材料结构的基本知识.ppt
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1、第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识第一节第一节 原子结构原子结构第二节第二节 原子结合键原子结合键第第三节三节 原子排列方式原子排列方式第四节第四节 晶体材料的组织晶体材料的组织第五节第五节 材料的稳态结构与亚稳态结构材料的稳态结构与亚稳态结构 不同的材料具有不同的性能,同不同的材料具有不同的性能,同一材料经过加工也会有不同的性能,一材料经过加工也会有不同的性能,这些都归结与内部的结构不同。这些都归结与内部的结构不同。结构结构大致可分为四个层次:原子大致可分为四个层次:原子结构、原子结合键、材料中原子的排结构、原子结合键、材料中原子的排列以及晶体材料的显微组织。列以及晶体材料的
2、显微组织。概概 述述第一节第一节 原子结构原子结构一、原子的电子排列一、原子的电子排列可看成是原子核及分布在核可看成是原子核及分布在核周围的电子组成。周围的电子组成。原子原子原子核原子核 中子和质子组成,核的体中子和质子组成,核的体积很小,集中了原子的绝大部积很小,集中了原子的绝大部分质量。分质量。电子电子绕着原子核在一定的轨道绕着原子核在一定的轨道上旋转质量虽可忽略,但电子上旋转质量虽可忽略,但电子的分部却是原子结构中最重要的分部却是原子结构中最重要的问题,它不仅决定单个原子的问题,它不仅决定单个原子的行为,也对工程材料内部原的行为,也对工程材料内部原子的结合及某些性能起着决定子的结合及某些
3、性能起着决定性作用。性作用。电子运动的轨道:电子运动的轨道:由四个量子数决定,分别是主量子数、由四个量子数决定,分别是主量子数、次量子数、磁量子数及自旋量子数。次量子数、磁量子数及自旋量子数。主量子数主量子数决定电子离核远近和能量高决定电子离核远近和能量高低的主要参数。低的主要参数。次量子数次量子数量子轨道并不一定总是球形量子轨道并不一定总是球形的,次量子数反映了轨道的形状,各轨道的,次量子数反映了轨道的形状,各轨道在原子核周围的角度分布不同。它也影响在原子核周围的角度分布不同。它也影响轨道的能级,按轨道的能级,按s、p、d、f依次升高。依次升高。磁量子数磁量子数确定了轨道的空间取向,确定了轨
4、道的空间取向,以以m表示。没有外磁场时,处于同一亚表示。没有外磁场时,处于同一亚壳层而空间取向不同的电子具有相同壳层而空间取向不同的电子具有相同的能量,但在外加磁场下,不同空间的能量,但在外加磁场下,不同空间取向轨道的能量会略有所差别。取向轨道的能量会略有所差别。自旋量子数自旋量子数ms=+1/2,1/2,表示表示在每个状态下可以存在自旋方向相反在每个状态下可以存在自旋方向相反的两个电子。的两个电子。主量子数主量子数壳层序号壳层序号次量子数次量子数亚壳层状亚壳层状态态磁量子数磁量子数规第的状规第的状态数目态数目考虑自旋考虑自旋量子数后量子数后的状态数目的状态数目各壳层各壳层总电子数总电子数12
5、341s2s2p3s3p3d4s4p4d4f113135135722626102610142(=212)8(=222)18(=232)32(=242)原子核外电子的分部与四个量子数原子核外电子的分部与四个量子数有关,且服从下述两个基本原理:有关,且服从下述两个基本原理:(1)泡利不相容原理泡利不相容原理 一个原子中不一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。电子。(2)最低能量原理最低能量原理 电子总是优先占电子总是优先占据能量低的轨道,使系统处于最低的能据能量低的轨道,使系统处于最低的能量状态。量状态。二、元素周期表及性能的周期性变化二、元素周期表
6、及性能的周期性变化原子周期律原子周期律早在早在1869年,俄国化年,俄国化学家已发现了元素性质是按原子相对学家已发现了元素性质是按原子相对质量的增加而程周期性的变化。这正质量的增加而程周期性的变化。这正是由于原子核外电子的排列是随原子是由于原子核外电子的排列是随原子序数的增加呈周期性变化。序数的增加呈周期性变化。族族周期表上竖的各列。同一族元周期表上竖的各列。同一族元素具有相同的外壳层电子数,同一族素具有相同的外壳层电子数,同一族元素具有非常相似的化学性能。元素具有非常相似的化学性能。总结总结 各个元素所表现的行为或性质一定各个元素所表现的行为或性质一定会呈现同样的周期性变化,因为原子结会呈现
