《材料科学基础》考研胡赓祥版考研复习笔记和真题.docx
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《材料科学基础》考研胡赓祥版考研复习笔记和真题
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第1章原子结构与键合
1.1复习笔记
【知识框架】
「物质的组成原子的结构
原子结构1原子的电子结构
〔元素周期表
「金属键离子键＞原子间的键合1共价键范德瓦耳斯力
I氢键
I「高分子捱的近程结构向［高分子诺的远程结构
一、原子结构
1物质的组成
特点：
物质是由分子、原子或离子等微粒按特定的方式聚集而成。
（1）分子是能保持物质化学特性并能单独存在的一种微粒。
（2）分子有大有小，由更小微粒原子组成。
原子是化学变化中的最小微粒，但原子并不是最小的微粒。
（3）原子具有复杂的结构。
2原子的结构
（1）如表1-1-1所示为构成原子的粒子及其特点。
表1-1-1构成原子的粒子及其特点
构成原子的粒子
电子
原子核
质子
中子
电性和电量
一个电干带一个单位负电荷
一个电子带一个单位正电荷
不显电性
质量kg
9.109X10--51
1.673X10-27
1.675X10-27
相对质量
1/1836
1.007
1.008
要点、
性质
（2）核电荷数二核内质子数二核外电子数，质量数=质子数+中子数。
3原子的电子结构
（1）电子结构
电子云：
用于形象的描述核外电子的运动特征（电子在核外空间作高速旋转运动，没有固定轨道，只能用统计方法判断其在某一区域出现的概率，故而以“电子云"加以形容）。
电子的波粒二象性：
电子具有波动性又具有粒子性。
现代物理学中，用薛定娉方程来反映微观粒子的运动，即用4个量子数来确定核外电子的空间位置。
①如表1-1-2所示为四种量子数的定义及取值。
表1-1-2四种量子数的定义及取值
名称
定义
取信及对应符号
主量子数n
决定电子能量以及其与核的平均距离，表示电子所在的量子壳层（见图1-1-1）
1K
2
L
3
M
4
N
轨道角动量量千数%
确定电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层》
0
1
2
n—1
S
P
d
f
•••
磁量子数四
确定每个轨道角动量量千数的能级数或轨道数，决定电子云的空间取向
对于每个1磔可取2+1个值J例：
当4=2时，mi可取0,±1,±2
自旋角动量量子数Si
表示电子的自旋方向
+1/2
-1/2
T
J
图1-1-1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不同亚层电子的能量依次递增，电子云的形状也各不相同（例如，s亚层为球状,
P亚层为纺锤状）。
③如表1-1-3所示为量子数和原子轨道的关系。
表1-1-3量子数和原子轨道的关系
n
L
序子轨道
Si
取值
符号
取值
符号
符号
取值
1
K
0
S
1s
±1/2
2
L
0
S
2s
±1/2
1
P
2取，2心2Pz
±1/2
3
M
0
S
3s
±1/2
1
P
3p>>3卜3Pz
±1/2
2
d
3dw，3d”，3九，珥.？
3d?
±1/2
（2）核外电子排布规律遵循的原则
①能量最｛氐原理：
电子的排布尽可能使体系的能量最低。
②泡利（Pauli）不相容原理：
原子中不存在运动状态完全相同的两个电子。
③洪德（Hund）定则：
同一亚层各个能级中，电子排布尽可能占据不同能级，目自旋方向相同。
【扩展】如表1-1-4所示为宏观运动与微观运动的比较。
表1-1-4宏观运动与微观运动的不同
名称
宏观物体
微现粒子
质量
很大
很小
速度
校小
很大（接近光速）
位移
可测
能量
可测
位移、眈里小口」1可叼则EE
轨迹
可描述（画图或函数描述）
不可确定
4元素周期表
（1）元素：
具有相同核电荷数（核内质子数）的同一类原子的总称。
（2）元素周期律：
随着原子序数的递增，元素核外电子结构呈现周期性的变化规律。
（3）元素周期表是周期律的具体体现形式，通过元素在周期表中的位置,可以推断原子结构和一定的性质。
二、原子间的键合
1原子间键合方式的分类及比较（见表1-1-5）
表1-1-5原子间键合方式的分类及比较
分类
名称
定义
示意图
特点,
化学键
金属键
金届申的自由电子与金属正离子相互作用构成的键
谬
电子共有化、无饱和性和尢上）|口」性
离子键
阴阳黑子间的静电吸引
作用
珠q键力
HIIN!
