上海交大考研材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)
上海交大考研材料科學(xué)基礎(chǔ)總結(jié)
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(wú)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(wàn)
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)
（主量子數(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(chēng)為金屬鍵
特點(diǎn)：電子共有化，既無(wú)飽和性又無(wú)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(wú)方向性，無(wú)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(chēng)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(chēng)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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