原子结构与键合原理：从金属键到氢键

"该文档是上海交通大学考研复习资料，主要涵盖了材料科学基础的第一章内容，包括原子结构、键合类型等基础知识。" 在材料科学基础的学习中，原子结构是理解一切化学现象的基础。物质由微小的粒子聚集而成，这些粒子可以是分子或原子。分子是由两个或更多个原子通过化学键结合形成的，例如水分子H2O，其直径约为0.2纳米，而蛋白质分子则庞大得多。原子是化学反应的基本单位，它由原子核和围绕核运动的电子组成。 原子的电子结构是决定其化学性质的关键因素。核外电子遵循三个基本原则进行排布：泡利不相容原理（Pauli's Exclusion Principle）、能量最低原则（Minimum Energy Principle）以及洪特规则（Hund's Rule）。泡利不相容原理规定了在一个原子中没有两个电子可以处于完全相同的量子态；能量最低原则指出电子倾向于占据能量较低的轨道；而洪特规则则规定在填充单个轨道时，电子优先占据不同轨道而不是成对占据同一个轨道。 原子间的键合方式决定了物质的物理和化学性质。金属键是金属原子特有的键合形式，金属原子中的价电子成为自由电子，形成了电子云，这种键合赋予金属良好的导电和导热性，以及延展性。离子键由正负离子之间的静电吸引力形成，常见于盐类，其特点是高熔点、硬度大，不导电。共价键是通过共享电子对形成的，如在碳、硅等元素中，它的饱和性和方向性导致物质具有高熔点、硬度，但导电性能较差。范德华力是分子间较弱的相互作用力，包括静电力、诱导力和色散力，虽弱于化学键，但在许多材料的性质中起到关键作用。氢键是一种特殊的弱化学键，介于化学键和范德华力之间，对于某些有机分子和高分子材料的性质至关重要。 在高分子链部分，重点讨论了结构单元的化学组成和高分子链的几何形态。热塑性高分子链在加热后可以流动并重新成型，这与其线性的近程结构密切相关。了解这些基础知识对于深入学习材料科学，特别是高分子科学至关重要，它们为后续章节的学习打下了坚实的基础。