【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 IIA He Li Be B C N O F Ne Na Mg IIIB IVB VB VIB VIIB VIII IB IIB Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 2 圖 元素周期表 原子 間的鍵合 金屬鍵 金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵。金屬鍵的基本特點(diǎn)是電子的共有化。 金屬鍵既無飽和性又無方向性，因而每個(gè)原子有可能同更多的原子相結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬受力變形而改變?cè)又g的相互位置時(shí)，不至于使金屬鍵破壞，這就使金屬具有良好延展性，并且，由于自由電子的存在，金屬一般都具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。 離子鍵 大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結(jié)合。離子鍵鍵合的基本特點(diǎn)是以離子而不是以原子為結(jié)合單 元。 一般離子晶體中正負(fù)離子靜電引力較強(qiáng)，結(jié)合牢固。因此。其熔點(diǎn)和硬度均較高。另外，在離子晶體中很難產(chǎn)生自由運(yùn)動(dòng)的電子，因此，它們都是良好的電絕緣體。但當(dāng)處在高溫熔融狀態(tài)時(shí)，正負(fù)離子在外電場(chǎng)作用下可以自由運(yùn)動(dòng)，即呈現(xiàn)離子導(dǎo)電性。 共價(jià)鍵 兩個(gè)或多個(gè)電負(fù)性相差不大的原子間通過共用電子對(duì)而形成的化學(xué)鍵。共價(jià)鍵鍵合的基本特點(diǎn)是核外電子云達(dá)到最大的重疊，形成“共用電子對(duì)”，有確定的方位，且配位數(shù)較小。 共價(jià)鍵在亞金屬（碳、硅、錫、鍺等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中均占有重要地位。 共價(jià)鍵晶體中各個(gè)鍵之間都有確定的方位，配位數(shù)比較小。共價(jià)鍵的結(jié)合極為牢固，故共價(jià)晶體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆等特點(diǎn)。共價(jià)形成的材料一般是絕緣體，其導(dǎo)電性能差。 范德華力 屬物理鍵，系一種次價(jià)鍵，沒有方向性和飽和性。比化學(xué)鍵的鍵能少 1～ 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。不同的高分子聚合物有不同的性能，分子間的范德華力不同是一個(gè)重要因素。 氫鍵 是一種特殊的分子間作用力。它是由氫原子同時(shí)與兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子（ O， F， N 等）相結(jié)合而產(chǎn)生的具有比一般次價(jià)鍵大的鍵力，具有飽和性 和方向性。氫鍵在高分子材料中特別重要。 高分子鏈 高分子結(jié)構(gòu)包括高分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩方面。鏈結(jié)構(gòu)又分近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，又稱一級(jí)結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)又稱二級(jí)結(jié)構(gòu)，是指單個(gè)高分子的大小和形態(tài)、鏈的柔順性及分子在各種環(huán)境中所采取的構(gòu)象。如圖：?jiǎn)蝹€(gè)高分子的幾種構(gòu)象圖。 高分子鏈的近程結(jié)構(gòu) 圖 單個(gè)高分子的幾種構(gòu)象圖 鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成 單體通過聚合反應(yīng)連接而成的鏈狀分子，稱為高分子鏈，高分子中的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的數(shù)目稱為聚合度。 分子結(jié)構(gòu) 一般 高分子都是線性的，分子鏈長(zhǎng)可以蜷曲成團(tuán)，也可以伸展成直線。 共聚物的結(jié)構(gòu) 由兩種或兩種以上單體單元所組成的高分子稱為共聚物。 不同的共聚物結(jié)構(gòu)，對(duì)材料性能的影響也各不相同。 