原子结构与键合高分子

第1章　原子结构与键合一、简答题1．固体材料中，内层电子状态通常用哪些量子数描述？外层电子状态通常使用的量子数有哪些？答：固体材料中内层电子状态通常用主量子数n、角（动量）量子数l、磁量子数m 和自旋量子数m s来描述。

固体材料中外层电子状态通常用电子波矢（k x，k y，k z）和自旋量子数m s来描述。

2．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？答：主量子数n、轨道角动量量子数l i、磁量子数m i和自旋角动量量子数s i。

3．在多电子的原子中，核外电子的排布应遵循哪些原则？答：能量最低原理，Pauli不相容原理，Hund规则。

4．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？它的性质如何递变？答：同一周期元素具有相同原子核外电子层数，但从左→右，核电荷依次增多，原子半径逐渐减小，电离能增加，失电子能力降低，得电子能力增加，金属性减弱，非金属性增强；同一主族元素最外层电子数相同，但从上→下，电子层数增多，原子半径增大，电离能降低，失电子能力增加，得电子能力降低，金属性增加，非金属性降低。

5．何谓同位素？为什么元素的相对原子质量不总为正整数？答：在元素周期表中占据同一位置，尽管它们的质量不同，然而它们的化学性质相同，这种物质称为同位素。

由于各同位素所含的中子量不同（质子数相同），故具有不同含量同6．原子间的结合键共有几种？各自的特点如何？答：7．S的化学行为有时像2价的元素，而有时却像4价元素。

试解释S这种行为的原因。

答：S的最外层电子为3s23p4。

S与H结合成H2S时，接受2个电子，故为2价；S 与O结合成SO2时，此时S供给4个电子，故为4价。

8．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HCI的沸腾温度（－85℃）高？答：由于HF分子间结合力是氢键，而HCI分子间结合力是范德瓦耳斯力，氢键的键能高于范德瓦耳斯力的键能，因此HF的沸点要比HCI的高。

单项选择题：（每一道题1分）第1章原子结构与键合1.高分子材料中的C-H化学键属于。

（A）氢键（B）离子键（C）共价键2.属于物理键的是。

（A）共价键（B）范德华力（C）氢键3.化学键中通过共用电子对形成的是。

（A）共价键（B）离子键（C）金属键第2章固体结构4.面心立方晶体的致密度为 C 。

（A）100% （B）68% （C）74%5.体心立方晶体的致密度为 B 。

（A）100% （B）68% （C）74%6.密排六方晶体的致密度为 C 。

（A）100% （B）68% （C）74%7.以下不具有多晶型性的金属是。

（A）铜（B）锰（C）铁8.面心立方晶体的孪晶面是。

（A）{112} （B）{110} （C）{111}9.fcc、bcc、hcp三种单晶材料中，形变时各向异性行为最显著的是。

（A）fcc （B）bcc （C）hcp10.在纯铜基体中添加微细氧化铝颗粒不属于一下哪种强化方式？（A）复合强化（B）弥散强化（C）固溶强化11.与过渡金属最容易形成间隙化合物的元素是。

（A）氮（B）碳（C）硼12.以下属于正常价化合物的是。

（A）Mg2Pb （B）Cu5Sn （C）Fe3C第3章晶体缺陷13.刃型位错的滑移方向与位错线之间的几何关系？（A）垂直（B）平行（C）交叉14.能进行攀移的位错必然是。

（A）刃型位错（B）螺型位错（C）混合位错15.在晶体中形成空位的同时又产生间隙原子，这样的缺陷称为。

（A）肖特基缺陷（B）弗仑克尔缺陷（C）线缺陷16.原子迁移到间隙中形成空位-间隙对的点缺陷称为（A）肖脱基缺陷（B）Frank缺陷（C）堆垛层错17.以下材料中既存在晶界、又存在相界的是（A）孪晶铜（B）中碳钢（C）亚共晶铝硅合金18.大角度晶界具有____________个自由度。

