關鍵詞：高分子材料，導電高分子材料，膠粘劑（膠水，接著剤、黏結劑、粘接劑），TIM材料

材料按狀態主要有三態:氣態、液態和固態。液態和固態稱為凝聚態。在凝聚態下，原子之間距離很短，產生相互作用力，原子之間便結合在一起，形成了一種結合鍵。原子結合鍵是材料的二級結構。材料的性能很大程度上取決于原子間的結合力。結合鍵共有離子鍵、共價鍵、金屬鍵、范德華力和氫鍵等。可簡單分成二大類，結合力強的結合鍵叫化學鍵，或稱為一次鍵：如離子鍵、共價鍵和金屬鍵；結合力弱的結合鍵叫物理鍵（也有將它們看做弱化學力的），或稱為二次鍵。如范德華鍵和氫鍵，或稱為分子鍵。

實際材料中原子之間的結合，靠單一鍵力結合在一起的情況極少，原子間的結合常常是混合鍵，即化學鍵中的多種鍵合形式，有時還有物理鍵。W、Ta、Pb等一些金屬原子凝聚成固體時，其鍵合方式是金屬鍵和共價鍵的混合方式。氧化物陶瓷材料除離子鍵外，也含有相當數量的共價鍵。

↓↓四大類材料及其化學鍵

什么是化學鍵？

一

概念

化學鍵（chemical bond）是純凈物分子內或晶體內相鄰兩個或多個原子（或離子）間強烈的相互作用力的統稱。使離子相結合或原子相結合的作用力通稱為化學鍵。

離子鍵、共價鍵、金屬鍵各自有不同的成因，離子鍵是通過原子間電子轉移，形成正負離子，由靜電作用形成的。共價鍵的成因較為復雜，路易斯理論認為，共價鍵是通過原子間共用一對或多對電子形成的，其他的解釋還有價鍵理論，價層電子互斥理論，分子軌道理論和雜化軌道理論等。金屬鍵是一種改性的共價鍵，它是由多個原子共用一些自由流動的電子形成的。

在一個水分子中2個氫原子和1個氧原子就是通過化學鍵結合成水分子。由于原子核帶正電，電子帶負電，所以我們可以說，所有的化學鍵都是由兩個或多個原子核對電子同時吸引的結果所形成。化學鍵有3種類型 ，即離子鍵、共價鍵、金屬鍵（氫鍵不是化學鍵，它是分子間力的一種）。

離子鍵

原子相互得失電子，形成離子鍵的過程

二

化學鍵的介紹和分類

離子鍵亦有強弱之分。其強弱影響該離子化合物的熔點、沸點和溶解性等性質。離子鍵越強，其熔點越高。離子半徑越小或所帶電荷越多，陰、陽離子間的作用就越強。例如鈉離子的微粒半徑比鉀離子的微粒半徑小，則氯化鈉NaCl中的離子鍵較氯化鉀KCl中的離子鍵強，所以氯化鈉的熔點比氯化鉀的高。

