所有的物体都是由原子构成的吗（我们每天接触的物体是什么构成的）

为什么学习原子结构与原子键

可以有助于解释材料的性能

例如：

碳，可以以石墨或者金刚石形式存在。石墨相对较软，并且有润滑作用，而金刚石是

公认的最坚硬材料。另外，金刚石是不良导体，而石墨是非常好的导体。

	金刚石	石墨
硬度	坚硬	软
电性能	不导电	导电

这些差异在于石墨中有一种原子间结合键，但是这种结合键不存在于金刚石中。

2.1 概述

固体材料的一些重要性能取决于分子中原子几何排列，也取决于这些原子或分子间的相互作用。

原子结构

2.2基本概念

每个原子均由一个原子核及其周围持续运动着的核外电子构成。

原子核组成：质子 中子

质子和中子质量：两者重量接近，约1.67x10^-27kg,

电子重量：9.11x10^-31kg，

电子与质子带电量：电荷：1.602x10^-19C,

原子序数(Z)

是一个原子核内质子的数量。人们按照核电荷数由小到大的顺序给元素编号，这种编号叫原子序数。元素的原子序数在数值上等于该元素原子的核电荷数。拥有同一原子序数的原子属于同一化学元素。原子序数的符号是Z。

一个原子的质量(A)可以由原子核中的质子数与中子数(N)之和来表示。

同位素

同一元素中质子数相同、中子数不同的各种原子互为同位素。它们的原子序数相同，在元素周期表上占同一位置。如氢有氕、氘、氚三种同位素。

原子量

一个元素的原子量等于这个元素各同位素的原子质量平均值。

原子质量单位（amu）

用量计算原子量的，统一规定用最常见的碳的同位素碳12（A=12.0000）的十二分之一来定义1原子质量单位。

A≈Z N

摩尔

摩尔质量是一个物理学单位，单位物质的量的物质所具有的质量称摩尔质量（molar mass），用符号M表示。当物质的量以mol为单位时，摩尔质量的单位为g/mol，在数上等于该物质的相对原子质量或相对分子质量。每摩尔物质中有6.002x10^23（阿伏伽德罗常数）个原子或分子。

1原子质量单位/原子（分子）=1g/mol

2.3原子中的电子：

(1)原子模型

量子力学

量子力学（Quantum Mechanics），为物理学理论，是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。它与相对论一起构成现代物理学的理论基础。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一，而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。

波尔原子模型

波尔原子示意图

玻尔的原子理论给出这样的原子图像：

1.电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；

2.可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定；

3.当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由 E=hv给出。h为普朗克常数。h=6.626×10^(-34)J·s 玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。

波尔原子模型局限性

玻尔的原子理论第一次将量子观念引入原子领域，提出了定态和跃迁的概念，成功地解释了氢原子光谱的实验规律。但对于稍微复杂一点的原子如氦原子，玻尔理论就无法解释它的光谱现象。这说明玻尔理论还没有完全揭示微观粒子运动的规律。它的不足之处在于保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看做经典力学描述下的轨道运动。

实际上，原子中电子的坐标没有确定的值。因此，我们只能说某时刻电子在某点附近单位体积内出现的概率是多少，而不能把电子的运动看做一个具有确定坐标的质点的轨道运动。

波动力学模型

电子以波动性和粒子性呈现的波动力学解决了一些用波尔原子模型无法解释的电子相关现象。

波动力学模型中，电子不再被视为在

下图为把氢原子的波尔模型和波动力学模型进行了对比

(2)量子数

根据波动力学，每个原子中的电子可以用4个参数来表示其特征，这四个参数称为量子数。

电子概率密度的大小、形状和空间方向用3个量子数来表示。此外，波尔能级分为几个电子层，而量子数决定每层的能量。各层都用一个主量子数n来表示，这些主量子数均为从1开始的整数。而这些电子层用K、L、M、N、O等字母表示，分别对于n=1、2、3、4、5、……，如下表2.1，注意，此量子数只与波尔模型相关。此量子数与电子到原子核距离或它的位置有关。

角量子书l表示电子亚层的形状，用小写字母s、p、d或f表示。另外，这些亚层的数目受n的大小的限制。可能醉在的亚层列于表2.1中。每个亚层能级的数目取决于第三量子数m1。s亚层中，只有一个能级，而p、d和f分别有3个、5个、7个能级（表2.1）。在没有外磁场作用时，每个亚层能级具有相等的能量。但是出现当外磁场时，这些亚层能级分开，每个能级的能量略微不同。

