1、二二九年二月九年二月材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Material Science&Engineering原子结构和键合原子结构和键合Atomic Structure and Interatomic Bonding教学目的教学目的与与 要求要求了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子了解物质由原子组成，而组成材料的各元素的原子结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素结构和原子间的键合是决定材料性能的重要因素 教学内容教学内容原子结构、原子间的键合原子结构、原子间的键合教学重点教学重点描述原子电子的空间位置和能量的描述原子电子的空间位置和能量的4个量子数；核个量子
2、数；核外电子排布遵循的原则；元素性质、原子结构和该外电子排布遵循的原则；元素性质、原子结构和该元素在周期表中的位置三者之间的关系元素在周期表中的位置三者之间的关系 教学难点教学难点原子间结合健分类及其特点原子间结合健分类及其特点 教学课时教学课时2课时课时材料的微观结构材料的微观结构(Microstructure of Materials)(Microstructure of Materials)决定材料性能最根本的因素：决定材料性能最根本的因素：u 组成材料各元素的原子结构组成材料各元素的原子结构u 原子间的相互作用，相互结合原子间的相互作用，相互结合u 原子或分子在空间的排列分布和运动规律
3、原子或分子在空间的排列分布和运动规律u 原子集合体的形貌特征原子集合体的形貌特征 物质物质(Substance)(Substance)是由原子是由原子(atom)(atom)组成组成 材料科学中，最为关心的是原子结构中的电子结构材料科学中，最为关心的是原子结构中的电子结构u 原子的电子结构决定原子间键合的本质原子的电子结构决定原子间键合的本质u 掌握原子的电子结构有助于对材料分类，从根本上了解材掌握原子的电子结构有助于对材料分类，从根本上了解材料性能料性能1.1.1 物质的组成物质的组成(Substance Construction)物质由无数微粒物质由无数微粒(Particles)聚集而成聚
4、集而成分分 子子(Molecule)：单独存在保存物质化学特性：单独存在保存物质化学特性 体积小：体积小：d(H2O)0.2 nm 分子量差异大：分子量差异大：M(H2O)2；M(protein)106原原 子子(Atom)：化学变化中最小微粒，但从量子力学中原子并不：化学变化中最小微粒，但从量子力学中原子并不是物质的最小微粒。原子具有复杂的结构，并直接影响原子间是物质的最小微粒。原子具有复杂的结构，并直接影响原子间的结合方式。的结合方式。1.1.2 原子的结构原子的结构1.原子结构模型的发展史原子结构模型的发展史 1803年，年，J.Dalton创立了近代科学原子论。创立了近代科学原子论。认
5、为一切物质都是由最小的不能再分的粒认为一切物质都是由最小的不能再分的粒子子原子构成，而原子是坚实的、不可原子构成，而原子是坚实的、不可再分的实心球。再分的实心球。1 8 7 9 年，年，J.J T h o m s o n 发 现 电 子发 现 电 子(electron)，揭示了原子内部秘密，即电子，揭示了原子内部秘密，即电子，普遍存在于各种原子之中。原子是一个平普遍存在于各种原子之中。原子是一个平均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多均分布着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多带负电、有一定质量的微粒电子，并中和带负电、有一定质量的微粒电子，并中和了电荷，从而形成了中性原子。了电荷，从而形成了中性原子。
6、实心球模型实心球模型西瓜模型西瓜模型(枣糕模型枣糕模型)1911年，年，E.Rutherford和他的助手和他的助手做了著名做了著名粒子散射实验，粒子散射实验，提出原提出原子结构有核模型，即子结构有核模型，即原子是由居于原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成。原子核的质量带负电的电子构成。原子核的质量几乎等于原子的全部质量，电子在几乎等于原子的全部质量，电子在原子核外空间绕核做高速运动。就原子核外空间绕核做高速运动。就像行星环绕太阳运转一样。像行星环绕太阳运转一样。1913年，年，N.Bohr提出了提出了Bohr atomic model，即，
7、即电子在原子核外电子在原子核外空间的一定轨道上分层绕核做高速空间的一定轨道上分层绕核做高速的圆周运动。的圆周运动。行星绕太阳模型行星绕太阳模型分层模型分层模型 后来，科学家们在实验中发现，电子在原子核周围有的区域出现后来，科学家们在实验中发现，电子在原子核周围有的区域出现的次数多，有的区域出现的次数少，就像的次数多，有的区域出现的次数少，就像“云雾云雾”笼罩在原子核笼罩在原子核周围。因而提出了周围。因而提出了“电子云模型电子云模型”。电子云密度大的地方，表明。电子云密度大的地方，表明电子在核外单位体积内出现的机会多，反之，出现的机会少。电子在核外单位体积内出现的机会多，反之，出现的机会少。电子
