上海交大考研材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)
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上海交大考研材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)
第1章原子結(jié)構(gòu)和鍵合
1.1原子結(jié)構(gòu)
1.1.1物質(zhì)的組成（Substance Construction）
物質(zhì)由無數(shù)微粒（Particles）聚集而成
分子（Molecule）：?jiǎn)为?dú)存在 保存物質(zhì)化學(xué)特性
dH2O=0.2nmM(H2)為2M（protein）為百萬
原子（Atom）： 化學(xué)變化中最小微粒
1.1.2原子的結(jié)構(gòu)
質(zhì)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(zhuǎn)，帶負(fù)電，按能量高低排列，如電子云（electron cloud） m＝9.109510-31kg，約為質(zhì)子的1/1836
1.1.3原子的電子結(jié)構(gòu)
�。ㄖ髁孔訑�(shù)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(shù)1、2、3、4、5用K、L、M、N……表示 軌道動(dòng)量量子數(shù)l(the orbital quantum number)：i給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級(jí), 與電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量有關(guān)(shape of the electron subshell)，取值為0，1，2，n1, 用s，p，d，f……表示磁量子數(shù)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(dòng)量量子數(shù)si(the spin quantum number)：表示電子自旋（spin moment）的方向，取值為＋1或-1
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核外電子排布遵循以下3個(gè)原則：
能量最低原理（Minimum Energy principle)電子總是占據(jù)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)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(jí)，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(shù)相同，電子層數(shù)↑，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(jié)構(gòu)：最外層電子數(shù)很少，即價(jià)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(gòu)成鍵合稱為金屬鍵
特點(diǎn)：電子共有化，既無飽和性又無方向性，形成低能量密堆結(jié)構(gòu)
性質(zhì)：良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，延展性好
1.2.2離子鍵（Ionic bonding)
實(shí)質(zhì)： 金屬原子帶正電的正離子（Cation）
非金屬原子 帶負(fù)電的負(fù)離子（anion）
特點(diǎn)：以離子而不是以原子為結(jié)合單元，要求正負(fù)離子相間排列，
且無方向性，無飽和性
性質(zhì)：熔點(diǎn)和硬度均較高，良好電絕緣體
1.2.3共價(jià)鍵（covalent bonding）
亞金屬（C、Si、Sn、 Ge），聚合物和無機(jī)非金屬材料
實(shí)質(zhì)：由二個(gè)或多個(gè)電負(fù)性差不大的原子間通過共用電子對(duì)而成
(Polar bonding):共用電子對(duì)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(diǎn)：飽和性 配位數(shù)較小 ，方向性（s電子除外）
性質(zhì)：熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆、導(dǎo)電能力差
1.2.4范德華力（Van der waals bonding)
包括：靜電力(electrostatic)、誘導(dǎo)力(induction)和色散力(dispersive force) 屬物理鍵 ，系次價(jià)鍵，不如化學(xué)鍵強(qiáng)大，但能很大程度改變材料性質(zhì)
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(jià)鍵結(jié)合），裸露原子核
將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引——?dú)錁?/p>
介于化學(xué)鍵與物理鍵之間，具有飽和性
1.3高分子鏈（High polymer Chain)
鏈結(jié)構(gòu)（Chain Structure) 高分子結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（Structure of aggregation state)
1.3.1高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)
1.結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成（the Chemistry of mer units)
2.高分子鏈的幾何形態(tài)（structure）
: 加熱后變軟，甚至流動(dòng)，可反復(fù)加工－線性高分子（linear polymers）熱塑性（thermoplastic）
支鏈高分子（branched polymers）： 交聯(lián)高分子（crosslinked polymer）：線性天然橡膠用S交聯(lián)后變強(qiáng)韌耐磨
體型（立體網(wǎng)狀）高分子（network on three-dimensional polymer)
熱塑性：具有線性和支化高分子鏈結(jié)構(gòu)，加熱后會(huì)變軟，可反復(fù)加工再成型
熱固性：具有體型（立體網(wǎng)狀）高分子鏈結(jié)構(gòu)，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(gòu)型（Molecular configurations）
間同立構(gòu)（syndisotactic configurations): R取代基交替地處在主鏈平面兩側(cè)， 即兩旋光異構(gòu)單元交替 全同立構(gòu)（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(gòu)體 無規(guī)立構(gòu)（atactic configurations):R取代基在主鏈平面兩側(cè)不規(guī)則排列
1.3.2高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)
1.高分子的大小
2.高分子鏈的內(nèi)旋轉(zhuǎn)構(gòu)象
主鏈以共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)，有一定鍵長(zhǎng) d和鍵角θ，每個(gè)單鍵都能內(nèi)旋轉(zhuǎn)（Chain twisting）故高分子在空間形態(tài)有mn-1( m為每個(gè)單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)可取的位置數(shù)，n為單鍵數(shù)目)
※ 鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)使得高分子存在多種構(gòu)象
統(tǒng)計(jì)學(xué)角度高分子鏈取 伸直（straight）構(gòu)象幾率極小，呈卷曲（zigzag）構(gòu)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(gòu)象的性質(zhì)稱為柔性（Flexibility）
主鏈結(jié)構(gòu)的影響：起決定性作用,C-O,C-N,Si-O內(nèi)旋的勢(shì)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(duì)稱性，體積均有影響交聯(lián)的影響：因交聯(lián)附近的單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)受阻礙，交聯(lián)度大時(shí)，柔性↓↓
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