同濟(jì)大學(xué)《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課件第.ppt

材料科學(xué)基礎(chǔ) 2012-2013（ 1） （第 2課） 課件下載： 穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)： 最外殼層中同一亞層各軌道上， 全充滿 最穩(wěn)定、 半充滿、全空 的狀態(tài)較穩(wěn)定 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 原子結(jié)構(gòu) 全充滿 半充滿 全空 電離能 電負(fù)性 原子得到電子的能力 (奪取其電子需要較大能量） 非金屬元素電離能和電負(fù)性比金屬元素大 價(jià)電子 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 原子結(jié)構(gòu) 元素周期表 金屬鉻的價(jià)電子數(shù)： +1 +2 +3 +4 +5 +6 各元素原子半徑各異 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 原子結(jié)構(gòu) 1.2原子間的鍵合 原子結(jié)合的方式： 金屬鍵 離子鍵 共價(jià)鍵 范德瓦耳力 氫鍵 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 原子結(jié)構(gòu) 1.2.1金屬鍵 自由電子 電子氣（電子海） 結(jié)合力： 正離子與電子氣之間的靜電力（庫侖力 ） 原子間的鍵合 金屬鍵特點(diǎn)： 電子共有化 無飽和性： 一個離子對周圍電子海內(nèi)所有電子都有引力 無方向性： 離子與電子之間作用力方向不限定 密堆結(jié)構(gòu) 單種離子盡量彼此緊密靠近 原子間的鍵合 金屬鍵材料性質(zhì) ： 良好導(dǎo)電 良好導(dǎo)熱性 延展性好 容易與其它元素起 反應(yīng) 金屬光澤 原子間的鍵合 延展性好 1.2.2 離子鍵 兩種不同原子接近時，其一原子外層電子轉(zhuǎn)移到 另一原子外層軌道內(nèi)，產(chǎn)生一個異號離子對，正 負(fù)離子因庫侖力相互吸引，結(jié)合在一起。 原子間的鍵合 有電子轉(zhuǎn)移的鍵合 :化學(xué)鍵 離子鍵特點(diǎn)： 電負(fù)性相差較大的原子結(jié)合，一般為金屬與非金屬 （材料必然由兩種以上元素組成） 正負(fù)離子相間排列 離子尺寸差異是具體排列方式重要因素（ 幾何因素 ） 離子鍵無方向性和飽和性 （只考慮庫侖力因素） + + + + + + + + + + + + + + + + 原子間的鍵合 離子鍵材料性質(zhì) ： 熔點(diǎn)高 正負(fù)離子靜電力強(qiáng)，結(jié)合牢固 硬度高 同上原因 固態(tài)絕緣性好 （ 熔融及在溶液中離子可參與導(dǎo)電） 脆性大 原子間的鍵合 + + + + + + + + + + + + + + + + F 原子間的鍵合 離子鍵物體的脆性 1.2.3共價(jià)鍵 電負(fù)性相差不大的原子通過 共用電子對 的 方式產(chǎn)生結(jié)合力 共價(jià)鍵 一對電子的電子云局部重合 高分子材料以共價(jià)鍵為主 無機(jī)非金屬材料中有相當(dāng)大比例 原子間的鍵合 共價(jià)鍵特點(diǎn) 方向性 與電子云的方向性特點(diǎn)對應(yīng) 飽和性 H C O 極性 CH4 甲烷 H C H 鍵角 109 28 H20 水 H O H 鍵角 104.5 表示共價(jià)鍵的鍵線 原子間的鍵合 共價(jià)鍵材料性質(zhì) 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（ 不溶解 ） 熔點(diǎn)高 硬度高 脆性大 不導(dǎo)電 C 金剛石（ 鉆石） 熔點(diǎn) 3550 硬度是金屬的數(shù)千倍 原子間的鍵合 1.2.4范德瓦耳力 具有偶極子的原子和分子間的庫侖力 偶極子： 電荷相等的一對帶電體，如果各 自電荷中心不重合，稱為偶極子。 原子間的鍵合 原子及分子產(chǎn)生偶極子的方式及其范德瓦耳力： 靜電力 誘導(dǎo)力 色散力 范德瓦耳力 靜電力 極性分子之間的引力 原子間的鍵合 范德瓦耳力 誘導(dǎo)力 原子間的鍵合 范德瓦耳力 色散力（倫敦力） 原子間的鍵合 范德瓦耳力 范德瓦耳力特點(diǎn) 物理鍵 ：無電子轉(zhuǎn)移 次價(jià)鍵 ：結(jié)合力很小 ,大約為主價(jià)鍵力的 1% 10% 主價(jià)鍵 ：金屬鍵、離子鍵、共價(jià)鍵 范德瓦耳力 無方向性、無飽和性 分子之間結(jié)合成的物質(zhì)中普遍存在，也稱為 分子力 原子間的鍵合 范德瓦耳力 1.2.5氫鍵 表達(dá)式： X H Y 式中 X和 Y代表 F， O， N等電負(fù)性大非金屬原子 為共價(jià)鍵， 氫鍵。 原子間的鍵合 氫鍵性質(zhì) 飽和性： 氫原子尺寸小，而其它原子比較大，一旦氫與一原子 形成的氫鍵，由于負(fù)離子之間的相互排斥，另一個 電負(fù)性大的原子就難于再接近氫原子。 這就是 氫鍵的飽和性 。 