与电子自转相关的是第四量子数----自旋磁矩ms，电子只能以顺时针或逆时针方向自转。自旋磁矩只有两个可能数值（ 1/2和-1/2），每个旋转方向右一个。因此，由于波动力学引入了3个表示每个电子层中电子亚层的新量子数，波尔模型得到了进一步完善。

(3)电子组态

先前的内容涉及了电子态---电子能具有的能量值。为了确定这些电子层填充电子的方式，我们用另一个量子力学概念---泡利不相容理论来解决。原理规定：每个电子态不能填入超过两个电子，并且这两个电子的自旋方向必须相反。因此，s、p、d、f亚层分别容纳2、6、10、14个电子。

当然，一个原子中不是所有能态都会填满电子。对绝大多数原子来说，电子一般先填满低能态的电子层和亚电子层，每个能态有两个自旋方向相反的电子。在满足先前限定条件下，当所有电子填满低能级时，这个原子就处于基态了。

价电子：价电子（即占据最外层电子层的电子）参与了原子间键合，形成原子和分子的聚合，所以很重要；此外，许多固体的物理与化学性能也取决于这些价电子。

另外，有些原子具有稳定电子组态；也就是说，最外层或价电子层的能态完全被填满。例如氖、氩、氪，用8个电子占满了s和p能态；氦除外，氦只有一个包含两个电子的1s层。这些元素（氖、氩、氪和氦）为惰性元素，他们的气体几乎没有化学活泼性。有些元素的原子虽然价电子没有填满，但通过得电子或失电子形成价电子，或与其他原子共价来获得稳定的电子组态。这是化学反应和固体原子键合的基本原则。

2.4 元素周期表

所有元素可根据其不同的电子组态归类在元素周期表中。

最右边0族为惰性气体，其电子层充满的电子且具有稳定的电子组态。

电正性 如在元素周期表指出那样，大多数元素归为金属类。有些被称为电正性元素。表示他们能够舍弃自己的一些价电子变为正价阳离子

电负性 位于元素周期表右手边的元素具有电负性；也就是他们随时接受电子形成负价离子，或者有时他们会与其他原子共用电子。下图列出了按照元素周期表排列的元素的电负性值。

固体中的原子键

2.5键合力与键能

两个独立原子如何相互作用：

1.较大距离，相互作用力可以忽略不计。

2.较小距离，每个原子对其他原子存在作用力。

这些作用力分为两种：吸引力（FA）和排斥力（FR），每种作用力的大小取决于原子间距（r）；

图2.8（a）为FA与FR对r的示意图。

吸引力(FA)来源于两个原子之间的特殊类型的键。

排斥力来源于两个原子负价电子云之间的互相作用，并且只有在两个原子的外层电子层开始重叠[图2.8(a)]，即r值很小时，排斥力才很明显。

两个原子间合力(FN)为吸引力与排斥力的总和，即：

FN=FA FR

当FA与FR平衡或相等时，没有合力，即

FA FR=0

出现平衡态。两个原子的中心会保持平衡间距r0。大多数原子的r0约为0.3nm。

有时候计算两个原子之间的势能比计算他们之间的受力更方便。

或者对于原子体系，有：

式中，EN、EA、ER分别为两个独立且相邻原子的净能量、吸引能、和排斥能。

如图2.8(b)，净能曲线为吸引能与排斥能曲线之和。净能曲线最小值所对应的平衡间距为r0.

这两个原子的键能E0对应于能力的最小值点，它代表将两个有限距离的原子分开所需要的能量。

(1)离子键

无论哪种类型的化学键都与价电子有关。化学键的性质取决于原子的结构。

第二作用力或者物理力和能量经常出现在固体中，他们比主价键弱，但也会影响材料的物料性能。

2.6原子间主价键

(1)离子键

离子键由金属和非金属组成的化合物中的键合力。金属容易失去他们的价电子给非金属原子，这个过程使所有原子获得了稳定结构和电荷，即他们变成了离子。

吸引结合力为库仑力，即凭借静电荷的力量使正离子和负离子互相吸引。两个独立离子吸引能EA与原子间距的函数关系为：

排斥能公式与其类似为：

表达式中的A、B和n为常数，其值取决于特定的离子系统。n值约为8.