（A）3 （B）4 （C）5第4章固体中原子及分子的运动19.菲克第一定律描述了稳态扩散的特征，即浓度不随变化。

（A）距离（B）时间（C）温度20.在置换型固溶体中，原子扩散的方式一般为。

1.1复习笔记一、原子结构1．物质的组成一切物质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。

（1）分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒；（2）原子具有复杂的结构，其结构直接影响原子间的结合方式。

2．原子的结构（1）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；（2）原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷；（3）一个质子的正电荷量正好与一个电子的负电荷量相等，它等于－e（e＝1.6022×10－19C）。

3．原子的电子结构电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。

从薛定谔（SchrodingerE．）方程得到的波函数描述了电子的运动状态和在核外空间某处的出现几率，即原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：（1）主量子数n——决定原子中电子能量以及与核的平均距离；图1-1钠（原子序数为11）原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况（2）轨道角动量量子数l i——给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，…，n－1。

在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的；（3）磁量子数m i——给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数。

每个l i下的磁量子数的总数为2l i＋1。

磁量子数决定了电子云的空间取向。

（4）自旋角动量量子数s i——反映电子不同的自旋方向。

s i规定为＋1/2和－1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。

在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：①能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；②泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子；③洪德（Hund）定则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。

原子结构与键合简述物质是由原子组成的，而原子是由位于原子中心带正电的原子核和核外高速旋转带负电的电子所构成的。

在材料科学中，一般人们最关心的是原子结构中的电子结构。

电子在核外空间作高速旋转运动时，就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围，故形象地称它为电子云。

电子既具有粒子性又具有波动性，即具有二象性。

电子运动没有固定的轨道，但可根据电子的能量高低，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。

根据量子力学理论，电子的状态是用波函数来描述的，原子中一个电子的空间位置和能量可用4个量子数表示：(1)主量子数n——决定原子中电子能量，以及与核的平均距离，即表示电子所处的量子壳层；(2)轨道角动量量子数—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m给出每个轨道角动量数的能级数或轨道数；(4)自旋角动量量子数s—反映电子不同的自旋方向。

在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：(1)能量最低原理——电子的排布总是先占据能量最低的内层，再由内向外进入能量较高的壳层，尽可能使体系的能量最低。

(2)Pauli不相容原理——在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n2个电子。

(3)Hund规则——在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋的方向相同。

当电子排布为全充满、半充满或全空时，此时是比较稳定的，并且整个原子的能量最低。

元素周期表反映了元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增，呈周期性变化的规律。

可根据元素在周期表中的位置，推断它的原子结构和特定的性质。

原子与原子之间是依靠结合键聚集在一起的。

由于原子间结合键的不同，故可将材料分为金属、无机非金属和高分子材料。

原子的电子结构决定了原子键合的本身，原子间的结合键可分为化学键和物理键两大类。

化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键3种：(1)金属键，绝大多数金属均为金属键方式结合，它的基本特点是电子的共有化；(2)离子键，大多数盐类、碱类和金属氧化物，主要以离子键方式结合，这种键的基本特点是以离子而不是以原子为结合单位的；(3)共价键，在亚金属(C,Si,Sn,Ge等)、聚合物和无机非金属材料中，共价键占有重要的地位，它的主要特点是共用电子对。

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的强化手段。

是指用不溶于基体金属的超细第二相(强化相)强化的金属材料。

第二相一般为高熔点的氧化物或碳化物、氮化物，其强化作用可保持到较高温度，既可显著提高合金强度和硬度，又可使塑性和韧性下降不大，并且颗粒越细小，越呈弥散均匀分布，强化效果越好。

第二章晶体结构1.晶体的基本概念:晶体(Crystal)就是原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间呈有规律、周期性、重复排列的固体。

