第一章原子的结构与键合
决定材料性质最为本质的内在因素：
.■组成材料各元素的原子结构；
,原子间的相互作用，相互结合;
I原子或分子在空间的排列及运动规律，
原子集合体的形貌特征
物质是由原子组成----材料科学中，最为关心原子的电子结构
原子的电子结构一原子间键合本质
决定材料分类：金属陶瓷高分子
材料性能：物化力学
1.金属键(metallic bond) 自由电子---------- 金属正离子间
特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。
可以解释金属的一些特征，如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数。
2.离子键(ionic bond) 金属正离子----- 非金属负离子之间
特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。
可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。
3.共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对
特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。
可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。
4.氢键(hydroge n bond)
5.范德华力(Van Der Waals force)
金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键
陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合
一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力
聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键
※^ 1 原子结构(Atomic Structure )
1.1、物质的组成(Substanee Construction)
分子(Molecule):单独存在且能保存物质化学特性
dH2O=0.2nm M(H2)为 2 M(protein)为百万
原子(Atom): 化学变化中最小微粒
近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。
原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为 1.67X10-24g,而电子的质量约为9.11X10-g,仅为质子的1/1836。
描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数( qua ntum nu mbers) 表示
(1)主量子数n：
它规定了核外电子离核的远近和能量的高低。n取正整数1，2，3，4等。
n值越大，表示电子离原子核越远，能量越高。反之n越小，则电子离核越近，能量越低。
这也相当于把核外电子分为不同的电子层，凡n相同的电子属于同一层。习惯用K,L,M,N,O,P来代表n=1 , 2, 3,4, 5, 6的电子层。
(2)轨道角动量量子数li
描述的是电子在原子核外出现的几率密度随空间角度的变化，即决定原子轨道或电子云的形状。
li可取小于n的正整数，即0, 1，2，，n-1,如n=4，l可以是0, 1，2，3,相应的符号是 s,p,d,f
当n相同时，li越大，电子的能量越高。因此，常把n相同，li不同的状态称为电子亚层，一个电子层可以
分为几个亚层。
(3)磁量子数Mi
规定电子运动状态在空间伸展的取向。m的数值可取0，±1 ，翌，……±1
对某个运动状态可有 2i+1个伸展方向。
s轨道的1=0,所以只有一种取向，它是球对称的。P轨道i=1,m=-1,0,+1,所以有三种取向，用px,py,和pz表示。
(4)自旋角动量量子数si
电子除绕原子核运动外，它本身还做自旋运动。
电子自旋运动有顺时针和逆时针两个方向，分别用si=+1/2和si =-1/2表示，也常用1和xl符号表示自旋方向相
反的电子。
小结：
四个量子数规定了核外电子的运动状态，每个电子都可以用上述的四个量子数的一套数据来描述其运动状态(对应着一个波函数)，同一原子中没有四个量子数完全相同的电子。换句话说，在同一原子中的各个电子，它们的运动状态不可能完全相同，即四个量子数中至少有一个量子数是不同的。
四个量子数的意义：
核外电子的排布(electron configuration)规律
(1)能量最低原理：多电子原子处在基态时，核外电子的分布在不违反泡利原理的前提下，总是尽先分布在能量较低的轨道，以使原子处于能量最低的状态。
(2)Pauli不相容原理：在同一原子中，不可能有四个量子数完全相同的电子存在。每一个轨道内最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。
(3) Hund规则：原子在同一亚层的等价轨道上分布电子时, 将尽可能单独分布在不同的轨道，而且自旋方向相同(或称自旋平行)。
元素周期表(periodic Table of the Elements)
具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。
元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。
探 2 原子间的键合 (Bonding type with other atom)
典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子( vale nee 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