原子間的鍵合 氫鍵 氫鍵性質(zhì) 方向性： 先形成的共價(jià)鍵電偶極 X H與原子 Y發(fā)生氫鍵結(jié)合時 只有當(dāng) X H-Y在同一條直線上時結(jié)合力最強(qiáng)。 原子間的鍵合 氫鍵 氫鍵性質(zhì) 屬于物理鍵 氫鍵結(jié)合力比范德瓦耳力大，但小于化學(xué)鍵， 屬于次價(jià)鍵 具有無飽和性和方向性 原子間的鍵合 氫鍵 氫鍵在高分子材料中較為重要 氫鍵 原子間的鍵合 氫橋 1.3 高分子鏈 1.3.1 高分子的近程結(jié)構(gòu) 1 鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成 乙烯（小分子） 分子式： C2H4 結(jié)構(gòu)式 : CH2=CH2 聚乙烯（ PE）分子 （高分子） 原子間的鍵合 原子間的鍵合 高分子鏈 單體單元 (結(jié)構(gòu)單元、重復(fù)單元、鏈節(jié) ) 書寫法： 鏈節(jié)數(shù) n又稱 聚合度 聚乙烯高分子鏈 單體 ：乙烯 原子間的鍵合 高分子鏈 原子間的鍵合 高分子鏈 聚合物、高聚物、高分子化合物、高分子材料 許多高分子依靠分子力結(jié)合成為高分子材料： 聚乙烯高分子粒子 碳鏈高分子 雜鏈分子 主鏈不僅含碳， 還含氧、氮、硫等原子 均聚物 由同一種單體聚合而成 共聚物 由兩種以上的單體聚合而成 側(cè)基 原子間的鍵合 高分子鏈 主鏈 高分子結(jié)構(gòu) 高分子鏈的結(jié)構(gòu) 近程結(jié)構(gòu) 遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu) 高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 1.3.1 高分子的近程結(jié)構(gòu) 1 鏈結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成 1 原子結(jié)構(gòu)與鍵合 單體單元 (結(jié)構(gòu)單元、重復(fù)單元、鏈節(jié) ) 2 分子鏈幾何形態(tài) （ 1）線型（ 2）支化 （ 3）交聯(lián)（ 4）體型 （三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)） 高分子近程結(jié)構(gòu) 3 結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式 a 均聚物 結(jié)構(gòu)單元的鏈接 順序異構(gòu) 單體具有 不對稱取代基 產(chǎn)生的三種結(jié)構(gòu)變化： 單體單元 取代基 R 高分子近程結(jié)構(gòu) 鍵接異構(gòu) 異戊二烯的聚合 高分子近程結(jié)構(gòu) 單體具有多處雙鍵，產(chǎn)生鍵接異構(gòu) b 共聚物的序列結(jié)構(gòu) 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. （ a） 交替 （ b） 無規(guī) （ c） 嵌段 （ d） 接枝 高分子近程結(jié)構(gòu) 4高分子鏈的構(gòu)型 a 旋光異構(gòu) （ 立體異構(gòu) ） 旋光異構(gòu)體 單體單元上側(cè)基和取代基位置造成異構(gòu)體互為鏡影對稱， 稱為 旋光異構(gòu)體 。 兩種鏡向乳酸分子不能疊加重合 旋光異構(gòu)體 高分子近程結(jié)構(gòu) 高分子鏈的 全同立構(gòu) 一種旋光異構(gòu)體單元鍵接而成 高分子鏈的 間同立構(gòu) 兩種旋光異構(gòu)體單元交替鍵接而成 高分子鏈的 無規(guī)立構(gòu) 兩種旋光異構(gòu)體單元無規(guī)鍵接 高分子近程結(jié)構(gòu) b 幾何異構(gòu) 單鍵電子云軸對稱（ 鍵 ）， 原子可繞鍵旋轉(zhuǎn)。 雙鍵電子云非軸對稱（ 鍵 ）， 原子不能繞鍵選擇 。 鍵 鍵 高分子近程結(jié)構(gòu) 順式 異戊二烯 雙鍵不能旋轉(zhuǎn)，從而就可能有： 順式、反式兩種異構(gòu)體之分，稱為 幾何異構(gòu) 幾何異構(gòu) 反式 異戊二烯 高分子近程結(jié)構(gòu) 1.3.2 高分子的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu) 1高分子大小 一般高分子材料強(qiáng)度隨分子量增加而增加 高分子鏈 內(nèi)旋轉(zhuǎn) 鍵 (鏈節(jié) )在圓錐面的上轉(zhuǎn)動 2 高分子鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象 高分子的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu) 高分子鏈的 內(nèi)旋構(gòu)象 高分子的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu) 高分子鏈的 柔順性 (簡稱 柔性 ) 高分子鏈能夠改變其構(gòu)象的性質(zhì) （高分子鏈整體可卷曲的難易及卷曲程度） 單個高分子構(gòu)象 高分子的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)