定義：離子鍵是由正負離子之間通過靜電作用而形成的，正負離子為球形或者近似球形，電荷球形對稱分布，那么離子鍵就可以在各個方向上發生靜電作用，因此是沒有方向性的。

離子鍵概念：帶相反電荷離子之間的相互作用稱為離子鍵。

成鍵微粒：陰離子、陽離子。

成鍵本質：靜電作用。靜電作用包括陰、陽離子間的靜電吸引作用和電子與電子之間、原子核與原子核之間的靜電排斥作用。（一吸，兩斥）

成鍵原因：①原子相互得失電子形成穩定的陰、陽離子。②離子間吸引與排斥處于平衡狀態。③體系的總能量降低。

存在范圍：離子鍵存在于大多數強堿、鹽及金屬氧化物中。

一個離子可以同時與多個帶相反電荷的離子互相吸引成鍵，雖然在離子晶體中，一個離子只能與幾個帶相反電荷的離子直接作用（如NaCl中Na+可以與6個Cl-直接作用），但是這是由于空間因素造成的。在距離較遠的地方，同樣有比較弱的作用存在，因此是沒有飽和性的?；瘜W鍵的概念是在總結長期實踐經驗的基礎上建立和發展起來的，用來概括觀察到的大量化學事實，特別是用來說明原子為何以一定的比例結合成具有確定幾何形狀的、相對穩定和相對獨立的、性質與其組成原子完全不同的分子。開始時，人們在相互結合的兩個原子之間畫一根短線作為化學鍵的符號 ；電子發現以后 ，1916年G.N.路易斯提出通過填滿電子穩定殼層形成離子和離子鍵或者通過兩個原子共有一對電子形成共價鍵的概念，建立化學鍵的電子理論。

量子理論建立以后，1927年 W.H.海特勒和F.W.倫敦通過氫分子的量子力學處理，說明了氫分子穩定存在的原因 ，原則上闡明了化學鍵的本質。通過以后許多人 ，特別是L.C.鮑林和R.S.馬利肯的工作，化學鍵的理論解釋已日趨完善。

化學鍵在本質上是電性的，原子在形成分子時，外層電子發生了重新分布（轉移、共用、偏移等），從而產生了正、負電性間的強烈作用力。但這種電性作用的方式和程度有所不同，所以又可將化學鍵分為離子鍵、共價鍵和金屬鍵等。離子鍵是原子得失電子后生成的陰陽離子之間靠靜電作用而形成的化學鍵。離子鍵的本質是靜電作用。由于靜電引力沒有方向性，陰陽離子之間的作用可在任何方向上，離子鍵沒有方向性。只要條件允許，陽離子周圍可以盡可能多的吸引陰離子，反之亦然，離子鍵沒有飽和性。不同的陰離子和陽離子的半徑、電性不同，所形成的晶體空間點陣并不相同。

共價鍵

1.共價鍵（Covalent Bond）是原子間通過共用電子對（電子云重疊）而形成的相互作用。形成重疊電子云的電子在所有成鍵的原子周圍運動。一個原子有幾個未成對電子，便可以和幾個自旋方向相反的電子配對成鍵，共價鍵飽和性的產生是由于電子云重疊（電子配對）時仍然遵循泡利不相容原理。電子云重疊只能在一定的方向上發生重疊，而不能隨意發生重疊。共價鍵方向性的產生是由于形成共價鍵時，電子云重疊的區域越大，形成的共價鍵越穩定，所以，形成共價鍵時總是沿著電子云重疊程度最大的方向形成（這就是最大重疊原理）。共價鍵有飽和性和方向性。

2.原子通過共用電子對形成共價鍵后，體系總能量降低。

共價鍵的形成是成鍵電子的原子軌道發生重疊，并且要使共價鍵穩定，必須重疊部分最大。由于除了s軌道之外，其他軌道都有一定伸展方向，因此成鍵時除了s-s的σ鍵（如H2）在任何方向都能最大重疊外，其他軌道所成的鍵都只有沿著一定方向才能達到最大重疊。共價鍵的分類

共價鍵有不同的分類方法。

（1） 按共用電子對的數目分，有單鍵（Cl—Cl）、雙鍵（C=C）、三鍵（N≡N，C≡C）等。

（2） 按共用電子對是否偏移分類，有極性鍵（H—Cl）和非極性鍵（Cl—Cl）。

（3） 按提供電子對的方式分類，有正常的共價鍵和配位鍵（共用電子對由一方提供，另一方提供空軌道。

如銨根離子中的N—H鍵中有一個屬于配位鍵）。

（4） 按電子云重疊方式分，有σ鍵（電子云沿鍵軸方向，以“頭碰頭”方式成鍵。如C—C。）和π鍵（電子云沿鍵軸兩側方向，以“肩并肩”方向成鍵。如C=C中鍵能較小的鍵.C=C中有一個σ鍵與一個π鍵。）等