二、离子键(Io nic bon di ng)——(多数盐类、碱类和金属氧化物)
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
三、共价键(covale nt 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
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
四、范德华力(Van der waals bon di ng)
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
五、氢键(Hydrogen bonding )
极性分子键，存在于 HF、H20、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一一氢桥
介于化学键与物理键之间，具有饱和性
※^ 3 高分子链(High polymer Chain)
由于高分子材料的相对分子质量可高达几十万甚至上百万，所包含的结构单元可能不止一种，每一种结构单元又具有不同构型，而且结构单元之间可能有不同键接方式与序列，故高分子的结构相当复杂。
高分子结构包括高分子键结构和聚集态结构两方面。键结构又分近程结构和远程结构。近程结构属于化学结构,
又称一次结构，是指大分子链中原子的类型和排列，结构单元的键接顺序、支化、交联以及取代基在空间的排布规律等。
远程结构又称二次结构，是指高分子的大小与形态，键的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。
第二章固体结构
概述：
物质按聚集状态分类：气态、液态和固态
按原子或分子排列规律性分：晶体( crystal)和非晶体(non crystal)
晶体与非晶体的区别：
1原子规排：晶体中原子(分子或离子)在三维空间呈周期性重复排列，而非晶体的原子无规则排列的。
2熔点：晶体具有固定的熔点，非晶体无固定的熔点，液固转变是在一定温度范围内进行。
3性能：晶体具有各向异性(an isotropy)，非晶体为各向同性。
绝大部分陶瓷、少数高分子材料、金属及合金是晶体；多数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体。
2.1晶体学基础
2.1.1空间点阵与晶胞
阵点:将理想晶体中的每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点。
点阵(lattice)：晶体中描述质点规则排列的空间格架(即阵列)称为空间点阵，简称点阵。
空间格子(space lattice):用平行直线将所有阵点连接所形成的三维几何格架称为空间格子。
晶胞(cell)：从晶格中选取一个能完全反映晶格特征的基本单元作为点阵的组成单元，这种最小的几何单元称晶胞。
将晶胞作三维的重复堆砌就构成空间点阵
晶胞大小和形状表示方法 -- 晶胞大小和形状表示方法为：
晶胞的棱边长度a、b、c(称为点阵常数、晶格常数(lattice con sta nts/parameters));
棱边的夹角为a、丫(称为晶轴间夹角)。选取晶胞的原则：
1、应反映出点阵的高度对称性
2、棱和角相等的数目最多
3、棱边夹角为直角时，直角数目最多
4、晶胞体积最小空间点阵类型--
根据6个参数间相关系可将全部空间点阵归为七大类，十四种(称为布拉菲点阵) 。晶系和点阵类型如表
2.2(P.21)所示(十四种空间格子) 晶体结构和空间点阵的区别：
空间点阵(space lattice):质点排列的几何学抽象只有14种类型
晶体结构(crystal structure):实际质点的排列是无限的
七大晶系和十四种空间格子 --
七大晶系：
1.三斜晶系 (tricli nic system) : a 丰 b^ca^3*Y* 90 °
2.单斜晶系(monoclinic system ) : a 丰 b 专ca =丫=90 ° *3
3.正交(斜方)晶系 (orthogo nal system ) : a 丰 b 专ca = 3 = Y = 90 °
4.四 (正)方晶系(tetragonal system )： a=b 工,c a =3 = Y =90°
5.立方晶系 (cubic system ): a=b=c, a =3 = Y =90 °
6六方晶系(hexagonal system )： a=b * ,c a =3 =90。丫 =120 °
7.菱形晶系 (rhombohedral system) : a=b=c, a =3 = Y* 90 ° 十四种空间格子：
2.1.2晶向指数和晶面指数
晶面(crystal plane) ----- 晶体结构一系列原子所构成的平面。
晶向(crystal directions ) ---- 通过晶体中任意两个原子中心连成直线来表示晶体结构的空间的各个方向。
晶向指数(indices of directions)和晶面指数(indices of crystal - plane)是分别表示晶向和晶面的符号，国际上用M iller 指数(M iller in dices )来统一标定。
1.立方晶系中晶向指数 --
确定立方晶系(cubic crystal systems)晶向指数［uvw ］的步骤如下：
(1)设坐标一以晶胞的某一阵点为原点建立坐标系。
(2)求坐标--过原点作一直线 0P，使其平行于待定晶向。
(3)化整数一将3个坐标值化为最小整数u, v, w。
(4)列括号--［uvw］，若晶向上一坐标值为负值则在指数上加一负号。
晶向指数还有如下规律：
(1)某一晶向指数代表一组在空间相互平行且方向一致的所有晶向。
(2)若晶向所指的方向相反，则晶向数字相同符号相反。
(3)有些晶向在空间位向不同，但晶向原子排列相同，这些晶向可归为一个晶向族(crystal directio n group), 用〈uvw〉表示。如〈111〉晶向族包括［111］、［T11］、［1T1］、［11T］、［TT1］、［1TT］、［T1T］、［TTT］ ;〈 100〉晶向族包括［100］、［010］、［001］、［T00］、［0T0］、［00T］。
