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1、上海交大材料科学基础考研胡赓祥材料科学基础资料 1.1 复习笔记【知识框架】一、原子结构 1 物质的组成 特点：物质是由分子、原子或离子等微粒按特定的方式聚集而成。（1）分子是能保持物质化学特性并能单独存在的一种微粒。（2）分子有大有小，由更小微粒原子组成。原子是化学变化中的最小微粒，但原子并不是最小的微粒。（3）原子具有复杂的结构。2 原子的结构（1）如表 1-1-1 所示为构成原子的粒子及其特点。表 1-1-1 构成原子的粒子及其特点 （2）核电荷数核内质子数核外电子数，质量数质子数中子数。3 原子的电子结构（1）电子结构 电子云：用于形象的描述核外电子的运动特征（电子在核外空间作高速旋转
2、运动，没有固定轨道，只能用统计方法判断其在某一区域出现的概率，故而以“电子云”加以形容）。电子的波粒二象性：电子具有波动性又具有粒子性。现代物理学中，用薛定谔方程来反映微观粒子的运动，即用 4 个量子数来确定核外电子的空间位置。如表 1-1-2 所示为四种量子数的定义及取值。表 1-1-2 四种量子数的定义及取值 图 1-1-1 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 不同亚层电子的能量依次递增，电子云的形状也各不相同（例如，s 亚层为球状，p 亚层为纺锤状）。如表 1-1-3 所示为量子数和原子轨道的关系。表 1-1-3 量子数和原子轨道的关系 （2）核外电
3、子排布规律遵循的原则 能量最低原理：电子的排布尽可能使体系的能量最低。泡利（Pauli）不相容原理：原子中不存在运动状态完全相同的两个电子。洪德（Hund）定则：同一亚层各个能级中，电子排布尽可能占据不同能级，且自旋方向相同。【扩展】如表 1-1-4 所示为宏观运动与微观运动的比较。表 1-1-4 宏观运动与微观运动的不同 4 元素周期表（1）元素：具有相同核电荷数（核内质子数）的同一类原子的总称。（2）元素周期律：随着原子序数的递增，元素核外电子结构呈现周期性的变化规律。（3）元素周期表是周期律的具体体现形式，通过元素在周期表中的位置，可以推断原子结构和一定的性质。二、原子间的键合 1 原子
4、间键合方式的分类及比较（见表 1-1-5）表 1-1-5 原子间键合方式的分类及比较 2 不同结合键对所在物质性能的影响（见表 1-1-6）表 1-1-6 不同结合键对所在物质性能的影响 三、高分子链 1 定义和分类（1）有机高分子化合物：相对分子质量在 10000 以上的有机化合物。（2）高分子结构的分类：2 高分子链结构 高分子链的结构分类，如下所示：（1）高分子链的近程结构 链结构单元的化学组成 a高分子链：由小分子单体通过聚合反应连接而成的链状大分子。b聚合度：高分子链中结构单元的数目。c高分子链的分类：根据结构单元的化学组成，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
5、形高分子等类型。d常见高分子链结构单元：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和聚四氟乙烯等。分子链的几何形态 a官能度：一个单体能与另外一个单体发生键合的数目，其决定了高分子链的几何形态。b特点：高分子链大多都是线性的，长链可以卷曲成团，也可在团聚过程中生成为支化或交联态，这主要与高分子的柔顺性和外部条件有关。图 1-1-2 线型（a）、支化（b）、交联（c）和三维网状分子结构（d）示意图 结构单元的键接方式 聚合物的性能受高分子链中结构单元的键接方式影响，不同键接，性能差异很大。a均聚物结构单元的键接 结构单元在分子链中可能的连接方式有：头-头键接、尾-尾键接、头-尾键接（见图 1-1-3）。
6、图 1-1-3 不同取代基位置的链接方式 b共聚物的序列结构 共聚物：由两种或两种以上的最小单元所组成的高分子化合物。二元共聚物的连接方式：无规共聚物、交替共聚物、嵌段共聚物及接枝共聚物（见图 1-1-4）。图 1-1-4 无规（a）、交替（b）、嵌段（c）和接枝共聚物（d）示意图 高分子链的构型 链的构型：指高分子中由化学键所造成的分子的固定排列，包括旋光异构和几何异构。该构型的改变必须通过化学键的断裂和重组。a旋光异构 旋光异构体：能够形成镜像对称，表现出不同旋光性的高分子。b几何异构 几何异构体：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。（2）高
7、分子链的远程结构 远程结构：指单个高分子的状态、链的柔顺性及在不同环境中所采取的构象，又称二次结构。高分子的大小 a多分散性：高分子由多种不同聚合度的同系高分子化合物聚集而成，其相对分子质量不均一，称之为高分子的多分散性。因而，讨论一个高分子的相对分子质量是无意义的，讨论其平均相对分子质量才有意义。b数均相对分子质量 c重均相对分子质量 式中，Mi为第 i 个高分子的相对分子质量，xi为相应分子数分数，wi为相应质量分数。则高分子的聚合度可由下式确定 式中，m为每链节的质量。高分子链的内旋转构象 a自由联结链：主链上各个单键的内旋转方向是自由的高分子链。b顺式与反式：在沿碳碳键方向上，若两个碳
8、原子上的氢键重合，称之为顺式；若相差 60，称之为反式。c内旋转异构体：由单键的内旋转所导致的不同构象的分子。d高分子链的内旋转不是完全自由的，表现出一定的柔性和刚性。影响高分子链柔性的主要因素 高分子链柔性：指高分子链上的碳碳键发生内旋转并改变其构象的性质。a主链结构的影响 主链结构是高分子链柔性的决定性影响因素。b取代基的影响 取代基极性大小、位置及体积大小等对高分子链的柔性均有影响。c交联的影响 交联产生的化学键会阻碍单键的内旋转，从而影响高分子链柔性。高分子链的构象统计 a高分子链越长，构象数越多，也越容易卷曲，常用末端距 h（两端点间直线距离）来衡量链的卷曲程度。b均方末端距 式中，n 为键的数量，l 为键长。c对于自由旋转链（键角受到限制），其均方末端距 d高斯链的均方末端距 式中，ne为链段数，le为每个链段的长度。2 考研真题