原子结构与原子键

材料科学笔记

定义(基本概念)

原子组成:原子是由原子核(质子&中子)及核外电子构成,其中电子带负电,质子带正电,中子( $N$ )不带电.每种化学元素都由原子核中的质子数( $Z$ )决定.

同位素 :一个原子的原子质量( $A$ )可由质子数和中子数之和来表示,有些原子的质子数相同但中子数不一样,称这个元素的不同原子为同位素.

原子量 :这个元素的各个同位素的原子质量平均值(各个同位素的占比不同→原子量).

原子质量单位(amu):用 $\ ^{12}C\ (A=12.0)$ 的十二分之一来定义1原子质量, $A \approx Z+N$ (略大)

摩尔:定义一摩尔物质中有 $6.022\times 10^{23}$ (阿伏伽德罗常数) 个原子/分子.

$\frac{1\text{原子质量单位}(amu)}{1\text{摩尔原子/分子}(atom)}=1\ g/mol \qquad \varPsi: \color{teal}{Fe:55.85\ g/mol}$

原子序数(Z)=核外电子数=质子数

玻尔原子模型：略

波动力学模型 : 原子中的电子用四个参数表示(量子数-能量,大小,形状,空间方向):

当电子排满低能级时,称其处于基态,原子最外层电子数称为价电子数,它决定了许多元素的物理化学性能.下面是能级图:

电负性：原子得电子形成负价离子的性质。

电正性：原子失电子形成正价离子的性质。

价电子数越大，越容易失电子，电负性越高，所以元素周期表越右上，元素电负性越大，F电负性最强。

元素周期表

键合力：根据原子键和原则，原子间作用力分为吸引力🧲和排斥力，其作用力的大小取决于原子间距。

吸引力( $F_A$ )源自于两个原子间特殊类型的键，排斥力( $F_R$ )来自于原子间负价电子云的相互排斥。两原子间作用力的合力为两者(一正一负)总和：

$F_N=F_A+F_R \tag{0.1}$

平衡时距离为 $r_0$ ，此时合力为0，此时的能量—— $E_0$ 即键能

势能与力的关系如下：

$\begin{aligned} E_N &= \int F_Ndr \\ &= \int F_Adr + \int F_Rdr\\ E_N(\text{净能量}) &= E_A(\text{吸收能})+E_R(\text{排斥能}) \end{aligned}$

键能与性能之间的关系：

离子键：由金属和非金属元素组成的化合物之间的键合力。本质上是库仑力(建议参考大学物理)， $E_A=-A/r$ ，排斥力也类似： $E_R=B/r^n$ 。

离子键没有方向性，陶瓷材料主要是离子键，硬而脆，具有电绝缘性和热绝缘性
共价键：通过相邻原子共用电子而获得稳定的电子组态。原子的共价键数目由价电子数决定

共价键有方向性，相同非金属元素分子( $h_2,Cl_2,O_2$ )&不相同非金属元素分子( $HF,HCl,H_2O,HNO_3$ )，聚合物

原子间往往即包含离子键又包含共价键，电负性差异越大，其形成离子键的可能性越大。

金属键：经常存在于金属材料当中。金属材料有1，2，3个价电子，价电子在整个金属当中随意游动，形成一个“电子云”

金属键不具有方向性，所有金属都存在金属键，是良好的电导体和热导体。

次价键作用力来源于原子或分子的偶极子。分为