(4)同一晶向族中晶向上原子排列因对称关系而等同。晶族(crystal group)
2?立方晶系中晶面指数 --
确定立方晶系(cubic crystal systems)晶面指数(hkl )的步骤如下 ：
(1) 设坐标：原点设在待求晶面以外。 (2) 求截距：求晶面在三个轴上的截距。 (3) 取倒数
(4) 化整数：h 、k 、l
(5) 加括号：(hkl )，如果所求晶面在晶轴上截距为负数则在指数上加一负号。 晶面指数还有如下规律：
(1) 某一晶面指数代表了在原点同一侧的一组想互平行且无限大的晶面。 (2) 若晶面指数相同，但正负符号相反，则两晶面是以原点为对称中心， 且相互平行的晶面。女口 (110)和(TT0)
互相平行。
(3) 凡晶面间距和晶面上原子分布完全相同，
只是空间取向不同的晶面， 可归为同一晶面族(crystal plane group )，
用｛hkl ｝表示。如｛100｝包括(100)、(010)、(001 )、(T00 )、(0T0 )、( 00T)。 (4)
在立方结构中若晶面指数和晶向指数的指数和符号相同，则该晶向与晶面必定是互相垂直。如： ［111］丄
(111)、［110］丄(110)、［100］丄(100)。 3六方晶系的晶向和晶面指数
---
确定步骤和立方晶系一样，但一般在标定六方结构的晶向指数时选择四个坐标轴： a1、a2、a3、c 其中a1、
a2、a3处于同一底面上，且它们之间夹角为
120 °、C 轴垂直于底面。则有：
晶面指数(hkil)其中i=- (h+k) 晶向指数［uvtw ］其中t=- (u+v)
4?晶带
晶带(zone):所有平行或相交于同一直线的晶面成一个晶带。
晶带定理(zone law):同一晶带上晶带轴［uvw ］和晶带面(hkl)之间存在以下关系：hu+kv+lw=0 通过晶带定理可以求晶向指数或晶面指数。
a) 两不平行的晶面(h1k1l1 )和(h2k2l2 )的晶带轴［uvw ］为2.4式(P22)。 b) 二晶向所决定(u1v1w1 )和(u2v2w2 )的晶面为 2.5式(P22)。 5. 晶面间距
晶面间距一一晶面指数为(hkl )的晶面相邻两个晶面之间距离，用 dhkl 表示。低指数的晶面面间距较大， 高指数的则较小。面间距越大，该面上原子排列愈密集，否则越疏。 晶面间距可根据一些几何关系(如图
2.16)求得公式2.7 (P23)
式中h 、k 、l 为晶面指数(hkl)
，a 、b 、c 为点阵常数，a 、B 、丫为晶面法线方向与晶轴夹角。
在2.7式中只要求出 cos 2 a + cos 2 3 + cos 2 丫之值，即可求 d hkl 。
正交晶系晶面间距的计算公式为 2.8式（P24）
立方晶系中a=b=c ，其晶面间距的计算公式为
2.9式（P24）
六方晶系晶面间距的计算公式为 2.10式（P24）
上述晶面间距的计算公式只适应简单晶胞。复杂晶胞由于中心型原子的存在而使晶面层数增加，应根据具体 情况对上述计算公式进
行修正。
正交晶帝
第二部分简答题 第一章原子结构 1、原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？【11年真题】 答：（1）金属键：基本特点是电子的共有化，无饱和性、无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使得金属具有良好的延展性，又由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电性和导热性能。 （2）离子键：正负离子相互吸引，结合牢固，无方向性、无饱和性。因此，七熔点和硬度均较高。离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此他们都是良好的电绝缘体。 （3）共价键：有方向性和饱和性。共价键的结合极为牢固，故共价键晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价结合的材料一般是绝缘体，其导电能力较差。 （4）范德瓦尔斯力：范德瓦尔斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合。它没有方向性和饱和性，其结合不如化学键牢固。 （5）氢键：氢键是一种极性分子键，氢键具有方向性和饱和性，其键能介于化学键和范德瓦耳斯力之间。 2、陶瓷材料中主要结合键是什么？从结合键的角度解释陶瓷材料所具有的特殊性能。【模拟题一】 答：陶瓷材料中主要的结合键是离子键和共价键。由于离子键和共价键很强，故陶瓷的抗压强度很高、硬度很高。因为原子以离子键和共价键结合时，外层电子处于稳定的结构状态，不能自由运动，故陶瓷材料的熔点很高，抗氧化性好、耐高温、化学稳定性高。 第二章固体结构 1、为什么密排六方结构不能称为一种空间点阵？【11年真题】 答：空间点阵中每个阵点应该具有完全相同的周围环境。密排六方晶体结构位于晶胞内的原子具有不同的周围环境。如将晶胞角上的一个原子与相应的晶胞之内的一个原子共同组成一个阵点，这样得出的密排六方结构应属于简单六方点阵。 2、为什么只有置换固溶体的两个组元之间才能无限互溶，而间隙固溶体则不能？【模拟题一】 答：因为形成固溶体时，溶质原子的溶入会使溶剂结构产生点阵畸变，从而使体系能量升高。溶质与溶剂原子尺寸相差较大，点阵畸变的程度也越大，则畸变能越高，结构的稳定性越低，溶解度越小。一般来说，间隙固溶体中溶质原子引起的点阵畸变较大，故不能无限互溶，只能有限熔解。 3、试证明四方晶系中只有简单四方点阵和体心四方点阵两种类型。【模拟题三】
第一章原子结构与性质 课标要求 1.了解原子核外电子的能级分布，能用电子排布式表示常见元素的（1~36号）原子核外电子的排布。了解原子核外电子的运动状态。 2.了解元素电离能的含义，并能用以说明元素的某种性质 3.了解原子核外电子在一定条件下会发生跃迁，了解其简单应用。 4.了解电负性的概念，知道元素的性质与电负性的关系。 要点精讲 一.原子结构 1.能级与能层 2.原子轨道 3.原子核外电子排布规律 ⑴构造原理：随着核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按右图顺序填入核外电子运动轨道（能级），叫做构造原理。