1y（c「）=④）
fltl、/tlfl
nti»>hii二二（^）=
既无方向性又无饱和性
共价键
电负性相差不大的两个或者多个原子通过共用电子对而形成的化学键
f*i
1
具有方向性和饱和性
物理键
范德乩耳新力
一种分子间作用力，包括静电力、诱导力和色散力
®—e-@—o
、y~、7
原子或分子偶极
没有方向性和饱和性
次价键
氢键
氢原子与电负性大、半径小的原干（N\0和F）以一种特殊的分子间或分子内的相互作用结合在一起
氢键
3
依靠微粒之间的偶极吸引力结合在
一起
2不同结合键对所在物质性能的影响（见表1-1-6）
表1-1-6不同结合键对所在物质性能的影响
分类
存在位贸
特点
金属键
金属晶体
赋予金属良好的延展性、导电性和导热性
离子键
离子晶体
鸥子晶体的熔点和硬度较局且是良好的电绝缘体
共价键
共价晶体
共价晶体硬度高、熔点高且是良好的电绝缘体
范德乩耳斯力
极性分子间
对物质的熔点、潴点、溶解度等的影响很大
氢键
存在于分子内或分子间
氢键的存在使物质呈现出特殊的物理化学性能
三、高分子链
1定义和分类
（1）有机高分子化合物：
相对分子质量在10000以上的有机化合物。
（2）高分子结构的分类:
2高分子链结构
高分子链的结构分类，如下所示：
（1）高分子链的近程结构①链结构单元的化学组成
a.高分子链：
由小分子单体通过聚合反应连接而成的链状大分子。
b.聚合度：
高分子链中结构单元的数目。
c.高分子链的分类：
根据结构单元的化学组成，可分为碳链高分子，杂链高分子,元素高分子，以及梯形和双噱旋形高分子等类型。
d.常见高分子链结构单元：
聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯
②分子链的几何形态
a.官能度：
一个单体能与另外一个单体发生键合的数目，其决定了高分子链的几何形态。
b.特点：
高分子链大多都是线性的，长链可以卷曲成团，也可在团聚过程中生成
为支化或交联态，这主要与高分子的柔顺性和外部条件有关。
图1-1-2线型（a）、支化（b）、交联（c）和三维网状分子结构（d）示意图
③结构单元的键接方式
聚合物的性能受高分子链中结构单元的键接方式影响，不同键接，性能差异很大。
a.均聚物结构单元的键接
结构单元在分子链中可能的连接方式有：
头-头键接、尾-尾键接、头-尾键接（见图1-1-3）。
图1-1-3不同取代基位置的链接方式
b.共聚物的序列结构
共聚物：
由两种或两种以上的最小单元所组成的高分子化合物。
二元共聚物的连接方式：
无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物及接枝共聚物（见图1-1-4）o
图1-1-4无规（a）、交替（b）、嵌段（c）和接枝共聚物（d）示意图
④高分子链的构型
链的构型：
指高分子中由化学键所造成的分子的固定排列，包括旋光异构和几何异构。
该构型的改变必须通过化学键的断裂和重组。
a.旋光异构
旋光异构体：
能够形成镜像对称，表现出不同旋光性的高分子。
b.几何异构
几何异构体：
双烯类单体1,4加成时，高分子链每一单元中有一内双键，可构成
顺式和反式两种构型。
（2）高分子链的远程结构
远程结构：
指单个高分子的状态、链的柔顺性及在不同环境中所采取的构象，又称二次结构。
①高分子的大小
a.多分散性：
高分子由多种不同聚合度的同系高分子化合物聚集而成，其相对分子质量不均一，称之为高分子的多分散性。
因而，讨论一个高分子的相对分子质量是无意义的，讨论其平均相对分子质量才有意义。
b.数均相对分子质量
玩
C.重均相对分子质量
皈=Z叫M
式中，Ml为第i个高分子的相对分子质量，K为相应分子数分数，WI为相应质量分数。
则高分子的聚合度可由下式确定
n=一^
m
式中，笥为每链节的质量。
②高分子链的内旋转构象
a.自由联结链：
主链上各个单键的内旋转方向是自由的高分子链。
b.顺式与反式：
在沿碳碳键方向上，若两个碳原子上的氢键重合，称之为顺式；
若相差60°,称之为反式。
c.内旋转异构体：
由单键的内旋转所导致的不同构象的分子。
d.高分子链的内旋转不是完全自由的，表现出一定的柔性和刚性。
③影响高分子链柔性的主要因素
高分子链柔性：
指高分子链上的碳破键发生内旋转并改变其构象的性质。
a.主链结构的影响
主链结构是高分子链柔性的决定性影响因素。
b.取代基的影响
取代基极性大小、位置及体积大小等对高分子链的柔性均有影响。
C.交联的影响
交联产生的化学键会阻碍单键的内旋转，从而影响高分子链柔性。
④高分子链的构象统计
a.高分子链越长，构象数越多，也越容易卷曲，常用末端距h（两端点间直线距离）来衡量链的卷曲程度。
b.均方末端距
布=点
式中，n为键的数量,I为键长。
c.对于自由旋转链（键角。
受到限制），其均方末端距d.高斯链的均方末端距
ho=nJe
式中，ne为链段数，Ie为每个链段的长度。
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