通常认为离子键无方向性，即键能大小在粒子周围所有方向都相等。由此可认为粒子材料很稳定。例如，陶瓷材料中主要结合键为离子键。

离子键能一般介于600~1500kJ/mol（3-8eV/atom）之间，相对较大，由此具有较高的熔点。

表2.3列出了一些离子材料的键能和熔化温度。离子材料的典型特点是脆而硬，并且具有电绝缘性和热绝缘性。

(2)共价键

共价键是通过相邻原子共用电子而获得稳定的电子组态。共价键上的两个原子，每个原子至少贡献一个电子去键合，并且共用的电子共同属于这两个原子。

如下图：甲烷分析共价键示意。碳原子有4个价电子，4个氢原子钟每个只有一个价电子。每个氢原子与碳原子共用自己的一个电子，可以得到氦电子组态（两个1s层价电子）。碳原子获得了4个额外的共用电子后（每个电子都来自一个氢原子），共8个价电子。

共价键作用可以非常强，如金刚石，非常硬，并且有很高的熔化温度，大于3550℃，共价键的作用也可以非常弱，如铋，在大于270℃就会融化。

原子间的化学键可以同时具有离子键和共价键，而且，实际上很少有化合物只存在离子键或共价键。

(2)金属键

金属键经常存在于金属材料及合金材料中。

一些惰性气体及其他电中性或对称分子（如H2和Cl2）的液化过程，甚至凝固过程得以实现，是因为诱导偶极键的存在。诱导偶极键起主要作用的材料熔点和沸点非常低。

图2.11为金属键示意图，自由电子保护正价离子核不受静电力的相互排斥作用，因此金属键不具有方向性。

不同材料类型（即金属、陶瓷、聚合物）的特性不同，可能因为化学键类型不同造成的。例如，金属是良好的电导体和热导体，因为它具有自由电子。而离子键和共价键材料为典型的电绝缘和热绝缘材料，因为他们没有大量的自由电子。

2.7次价键或范德华力

与主价键（或化学键）相比，次价键、范德华力或物理键要弱一些，通常键能大约只有10kJ/mol。次价键几乎存在于所有的原子或分子间。

次价键作用力来源于原子或分子的偶极子。当原子或分子的正电荷和负电荷分开到一定程度时，会产生电偶极。键合是由于一个偶极正端与一个相邻偶极负端间的库仑力产生的。

（1）振动诱导偶极键

偶极子产生于电对称的原子或分子中，即全部电子空间分布于相对带正电的原子核的原子核对称，如图2.3（a）所示。所有原子不断振动，可能会导致一些原子或分子瞬间且短暂的电对称变形，并产生小的电偶极，如图2.3（b），这些偶极一个一个依次取代相邻分子或原子的电子分布，使得第二个原子或分子被诱导成为另一个偶极，但是与第一个相比吸引力或键合作用会更弱，即形成范德华键。这些吸引力存在于大量的原子或分子间，短暂且随时间变化。

一些惰性气体及其他电中性或对称分子（如H2和Cl2）的液化过程，甚至凝固过程得以实现，是因为诱导偶极键的存在。诱导偶极键起主要作用的材料熔点和沸点非常低。

（2）极性分子-诱导偶极键

一些正电荷区和负电荷区不对称的分子中存在永久偶极矩，这种分子称为极性分子。

图2.14 为氯化氢分子示意图，永久偶极矩在HCI分子中氢和氯两端的净正电荷与净负电荷上产生。

极性分子也可以在邻近非极性分子中产生偶极，两个分子间的吸引力会形成键。另外，这种方式形成的键的能量比振动诱导偶极更大。

（2）永久偶极键

范德华力也存在于相邻极性分子间，键能比诱导偶极键大得多。

最强的次价键类型是氢键，氢键是极性分子键的特例，产生于氢与氟（如HF）。与氧（如H20），及与氮（如NH3）共价键合形成的分子中。

如图2.15，单个质子在两个带负电荷的原子间形成了一个“桥梁”。氢键的键能比其他类型次价键都高，可高达51kJ/mol，如表2.3，虽然氟化氢和水的分子量较低，但是他们的熔点和沸点却异常的高，这就是氢键作用的结果

2.8分子

许多常见的分子都是有强共价键连接起来的原子团组成的，包括元素双原子分子（F2、O2、H2），以及许多化合物（H2O、CO2、HNO3、C6H6、CH4等）。

在粘稠液体或固态中，分子间的结合键为次价键。因此，分子材料具有相对较低的熔点和沸点。

大多数由几个原子组的小分子在常温常压下以气态存在。

许多现代聚合物（由巨大分子组成的分子材料）以固态形式存在，他们的性能取决于范德华键合氢次价键。

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