能级交错：由构造原理可知，电子先进入4s 轨道，后进入3d 轨道，这种现象叫能级交错。 说明：构造原理并不是说4s 能级比3d 能级能量低（实际上4s 能级比3d 能级能量高），而是指这样顺序填充电子可以使整个原子的能量最低。也就是说，整个原子的能量不能机械地看做是各电子所处轨道的能量之和。 （2）能量最低原理 现代物质结构理论证实，原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。 构造原理和能量最低原理是从整体角度考虑原子的能量高低，而不局限于某个能级。 （3）泡利（不相容）原理：基态多电子原子中，不可能同时存在4个量子数完全相同的电子。换言之，一个轨道里最多只能容纳两个电子，且电旋方向相反（用“↑↓”表示），这个原理称为泡利（Pauli ）原理。 （4）洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道（能量相同）时，总是优先单独占据一个轨道，而且自旋方向相同，这个规则叫洪特（Hund ）规则。比如，p3的轨道式为 或，而不是。 洪特规则特例：当p 、d 、f 轨道填充的电子数为全空、半充满或全充满时，原子处于较稳定的状态。即p0、d0、f0、p3、d5、f7、p6、d10、f14时，是较稳定状态。 前36号元素中，全空状态的有4Be 2s22p0、12Mg 3s23p0、20Ca 4s23d0；半充满状态的有：7N 2s22p3、15P 3s23p3、24Cr 3d54s1、25Mn 3d54s2、33As 4s24p3；全充满状态的有10Ne 2s22p6、18Ar 3s23p6、29Cu 3d104s1、30Zn 3d104s2、36Kr 4s24p6。 4. 基态原子核外电子排布的表示方法 (1)电子排布式 ①用数字在能级符号的右上角表明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式，例如K ：1s22s22p63s23p64s1。 ②为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分以↑↓ ↑ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ ↑
原子结构与键合 一、决定材料性质最为本质的内在因素： 组成材料各元素原子结构：原子 原子间相互作用，相互结合：键合 原子或分子在空间的排列：晶体结构 原子集合体的形貌特征：显微组织 二、原子是化学变化中的最小微粒。 原子结构直接影响原子间的结合方式。 三、键的形成：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，使原子结合在一起，就形成了键。 键分为一次键和二次键： 一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。 二次键——结合力较弱，包括范德华键和氢键。 混合键——对于大多数晶体而言，它们的键并不单纯属于上述五种中的某一种，而具有某种综合性。换言之，许多晶体存在混合键。 四、范德华力、氢键和共价键的对比
五、石墨（共价键、金属键和范德瓦尔斯力的混合键） 1. C原子的三个价电子组成sp2杂化轨道，分别与最近邻的三个C 原子形成三个共价键，在同一平面内互成120°，使碳原子形成六角平面网状结构。 2. 第四个价电子未参与杂化，自由的在整个层内活动，具有金属键的特点。（石墨是一种良导体，可做电极等） 3. 层与层之间以范德瓦尔斯力结合。（结合力弱，所以石墨质地疏松，在层与层之间可插入其它物质，制成石墨插层化合物）。 六、晶体、准晶，非晶体 晶体中原子的排列是有序的，即原子按某种特定方式在三维空间内呈周期性规则重复排列，有固定的熔点。而非晶体内部原子的排列是无序的。 准晶体，亦称为“准晶”，是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶体具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但是准晶体不具备晶体的平移对称性。 七、弥散强化 弥散强化——指一种通过在均匀材料中加入硬质颗粒的一种材料
第1章原子结构与键合 决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。 1.1 原子结构 1.1.1 物质的组成 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。原子结构直接影响原子间的结合方式。 1.1.2 原子的结构 近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。 原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为1.67X10-24g，而电子的质量约为9.11X10-28g，仅为质子的1/1836。 1.1.3 原子的电子结构 图为镁(原子序数12)原子结构中K,L和M量子壳层的电子分布状况. 从内到外，依次为K壳层(n=1),L壳层(n=2),M壳层(n=3). 1).主量子数n:决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。 2).轨道角量子数li:给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层）。
