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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

  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

  22

  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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