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胡赓祥《材料科学基础》（第3版）笔记和考研真题详解试读：
第1章 原子结构与键合
1.1 复习笔记
一、原子结构
1．物质的组成
一切物质是由无数微粒按一定的方式聚集而成的，这些微粒可能是分子、原子或离子。（1）分子是能单独存在、且保持物质化学特性的一种微粒；（2）原子具有复杂的结构，其结构直接影响原子间的结合方式。
2．原子的结构（1）原子是由质子和中子组成的原子核，以及核外的电子所构成的；（2）原子核内的中子呈电中性，质子带有正电荷；（3）一个质子的正电荷量正好与一个电子的负电荷量相等，它－19等于－e（e＝1.6022×10C）。
3．原子的电子结构
电子既具有粒子性又具有波动性，即具有波粒二象性。
从薛定谔（SchrodingerE．）方程得到的波函数描述了电子的运动状态和在核外空间某处的出现几率，即原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数来确定：（1）主量子数n——决定原子中电子能量以及与核的平均距离；
图1-1 钠（原子序数为11）原子结构中K，L和M量子壳层的电子分布状况（2）轨道角动量量子数l——给出电子在同一量子壳层内所处的i能级（电子亚层），与电子运动的角动量有关，取值为0，1，2，…，n－1。在同一量子壳层里，亚层电子的能量是按s，p，d，f，g的次序递增的；（3）磁量子数m——给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨i道数。每个l下的磁量子数的总数为2l＋1。磁量子数决定了电子云的ii空间取向。（4）自旋角动量量子数s——反映电子不同的自旋方向。s规定ii为＋1/2和－1/2，反映电子顺时针和逆时针两种自旋方向，通常用“↑”和“↓”表示。
在多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循以下三个原则：
①能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低；
②泡利（Pauli）不相容原理：在一个原子中不可能有运动状态2完全相同的两个电子，主量子数为n的壳层，最多容纳2n个电子；
③洪德（Hund）定则：在同一亚层中的各个能级中，电子的排布尽可能分占不同的能级，而且自旋方向相同。
电子排列并不总是按上述规则依次排列的，原子序数比较大时，d和f能级开始被填充的情况下，相邻壳层的能级有重叠现象。
4．元素周期表（1）元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。（2）元素的外层电子结构随着原子序数（核中带正电荷的质子数）的递增而呈周期性的变化规律，称为元素周期律。（3）元素周期表反映了元素之间相互联系的规律，元素在周期表中的位置反映了那个元素的原子结构和一定的性质。
二、原子间的键合
结合键可分为化学键和物理键两大类：化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键；物理键即次价键，也称范德瓦耳斯力；此外，还有一种称为氢键的，其性质介于化学键和范德瓦耳斯力之间。
1．金属键（1）由金属中的自由电子与金属正离子相互作用所构成的键合称为金属键，它的基本特点是电子的共有化；（2）金属键既无饱和性又无方向性。
图1-2 金属键示意图
2．离子键
离子键结合的实质是：（1）金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子；（2）非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们
之间的静电引力结合在一起；（3）离子键既无方向性又无饱和性。
3．共价键（1）共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键；（2）共价键又分成非极性键和极性键两种；（3）共价键具有方向性和饱和性。
4．范德瓦耳斯力
范德瓦耳斯力是借助微弱的、瞬时的电偶极矩的感应作用，将原来具有稳定原子结构的原子或分子结合为一体的键合。范德瓦耳斯力属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。
它包括静电力、诱导力和色散力：（1）静电力是由极性原子团或分子的永久偶极之间的静电相互作用所引起的；（2）诱导力是当极性分（原）子和非极性分（原）子相互作用时，非极性分子中产生诱导偶极与极性分子的永久偶极间的相互作用力，其大小与温度无关；（3）色散力是由于某些电子运动导致原子瞬时偶极间的相互作用力，其大小与温度无关；
图1-3 极性分子间的范德瓦耳斯力示意图
5．氢键
氢键是一种极性分子键，氢键具有饱和性和方向性。存在于HF，HO，NF等分子间。23
图1-4 HF氢键示意图（1）氢键的键能介于化学键与范德瓦耳斯力之间；（2）氢键可以存在于分子内或分子间；（3）化合物ab中离子键所占的比例IC可近似地用下式表示： （1-1）
式中，x和x分别为a和b元素的电负性值。AB
三、高分子链
高分子结构包括高分子链结构和聚集态结构两方面。
1．高分子链结构（1）高分子链的近程结构
①近程结构的分类
近程结构包括构造与构型，属于化学结构，又称一次结构。
