。他长期从事石油用钢及石油管工程科技工作，是我国这一领域的开拓者之一。主持研制10余种新材料，使一批石油机械的性能跃居国际先进水平。他提出并建立了“石油管工程”学科领域，开展了大量系统的、有创造性的研究。,西安石油大学材料科学与工程学院,23,张立同 2005年3月27日，在北京人民大会堂，我国连续6年空缺的国家技术发明一等奖诞生，由我国西北地区高校惟一的女院士、西北工业大学张立同教授率领的科技创新团队在“耐高温长寿命抗氧化陶瓷基复合材料应用技术研究”领域的成果获得。,西安石油大学材料科学与工程学院,第一章原子结构和键合,1.1 原子结构1.1.1 物质的组成 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。,分子：能单独存在、且保持物理化学特性的一种微粒。体积很小、质量变化大。分子由原子组成。原子是化学变化中最小的微粒。原子结构直接影响原子间的结合方式。原子的体积很小，直径约为10-10 m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15 m数量级。,1.1.3 原子的电子结构电子云：电子在原子核外高速旋转运动，好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围。电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。电子运动无固定的轨道，可根据能量高低统计在核外空间区域出现的概率。描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。,1.主量子数n 决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。它的取值为1、2、3n，n 越大，电子离原子核的距离越远，电子的能量越高。当 n1、2、3、4、5、6、7 时，分别用符号 K、L、M、N、O、P、Q 表示。,2.轨道角动量量子数li 电子在同一个量子壳层内所处的能级（电子亚层），取值为 0、1、2、n-1。 例如：n=2，两个角动量量子数l2=0、l2=1。即L壳层中，有两个电子亚层。 能量按照s、p、d、f、g的次序递增。 不同电子亚层的电子云形状不同。,碳、氮、氧原子的电子层排布,3.磁量子数mi 每个轨道角动量量子数的能级数和轨道数。每个li下的磁量子总数2li +1。磁量子数的取值为0、1、2、3。li =0时，m只能取0，s亚层只有1个轨道；li =1时，m可取-1、0、+1，p亚层有3个轨道。 s、p、d、f四个壳层分别有1、3、5、7个轨道。,碳、氮、氧原子的电子层排布,4.自旋角量子数si 描述电子的自旋方向，它的取值为+1/2和-1/2，常用箭号和表示顺时针和逆时针两种自旋方向。,碳、氮、氧原子的电子层排布,原子的核外电子排布: 原子的核外电子排布遵守：能量最低原理、泡利不相容原理、洪德定则。1、能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。2. 泡利不相容原理：在一个原子中，不可能有运动状态完全相同的两个电子。 由泡利不相容原理，可知一个原子轨道最多只能容纳两个电子，而且这两个电子的自旋必须相反。,碳、氮、氧原子的电子层排布,3.洪德定则：在同一个亚层的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级。而且自旋方向相同。,碳、氮、氧原子的电子层排布,元素：具有相同核电荷数（质子所带的正电荷数叫核电荷数）的同一类原子总称，共116种元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增而呈周期性的变化规律称为元素周期律。7个横行：周期，按原子序数递增的顺序从左至右排列。18个纵行：16族。最外层的电子数相同，按电子壳层数递增的顺序从上而下排列。,元素周期表,1.2 原子间的键合分为：物理键和化学键。化学键包括：金属键、离子键、共价键。物理键：范德瓦尔斯键。氢键：介于两者之间。1.2.1 金属键 金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。,金属键示意图,金属键示意图,金属键既无饱和性又无方向性。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。,1.2.2 离子键 金属原子将自己最外层的价电子给了非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子使自己成为带负电的负离子，正负离子依靠静电引力所形成的化学键叫离子键。 离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。,NaCl 离子键的示意图,正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。 离子键无方向性、无饱和性、较高熔点、硬度，脆性的、绝缘体。,NaCl 离子键的示意图,1.2.3 共价键: 两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。 基本特点：核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。,SiO2中硅和氧原子间的共价键示意图,1.2.4 范德瓦尔斯力 物理键，没有方向性和饱和性。,近邻原子相互作用,电荷位移,偶极子,电偶极矩的感应作用,范德瓦尔斯力,极性分子间的范德瓦尔斯力示意图,1.2.5 氢键 分子间作用力。氢原子核外只有一个电子，被其它原子共有（共价键结合）， ，结合的氢端裸露出带正电荷的原子核，与近邻分子的负端相互吸引，构成中间桥梁，这种结合成为氢键。具有饱和性和方向性。,HF氢键示意图,
