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(NN)不带电.每种化学元素都由原子核中的质子数(ZZ)决定.

同位素 :一个原子的原子质量(AA)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 12C (A=12.0)\ ^{12}C\ (A=12.0)的十二分之一来定义1原子质量, AZ+NA \approx Z+N (略大)

摩尔:定义一摩尔物质中有6.022×10236.022\times 10^{23}(阿伏伽德罗常数) 个原子/分子.

1原子质量单位(amu)1摩尔原子/分子(atom)=1 g/molΨ:Fe:55.85 g/mol\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):

量子数 表示符号
主量子数 n=1,2,3,4(K,L,M,S)n=1,2,3,4…(K,L,M,S…)
角量子数 l=s p d fl=s\ p\ d\ f
磁量子数 m1=l,(l+1), ... 0 ...,(l1),lm_1=-l,(-l+1),\ ...\ 0\ ...,(l-1),l
自旋量子数 ms=12;12m_s=-\frac{1}{2};\frac{1}{2}

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:能级

电负性

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

原子键

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(FAF_A)源自于两个原子间特殊类型的键,排斥力(FRF_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:

FN=FA+FR(0.1)F_N=F_A+F_R \tag{0.1}

平衡时距离为r0r_0,此时合力为0,此时的能量—— E0E_0键能

势能与力的关系如下:

EN=FNdr=FAdr+FRdrEN(净能量)=EA(吸收能)+ER(排斥能)\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:

  • 键能越大的材料熔点越高。(常温下是固态的物质键能较高,气态的键能较小)
  • 弹性模量与原子键有关

主价键

  1. 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),EA=A/rE_A=-A/r ,排斥力也类似:ER=B/rnE_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,具有电绝缘性热绝缘性

  2. 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(h2,Cl2,O2h_2,Cl_2,O_2)&不相同非金属元素分子(HF,HCl,H2O,HNO3HF,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。

  1. 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,是良好的电导体热导体

次价键(范德华键)

次价键作用力来源于原子或分子的偶极子。分为

  1. 振动诱导偶极键 (最菜的键)
  2. 极性分子-诱导偶极键(极性分子之间产生)
  3. 永久偶极键
  • 氢键:极性分子键的特例(最强)