7、同样的周期性变化,因为原子结构从根本上决定了原子间的结合键,从构从根本上决定了原子间的结合键,从而影响元素的性质。而影响元素的性质。第二节第二节 原子结合键原子结合键键的形成键的形成在凝聚状态下,原子间距在凝聚状态下,原子间距离十分接近,便产生了原子间的作用力,离十分接近,便产生了原子间的作用力,使原子结合在一起,就形成了键。使原子结合在一起,就形成了键。键分为一次键和二次键:键分为一次键和二次键:一次键一次键结合力较强,包括离子键、结合力较强,包括离子键、共价键和金属键。共价键和金属键。二次键二次键结合力较弱,包括范德瓦耳结合力较弱,包括范德瓦耳斯键和氢键。斯键和氢键。一、一次键一、一次键离
8、子键离子键当两类原子结合时,金属原当两类原子结合时,金属原子的外层电子很可能转移到非金属原子子的外层电子很可能转移到非金属原子外壳层上,使两者都得到稳定的电子结外壳层上,使两者都得到稳定的电子结构,从而降低体系的能量,此时金属原构,从而降低体系的能量,此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子和非金属原子分别形成正离子和负离子,正负离子间相互吸引,使原子结合子,正负离子间相互吸引,使原子结合在一起,这就是离子键。(在一起,这就是离子键。(如如NaCl)共价键共价键价电子数为价电子数为4或或5个的个的A、A族元素,离子化比较困难,在这种族元素,离子化比较困难,在这种情况下,相邻原子间可以共同
9、组成一个情况下,相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道,由两个原子中各有一个新的电子轨道,由两个原子中各有一个电子共用,利用共享电子对来达到稳定电子共用,利用共享电子对来达到稳定的电子结构。这就是共价键。的电子结构。这就是共价键。金属键金属键金属原子很容易失去外壳层金属原子很容易失去外壳层电子而具有稳定的电子壳层,形成带正电子而具有稳定的电子壳层,形成带正电的阳离子,由正离子和自由电子之间电的阳离子,由正离子和自由电子之间的相互吸引而结合起来的称金属键。的相互吸引而结合起来的称金属键。二、二次键二、二次键1、范德瓦耳斯键、范德瓦耳斯键 当原子和分子相互靠近时,一个原当原子和分子相互靠近时,一个
10、原子的偶极矩将会影响另一个原子的电子子的偶极矩将会影响另一个原子的电子分布,电子密度在靠近第一个原子的正分布,电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些,这样使两个原子相互静电荷处更高些,这样使两个原子相互静电吸引,体系就处于较低的能量状态。电吸引,体系就处于较低的能量状态。极化分子极化分子间的作用力间的作用力正电中心正电中心负电负电中心中心原子核原子核电子云电子云a)原子核原子核电子云电子云+b)c)a)理论的电子云分布理论的电子云分布 b)原子偶极矩的产生原子偶极矩的产生 c)原子(或分原子(或分子)间的范德瓦耳斯键结合子)间的范德瓦耳斯键结合2 2、氢键、氢键 氢键的本质与范德瓦耳斯键一样
11、,氢键的本质与范德瓦耳斯键一样,只是氢原子起了关键作用。氢原子只只是氢原子起了关键作用。氢原子只有一个电子,当氢原子与一个电负性有一个电子,当氢原子与一个电负性很强的原子很强的原子X结合成分子时,氢原子的结合成分子时,氢原子的一个电子转移至该原子壳层上;分子一个电子转移至该原子壳层上;分子的氢离子侧实质上是一个裸露的质子,的氢离子侧实质上是一个裸露的质子,对另个电负性较大的原子对另个电负性较大的原子Y表现出较强表现出较强的吸引力,这样,氢原子便在两个电的吸引力,这样,氢原子便在两个电负性很强的原子之间形成一个桥梁,把负性很强的原子之间形成一个桥梁,把两者结合起来,形成两者结合起来,形成氢键氢键
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