8、云模型电子云模型原子核原子核(nucleus):):位于原子中心、带正电位于原子中心、带正电电电 子子(electron)：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，电子云(electron cloud)9.1110-31 kg，约为质子的，约为质子的1/1836质子质子(proton)：正电荷：正电荷m1.672610-27 kg中子中子(neutron)：电中性：电中性m1.674810-27 kg2.原子结构原子结构近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外电子构成。原子核内
9、的中子呈电中性，质子带正电。一个质子外电子构成。原子核内的中子呈电中性，质子带正电。一个质子的的正电量正好与一个电子的负电量相等，即均为的的正电量正好与一个电子的负电量相等，即均为e1.60210-19 C。由于电子和质子的数量相等，所以整个原子呈电中性。它们。由于电子和质子的数量相等，所以整个原子呈电中性。它们通过静电吸引，将带负电的电子被牢牢地束缚在原子核周围。通过静电吸引，将带负电的电子被牢牢地束缚在原子核周围。1.1.3 原子的电子结构原子的电子结构电子在原子核外空间作高速旋转运动，没有固定的轨道，但可以根电子在原子核外空间作高速旋转运动，没有固定的轨道，但可以根据电子的能量高低，用统
10、计方法判断其在核外空间某一区域内出现据电子的能量高低，用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小。在量子力学中，可以用反映电子运动状态的方程，的几率的大小。在量子力学中，可以用反映电子运动状态的方程，即即薛定谔薛定谔(E.Schrdinger)方程方程求解得到电子的状态和在某处的出求解得到电子的状态和在某处的出现几率，这个解即为现几率，这个解即为波函数波函数。波函数习惯上又称原子轨道，它描述。波函数习惯上又称原子轨道，它描述电子在核外空间各处位置出现的几率，相当于给出了电子运动的电子在核外空间各处位置出现的几率，相当于给出了电子运动的“轨道轨道”。这一轨道是由四个量子数所确定。这一轨
11、道是由四个量子数所确定。描述原子中一个电子描述原子中一个电子的空间位置和能量，可用的空间位置和能量，可用四个量子数四个量子数(quantum numbers)表示。表示。主量子数主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示：决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层，取正整数，量子壳层可用电子所处的量子壳层，取正整数，量子壳层可用K、L、M、N、O、P、Q表示。表示。轨道角动量量子数轨道角动量量子数li:给出电子给出电子在同一量子壳层内所处的能级在同一量子壳层内所处的能级(电子亚层电子亚层)，与电子运动的角，与电子运动的角动 员 有 关，取 值 为动 员 有 关
12、，取 值 为 0，1，2，n-1。磁量子数磁量子数mi：给出每个轨道角：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。动量量子数的能级数或轨道数。每个每个li下的磁量子数的总数为下的磁量子数的总数为2li+1。自旋角动量量子数自旋角动量量子数si：反映电：反映电子不同的自旋方向。子不同的自旋方向。si规定为规定为+1/2和和-1/2，反映电子顺时针，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向。和逆时针两种自旋方向。钠原子结构中钠原子结构中K、L、M量量子壳层的电子分布状况子壳层的电子分布状况 电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系电子层、电子亚层、原子轨道与量子数之间的关系1s2s2pCNO1s2
13、2s2 2p21s2 2s2 2p31s2 2s2 2p4核外电子的排布举例：核外电子的排布举例：按规则排布：按规则排布：1s2 2s2 2p2 3s2 3p6 3d8 实际排布：实际排布：1s2 2s2 2p2 3s2 3p6 3d6 4s23注：注：对于序数较大的原子，对于序数较大的原子，d d和和f f能及开始被填充，相邻壳层的能及开始被填充，相邻壳层的能级存在重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规则，呈现鲍林能级存在重叠现象，因此，其电子排布偏离上述规则，呈现鲍林能级图分布。例如能级图分布。例如2626FeFe原子的电子结构：原子的电子结构：Pauling近似能级图近似能级图121314
