上海交大考研材料科学基础总结

2022-06-10

上海交大考研材料科学基础总结

　　第1章原子结构和键合

　　1.1原子结构

　　1.1.1物质的组成（Substance Construction）

　　物质由无数微粒（Particles）聚集而成

　　分子（Molecule）：单独存在保存物质化学特性

　　dH2O=0.2nmM(H2)为2M（protein）为百万

　　原子（Atom）：化学变化中最小微粒

　　1.1.2原子的结构

　　质子（proton）：正电荷m＝1.6726×10-27kg原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电-27中子（neutron）：电中性m＝1.6748×10kg电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（electron cloud） m＝9.109510-31kg，约为质子的1/1836

　　1.1.3原子的电子结构

　　（主量子数nithe principal quantum number)：决定原子中电子能量和核间距离(the energy of the electron)，即量子壳层，取正整数1、2、3、4、5用K、L、M、N……表示轨道动量量子数l(the orbital quantum number)：i给出电子在同一量子壳层内所处的能级, 与电子运动的角动量有关(shape of the electron subshell)，取值为0，1，2，n1, 用s，p，d，f……表示磁量子数mi(the inner quantum number)：

　　决定原子轨道或电子云在空间的伸展方向(spatial orientation of an electron cloud)，取值为-li，-(li1),1,0,1,li 自旋角动量量子数si(the spin quantum number)：表示电子自旋（spin moment）的方向，取值为＋1或-1

　　核外电子排布遵循以下3个原则：

　　能量最低原理（Minimum Energy principle)电子总是占据能量最低的壳层 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s-4d-5p-Pauli不相容原理（Pauli Exclusion principle): 不可能有运动状态完全相同的电子， 2 2n Rule)同一亚层中电子尽量分占不同能级，自旋方向相同Hund原则（Hund' 全充满半充满全空

　　1.1.4元素周期表

　　核电荷↑，原子半径↓ 同周期元素：左右，金属性↓，非金属性↑电离能↑，失电子能力↓，得电子能力↑

　　最外层电子数相同，电子层数↑，原子半径↑同主族元素：上下，金属性↑，非金属性↓电离能↓，失电子能力↑，得电子能力↓

　　1.2原子间的键合

　　1.2.1金属键（Metallic bonding）

　　典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（Free electron），形成电子云（electron cloud）金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键

　　特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构

　　性质：良好导电、导热性能，延展性好

　　1.2.2离子键（Ionic bonding)

　　实质：金属原子带正电的正离子（Cation）

　　非金属原子带负电的负离子（anion）

　　特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，

　　且无方向性，无饱和性

　　性质：熔点和硬度均较高，良好电绝缘体

　　1.2.3共价键（covalent bonding）

　　亚金属（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和无机非金属材料

　　实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成

　　(Polar bonding):共用电子对偏于某成键原子极性键非极性键（Nonpolar bonding): 位于两成键原子中间

　　特点：饱和性配位数较小，方向性（s电子除外）

　　性质：熔点高、质硬脆、导电能力差

　　1.2.4范德华力（Van der waals bonding)

　　包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力(dispersive force) 属物理键，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质

　　1.2.5氢键（Hydrogen bonding）

　　极性分子键存在于HF、H2O、NH3中，在高分子中占重要地位，

　　氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核

　　将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥

　　介于化学键与物理键之间，具有饱和性

　　1.3高分子链（High polymer Chain)

　　链结构（Chain Structure) 高分子结构聚集态结构（Structure of aggregation state)

　　1.3.1高分子链的近程结构

　　1.结构单元的化学组成（the Chemistry of mer units)

　　2.高分子链的几何形态（structure）

　　: 加热后变软，甚至流动，可反复加工－线性高分子（linear polymers）热塑性（thermoplastic）

　　支链高分子（branched polymers）：交联高分子（crosslinked polymer）：线性天然橡胶用S交联后变强韧耐磨

　　体型（立体网状）高分子（network on three-dimensional polymer)

　　热塑性：具有线性和支化高分子链结构，加热后会变软，可反复加工再成型

　　热固性：具有体型（立体网状）高分子链结构，不溶于任何溶剂，也不能熔融，一旦受热固化后不能再改变形状，无法再生

　　3.高分子链的键接方式

　　4.高分子链的构型（Molecular configurations）

　　间同立构（syndisotactic configurations): R取代基交替地处在主链平面两侧，即两旋光异构单元交替全同立构（isotactic configurations):R取代基全处在主链平面一边，即全部由一种旋光异构体无规立构（atactic configurations):R取代基在主链平面两侧不规则排列

　　1.3.2高分子链的远程结构

　　1.高分子的大小

　　2.高分子链的内旋转构象

　　主链以共价键联结，有一定键长 d和键角θ，每个单键都能内旋转（Chain twisting）故高分子在空间形态有mn-1( m为每个单键内旋转可取的位置数，n为单键数目)

　　※ 键的内旋转使得高分子存在多种构象

　　统计学角度高分子链取伸直（straight）构象几率极小，呈卷曲（zigzag）构象几率极大

　　3.影响高分子链柔性的主要因素

　　（the main influencing factors on the molecular flexibility）

　　高分子链能改变其构象的性质称为柔性（Flexibility）

　　主链结构的影响：起决定性作用,C-O,C-N,Si-O内旋的势垒比C-C低，从而使聚酯，聚酰胺、聚胺酯，聚二甲基硅氧烷等柔性好取代基的影响：取代基的极性，沿分子链排布距离，在主链上对称性，体积均有影响交联的影响：因交联附近的单键内旋转受阻碍，交联度大时，柔性↓↓