海南大学硕士研究生入学考试《876-材料科学基础》考试大纲一、考试性质海南大学硕士研究生入学考试初试科目。

二、考试时间180分钟。

三、考试方式与分值闭卷、笔试。

满分150分。

四、考试内容第一章原子结构与键合.第一节原子结构第二节原子间的键合第三节高分子链第二章固体结构第一节晶体学基础第二节金属的晶体结构第三节合金相结构…………第四节离子晶体结构第五节共价晶体结构第六节聚合物的晶态结构第七节准晶态结构第八节液晶态结构第九节非晶态结构第三章晶体缺陷第一节点缺陷第二节位错第三节表面及界面第四章固体中原子及分子的运动第一节表象理论第二节扩散的热力学分析第三节扩散的原子理论第四节扩散激活能第五节影响扩散的因素第六节影响扩散的因素第七节高分子的分子运动第五章材料的形变和再结晶第一节弹性和黏弹性第二节晶体的塑性变形第三节回复和再结晶第四节热变形与动态回复、再结晶第五节陶瓷材料变形的特点第六节高聚物的变形特点第六章单组元相图及纯晶体的凝固第一节单元系相变的热力学及相平衡第二节晶体的塑性变形第三节纯晶体的凝固第四节热变形与动态回复、再结晶第七章二元系相图和合金的凝固与制备原理第一节相图的表示和测定方法第二节相图热力学的基本要点第三节二元相图分析第四节二元合金的凝固理论第五节高分子合金概述第六节陶瓷合金概述第八章原子结构与键合第一节三元相图的基础第二节固态互不溶解的三元共晶相第三节固态有限互溶的三元共晶相图。

广西大学2020年《材料科学基础(822)》考试大纲与参考书目考试性质考试方式和考试时间试卷结构考试内容一、金属材料（一）原子结构和键合了解的内容：1. 原子结构。

2.高分子链。

重点：原子间的键合。

（二）晶体学基础了解的内容：1. 晶体的对称性。

2.极射投影3.倒易点阵理解的内容：1.中间相特性。

掌握的内容：1. 空间点阵与晶胞。

2.晶向指数和晶面指数。

3.晶带定律。

4.晶面间距。

5. 三种典型的金属晶体结构。

6.晶体的原子堆垛方式和间隙。

7.固溶体的性质。

重点：典型的金属晶体结构、空间点阵、密勒指数。

（三）晶体缺陷了解的内容：1.点缺陷的运动。

2.外表面。

3.相界理解的内容：1. 点缺陷的形成。

2.点缺陷的平衡浓度。

3.位错的应力场。

4.位错的应变能与线张力。

5.作用在位错线上的力。

6.位错间的交互作用力。

7.实际晶体结构中的伯氏矢量。

8.不全位错掌握的内容：1.刃型位错、螺型位错、混合位错的特征。

2.伯氏矢量的确定、特性与表示方法。

3.位错的滑移、攀移与交割。

4.位错的密度。

5.位错的生成与增值。

6.位错反应。

7.晶界和亚晶界。

8.堆垛层错9.孪晶界。

重点：位错类型及其特点、位错理论。

（四）固体中原子及分子的运动了解的内容：1.交换机制。

2.扩散系数D与浓度相关时的求解。

3.原子跳跃。

4.无规则行走与扩散距离。

理解的内容：1.扩散的热力学分析。

2.扩散激活能。

3.反应扩散。

掌握的内容：1.菲克第一定律、第二定律。

2.扩散方程的解（一端成分不受扩散影响的扩散体）。

3.柯肯达尔效应。

4.间隙机制。

5.空位机制。

6.扩散系数。

7.影响扩散的因素。

重点：扩散机制、扩散系数的影响因素。

（五）材料的形变和再结晶了解的内容：1.弹性变形的本质。

2.弹性变形的特征和弹性模量。

3.弹性的不完整性。

4.粘弹性。

理解的内容：1.多晶体的塑性变形:晶粒取向的影响。

2. 再结晶后的晶粒长大的影响因素。

3.再结晶退火后的组织。