3.舊理論：共價鍵形成的條件是原子中必須有成單電子，自旋方向必須相反，由于一個原子的一個成單電子只能與另一個成單電子配對，因此共價鍵有飽和性。如H原子與Cl原子形成HCl分子后，不能再與另外一個Cl形成HCl2了。

4.新理論：共價鍵形成時，成鍵電子所在的原子軌道發生重疊并分裂，成鍵電子填入能量較低的軌道即成鍵軌道。如果還有其他的原子參與成鍵的話，其所提供的電子將會填入能量較高的反鍵軌道，形成的分子也將不穩定。像HCl這樣的共用電子對形成分子的化合物叫做共價化合物。

化合物分類

1．離子化合物：由陽離子和陰離子構成的化合物。

大部分鹽（包括所有銨鹽），強堿，大部分金屬氧化物，金屬氫化物?；顫姷?/span>金屬元素與活潑非金屬元素形成的化合物中不一定都是以離子鍵結合的，如AICI3、FeCl3、BeCl2等不是通過離子鍵結合的。非金屬元素之間也可形成離子化合物，如銨鹽都是離子化合物。

2．共價化合物：主要以共價鍵結合形成的化合物，叫做共價化合物。

非金屬氧化物，酸，弱堿，少部分鹽，非金屬氫化物。

3．在離子化合物中一定含有離子鍵，可能含有共價鍵。在共價化合物中一定不存在離子鍵。

金屬鍵

1.概述：化學鍵的一種，主要在金屬中存在。由自由電子及排列成晶格狀的金屬離子之間的靜電吸引力組合而成。由于電子的自由運動，金屬鍵沒有固定的方向，因而是非極性鍵。金屬鍵有金屬的很多特性。例如一般金屬的熔點、沸點隨金屬鍵的強度而升高。其強弱通常與金屬離子半徑成逆相關，與金屬內部自由電子密度成正相關（便可粗略看成與原子外圍電子數成正相關）。

2.改性共價鍵理論：在金屬晶體中，自由電子作穿梭運動，它不專屬于某個金屬離子而為整個金屬晶體所共有。這些自由電子與全部金屬離子相互作用，從而形成某種結合，這種作用稱為金屬鍵。由于金屬只有少數價電子能用于成鍵，金屬在形成晶體時，傾向于構成極為緊密的結構，使每個原子都有盡可能多的相鄰原子(金屬晶體一般都具有高配位數和緊密堆積結構)，這樣，電子能級可以得到盡可能多的重疊，從而形成金屬鍵。上述假設模型叫做金屬的自由電子模型，稱為改性共價鍵理論。這一理論是1900年德魯德(drude)等人為解釋金屬的導電、導熱性能所提出的一種假設。這種理論先后經過洛倫茨(Lorentz,1904)和佐默費爾德(Sommerfeld,1928)等人的改進和發展，對金屬的許多重要性質都給予了一定的解釋。但是，由于金屬的自由電子模型過于簡單化，不能解釋金屬晶體為什么有結合力，也不能解釋金屬晶體為什么有導體、絕緣體和半導體之分。隨著科學和生產的發展，主要是量子理論的發展，建立了能帶理論。

定域鍵

只存在于兩個原子之間的共價鍵。只包含定域鍵的多原子分子可以看成是由相對獨立的兩個原子之間的化學鍵把原子連接起來形成的，這是忽略了相鄰化學鍵的影響，而把描述雙原子分子中化學鍵的方法用到多原子分子的定域鍵上。如乙烯中有一個C-C和四個C-H σ鍵、一個C-Cπ鍵。定域鍵具有比較恒定的鍵性質。例如一定類型定域鍵的鍵長、鍵偶極矩、鍵極化度、鍵力常數、鍵能等在不同分子中近似保持不變。因此，分子的有關廣延性質可近似表示為相應的鍵性質之和。定域鍵的這種特點在化學中得到廣泛的應用，例如從鍵能計算分子的原子化能近似值。這種模型較好地反映了由鍵上電子云所確定的分子性質如鍵能、鍵長、鍵角、鍵偶極、鍵極化度等。這種圍繞兩個原子的分子軌道成為定域軌道。