14、121314666666C C，C，C，C，C1.1.4 元素周期表元素周期表(periodic Table of the Elements)2.元素周期表元素周期表1869年，俄国化学家门捷列夫在总结对比当年，俄国化学家门捷列夫在总结对比当时已知的时已知的60多种元素的性质时发现化学元素多种元素的性质时发现化学元素之间的本质联系：按原子量递增把化学元素之间的本质联系：按原子量递增把化学元素排成序列，元素的性质发生周期性的递变。排成序列，元素的性质发生周期性的递变。这就是元素周期律的最早表述。这就是元素周期律的最早表述。1911年，年轻的英国人莫塞莱在分析元素的特年，年轻的英国人莫塞莱在分析元
15、素的特征征X射线时发现，门捷列夫化学元素周期系中射线时发现，门捷列夫化学元素周期系中的原子序数不是人们的主观赋值，而是原子核的原子序数不是人们的主观赋值，而是原子核内的质子数。门捷列夫周期律是人类认识史和内的质子数。门捷列夫周期律是人类认识史和科学史上划时代的伟大发现。科学史上划时代的伟大发现。H LiBeBCNOF NaMgAlSiPSCl KCaScTiVCrMnFe Co NiCuZnGaGeAsSeBr RbSrYZrNbMoTcRu Rh PdAgCdInSnSbTeI CsBaLaHfTaW ReOs Ir PtAuHgTlPb 门捷列夫短式周期表门捷列夫短式周期表每个周期被分成两
16、行，每个纵行被每个周期被分成两行，每个纵行被分成主副两族，表右的三素组被称为过渡元素。分成主副两族，表右的三素组被称为过渡元素。“长式长式”周期表周期表每个周期占一个横排。这种三角形周期表每个周期占一个横排。这种三角形周期表能直观地看到元素的周期发展，但不易考察纵列元素（从上到下）能直观地看到元素的周期发展，但不易考察纵列元素（从上到下）的相互关系，而且由于太长，招致排版和印刷的技术困难。的相互关系，而且由于太长，招致排版和印刷的技术困难。H HeLi Be B C N O F NeNaMgAl Si P S ClArKCa Sc Ti V CrMnFe Co Ni CuZnGaGe As S
17、e Br KrRb SrZrNbRuRh Pd AgCd In SnTe I Xe TcMoYSbCs BaHfRnAtPoPbTlHgAuPt IrOs ReWTa LaCe Pr NdPmSmEuGdTb DyEr TmYbLuHoBiFrRa Ac ThPa U NpPuAmCm Bk Cf EsFm Md No LrRf DbSg BhHsMtUun Uuu Uub宝塔式或滴水钟式宝塔式或滴水钟式周期表周期表这种周期这种周期表的优点是能够十分表的优点是能够十分清楚地看到元素周期清楚地看到元素周期系是如何由于核外电系是如何由于核外电子能级的增多而螺旋子能级的增多而螺旋性发展的，但它们的性
18、发展的，但它们的每个横列不是一个周每个横列不是一个周期，纵列元素的相互期，纵列元素的相互关系也不容易看清。关系也不容易看清。H He Li BeB C N O F NeNa MgAl Si P S Cl ArK CaSc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu ZnGa Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au HgTl Pb Bi Po At Rn F
19、r Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No113 114 115 116 117 118119 1201s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p8sLr Rf Db Sg Bh Hs Mt Uun Uuu Uub 1141161181234567钅钅钅 钅喜 波 黑麦卢 钅 杜钅镧系锕系钫 镭铌 钽银金镉汞铟铊锡铅锑铋碲钋 砹 氡氙 碘镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥锕 钍镤 铀 镎 钚 镅 锔锫 锎 锿 镄锘 铹 钔铷铯锶钡钇 锆铪钼钨锝铼 钌 铑 钯锇 铱 铂氢锂氦铍硼 碳氮 氧 氟
20、 氖钠 镁铝 硅 磷 硫氯 氩钾 钙 钪 钛钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪AcThPa UNpPuAmCmBk Cf EsFmMdNoLr Zr NbMo Tc RuRhPdAgCdInSnSbTeI Xe Hf TaW Re OsIrPt AuHgTl PbBiPoAtRnIBIAIIAIIIA IVAVAVIA VIIAVIIIIIBIIIB IVB VBVIB VIIBRf DbSgBhHsMtUun Uuu UubAc-LrLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTm YbLuHHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPClSArKCaScTiVCrM
21、nFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbCsFrSrBaRaYLaLu-1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465666768697071727374757677787980818283848586878889909192939495969798991001011021031041051061071081091101111125789 103-71 维尔纳维尔纳(A.Werner)长式周
22、期表长式周期表目前最通用的元素周期表目前最通用的元素周期表l 周期周期维尔纳长式周期表分主表和副表。主表中的维尔纳长式周期表分主表和副表。主表中的1515行分行分别是完整的第别是完整的第1 1，2 2，3 3，4 4，5 5周期，但是，第周期，但是，第6 6、7 7行不是完整的第行不是完整的第6 6、7 7周期，其中的镧系元素和锕系元素被分离出来，形成主表下周期，其中的镧系元素和锕系元素被分离出来，形成主表下方的副表。方的副表。第一周期只有第一周期只有2 2个元素，叫特短周期，它的原个元素，叫特短周期，它的原子只有子只有s s电子；第二、三周期有电子；第二、三周期有8 8个元素，叫个元素，叫短
23、周期，它们的原子有短周期，它们的原子有s s电子和电子和p p电子；第四、电子；第四、五周期有五周期有1818个元素，叫长周期，它们的原子个元素，叫长周期，它们的原子除钾和钙外有除钾和钙外有s s、p p电子还有电子还有d d电子；第六周期电子；第六周期有有3232个元素，叫特长周期，它的原子除铯和个元素，叫特长周期，它的原子除铯和钡外有钡外有s s、d d、p p电子还有电子还有f f电子；第七周期是电子；第七周期是未完成周期。未完成周期。l 列列维尔纳长式元素周期表有维尔纳长式元素周期表有18列列(纵列纵列)。例如第。例如第1列为氢锂列为氢锂钠钾铷铯钫，第钠钾铷铯钫，第2列为铍镁钙锶钡镭，
24、列为铍镁钙锶钡镭，第第8列为铬钼钨，第列为铬钼钨，第9列列为锰锝铼，为锰锝铼，等等。等等。l 族族我国采用美国系统，用罗马数码标记，如：我国采用美国系统，用罗马数码标记，如：IA、VIIB等等，而且，第等等，而且，第8-10列叫第列叫第VIII族不叫族不叫VIIIB，第第18列叫列叫O族。族。A族族：主族元素的原子在形成化学键时只使用最外层电子：主族元素的原子在形成化学键时只使用最外层电子(ns和和/或或np)，不使用结构封闭的次外层电子。包括最左边，不使用结构封闭的次外层电子。包括最左边2个纵列个纵列IA和和IIA主族；最右边主族；最右边6个纵列个纵列IIIA、IVA、VA、VIA、VIIA
25、主族和主族和O族。族。IA、IIA和和VII族元素分称碱金属、碱土金属和卤素，这些术语族元素分称碱金属、碱土金属和卤素，这些术语早于发现周期系。主族常用相应第二周期元素命名，如硼族、碳早于发现周期系。主族常用相应第二周期元素命名，如硼族、碳族、氮族，氧族等。族、氮族，氧族等。O族元素的确认在发现周期系之后，曾长期族元素的确认在发现周期系之后，曾长期叫惰性气体叫惰性气体(inert gases)，直到，直到60年代才发现它也能形成传统化年代才发现它也能形成传统化合物，改称稀有气体合物，改称稀有气体(noble gases或或rare gases)。B族族：从周期表左边第从周期表左边第3纵列开始有
26、纵列开始有10个纵列，每个纵列个纵列，每个纵列3个个元素元素(包括第七周期元素应是包括第七周期元素应是4个元素个元素)，从左到右的顺序是，从左到右的顺序是IIIB，IVB，VB，VIB，VIIB，VIII，IB，IIB。族序数与该族元素最族序数与该族元素最高氧化态对应高氧化态对应(有少数例外，如铜银金有少数例外，如铜银金)；VIII族族是是3个纵列个纵列9个元素，是狭义的个元素，是狭义的“过渡元素过渡元素”(这个概念这个概念是门捷列夫提出来的是门捷列夫提出来的)。副族副族常以相应第四周期元素命名，分称钪副族、钛副族、钒常以相应第四周期元素命名，分称钪副族、钛副族、钒副族，副族，.等等等等;但但
27、VIII族中的铁钴镍族中的铁钴镍(第四周期元素第四周期元素)又称又称铁系元素，铁系元素，钌铑钯锇铱铂钌铑钯锇铱铂(第五、六周期元素第五、六周期元素)则总称铂系元素。广义的过渡则总称铂系元素。广义的过渡元素是指除主族元素外的所有其他元素元素是指除主族元素外的所有其他元素。l 区区长式周期表的主表从左到右可分为长式周期表的主表从左到右可分为s区，区，d区，区，ds区，区，p区区4个区，有的教科书把个区，有的教科书把ds区归入区归入d区；副表区；副表(镧系和锕系镧系和锕系)是是f区区元素元素sddspfl 非金属三角区非金属三角区 周期周期系已知系已知112种元素中种元素中只有只有21种非金属（包括