高分子鏈的構(gòu)型 鏈的構(gòu)型是指分子中由化學(xué)鍵所固定的幾何排列，這種排列是穩(wěn)定的，要改變構(gòu)型必須經(jīng)過化學(xué)鍵的斷裂和重組。 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)課程 整理 3 構(gòu)型不同的異構(gòu)體有旋光異構(gòu)和幾何異構(gòu)兩種。 高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu) 高分子的大小 高分子的相對(duì)分子質(zhì)量不是均一的，它實(shí)際上是由結(jié)構(gòu)相同、組成相同但相對(duì)分子質(zhì)量大 小不同的同系高分子的混合物聚集而成。低聚物轉(zhuǎn)向高分子時(shí)，強(qiáng)度有規(guī)律地增大。但增長(zhǎng)到一定的相對(duì)分子質(zhì)量后，這種依賴性又變得不明顯了，強(qiáng)度逐漸趨于一極限值。 高分子的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象 單鍵是由δ電子組成，線型高分子鏈中含有成千上萬個(gè)δ鍵。由于分子上非鍵合原子之間的相互作用，內(nèi)旋轉(zhuǎn)一般是受阻的，即旋轉(zhuǎn)時(shí)需要消耗一定的能量。高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)也像低分子一樣，因受鏈上的原子或基團(tuán)的影響不是完全自由的。它既表現(xiàn)出一定的柔性，又表現(xiàn)出一定的剛性。 影響高分子鏈柔性的主要因素 高分子鏈能夠改變其構(gòu)象的性質(zhì)稱 為柔性。 ： 主鏈結(jié)構(gòu)對(duì)高分子鏈的剛?cè)嵝缘挠绊懫饹Q定性的作用。 ： 取代基團(tuán)的極性、取代基沿分子鏈排布的距離、取代基在主鏈上的對(duì)稱性和取代基的體積等對(duì)高分子鏈的柔性均有影響。 當(dāng)高分子之間以化學(xué)鍵交聯(lián)起來時(shí)，交聯(lián)點(diǎn)附近的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)便受到很大的阻礙。 本章重點(diǎn)復(fù)習(xí) 內(nèi)容提要： 物質(zhì)是由原子組成的，而原子是由位于原子中心的帶正電的原子核和核外高速旋轉(zhuǎn)帶負(fù)電的電子所構(gòu)成的。在材料科學(xué)中，一般人們最關(guān) 心的是原子結(jié)構(gòu)中的電子結(jié)構(gòu)。 電子在核外空間作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就好像帶負(fù)電荷的云霧籠罩在原子核周圍，故形象地稱它為電子云。電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，即具有二象性。電子運(yùn)動(dòng)沒有固定的軌道，但可根據(jù)電子的能量高低，用統(tǒng)計(jì)方法判斷其在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率的大小。根據(jù)量子力學(xué)理論，電子的狀態(tài)是用波函數(shù)來描述的，原子中的一個(gè)電子的空間位置和能量可用四個(gè)量子數(shù)表示： (1) 主量子數(shù) n：決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即表示電子所處的量子殼層； (2) 軌道角動(dòng)量量子數(shù) li：給出 電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級(jí)（電子亞層）； (3) 磁量子數(shù) mi：給出每個(gè)軌道角動(dòng)量數(shù)的能級(jí)數(shù)或軌道數(shù)； (4) 自旋角動(dòng)量量子數(shù) si：反映電子不同的自旋方向； 至于在多電子的原子中，核外電子的排布規(guī)律則遵循以下三個(gè)原則： (1) 能量最低原理：電子的排布總是先占據(jù)能量最低的內(nèi)層，再由里向外進(jìn)入能量較高的殼層，以盡可能使體系的能量最低； (2) Pauli 不相容原理：在一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子，主量子數(shù)為 n 的殼層，最多容納 2n2 個(gè)電子； (3) Hund 規(guī)則：在同一亞層中的各個(gè)能級(jí)中，電子的排布盡可能分占不同的能級(jí)，而且自旋的方向相同。