第二章 物质结构基础 (Structure of Matter) What are atomic structures and interatomic bonds ？ What are the equilibrium separation and the bonding energy between atoms What is the difference in structures between crystalline and noncrystalline materials What is solid solution What is the importance of phase diagrams What is the characteristic of materials surface

2-1-1 物质的形态 ( States of Matter ) 三种主要状态： 2-1 物质的形态及材料结构 (States of Matter and Structure of Materials) 2-1-1 物质的形态 ( States of Matter ) 三种主要状态： 排列 距离 作用力 固定体积 形状 气态 无规律 远 小 无 无 (gas state) 液态 局部有序 较近 中等 有 无 (liquid state) 固态 结晶 有规律 小 强 有 有 (solid state) 非晶 局部有序 小 强 有 有

2-1-2 材料结构的涵义 (Meaning of Material Structure) 材料结构： 是影响材料性能的基本因素， 随化学组成及外界条件改变 宏观组织结构： ＞10-4 m 肉眼可见 ‘‘Macroscopic’’图 显微组织结构： 10-4 ~10-8 m 显微镜观察 ‘‘Microscopic’’图 原子或分子排列结构：10-10 m Organization of atoms or molecules 原子中的电子结构： 10-13 m Subatomic structure 下一页

浇铸 宏观组织结构 返回

显微组织 晶界 返回

2-2 原子结构 (Atomic Structure) Chapter 2 2-2 原子结构 (Atomic Structure) What are atomic structures and models, quantum numbers, electron configurations in atoms?

2-2 原子结构 (Atomic Structure) 2-2-1 原子 (Atom) 原子核+核外电子 电中性 1. 原子核 由质子+中子组成 质子 质子数（Z） = 原子序数 = 电子数 正电荷 中子 中子数（N） 中子质量 = 质子质量 无电荷 原子质量（A） 质子质量+中子质量 同位素： Z相同， N不同的原子 原子量：元素（原子序数相同）中各同位素的原子质量平均值 2. 电子 质量 约 1/184 质子或中子 负电荷 绕核运动； 速度1/10~1/100光速；  波-粒 轨道非固定，几率最大的分布构成电子云层

Wave-mechanical model Electrons in atoms Bohr model Wave-mechanical model probability distribution or electron cloud. both wavelike and particle-like characteristics. Figure 2.1 Figure 2.3

2-2-2 原子中电子的空间位置和能量 (Electrons in Atoms) 1. 电子的统计性形态法描述 四个量子数 (Quantum Numbers)： n , 第一量子数： 决定体系的能量 n = 1，2，3….（整数）， n =1 时为最低能级 K，L，M …. l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性 l = 0，1，2，3，4 （n -1） n =1，l = 0 s p d f g 状态 n =2，l = 0，1 (s, p) m l , 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量 m l = 0，1，2，3 有（2 l+1）个 m s ，第四量子数：决定电子自旋的方向 +1/2，-1/2

3. 泡利不相容原理： 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数， 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子； 4. 能量最低原则： 电子总是按能量最低的状态分布。 5. 洪特规则： 简并轨道，分占轨道最多，自旋方向相同。

2-2-3 原子中电子壳层数目及填充方式(排布） (Electron Shells and Configurations in Atoms) 1. 电子壳层数目 n = 1，2，3，4，5 K L M N O 主壳层(shells) l = 0，1，2，3，4 由内向外 s p d f g 支壳层(subshells) 2. 最多电子数目 K~2，L~8，M~18 s~2，p~6，d~10 3. 最外层 s—1~2，p—1~6，d—1~10 表

Table 2.1 返回

4. 排列次序 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s 举例 H: (1) 1s1 Na: (11) 1s2 2s2 2p6 3s1 2-2-4 电子壳层的能级 (Energy Levels of Electron Shells) 愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定； 愈远离， 愈高， 不稳定。 电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道 高能级轨道（吸收能量）