28、稀种非金属（包括稀有气体），它们集中在长有气体），它们集中在长式周期表式周期表p区右上角三角区区右上角三角区内。内。1234567氢IAH1114116118铟铊锡铅锑铋碲钋砹氡氙 碘氦硼碳氮氧氟氖铝 硅磷硫氯氩镓锗砷硒溴 氪InSnSbTeI Xe Tl PbBiPoAtRnIIIAIVAVAVIAVIIAHeBCNOFNeAlSiPClSArGaGeAsSeBrKr25678910131415161718313233343536495051525354818283848586准金属非金属金属处于非金属三角区边界上的元素兼具金属和非金属的特性，有处于非金属三角区边界上的元素兼具金属和非金属的
29、特性，有时也称时也称“半金属半金属”或或“准金属准金属”，例如，硅是非金属，但其单质，例如，硅是非金属，但其单质晶体为具蓝灰色金属光泽的半导体，锗是金属，却跟硅一样具金晶体为具蓝灰色金属光泽的半导体，锗是金属，却跟硅一样具金刚石型结构，也是半导体刚石型结构，也是半导体;又例如，砷是非金属，气态分子为类磷又例如，砷是非金属，气态分子为类磷的的AsAs4 4，但有金属型的同素异形体，锑是金属，却很脆，电阻率很但有金属型的同素异形体，锑是金属，却很脆，电阻率很高，等等，半金属的这类两面性的例子很多。高，等等，半金属的这类两面性的例子很多。5.元素周期性元素周期性 在同一周期中，个元素的原子核外电子层
30、数虽然相同，但从左在同一周期中，个元素的原子核外电子层数虽然相同，但从左到右，随着核电荷数的增加，原子半径逐渐减小，电离能趋于到右，随着核电荷数的增加，原子半径逐渐减小，电离能趋于增大，失去电子能力逐渐减弱，得电子的能力逐渐增强，因此，增大，失去电子能力逐渐减弱，得电子的能力逐渐增强，因此，金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强；金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强；在同一主族的元素，从上到下电子层数增多，原子半径增大，在同一主族的元素，从上到下电子层数增多，原子半径增大，电离能趋于减小，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，电离能趋于减小，失电子能力逐渐增强，得电子能力逐渐减弱，因此，元素的金属性逐
31、渐增强，非金属性逐渐减弱。因此，元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。元素的化合价、电子结构，以及价电子数可根据它在周期表中元素的化合价、电子结构，以及价电子数可根据它在周期表中的位置确定。的位置确定。1s2s2pNeNa1s2 2s2 2p6 惰性元素惰性元素1s2 2s2 2p6 3s1 活泼碱金属活泼碱金属3s1.2 原子间的键合原子间的键合(Bonding type with other atom)原子间的结合力称为结合键，它主要表现为原子间吸引力与排斥原子间的结合力称为结合键，它主要表现为原子间吸引力与排斥力的合力结果。根据不同的原子结合结合方式，结合键可以分为力的合力结果。根据不
32、同的原子结合结合方式，结合键可以分为化学键和屋里键两大类，即：化学键和屋里键两大类，即：结结合合键键化学键化学键(Chemical bonding)(主价键主价键Primary bonding)物理键物理键(Physical bonding)，次价键次价键(Secondary bonding)，也也称范德华力称范德华力(Van der Waals bonding)氢键氢键(Hydrogen-bonding):其性质介于化学键和范德华力之间其性质介于化学键和范德华力之间金属键金属键Metallic bonding离子键离子键Ionic bonding共价键共价键covalent bonding1
33、.2.1 金属键金属键(Metallic bonding)典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子(valence electron)极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子(Free electron)，形成电子云形成电子云(electron cloud)金属中自由电子与金属正离子之间金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。构成键合称为金属键。l特点：电子共有化，既无饱和特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密性又无方向性，形成低能量密堆结构堆结构l性质：良好导电、导热性能，性质：良好导电、导热