當(dāng)電子排布為全充滿、半充滿或全空時(shí)，是比較穩(wěn)定的，整個(gè)原子的能量最低； 元素周期表反映了元素的外層電子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)（核中帶正電荷的質(zhì)子數(shù)）的遞增呈周期性的變化規(guī)律?？筛鶕?jù)元素在周期表中的位置，推斷它的原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì)。 原子與原子之間是依靠結(jié)合鍵聚集在一起的。由于原子間結(jié)合鍵不同，故可將材料分為金屬、無機(jī)非金屬和高分子材料。原子的電子結(jié)構(gòu)決定了原子鍵合的本身，原子間的結(jié)合鍵可分為化學(xué)鍵 和物理鍵兩大類?；瘜W(xué)鍵即主價(jià)鍵，它包括金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵三種： (1) 金屬鍵：絕大多數(shù)金屬均為金屬鍵方式結(jié)合，它的基本特點(diǎn)是電子的共有化； (2) 離子鍵：大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵方式結(jié)合，這種鍵的基本特點(diǎn)是以離子而不是以原子為結(jié)合單位； 4 (3) 共價(jià)鍵：在亞金屬（ C、 Si、 Sn、 Ge 等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中共價(jià)鍵占有重要地位，它的主要特點(diǎn)共用電子對(duì)。 物理鍵為次價(jià)鍵，亦稱范德華力，在高分子材料中占著重要作用。它是借助瞬時(shí)的、微弱的電偶極矩的感應(yīng)作 用將原子或分子結(jié)合在一起的鍵合。它包括靜電力、誘導(dǎo)力和色散力。 此外還有一種氫鍵，它是一種極性分子鍵，存在于 HF、 H2O、 NH3 等分子間。其結(jié)合鍵能介于化學(xué)鍵與物理鍵之間。 由于高分子材料的相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)幾十萬甚至上百萬，所包含的結(jié)構(gòu)單元可能不止一種，每一種結(jié)構(gòu)單元又具有不同構(gòu)型，而且結(jié)構(gòu)單元之間可能有不同鍵接方式與序列，故高分子的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。 高分子結(jié)構(gòu)包括高分子鍵結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)兩方面。鍵結(jié)構(gòu)又分近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，又稱一次結(jié)構(gòu)，是指大分子鏈中原子的類 型和排列，結(jié)構(gòu)單元的鍵接順序、支化、交聯(lián)以及取代基在空間的排布規(guī)律等。遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)又稱二次結(jié)構(gòu)，是指高分子的大小與形態(tài)，鍵的柔順性及分子在各種環(huán)境中所采取的構(gòu)象。 重點(diǎn)和難點(diǎn) ； 。 、原子結(jié)構(gòu)和該元素在周期表中的位置三者之間的關(guān)系； ； 。 重要概念與名詞： 分子，原子； 主量子數(shù) n，軌道角動(dòng)量量子數(shù) l，磁量子數(shù) m，自旋角動(dòng)量量子數(shù) s； 能量最低原理， Pauli 不相容原理， Hund 規(guī)則； 元素，元素周期表，周期，族； 結(jié)合鍵，金屬鍵，離子鍵，共價(jià)鍵，范德華力，氫鍵； 高分子鏈，近程結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元，線性、支化、交聯(lián)和三維網(wǎng)絡(luò)分子結(jié)構(gòu)； 無規(guī)、交替、嵌段和接枝共聚物； 全同立構(gòu)、間同立構(gòu)、無規(guī)立構(gòu)，順式、反式構(gòu)型； 遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)、數(shù)均、重均相對(duì)分子質(zhì)量，聚合度； 熱塑性、熱固性塑料。 上海交通大學(xué) 材料科學(xué)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)課程 整理 5 第 2 章 固體結(jié)構(gòu) 物質(zhì)通常有三種聚集狀態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)和固 態(tài)。