極性鍵

在化合物分子中，不同種原子形成的共價鍵，由于兩個原子吸引電子的能力不同，共用電子對必然偏向吸引電子能力較強的原子一方，因而吸引電子能力較弱的原子一方相對的顯正電性。這樣的共價鍵叫做極性共價鍵，簡稱極性鍵。

舉例：HCl分子中的H-Cl鍵屬于極性鍵

有一個簡單的判斷極性鍵與非極性鍵的方法，比較形成該化合物中各原子的原子量，一般來說，相對原子質量越大的原子吸引電子能力更強。但是要注意，有極性鍵構成的化合物，不一定是極性化合物，例如甲烷，它就是有極性鍵的非極性分子（原因是正負電荷中心重合）。

非極性鍵

由同種元素的原子間形成的共價鍵，叫做非極性共價鍵。同種原子吸引共用電子對的能力相等，成鍵電子對勻稱地分布在兩核之間，不偏向任何一個原子，成鍵的原子都不顯電性。非極性鍵可存在于單質分子中（如H2中H—H鍵、O2中O=O鍵、N2中N≡N鍵），也可以存在于化合物分子中（如C2H2中的C—C鍵）。非極性鍵的鍵偶極矩為0。以非極性鍵結合形成的分子都是非極性分子。存在于非極性分子中的鍵并非都是非極性鍵，如果一個多原子分子在空間結構上的正電荷幾何中心和負電荷幾何中心重合，那么即使它由極性鍵組成，那么它也是非極性分子。由非極性鍵結合形成的晶體可以是原子晶體，也可以是混合型晶體或分子晶體。例如，碳單質有三類同素異形體：依靠C—C非極性鍵可以形成正四面體骨架型金剛石（原子晶體）、層型石墨（混合型晶體），也可以形成球型碳分子富勒烯C60（分子晶體）。

舉例：Cl2分子中的Cl-Cl鍵屬于非極性鍵

配位鍵

又稱配位共價鍵，是一種特殊的共價鍵。當共價鍵中共用的電子對是由其中一原子獨自供應時，就稱配位鍵。配位鍵形成后，就與一般共價鍵無異。成鍵的兩原子間共享的兩個電子不是由兩原子各提供一個，而是來自一個原子。例如氨和三氟化硼可以形成配位化合物：圖片式中→表示配位鍵。在F和B之間的一對電子來自N原子上的孤對電子。

五大類原子結合鍵

一

金屬鍵：價電子離域共享

電子海模型：正原子核被離域電子海（藍點）包圍

電子屬于整個“金屬大分子”所共有，不再屬于哪個原子（電子是離域的）

金屬與其他固體的區別是金屬中的電子會對外加電場、熱梯度以及入射光產生響應。這使得金屬具有高的電導率、熱導率和光學反射率。金屬具有正電阻率溫度系數，因此，金屬在溫度上升時，它的電導性變差。低濃度雜質合金化以后，純金屬的電導率總是下降。如上兩種情況對電導率影響的原因是增加了電子的散射，這一作用降低了外加電場方向上電子運動的凈分量。還有一個很有趣的現象，金屬薄膜與塊體之間的電學特性差別很小~~以薄膜形式出現的金屬薄膜應用的例子包括集成電路中的觸點和互連線，數據存儲中的鐵磁合金。金屬膜也可用于反射鏡、光學系統，以及封裝材料的裝飾與防護涂層和各種元件中。

二

共價鍵：價電子局域共享

現代電子學中，重要的半導體材料：硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個，它們組合成晶體靠共價鍵結合

三

離子鍵：價電子轉移

TIPS：離子鍵和共價鍵沒有明顯的界限

不過非常值得我們注意的一件事是“離子鍵和共價鍵沒有明顯的界限”，如上的討論是一種簡化了的模型，實際上任何所謂的極性共價鍵都含有離子鍵成分，不存在純粹絕對的離子鍵，任何離子鍵都含有原子軌道重疊的成分（即共價鍵成分）。