34、性能，延展性好延展性好金属键示意图金属键示意图l特点：以离子而不是以原子为特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性排列，且无方向性，无饱和性l性质：熔点和硬度均较高，良性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体好电绝缘体1.2.2 离子键离子键(Ionic bonding)大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合NaCl离子键示意图离子键示意图l实质：实质：金属原子金属原子 带正电的正离子带正电的正离子(Cation)非金属原子非金属原子 带负电的负离子带负电的负离子(anio
35、n)e静电引力静电引力离子键离子键l亚金属（亚金属（C C、SiSi、SnSn、GeGe），），聚合物和无机非金属材料聚合物和无机非金属材料l实质：由二个或多个电负性接近的原子间通过共用电子对而成实质：由二个或多个电负性接近的原子间通过共用电子对而成l特点：饱和性，配位数较小，特点：饱和性，配位数较小，方向性（方向性（s s电子除外）电子除外）l性质：熔点高、质硬脆、导性质：熔点高、质硬脆、导电能力差电能力差1.2.3 共价键共价键(covalent bonding)SiO2中硅和氧共价键示意图中硅和氧共价键示意图极性键极性键(Polar bonding):共用电共用电子对偏于某成键原子子对偏
36、于某成键原子非极性键非极性键(Nonpolar bonding):位于两成键原子中间位于两成键原子中间l静电力静电力(electrostatic)是由极性原子或分子的是由极性原子或分子的永久偶极之间永久偶极之间的静电相互的静电相互作用所引起的，大小与绝对温度和距离的作用所引起的，大小与绝对温度和距离的7次方成反比；次方成反比；l诱导力诱导力(induction)是当极性分是当极性分(原原)子和非极性分子和非极性分(原原)子相互作用时，非子相互作用时，非极性分子中产生极性分子中产生诱导偶极诱导偶极与极性分子的与极性分子的永久偶极间永久偶极间的相互作用力，大的相互作用力，大小与温度无关，但与距离的
37、小与温度无关，但与距离的7次方成反比；次方成反比；l色散力色散力(dispersive force)是由于某些电子运动导致原子是由于某些电子运动导致原子瞬时偶极瞬时偶极间的间的相互作用力，其大小与温度无关，但与距离的相互作用力，其大小与温度无关，但与距离的7次方成反比。次方成反比。1.2.4 范德华力(Van der waals bonding)定义：定义：原先相互独立的原子或分子由于原先相互独立的原子或分子由于近邻原子的相互作用引起电荷位移而形近邻原子的相互作用引起电荷位移而形成偶极子，由于偶极子感应作用形成的成偶极子，由于偶极子感应作用形成的键合，键合，包括静电力、诱导力和色散力。包括静电
38、力、诱导力和色散力。+-+-原子或分子偶极子原子或分子偶极子极性分子间的范德华力示意图极性分子间的范德华力示意图属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质属于物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 极性分子键，存在于极性分子键，存在于HF、H2O、NH3中，氢原子中唯一的电子中，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有被其它原子所共有(共价键结合共价键结合)，裸露原子核将与近邻分子的，裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引负端相互吸引氢桥。氢桥。具有饱和性和方向性，键能介于化学键与范德华力之间，在高具有饱和性和方向性，键能介于化学键与范德华力之间，在高分子中占重
39、要地位。分子中占重要地位。1.2.5 氢氢 键键(Hydrogen bonding)HF氢键示意图氢键示意图HFHF氢氢 键键1.2.6 混合键（混合键（Hybrid bonding）在实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材料的内部在实际材料中单一结合键的情况并不是很多，大部分材料的内部原子结合键往往是各种键的混合。如过渡金属原子结合键往往是各种键的混合。如过渡金属W、Mo等原子结等原子结合中除了金属键合外，还存在少量的共价键，因而它们具有高的合中除了金属键合外，还存在少量的共价键，因而它们具有高的熔点。而金属间化合物由于金属间存在电负性差异，有一定的离熔点。而金属间化合物由于金属间存在电负性差异，有一定的离子化倾向。化合物子化倾向。化合物AB中离子键的比例中离子键的比例IC：式中式中XA、XB分别为化合物组成元素分别为化合物组成元素A、B的电负性数值的电负性数值如：如：C族元素中金刚石具有单一的共价键，而族元素中金刚石具有单一的共价键，而Si、Ge、Sn、Pb在形成共价键结合的同时，存在一定的金属键，其比例自上至下在形成共价键结合的同时，存在一定的金属键，其比例自上至下递增，而递增，而Pb则已成为完全的金属键结合。则已成为完全的金属键结合。100%e1I2BA)x(x25.0C