3).磁量子数mi:给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。 4).自旋角量子数si:反映电子不同的自旋方向。 描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。 多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund规则。 1.1.4 元素周期表 具有相同核电荷数的同一类原子为一种元素。 元素周期表是元素周期律的具体表现形式，它反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。 1.2 原子间的键合 1.2.1 金属键 金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。 金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。 1.2.2 离子键
《材料科学基础》复习题 第1章原子结构与结合键 一、判断题： 4、金属键具有明显的方向性和饱和性。（ F） 5、共价键具有明显的方向性和饱和性。（ T） 6、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是两组元的电负性相同。两组元的晶体结构相同（ F） 7、工程材料的强度与结合键有一定的关系，结合键能越高的材料，通常其弹性模量、强度和熔点越低。（F） 8、晶体中配位数和致密度之间的关系是配位数越大，致密度越小。（F ） 二、选择题： 1、具有明显的方向性和饱和性。 A、金属键 B、共价键 C、离子键 D、化学键 2、以下各种结合键中，结合键能最大的是。 A、离子键、共价键 B、金属键 C、分子键 D、化学键 3、以下各种结合键中，结合键能最小的是。 A、离子键、共价键 B、金属键 C、分子键 D、化学键 5、已知铝元素的电负性为1.61，氧元素的电负性为3.44，则Al 2O 3 中离子键结合的比 例为。 A、28% B、45% C、57% D、68% 6、以下关于结合键的性质与材料性能的关系中，是不正确的。P54 A、结合键能是影响弹性模量的主要因素，结合键能越大，材料的弹性模量越大。 B、具有同类型结合键的材料，结合键能越高，熔点也越高。 C、具有离子键和共价键的材料，塑性较差。 D、随着温度升高，金属中的正离子和原子本身振动的幅度加大，导电率和导热率 都会增加。（应该是自由电子的定向运动加剧） 7、组成固溶体的两组元完全互溶的必要条件是。 A、两组元的电子浓度相同 B、两组元的晶体结构相同 C、两组元的原子半径相同 D、两组元电负性相同 11、晶体中配位数和致密度之间的关系是。 A、配位数越大，致密度越大 B、配位数越小，致密度越大 C、配位数越大，致密度越小 D、两者之间无直接关系 三、填空题： 2、构成陶瓷化合物的两种元素的电负性差值越大，则化合物中离子键结合的比例越大。 3、体心立方结构的晶格常数为a，单位晶胞原子数为 2 、原子半径为
第一章原子结构与键合 1-1. 原子中一个电子的空间位置和能量可用哪4个量子数来决定？1-2. 在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？ 1-3. 在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下元素结构有什么区别？性质如何递变？ 1-4. 何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？ 1-5. 铬的原子序数为24，它共有四种同位素：w(Cr)=4.31%的Cr原子含有26个中子，w(Cr)＝83.76%的Cr含有28个中子，w(Cr)＝9.55%的Cr含有29个中子，且w(Cr)＝2.38%的Cr含有30个中子。试求铬的相对原子质量。 1-6. 铜的原子序数为29，相对原子质量为63.54，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素之含量百分比。 1-7. 锡的原子序数为50，除了4f亚层之外,其它内部电子亚层均已填满。试从原子结构角度来确定锡的价电子数。 1-8. 铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s亚层中有几个电子？ 1-9. 已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并判断其金属性强弱。 1-10. 原子间的结合键共有几种？各自特点如何？ 1-11.图1-1绘出三类材料—金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离关系曲线，试指出它们各代表何种材料。
图1－1 1-12.已知Si的相对原子质量为28.09，若100g的Si中有5×1010个电子能自由运动，试计算：(a)能自由运动的电子占价电子总数的比例为多少？(b)必须破坏的共价键之比例为多少？ 1-13. S的化学行为有时象6价的元素，而有时却象4价元素。试解释S这种行为的原因。 1-14. A和B元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似的用下式表示： 这里x A和x B分别为A和B元素的电负性值。已知Ti、O、In和Sb 的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO2和InSb的IC%。1-15. Al2O3的密度为3.8g/cm3，试计算a)1mm3中存在多少原子？b)1g 中含有多少原子？ 1-16. 尽管HF的相对分子质量较低，请解释为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要比HCl的沸腾温度(-85℃)高？ 1-17.高分子链结构分为近程结构和远程结构。他们各自包括内容是什么？ 1-18.高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释。 1-19.分别绘出甲烷(CH4)和乙烯(C2H4)之原子排列与键合.
