第一章原子結構與鍵合主講：李懷勇Email:lihuaiyong@huaiyong.lee@TelQ:1本章章節結構1.1原子結構

1.1.1物質的組成

1.1.2原子的結構

1.1.3原子的電子結構

1.1.4元素周期表1.2原子間的鍵合1.3高分子鏈

1.3.1近程結構

1.3.2遠程結構2本章學習重點與難點4個量子數排布原則周期表鍵及特點高分子鏈的結構3哲學思考物質是由什么組成的？4物質是由什么組成的3000年前，古希臘的一個城市米利都的泰勒斯提出：萬物都是由水聚散而成。古希臘最流行的是四元素說：萬物是由水，火、空氣、土組成。中國戰國時期鄒衡提出“五行說”：宇宙是由金、木、水、火、土組成。5物質是由什么組成的2460年前，埃利亞的巴門尼德提出：宇宙是永遠不變的基本粒子，像一個實心球，這個實心球是永遠不變的基本粒子，是永恒存在的。米利都的留基波第一個提出原子論：一個整體由無數粒子組成，每個粒子是一個巴門尼德球，剛硬、立體而不可分割，所以稱為原子。原子在空間移動，聚散成物。原子性質同一，形狀與規模不同。2430年前的德克里特提出：物質由原子組成，虛空而真空的空間給原子運動提供場所。人類知識來源于物質原子對感官的影響。原子是同一的，原子的特殊組合是變換的。6物質的組成：71.1原子結構原子的電子結構8四大量子數主量子數n

-----決定電子能量，與核平均距離。軌道角動量量子數li

-----給出電子在同一殼層內所處的能級磁量子數mi

-----給出每個軌道角動量子數的能級數或軌道數。自旋角動量量子數si

-----給出電子不同的自旋方向。910電子排布規則能量最低盡可能。Pauli不相容原理一個原子中不可能有運動狀態完全相同的兩電子Hund規則。盡可能原子序數大時，能級有重疊，有例外。這時就要參考能量最低原理。11各原子軌道的圖像摘自http://winter.group.shef.ac.uk/orbitron/12各原子軌道形狀1s132s142p153s163p173d184s194p204d214f225s235p245d255f265g27N22s2s*28泡利Wolfgang

Ernst

Pauli，(1900～1958)瑞士籍奧地利理論物理學家。1900年生于奧地利維也納。泡利在高中上學期間酷愛讀書，那時就自學了愛因斯坦的廣義相對論。高中畢業后，泡利去慕尼黑大學攻讀理論物理學，他的導師是理論物理學家索末菲（A.Sommerfeld，1868～1951）。泡利在大學第四學期應導師之邀為義數學科學百科全書》寫了一篇關于相對論的文章，該文長達250頁，還提出了自己的獨到見解。該文至今仍為相對論的權威著作。愛因斯坦讀后對泡利的才智和能力給予了高度評價。1922～1923年間，泡利在哥本哈根理論物理研究所在玻爾指導下進行氫分子模型和反常塞曼效應的研究工作。這段工作導致了他對不相容原理的發現。1923～1928年，泡利在漢堡大學擔任教師，著名的泡利不相容原理于1924年發表在《關于原子中電子群閉合與光譜復雜結構的聯系》一文中，該原理指出：原子中不可能有兩個或兩個以上的電子處于同一量子態。這一原理使當時許多有關原子結構的問題得以圓滿解決，對于正確理解反常塞曼效應、原子中電子殼層的形成、以及元素周期律都是必不可少的。泡利因此榮獲1945年諾貝爾物理學獎。1958年12月14日，泡利在瑞士蘇黎世逝世。在他的葬禮上，人們贊譽他是“理論物理學的良心”。29元素周期表元素周期表301.2原子間的鍵合31一、金屬鍵典型金屬原子結構：最外層電子數很少，即價電子極易掙脫原子核之束縛而成為自由電子（非局域、非束縛）形成電子云，金屬中自由電子與金屬正離子之間構成鍵合稱為金屬鍵性質：良好導電、導熱性能，延展性好32二、離子鍵多數鹽類、堿類和金屬氧化物實質: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）

