上海交大考研材料科学基础总结 - 图文

第1章原子结构和键合

1.1原子结构

1.1.1物质的组成(Substance Construction) 物质由无数微粒(Particles)聚集而成 分子(Molecule):单独存在 保存物质化学特性

dH2O=0.2nm M(H2)为2 M(protein)为百万 原子(Atom): 化学变化中最小微粒 1.1.2原子的结构 ??质子(proton):正电荷m=1.6726×10-27kg? ?原子核(nucleus):位于原子中心、带正电?-27中子(neutron):电中性m=1.6748×10kg???

? ?电子(electron):核外高速旋转,带负电,按能量高低排列,如电子云(electron cloud)?-31 ? m=9.1095?10kg,约为质子的1/1836 ??1.1.3原子的电子结构

(?主量子数nithe principal quantum number):? 决定原子中电子能量和核间距离(the energy of the electron),? ? 即量子壳层,取正整数1、2、3、4、5 ? ? 用K、L、M、N……表示?轨道动量量子数l(the orbital quantum number):i ?? 给出电子在同一量子壳层内所处的能级, ? 与电子运动的角动量有关(shape of the electron subshell),? ?? 取值为0,1,2,??????n?1, 用s,p,d,f……表示? ?磁量子数mi(the inner quantum number):? ? 决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向(spatial orientation of an electron cloud),? 取值为-li,-(li?1),???????1,0,1,??????li ?自旋角动量量子数si(the spin quantum number):? ? 表示电子自旋(spin moment)的方向,? ?11 取值为+或-?22 ?核外电子排布遵循以下3个原则:

?能量最低原理(Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 ? 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-? ?Pauli不相容原理(Pauli Exclusion principle): 不可能有运动状态完全相同的电子, ? 2? 2n ? Rule)同一亚层中电子尽量分占不同能级,自旋方向相同?Hund原则(Hund' ??全充满 ??? ?半充满 ??全空??

1.1.4元素周期表

核电荷↑,原子半径↓ 同周期元素:左????????????右,金属性↓,非金属性↑电离能↑,失电子能力↓,得电子能力↑

最外层电子数相同,电子层数↑,原子半径↑同主族元素:上?????????????下,金属性↑,非金属性↓电离能↓,失电子能力↑,得电子能力↓ Page 1 of 69

1.2原子间的键合

1.2.1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(valence electron)极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子(Free electron),形成电子云(electron cloud)金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键

特点:电子共有化,既无饱和性又无方向性,形成低能量密堆结构 性质:良好导电、导热性能,延展性好 1.2.2离子键(Ionic bonding)

实质: 金属原子 带正电的正离子(Cation) 非金属原子 带负电的负离子(anion)

特点:以离子而不是以原子为结合单元,要求正负离子相间排列, 且无方向性,无饱和性

性质:熔点和硬度均较高,良好电绝缘体 1.2.3共价键(covalent bonding) 亚金属(C、Si、Sn、 Ge),聚合物和无机非金属材料

实质:由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 ? 极性 键 (Polar bonding) :共用电子对偏于某成键原子 ?

?非极性键(Nonpolar bonding): 位于两成键原子中间特点:饱和性 配位数较小 ,方向性(s电子除外) 性质:熔点高、质硬脆、导电能力差 1.2.4范德华力(Van der waals bonding)

包括:静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force) 属物理键 ,系次价键,不如化学键强大,但能很大程度改变材料性质 1.2.5氢键(Hydrogen bonding)

极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ,在高分子中占重要地位, 氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有(共价键结合),裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥 介于化学键与物理键之间,具有饱和性

1.3高分子链(High polymer Chain)

?链结构(Chain Structure) 高分子结构? ?聚集态结构(Structure of aggregation state) Page 2 of 69

:化学结构,分子链中的原子排列,结构单元 近程结构(一次结构) 高分子链结构 的键接顺序,支化,交联等 相对分子质量及其分布,链的柔顺性及构象

1.3.1高分子链的近程结构

1.结构单元的化学组成(the Chemistry of mer units) 2.高分子链的几何形态(structure)

?线性高分子(linear polymers): 加热后变软,甚至流动,可反复加工- ? 热塑性(thermoplastic)? ??支链高分子(branched polymers):

?交联高分子(crosslinked polymer):线性天然橡胶用S交联后变强韧耐磨 ? ??体型(立体网状)高分子(network on three-dimensional polymer)热塑性:具有线性和支化高分子链结构,加热后会变软,可反复加工再成型

热固性:具有体型(立体网状)高分子链结构,不溶于任何溶剂,也不能熔融,一旦受热固化后不能再改变形状,无法再生

3.高分子链的键接方式

4.高分子链的构型(Molecular configurations)

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?间同立构(syndisotactic configurations): R取代基交替地处在主链平面两侧, ? 即两旋光异构单元交替 ??全同立构(isotactic configurations):R取代基全处在主链平面一边, ?? 即全部由一种旋光异构体 ??无规立构(atactic configurations):R取代基在主链平面两侧不规则排列 ?1.3.2高分子链的远程结构 1.高分子的大小

2.高分子链的内旋转构象

主链以共价键联结,有一定键长 d和键角θ,每个单键都能内旋转(Chain twisting)故高分子在空间形态有mn-1( m为每个单键内旋转可取的位置数,n为单键数目) ※ 键的内旋转使得高分子存在多种构象

统计学角度高分子链取 伸直(straight)构象几率极小,呈卷曲(zigzag)构象几率极大 3.影响高分子链柔性的主要因素

(the main influencing factors on the molecular flexibility) 高分子链能改变其构象的性质称为柔性(Flexibility)

?主链结构的影响:起决定性作用,C-O,C-N,Si-O内旋的势垒比C-C低,从而使聚酯, ? ? 聚酰胺、聚胺酯,聚二甲基硅氧烷等柔性好? ?取代基的影响:取代基的极性,沿分子链排布距离,在主链上对称性,体积均有影响 ? ?交联的影响:因交联附近的单键内旋转受阻碍,交联度大时,柔性↓↓

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