材料原子结构与固体中的原子结合

1. 原子结构

一切物质由原子组成。可将原子视为像乐高积木一样构成世界的基本单位。小原子又由更小的质子、中子与电子组成。

* 基本概念：

原子中央有核，电子在周围运动，就像太阳系！核由质子与中子组成。质子带正电，电子带负电，中子不带电。整体原子电中性，因为质子与电子数量相同。

* 原子中的电子：

电子不是随意移动，而是按特定能级轨道运动。轨道像多层洋葱皮，每层具有特定能级。获能移至外层，失能移至内层。这种运动引发光、电与化学反应等现象。

* 周期表：

周期表按原子序数排列元素，序数表示核中质子数。它帮助直观看元素特征，例如同列具有相似化学性质。

2. 固体中的原子结合

原子很少独立，多与其他原子结合为分子或固体。结合由吸引与排斥平衡产生，就像磁铁N、S极，有相吸也有相斥。

* 结合力与能量：

引力形成结合，斥力防止过近。两力平衡处最稳定。结合能是打断结合所需能量，越高说明越强。

* 一次原子结合：

一次结合较强，包括离子、共价与金属三类。

  * 离子键：

原子转移电子成为离子，正离子与负离子静电相吸形成离子键，如磁铁异极。通常形成于金属与非金属。(例盐NaCl：Na失电子为正离子，Cl获电子为负离子，Na+与Cl-静电相吸形成盐晶体。)

  * 共价键：

原子共享电子形成共价键，如两人牵手，借共享互相连接。通常非金属间形成。(例钻石：C各共享4电子，形成强共价键，因此非常硬。)

  * 金属键：

金属原子给出电子，正离子与自由电子相吸形成金属键。金属容易失电子成为正离子，释放电子在内部自由运动。(例Cu：原子给出电子成正离子，电子在其间自由移动，因此铜导电高。)

* 二次结合或范德华结合：

二次弱于一次，可发生分子间或同分子内，包括偶极相互作用、伦敦色散与氢键。偶极相互作用是极性分子间引力；伦敦力来自瞬时偶极；氢键是H与高电负性原子(如O、N、F)间特殊偶极作用。(例水：极性水分子的一分子H与另一O形成氢键，使沸点相对高。)

* 混合结合：

许多材料混合一次与二次。例如石墨层内强共价，层间弱范德华，因此沿层强，层间弱而易碎。

* 分子：

分子是原子共价连接的稳定单位，如多个乐高组合作品。具有特定形状大小，可极性或非极性。(例水H2O：两H与一O通过共价键组成。)

* 结合类型与材料分类关联：

性质随结合类型显著变化，如乐高种类影响可造作品。离子化合物通常熔点与硬度高，共价化合物两者多样，金属结合物通常导电与延性高。

原子结构与结合是决定性质的基本要素，理解概念可理解预测各种材料特性。

来源：William D. Callister, Jr.、David G. Rethwish(2018)——《材料科学与工程导论》