而按照原子（或分子）排列的規(guī)律性又可將固態(tài)物質(zhì)分為兩大類，晶體和非晶體。 晶體中的原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；而非晶體的原子則是無規(guī)則排列的。原子排列在決定固態(tài)材料的組織和性能中起著極重要的作用。金屬、陶瓷和高分子的一系列特性都和其原子的排列密切相關(guān)。一種物質(zhì)是否以晶體或以非晶體形式出現(xiàn)，還需視外部環(huán)境條件和加工制備方法而定，晶態(tài)與非晶態(tài)往往是可以互相轉(zhuǎn)化的。 晶體學(xué)基礎(chǔ) 空間點(diǎn)陣和晶胞 具有代表性的基本單元（即最小平行六面體）作為點(diǎn)陣的組成單元，稱為晶胞。將晶 胞作三維的重復(fù)堆砌，就構(gòu)成了空間點(diǎn)陣。 為了便于分析研究晶體中質(zhì)點(diǎn)的排列規(guī)律性，可先將實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)看成完整無缺的理想晶體并簡(jiǎn)化，將其中每個(gè)質(zhì)點(diǎn)抽象為規(guī)則排列于空間的幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)。這些陣點(diǎn)在空間呈周期性規(guī)則排列并具有完全相同的周圍環(huán)境，這種由它們?cè)谌S空間規(guī)則排列的陣列稱為空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣。同一空間點(diǎn)陣可因選取方式不同而得到不相同的晶胞。 晶胞、晶軸和點(diǎn)陣矢量 根據(jù) 6 個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)間的相互關(guān)系，可將全部空間點(diǎn)陣歸屬于 7 種類型，即 7 個(gè)晶系。按照 每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同 的要求，布拉菲（ Bravais A．）用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平面六面體只有 14 種，這 14 種空間點(diǎn)陣也稱布拉菲點(diǎn)陣。 布拉菲點(diǎn)陣 晶系 布拉菲點(diǎn)陣 晶系 簡(jiǎn)單三斜 三斜 (a≠ b≠ c,α≠β≠γ≠90176。 ) 簡(jiǎn)單六方 六方 (a1=a2=a3≠ c,α =β=90176。 ,γ =120176。 ) 簡(jiǎn)單單斜 底心單斜 單斜 (a≠ b≠ c,α =γ =90176。≠β ) 簡(jiǎn)單菱方 菱方 (a=b=c,α =β =γ=90176。 ) 簡(jiǎn)單正交 底心正交 體心 正交 面心正交 正交 (a ≠ b ≠ c, α = β = γ=90176。 ) 簡(jiǎn)單四方 體心四方 四方 (a=b≠ c,α =β =γ=90176。 ) 簡(jiǎn)單立方 體心立方 面心立方 立方 (a=b=c,α =β =γ=90176。 ) 空 間點(diǎn)陣是晶體中質(zhì)點(diǎn)排列的幾何學(xué)抽象。 晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 為了便于確定和區(qū)別晶體中不同方位的晶向和晶面，國際上通用密勒（ Miller）指數(shù)來統(tǒng)一標(biāo)定晶向指數(shù)與晶面指數(shù)。 晶向指數(shù)的確定步驟如下： 1)以晶胞的某一陣點(diǎn) O 為原點(diǎn)，過原點(diǎn) O 的晶軸為坐標(biāo)軸 x,y, z, 以晶胞點(diǎn)陣矢量的長(zhǎng)度作為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位。 2)過原點(diǎn) O 作一直線 OP，使其平行于待定晶向。 3)在直線 OP 上選取距原點(diǎn) O 最近的一個(gè)陣點(diǎn) P，確定 P 點(diǎn)的 3 個(gè)坐標(biāo)值。 4)將這 3 個(gè)坐標(biāo)值化 為最小整數(shù) u， v， w，加以方括號(hào)， [u v w]即為待定晶向的晶向指數(shù)。 晶面指數(shù)標(biāo)定步驟如下： 1)在點(diǎn)陣中設(shè)定參考坐標(biāo)系，設(shè)置方法與確定晶向指數(shù)時(shí)相同；