材料科学基础习题集（2010） 第1章: 原子结构与键合 1.原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？ 2.在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？ 3.在元素周期表中，同一周期或同一主族元素原子结构有什么共同特点？从左到右或从上到下 元素结构有什么区别？性质如何递变？ 4.何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？ 5.铬的原子序数为24，它共有四种同位素：%的Cr原子含有26个中子，%含有28个中子，% 含有29个中子，且%含有30个中子。试求铬的相对原子质量。 6.铜的原子序数为29，相对原子质量为，它共有两种同位素Cu63和Cu65，试求两种铜的同位素 之含量百分比。 7.锡的原子序数为50，除了4f亚层之外其它内部电子亚层均已填满。试从原子结构角度来确定 锡的价电子数。 8.铂的原子序数为78，它在5d亚层中只有9个电子，并且在5f层中没有电子，请问在Pt的6s 亚层中有几个电子？ 9.已知某元素原子序数为32，根据原子的电子结构知识，试指出它属于哪个周期？哪个族？并 判断其金属性强弱。 10.S的化学行为有时象6价的元素，而有时却象4价元素。试解释S这种行为的原因？ 11.Al2O3的密度为3.8g/cm3，试计算a)1mm3中存在多少原子？b)1g中含有多少原子？ 12.尽管HF的相对分子质量较低，请解释为什么HF的沸腾温度(19.4℃)要比HCl的沸腾温度(- 85℃)高？ 13. 高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释之。 14. 高密度的聚乙烯可以通过氯化处理即用氯原子来取代结构单元中氢原子的方法实现。若用氯取 代聚乙烯中8%的氢原子，试计算需添加氯的质量分数。 第2章：固体结构
第一章原子结构与性质 一.原子结构 1、能级与能层 2、原子轨道 3、原子核外电子排布规律 （1）构造原理：随着核电荷数递增，大多数元素的电中性基态原子的电子按右图顺序填入核外电子运动轨道（能级），叫做构造原理。 能级交错：由构造原理可知，电子先进入4s轨道，后进入3d轨道，这种现象叫能级交错。 （说明：构造原理并不是说4s能级比3d能级能量低（实际上4s能级比3d能级能量高），而是指这样顺序填充电子可以使整个原子的能量最低。） （2）能量最低原理 原子的电子排布遵循构造原理能使整个原子的能量处于最低状态，简称能量最低原理。 （3）泡利（不相容）原理：一个轨道里最多只能容纳两个电子，且电旋方向相反（用“↑↓”表示），这个原理称为泡利原理。 （4）洪特规则：当电子排布在同一能级的不同轨道（能量相同）时，总是优先单独占据一个轨道，而且自
旋方向相同，这个规则叫洪特规则。比如，p3 的轨道式为，而不是。 洪特规则特例：当p 、d 、f 轨道填充的电子数为全空、半充满或全充满时，原子处于较稳定的状态。即p0、d0、f0、p3、d5、f7、p6、d10、f14时，是较稳定状态。 前36号元素中，全空状态的有4Be 2s22p0、12Mg 3s23p0、20Ca 4s23d0；半充满状态的有：7N 2s22p3、15P 3s23p3、24Cr 3d54s1、25Mn 3d54s2、33As 4s24p3；全充满状态的有10Ne 2s22p6、18Ar 3s23p6、29Cu 3d104s1、30Zn 3d104s2、36Kr 4s24p6。 4、基态原子核外电子排布的表示方法 （1）电子排布式 ①用数字在能级符号的右上角表明该能级上排布的电子数，这就是电子排布式，例如K ：1s22s22p63s23p64s1。 ②为了避免电子排布式书写过于繁琐，把内层电子达到稀有气体元素原子结构的部分以相应稀有气体的元素符号外加方括号表示，例如K ：[Ar]4s1。 （2）电子排布图(轨道表示式) 每个方框或圆圈代表一个原子轨道，每个箭头代表一个电子。 如基态硫原子的轨道表示式为 二、原子结构与元素周期表 1、原子的电子构型与周期的关系 （1）每周期第一种元素的最外层电子的排布式为ns1。每周期结尾元素的最外层电子排布式除He 为1s2外，其余为ns2np6。He 核外只有2个电子，只有1个s 轨道，还未出现p 轨道，所以第一周期结尾元素的电子排布跟其他周期不同。 （2）一个能级组最多所容纳的电子数等于一个周期所包含的元素种类。但一个能级组不一定全部是能量相同的能级，而是能量相近的能级。 2、元素周期表的分区 （10根据核外电子排布 ①分区 ②各区元素化学性质及原子最外层电子排布特点 ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
第一部分材料的原子结构 1、原子结构与原子的电子结构；原子结构、原子排列对材料性能的影响。 原子结构：原子由质子和中子组成的原子核以及核外的电子所构成。原子核内的中子显电中性，质子带有正电荷。对电子的描述需要四个量子数： 主量子数n：决定原子中电子能量以及与核的平均距离。 角动量量子数l: 给出电子在同一个量子壳层内所处的能级，与电子运动的角动量有关。 磁量子数m：给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。 自旋角动量量子数s：反映电子不同的自旋方向。 原子排列对材料性能影响： 固体材料根据原子的排列可分为两大类：晶体与非晶体。（有无固定的熔点和体积突变） 晶体：内部原子按某种特定的方式在三维空间呈周期性重复排列的固体。（常考名词解释） 非晶体：指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体。（名词解释） 各向异性：晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。（名词解释） 2、材料中的结合键的类型、本质，各结合键对材料性能的影响，键-能曲线及其应用。(常考简答题或是论述题，很重要)
