上海交大考研材料科學基礎總結

時間：2024-06-01 18:00:10

上海交大考研材料科學基礎總結

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上海交大考研材料科學基礎總結

　　上海交大考研材料科學基礎總結

　　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）：單獨存在保存物質化學特性

　　dH2O=0.2nmM(H2)為2M（protein）為百萬

　　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)：位于原子中心、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，如電子云（electron cloud） m＝9.109510-31kg，約為質子的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)，取值為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云在空間的伸展方向(spatial orientation of an electron cloud)，取值為-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，取值為＋1或-1

　　核外電子排布遵循以下3個原則：

　　能量最低原理（Minimum Energy principle)電子總是占據能量最低的殼層 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)同一亞層中電子盡量分占不同能級，自旋方向相同Hund原則（Hund' 全充滿半充滿全空

　　1.1.4元素周期表

　　核電荷↑，原子半徑↓ 同周期元素：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為自由電子（Free electron），形成電子云（electron cloud）金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱為金屬鍵

　　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為結合單元，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通過共用電子對而成

　　(Polar bonding):共用電子對偏于某成鍵原子極性鍵非極性鍵（Nonpolar bonding): 位于兩成鍵原子中間

　　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范德華力（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）

　　極性分子鍵存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，

　　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

　　介于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）

　　: 加熱后變軟，甚至流動，可反復加工－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交聯后變強韌耐磨

　　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，加熱后會變軟，可反復加工再成型

　　熱固性：具有體型（立體網狀）高分子鏈結構，不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化后不能再改變形狀，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為每個單鍵內旋轉可取的位置數，n為單鍵數目)

　　※ 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）構象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構象幾率極大

　　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為柔性（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↓↓

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