2-2-5 电离能和亲合能 (Ionization Energy and Electron Affinity) 电离能： 从孤立原子中，去除束缚最弱的电子所需的能量。 电子亲合能： 原子接受一个额外的电子通常要释放能量，所放能量即电子亲合能。 电离电势表 下一页

元素的第一电离电势（ev/原子） 返回 H 13.60 HE 24.4 Li 5.39 BE 9.32 B 8.30 C 11.2 N   HE 24.4 Li 5.39 BE 9.32 B 8.30 C 11.2 N 14.5 O 13.61 F 17.4 NE 21.56 NA 5.14 MG 7.64 AL 5.98 SI 8.15 P 10.3 S 10.01 CL 13.0 AR 15.76 K 4.34 BR 11.8 KR 14.00 Rb 4.18 I 10.4 XE 12.13 CS 3．89   返回

2-3 原子之间的相互作用和结合 (Atomic Interaction and Bonding) Chapter 2 2-3 原子之间的相互作用和结合 (Atomic Interaction and Bonding) What are the interatomic bonds ? What are the equilibrium separation , distance and the bonding energy between atoms ? What is the Coordination Number of atom?

2-3 原子之间的相互作用和结合 (Atomic Interaction and Bonding) 自然界一般由原子或分子组成物质或材料 结合方式： 基本结合：离子键、金属键、共价键 派生结合：分子间作用力、氢键 2-3-1 基本键合 （Primary Interatomic Bonds) 1. 离子键合 (Ionic Bonding)： 离子键 正离子————负离子 库仑引力 特点： ① 电子束缚在离子中； ②正负离子吸引，达静电平衡； 电场引力无方向性; ③构成三维整体 晶体结构 ； ④在溶液中离解成离子。 Figure 2.9

2 . 金属键合 (Metallic Bonding)： 特点： ① 由正离子排列成有序晶格； ② 各原子最 (及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性； ③ 原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子； ④ 价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。 Figure 2.11

3. 共价键合 (Covalent Bonding): 两个原子共享最外壳电子的键合。 特点： ①两原子共享最外壳层电子对； ②两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反； ③有饱和性和方向性。电子云最大重叠，一共价键仅两个电子。

两元素电负性相差较大: 非金属——非金属 成极性共价键 电负性相差很大: 金属—— 非金属 成离子键 4、混和键合 (Mixed Bonding) 1） 电负性 (electronegativity): 表示吸引电子的能力 同一周期 左 右 电负性增高 同一族 上 下 电负性降低 2）电负性对化学键的影响: 同种原子间无影响 异种原子相互作用时: 两元素电负性相差较大: 非金属——非金属 成极性共价键 电负性相差很大: 金属—— 非金属 成离子键 电负性差值 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 离子性结合（%） 1 4 9 15 22 30 39 47 55 63 70 76 82 86 89 92 电负性差值：可判断无机非金属材料离子性结合键的比例

% ionic character = {1-exp[-(0.25)(XA - XB)2]}×100 (2.10) where XA and XB are the electronegativities for the respective elements.

2-3-2 派生键合（Secondary Bonding): 作用力也是库仑引力（与离子键相同但弱得多,不存在电子交换） 1.分子间引力（Intermolecular Attraction)： 分子（或电中性原子）间的结合力 又称范氏（van der Waals）力。 特点：① 无方向性和饱和性 ② 键能最小 Schematic illustration of van der Waals bonding between two dipoles. A. 取向力: 分子永久偶极间相互作用 (Permanent dipole bonds) C. 色散力: 非极性分子间瞬时偶极间的作用 (Fluctuating induced dipole bonds) B. 诱导力: 被诱导的偶极与永久偶极间作用 (Polar molecule-induced dipole bonds) Figure 2.13

质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合，再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。 2. 氢键 (Hydrogen bond): 质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合，再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。 Figure 2.15 特点： ①有方向性，饱和性； ②分子内氢键；分子间氢键； ③键能: 一般为几 ~ 十几 kcal/mol