上海交大考研材料科学基础总结
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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
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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不兼容原理（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↓↓