a．“构造”是研究分子链中原子的类型和排列，高分子链的化学结构分类，结构单元的键接顺序，链结构的成分，高分子的支化、交联与端基等内容；
b．“构型”是研究取代基围绕特定原子在空间的排列规律。
②链结构单元的化学组成
按结构单元的化学组成不同，高分子可分为碳链高分子，杂链高分子，元素高分子，以及梯形和双螺旋形高分子等类型。
③高分子链的几何形态
高分子链的几何形态是由单体分子的官能度所决定的，而所谓的官能度是指在一个单体上能与别的单体发生键合的位置数目。
一般高分子链都是线性的，也有可能在团聚过程中生成支化的或交联的。高分子主链与其柔顺性有关。
图1-5 线型（a）、支化（b）、交联（c）和三维网状分子结构（d）示意图
④高分子链的构型
链的构型是指分子中由化学键所固定的几何排列，这种排列是稳定的，要改变构型必须通过化学键的断裂和重组。
构型不同的异构体有旋光异构和几何异构两种。
a．旋光异构碳氢化合物分子中碳原子的4个共价键形成一个锥形四面体，键间角为
109°28'。当碳原子上4个基团都不相同时，该碳原子称为不对称碳原子。它能构成互为镜影的两种结构，表现出不同的旋光性，称为旋光异构体；
b．几何异构双烯类单体1，4加成时，高分子链每一单元中有一内双键，可构成顺式和反式两种构型，称为几何异构体。（2）高分子链的远程结构
远程结构又称二次结构，是指单个高分子的大小与形态、链的柔顺性及分子在各种环境中所采取的构象。
①高分子的大小
数均相对分子质量： （1-2）
重均相对分子质量：（1-3）
上式中，M为第i个高分子的相对分子质量，x为相应分子数分数，iiω为相应质量分数。因此，该高分子的聚合度n＝M/m（m为每链节in的质量）就很容易确定。
②高分子链的内旋转构象
由单键的内旋转所导致的不同构象的分子称为内旋转异构体。
③影响高分子链柔性的主要因素
高分子链能够改变其构象的性质称为柔性。
④主链结构的影响对高分子链的刚柔性起决定性作用
a．取代基的影响：取代基团的极性、取代基沿分子链排布的距离、取代基在主链上的对称性和取代基的体积等，对高分子链的柔性均有影响；
b．交联的影响：当高分子之间以化学键交联起来时，交联点附近的单键内旋转便受到很大的阻碍。
2．聚集态结构
指高分子材料整体的内部结构，包括晶态结构、非晶态结构、取向态结构、液晶态结构及织态结构。（1）前四种是描述高分子聚集体中分子间是如何堆砌的，又称三次结构；（2）织态结构是指不同分子之间或高分子与添加剂分子之间的排列或堆砌结构，又称高次结构。
图1-6 单个高分子的构象示意图（3）结构单元的键接方式
①均聚物结构单元的键接单烯类单体中，除乙烯分子是完全对称的，其结构单元在分子链中的键接方式只有一种外，其他单体由于具有不对称取代基R，其结构单元在分子链中可能有三种不同的连接方式。
图1-7 不同取代基位置的链接方式
②共聚物的序列结构由两种或两种以上单体单元所组成的高分子称为共聚物。
图1-8 无规（a）、交替（b）、嵌段（c）和接枝共聚物（d）示意图
它既表现出一定的柔性，又表现出一定的刚性。（4）高分子链的构象统计高分子的柔顺性是以其所能采取的构象数目来衡量的。
均方末端距： （1-4）
式中，n为键的数量，l为键长。
对于自由旋转链，由于受键角θ的限制，由几何计算法可求得： （1-5）
1.2 名校考研真题详解
一、选择题
1．从高分子的重复结构单元的对称性可知，最易结晶的是（ ）。[上海交通大学2006研]
A．聚丙烯
B．聚乙烯
C．聚苯乙烯【答案】B
2．高分子结构单元连接时（ ）。[浙江大学2007研]
A．链节间通常一二次分子力（范氏力）结合
B．链节间的键合有时为饱和共价键（一次键）结合，有时为二次分子力（范氏力等）结合
C．大分子间或同一大分子不同链段间仅靠二次分子力（范氏力等）结合【答案】C
二、填空题
晶体宏观对称要素有（1）、（2）、（3）、（4）和（5）。[北京工业大学2007研]【答案】（1）对称中心；（2）对称轴；（3）对称面；（4）旋转反伸轴；（5）旋转反映轴
三、判断题
由于Cr最外层s轨道只有一个电子，所以它属于碱金属。（ ）[北京工业大学2007研]【答案】×
四、名词解释题
1．金属键 [北京工业大学2008研、重庆大学2010研]
答：金属键是指金属中的自由电子与金属正离子相互作用构成的键。绝大多数的金属均以金属键方式结合，基本特点是电子共有化，既无饱和性又无方向性。
2．高分子材料与陶瓷材料 [西安交通大学2009研]
答：（1）高分子材料是指以有机高分子化合物为基础的材料。而高分子化合物一般是指那些由众多原子或原子团主要以共价键结合而成的相对分子量在1万以上的化合物。（2）陶瓷材料是用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化性等优点。
3．离子键 [吉林大学2009研]
答：离子键是通过两个或多个原子或化学基团失去或获得电子而成为离子后形成的。带相反电荷的离子之间存在静电作用，当两个带相反电荷的离子靠近时，表现为相互吸引，而电子和电子、原子核与原子核之间又存在着静电排斥作用，当静电吸引与静电排斥作用达到平衡时，便形成离子键。因此，离子键是阳离子和阴离子之间由于静电作用所形成的化学键。
4．共价健 [北京工业大学2009研]
答：共价健是指由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键，具有饱和性和方向性。
