上海交大考研材料科學基礎總結

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第1章原子結構和鍵合

1.1原子結構

1.1.1物質的組成（Substance Construction）

物質由無數微粒（Particles）聚集而成

分子（Molecule）：單獨存在 儲存物質化學特性

dH2O=0.2nmM(H2)爲2M（protein）爲百萬

原子（Atom）： 化學變化中最小微粒

1.1.2原子的結構

質子（proton）：正電荷m＝1.6726×10-27kg原子核（nucleus)：位於原子中心、帶正電-27中子（neutron）：電中性m＝1.6748×10kg電子（electron）：核外高速旋轉，帶負電，按能量高低排列，如電子雲（electron cloud） m＝9.109510-31kg，約爲質子的1/1836

1.1.3原子的電子結構

（主量子數nithe principal quantum number)： 決定原子中電子能量和核間距離(the energy of the electron)，即量子殼層，取正整數1、2、3、4、5用K、L、M、N……表示 軌道動量量子數l(the orbital quantum number)：i給出電子在同一量子殼層內所處的能級, 與電子運動的角動量有關(shape of the electron subshell)，取值爲0，1，2，n1, 用s，p，d，f……表示磁量子數mi(the inner quantum number)：

決定原子軌道或電子雲在空間的伸展方向(spatial orientation of an electron cloud)， 取值爲-li，-(li1),1,0,1,li 自旋角動量量子數si(the spin quantum number)：表示電子自旋（spin moment）的方向，取值爲＋1或-1

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核外電子排布遵循以下3個原則：

能量最低原理（Minimum Energy principle)電子總是佔據能量最低的殼層 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 不可能有運動狀態完全相同的電子， 2 2n Rule)同一亞層中電子儘量分佔不同能級，自旋方向相同Hund原則（Hund' 全充滿半充滿全空

1.1.4元素週期表

核電荷↑，原子半徑↓ 同週期元素：左右，金屬性↓，非金屬性↑電離能↑，失電子能力↓，得電子能力↑

最外層電子數相同，電子層數↑，原子半徑↑同主族元素：上下，金屬性↑，非金屬性↓電離能↓，失電子能力↑，得電子能力↓

1.2原子間的鍵合

1.2.1金屬鍵（Metallic bonding）

典型金屬原子結構：最外層電子數很少，即價電子（valence electron）極易掙脫原子核之束縛而成爲自由電子（Free electron），形成電子雲（electron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱爲金屬鍵

特點：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結構

性質：良好導電、導熱性能，延展性好

1.2.2離子鍵（Ionic bonding)

實質： 金屬原子帶正電的正離子（Cation）

非金屬原子 帶負電的'負離子（anion）

特點：以離子而不是以原子爲結合單元，要求正負離子相間排列，

且無方向性，無飽和性

性質：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體

1.2.3共價鍵（covalent bonding）

亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無機非金屬材料

實質：由二個或多個電負性差不大的原子間透過共用電子對而成

(Polar bonding):共用電子對偏於某成鍵原子極性鍵 非極性鍵（Nonpolar bonding): 位於兩成鍵原子中間

特點：飽和性 配位數較小 ，方向性（s電子除外）

性質：熔點高、質硬脆、導電能力差

1.2.4範德華力（Van der waals bonding)

包括：靜電力(electrostatic)、誘導力(induction)和色散力(dispersive force) 屬物理鍵 ，系次價鍵，不如化學鍵強大，但能很大程度改變材料性質

1.2.5氫鍵（Hydrogen bonding）

極性分子鍵 存在於HF、H2O、NH3中 ，在高分子中佔重要地位，

氫 原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價鍵結合），裸露原子核

將與近鄰分子的負端相互吸引——氫橋

介於化學鍵與物理鍵之間，具有飽和性

1.3高分子鏈（High polymer Chain)

鏈結構（Chain Structure) 高分子結構聚集態結構（Structure of aggregation state)

1.3.1高分子鏈的近程結構

1.結構單元的化學組成（the Chemistry of mer units)

2.高分子鏈的幾何形態（structure）

: 加熱後變軟，甚至流動，可反覆加工－線性高分子（linear polymers）熱塑性（thermoplastic）

支鏈高分子（branched polymers）： 交聯高分子（crosslinked polymer）：線性天然橡膠用S交聯後變強韌耐磨

體型（立體網狀）高分子（network on three-dimensional polymer)

熱塑性：具有線性和支化高分子鏈結構，加熱後會變軟，可反覆加工再成型

熱固性：具有體型（立體網狀）高分子鏈結構，不溶於任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化後不能再改變形狀，無法再生

3.高分子鏈的鍵接方式

4.高分子鏈的構型（Molecular configurations）

間同立構（syndisotactic configurations): R取代基交替地處在主鏈平面兩側， 即兩旋光異構單元交替 全同立構（isotactic configurations):R取代基全處在主鏈平面一邊， 即全部由一種旋光異構體 無規立構（atactic configurations):R取代基在主鏈平面兩側不規則排列

1.3.2高分子鏈的遠程結構

1.高分子的大小

2.高分子鏈的內旋轉構象

主鏈以共價鍵聯結，有一定鍵長 d和鍵角θ，每個單鍵都能內旋轉（Chain twisting）故高分子在空間形態有mn-1( m爲每個單鍵內旋轉可取的位置數，n爲單鍵數目)

※ 鍵的內旋轉使得高分子存在多種構象

統計學角度高分子鏈取 伸直（straight）構象機率極小，呈捲曲（zigzag）構象機率極大

3.影響高分子鏈柔性的主要因素

（the main influencing factors on the molecular flexibility）

高分子鏈能改變其構象的性質稱爲柔性（Flexibility）

主鏈結構的影響：起決定性作用,C-O,C-N,Si-O內旋的勢壘比C-C低，從而使聚酯， 聚酰胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好 取代基的影響：取代基的極性，沿分子鏈排布距離，在主鏈上對稱性，體積均有影響交聯的影響：因交聯附近的單鍵內旋轉受阻礙，交聯度大時，柔性↓↓