性質：熔點和硬度均較高，良好電絕緣體特點：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33三、共價鍵（covalentbonding）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34四、范德華力起源？穩定的惰性氣體也會液化、固化。包括：靜電力、誘導力和色散力1、靜電力發生在具有極性的分子之間例如：水的蒸發352、誘導力發生在極性與非極性分子之間3、色散力非極性分子之間靠瞬時偶極間相互作用。特點：屬物理鍵，系次價鍵，比化學鍵弱，但能很大程度改變材料性質為什么高分子往往沒有氣態？36五、氫鍵

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——氫橋強度介于化學鍵與物理鍵之間，具有飽和性37六、各種結合鍵的特點比較

離子鍵、共價鍵和金屬鍵都涉及到原子外層電子的重新分布，這些電子在鍵合后不再僅僅屬于原來的原子，因此，這幾種鍵都稱為化學鍵。相反，在形成分子鍵和氫鍵時，原子的外層電子分布沒有變化，或變化極小，它們仍屬于原來的原子。因此，分子鍵和氫鍵就稱為物理鍵。一般說來，化學鍵最強，氫鍵和分子鍵較弱。381.3高分子鏈高分子材料：以高分子鏈為基本組成單元有機合成高分子材料39高分子鏈結構40一、結構單元的化學組成1.碳鏈高分子聚乙烯主鏈以C原子間共價鍵相聯結加聚反應制得如聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯，聚甲基丙稀酸甲酯，聚丙烯2.雜鏈高分子滌綸主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價鍵聯接，縮聚反應而得，如聚對苯二甲酸乙二脂（滌綸）聚酯聚胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酚等近程結構413.元素有機高分子硅橡膠

主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti、As等元素與O組成，其側鏈則有機基團，故兼有無機高分子和有機高分子的特性，既有很高耐熱和耐寒性，又具有較高彈性和可塑性，如硅橡膠4.無機高分子二硫化硅

聚二氯—氮化磷主鏈既不含C原子，也不含有機基團，而完全由其它元素所組成，這類元素的成鏈能力較弱，故聚合物分子量不高，并易水解421.均聚物結構單元鍵接順序單烯類單體中除乙烯分子是完全對稱的，其結構單元在分子鏈中的鍵接方法只有一種外，其它單體因有不對稱取代，故有三種不同的鍵接方式（以氯乙烯為例）：頭—頭尾—尾頭—尾雙烯類高聚物中，則更復雜，除有上述三種，還依雙鍵開啟位置而不同二、高分子鏈結構單元的鍵合方式432.共聚物的序列結構

按結構單元在分子鏈內排列方式的不同分為44三、高分子鏈的幾何形態不溶于任何溶劑，也不能熔融，一旦受熱固化便不能改變形狀—熱固性（thermosetting）

45四、高分子鏈的構型（Molecularconfigurations）鏈的構型系指分子中原子在空間的幾何排列，欲改變之須通過化學鍵斷裂和重組才行由單體的異構類型（旋光異構體和幾何異構體）不同，高分子鏈也表現出不同的構型46旋光異構體（stereoisomerism）由烯烴單體合成的高聚物在其結構單元中有一不對稱C原子，故存在兩種旋光異構單元，有三種排列方式47有規律48幾何異構（Geometricalisomerism）

雙烯類單體定向聚合時，可得到有規立構聚合物。但由于含有雙鍵，且雙鍵不能旋轉，從而每一雙就可能有順式反式兩種異構體之分，對于大分子鏈而言就有稱為幾何異構二甲基丁二烯

二甲基丁二烯

49一、高分子的大?。∕olecularSize）高分子的相對分子質量M不是均一的，具有多分散性平均相對分子質量遠程結構50高分子鏈中重復單元數目稱為聚合度不僅影響高分子溶液和熔體的流變性質，對加工和使用也有很大影響。數均相對分子量每鏈節的質量對力學性能起決定作用，51二、高分子的形狀（Molecularshape）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（Chaintwisting）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)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52三、影響高分子鏈柔性的主要因素高分子鏈能改變其構象的性質稱為柔性53作業題有一共聚物ABS