五、解答题
1．试从结合键的角度讨论一般情况下金属材料比陶瓷材料表现出更高塑性或延展性的原因。[西安理工大学2009研]
答：金属材料的化学键以金属键为主，陶瓷材料往往以离子键为主。相对于离子键中电子是一一对应的，金属键中自由电子围绕原子核自由运动，因此价键没有饱和性和方向性，当材料受力而发生相对位移时，电子移动对化学价键并没有破坏，因此金属材料较陶瓷材料具有较好的延展性。
2．什么是高分子合金？高分子合金的制备方法有哪些？[南京航空航天大学2008研]
答：（1）高分子合金又称多组元聚合物，是指含有两种或多种高分子链的复合体系，包括接枝共聚物、嵌段共聚物，以及各种共混物等。正如由不同金属混合制得合金一样，其目的是通过高分子间的物理、化学组合获得更多样化的高分子材料，使它们具有更高的综合性能，因此把这种高分子复合体系形象地称为高分子合金。（2）高分子合金的制备方法可分为以下几类：①加聚反应，包括均加聚反应和共加聚反应；②缩聚反应，一种或多种单体互相混合链接成聚合物，同时析出某种低分子物质的反应称为缩聚反应；③物理共混法。又称机械共混法，是将不同种类的高分子在混合设备中实现共混的方法，共混过程一般包括混合作用和分散作用；④化学共混法，主要有共聚-共混法和互穿网络聚合法。
3．简述高分子链在溶液中的构象。[南京航空航天大学2007研]
答：单个高分子链的模型是无规统计线团。在溶液中，高分子链也卷曲成无规统计线团。但线团所占的体积要比纯高分子线团占有的体积大得多。这是因为这些线团是被溶剂化的，即它们被溶剂所饱和。被线团所吸收的溶剂称为内含溶剂或束缚溶剂。在高分子稀溶液中，除了内含溶剂之外，还有自由溶剂，当然，这两种溶剂可通过扩散而达到稳定的平衡。由此可见，在溶液中高分子以被溶剂饱和的线团形式存在。由于线团中空隙的毛细管力控制着线团内的溶剂，使其成为一个整体而跟随线团一起运动，也就是说，线团和存在于线团内的溶剂，可以成为一个运动单元。在高分子溶液中除了线团的移动和转动外，还有线团链段的连续运动。其结果是线团的构象不断变化着。其最可能的构象是黄豆状的椭圆体。
4．试从结合键的角度，分析工程材料的分类及其特点。[昆明理工大学2010研]
答：从结合键的角度划分，工程材料主要包括：（1）金属材料，主要以金属键为主，大多数金属强度和硬度较高，塑性较好；（2）陶瓷材料，以共价键和离子键为主，硬、脆，不易变形，熔点高；（3）高分子材料，分子内部以共价键为主，分子间为分子键和氢键为主；（4）复合材料，是以上三种基本材料的人工复合物，结合键种类繁多，性能差异很大。
第2章 固体结构
2.1 复习笔记
一、晶体学基础
晶体结构的基本特征是，原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序。
晶体与非晶体物质在性能上的区别：晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体却无固定熔点，存在一个软化温度范围；晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性。
1．空间点阵和晶胞（1）将晶体中的每个质点抽象为规则排列于三维空间的几何点，称之为空间阵点。（2）点阵中取出的最小平行六面体作为点阵的组成单元，称为晶胞。
选取晶胞的原则为：
①选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；
②平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；
③当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角数目应最多；
④在满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。
为了描述晶胞的形状和大小，常采用平行六面体的三条棱边的边长a，b，c（称为点阵常数）及棱间夹角a，β，γ6个点阵参数来表达。
根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵7大晶系，和14大布拉维点阵关系表达，如表2-1、2-2所列。14种布拉维点阵的晶胞，如图2-1所示。
表2-1 七大晶系
表2-2 布拉维点阵 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h） （i） （j） （k） （l）（m） （n）
图2-1 14种布拉维点阵的晶胞
2．晶向指数和晶面指数（1）晶向指数
点阵结构中任何阵点P的位置可由矢量r或该阵点的坐标u，uvwv，W来确定： （2-1）
晶向指数的确定步骤：
①以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴X，Y，Z，以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位；
②过原点O作一直线OP，使其平行于待定的晶向；
③在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值；
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]