各结合键对材料性能的影响：一次键 离子键：离子键指正、负离子间通过静电作用形成的化学键。（无方向性和饱和性）共价键：由两个或多个 电负性相差不大的原 子间通过共用电子对 而形成的化学键。（有 方向性和饱和性） 金属键：金属中的自由 电子与金属正离子相 互作用所构成的键合二次键 范德瓦耳斯力：（又称分子间作用力）产生于分子或原子之间的静电相互作用。氢键：与电负性大、半径小的原子X（氟、氧、氮等）以共价键结合，若与电负性大的原子Y（与X相同的也可以）接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-H…Y形式的键，称为氢键。（X与Y可以是同一种类原子，如水分子之间的氢键）
第三章 金属与陶瓷的结构 一、学习目的 材料的结构问题需分层次认识，第一层次是原子核外电子的排布即电子组态和电子构型；第二层次是原子与原子之间的排列位置与相互作用即晶体结构；第三层次是晶相、玻璃相的分布、大小、形状等即显微结构。固态物质按照原子间（或分子）的聚集状态可以分为晶体和非晶体，在金属与陶瓷中，这两种状态都存在，并且以晶体为主。在掌握了原子结构与化学键基础上，学习晶体结构基础知识，掌握固体中原子与原子之间的排列关系，对认识和理解材料性能至关重要。 二、本章主要内容 在结晶性固体中，材料的许多性能依赖于内部原子的排列，因此，必须掌握晶体特征和描述方法。本章从微观层次出发，介绍了金属、陶瓷材料的结构特点，介绍了结晶学的基础知识。主要内容包括： 1、 晶体和晶胞 晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。 晶胞：是从晶体结构中取出的能够反映晶体周期性和对程性的重复单元。 2、 金属的晶体结构 金属原子之间靠金属键结合形成的晶体为金属晶体。金属晶体的三种类型和特征为： 面心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，六个面中心各有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，每个面中心原子为2个晶胞所共有。晶胞的原子数为4。晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为： 2a =晶胞中原子堆积系数（晶胞中原子体积与晶胞体积的比值）APF=0.74. 体心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，晶胞的中心有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，所以，体心立方晶胞中的原子数为2。晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为： a = 晶胞中原子堆积系数APF=0.68. 密排六方晶体：由两个简单六方晶胞穿插而成。形状为八面体，上下两个面为六角形，六个侧面为长方形。密排六方的晶胞参数有两个，a 为正六边形的边长，c 为上下底面的间距（晶胞高度） 。/c a ≈。晶胞中原子堆积系数APF=0.74。 金属晶体密度： C A nA V N ρ=. 3、陶瓷的晶体结构 陶瓷晶体中大量存在的是离子晶体，由于离子键不具有方向性和饱和性，有利于空间的紧密堆积，堆积方式取决于阴阳离子的电荷和离子半径r 的相对大
《材料科学基础》第一章习题——原子结构与键合 一、作业题 1、原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？ 2、图1-1中绘出3类材料——金属、离子晶体和高分子材料之能量与距离的关系曲线，试指出它们各代表何种材料。 3、A 和B 元素之间键合中离子特性所占的百分比可近似地用下式表示： %100]1[(%)2 )(25.0 ?-=--B A x x e IC 式中A x 和B x 分别为A 和B 元素的电负性 值。已知Ti ，O ，In 和Sb 的电负性分别为1.5，3.5，1.7和1.9，试计算TiO 2和InSb 的IC （%）。 4、尽管HF 的相对分子质量较低，试解释：为什么HF 的沸腾温度（19.4℃）要比HCl 的沸腾温度（-85℃）高？ 5、与陶瓷材料相比，金属材料的导热导电性能优异、韧性塑性好，但熔点低，请从金属材料与陶瓷材料的键合特点加以分析，解释各自性能差异的根本原因。 6、高分子链结构分为近程结构和远程结构。他们各自包含的内容是什么？ 7、高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释。 8、官能度的概念？要获得三维网状的高分子材料，其单体至少需要几个官能度？ 二、思考题（不用纸质版上交） （1）原子的结构包括哪几个部分？在了解LED 结构的基础上，从原子结构的角度讨论LED 荧光粉的发光原理。LED 交通信号灯中，红灯用荧光粉可能有哪些离子，绿灯用荧光粉可能有哪些离子？ （2）原子间的结合键共有几种？他们各自有何特点？分别列举一种常见的金属材料、无机非金属材料、高分子材料，比较其熔点、导电性、硬度、韧性、塑性等性能，从结合键角度来分析其宏观性能的差异。 （3）从结合键的角度讨论，为什么HF 的沸点比HCl 的沸点高？如果让你穿越到19世纪70-80年代，请你告诉爱迪生怎样选择白炽灯的灯丝材料，为什么钨是最合适的灯丝材料之一？ （4）高分子链结构分为近程结构和远程结构，他们各自包含的内容是什么？官能度的概念是什么，要获得三维网状的高分子材料，其单体至少需要几个官能度？ （5）高分子材料按受热的表现可分为热塑性和热固性两大类，试从高分子链结构角度加以解释。 E
第一章原子结构与结合键 习题 1-1计算下列粒子的德布罗意波长： (1) 质量为10-10 kg，运动速度为0.01 m?s-1的尘埃； (2) 速度为103 m/s的氢原子； (3) 能量为300 eV的自由电子。 1-2怎样理解波函数ψ的物理意义？ 1-3在原子结构中，ψ2和ψ2dτ代表什么？ 1-4写出决定原子轨道的量子数取值规定，并说明其物理意义。 1-5试绘出s、p、d轨道的二维角度分布平面图。 1-6多电子原子中，屏蔽效应和钻穿效应是怎样影响电子的能级的？ 1-7写出下列原子的基态电子组态（括号内为原子序号）： C (6)，P (15)，Cl (17)，Cr (24) 。 1-8 形成离子键有哪些条件？其本质是什么？ 1-9 试述共价键的本质。共价键理论包括哪些理论？各有什么缺点？ 1-10 何谓金属键？金属的性能与金属键关系如何? 1-11 范德华键与氢键有何特点和区别？ 参考答案： 1-1 利用公式λ = h/p = h/mv 、E = hν计算德布罗意波长λ。 1-8 离子键是由电离能很小、易失去电子的金属原子与电子亲合能大的非金属原子相互作用时，产生电子得失而形成的离子固体的结合方式。 1-9 共价键是由相邻原子共有其价电子来获得稳态电子结构的结合方式。共价键理论包括价键理论、分子轨道理论和杂化轨道理论。 1-10 当大量金属原子的价电子脱离所属原子而形成自由电子时，由金属的正离子与自由电子间的静电引力使金属原子结合起来的方式为金属建。 由于存在自由电子，金属具有高导电性和导热性；自由电子能吸收光波能量产生跃迁，表现出有金属光泽、不透明；金属正离子以球星密堆方式组成，晶体原子间可滑动，表现出有延展性。 第二章材料的结构 习题 2-1定义下述术语，并注意它们之间的联系和区别。 晶系，空间群，平移群，空间点阵。 2-2名词解释：晶胞与空间格子的平行六面体，并比较它们的不同点。 2-3 (1) 一晶面在x、y、z轴上的截距分别为2a、3b和6c，求出该晶面的米勒指数。 (2) 一晶面在x、y、z轴上的截距分别为a/3、b/2和c，求出该晶面指数。 2-4 在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向： (001) 与[210]，(111) 与[112]，(110) 与[111]，(322) 与[236]， (257) 与[1 11]，(123) 与[121] 。 2-5 在立方晶系的晶胞中画出下列米勒指数的晶面和晶向： (102)，(112)，(213)，[1 10]，[1 11]，[120] 和[321] 。
第一章原子的结构与键合 决定材料性质最为本质的内在因素： .■组成材料各元素的原子结构； ,原子间的相互作用，相互结合; I原子或分子在空间的排列及运动规律， 原子集合体的形貌特征 物质是由原子组成----材料科学中，最为关心原子的电子结构 原子的电子结构一原子间键合本质 决定材料分类：金属陶瓷高分子 材料性能：物化力学 1.金属键(metallic bond) 自由电子---------- 金属正离子间 特点：电子共有化，无饱和性，无方向性。 可以解释金属的一些特征，如良好的导电、导热性，具有较高的强度和良好的延展性，具有金属光泽，正的电阻温度系数。 2.离子键(ionic bond) 金属正离子----- 非金属负离子之间 特点：以离子为结合单位，结合力较强，决定离子晶体结构的是正负离子电荷及几何因素，有较高的配位数，无方向性。 可以解释离子晶体的一些特征，如较高的熔点和硬度，固态时为良好的绝缘体而熔融态时具有良好的导电性。 3.共价键(covalent bond) 两个或多个原子间共用电子对 特点：以原子的形式共用电子对，具有饱和性和方向性，配位数较小、各键间都有确定方位。 可以解释共价晶体的一些特征，如结合极为牢固，结构稳定，熔点高，质硬而脆，导电性差。 4.氢键(hydroge n bond) 5.范德华力(Van Der Waals force) 金属中主要是金属键，还有其他键如：共价键、离子键 陶瓷化合物中出现离子键和金属键的混合 一些气体分子以共价键结合，而分子凝聚时依靠范德华力 聚合物的长链分子内部以共价键结合，链与链之间则为范德华力或氢键 ※^ 1 原子结构(Atomic Structure ) 1.1、物质的组成(Substanee Construction) 分子(Molecule):单独存在且能保存物质化学特性 dH2O=0.2nm M(H2)为 2 M(protein)为百万 原子(Atom): 化学变化中最小微粒 近代科学实验证明：原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的。 原子的体积很小，直径约为10-10m数量级，而其原子核直径更小，仅为10-15m数量级。然而，原子的质量恰主要集中在原子核内。因为每个质子和中子的质量大致为 1.67X10-24g,而电子的质量约为9.11X10-g,仅为质子的1/1836。 描述原子中一个电子的空间和能量，可用四个量子数( qua ntum nu mbers) 表示 (1)主量子数n： 它规定了核外电子离核的远近和能量的高低。n取正整数1，2，3，4等。 n值越大，表示电子离原子核越远，能量越高。反之n越小，则电子离核越近，能量越低。 这也相当于把核外电子分为不同的电子层，凡n相同的电子属于同一层。习惯用K,L,M,N,O,P来代表n=1 , 2, 3,4, 5, 6的电子层。 (2)轨道角动量量子数li 描述的是电子在原子核外出现的几率密度随空间角度的变化，即决定原子轨道或电子云的形状。