不論是離子鍵還是共價鍵，均利用的是電子進行成鍵不同的是，離子鍵中，以靜電力作為支撐通常沒有方向性。而共價鍵來源于共用電子對，具有方向性。電子是一團波是一個概率波，他不是一個單純的粒子。在空間中以的位置不是固定的，而是存在概率分布。對于共價鍵來說，電子集中分布在兩原子中間。這是有利于能量降低的。然而不可忽視的是，對于共價鍵，電子依然有概率完全集中在其中的一個原子上而形成離子。這只是一個概率問題。純粹的共價鍵一般來說認為是同原子分子，且沒有極性的那種。其電子云密度集中分布在兩原子之間?；旧蠜]有離子性。（實際上還是有，但是概率極低完全可以忽略）回到離子鍵上，雖然陰陽離子之間具有能壘，但是依然存在這么一個概率使得電子形成共用電子對成為共價鍵。電負性相差越大的陰陽離子其能壘越高，越不容易形成共價鍵，所以共價成分越低。例如：離子化合物氯化鈉晶體中的化學鍵含有71%的離子鍵成分和29%的共價鍵成分；而我們大名鼎鼎的強共價鍵化合物碳化硅，其共價鍵成分可達88%。

四

范德瓦爾茲鍵（范德華力）：分子間的引力

物理鍵（范德華力及氫鍵）是由分子之間的靜電引力而產生的力，稱為分子鍵。在物理鍵形成過程中，并沒有發生電子得失、電子共有和電子公有化，它是由于分子中電子分布不均勻而引起的分子間引力的結合。范德華鍵的特點是由分子間偶極吸引力所形成的物理鍵，其鍵力遠小于化學鍵，故鍵合力弱，熔點低，硬度低，材料穩定性差，易變形。范德華鍵是分子間偶極距所產生的靜電吸力將兩個分子結合在一起的力。范德華力是分子間力，由三種力組成：取向力（dipoleforce）、誘導力（inductionforce）和色散力（dispersionforce）。

熔沸點：對于組成和結構相似的分子，相對分子質量越大，物質的熔沸點越高（除H2O、HF、NH3）。例如：烷烴（CnH2n+2）的熔沸點隨著其相對分子質量的增加而增加，也是由于烷烴分子之間的范德華力增加所造成的。

溶解度：溶劑與溶質分子間力越大，溶質的溶解度越大。例如：273K，101kPa時，氧氣在水中的溶解量（0.049cm³·L^-1）比氮氣的溶解量（0.024cm³·L^-1）大，就是因為O₂與水分子之間的作用力比N₂與水分子之間的作用力大所導致的。在二維層狀材料領域，層內以強的共價鍵或離子鍵結合而成，而層與層之間依靠弱的范德華力堆疊在一起的一類新型材料。由于層間弱的相互作用力，在外力的作用下，層與層很容易相互剝離，從而可以形成二維層狀材料。最典型的例子就是石墨烯。

五

氫鍵

例如：二個水分子間的氫鍵力

氫鍵雖然是一種弱鍵，但由于它的存在，物質的性質出現了反?，F象，在形狀結構等方面受到了很大的影響。氫鍵由于廣泛存在與化合物中，因此在研究化合物的性能時，氫鍵起著重要的作用。氫鍵的鍵能介于共價鍵和范德華力之間，其鍵能小，形成或破壞所需的活化能也小，加上形成氫鍵的結構條件比較靈活，特別容易在常溫下引起反應和變化，故氫鍵是影響化合物性質的一個重要因素。

氫鍵在材料領域中應用：液晶材料領域是氫鍵應用研究較早較多的領域。分子間氫鍵具有良好的熱穩定性，既能使不具有液晶行為的質子給體和受體形成的氫鍵復合物呈現液晶性，也可改變原質子給體和受體的液晶行為。雖然氫鍵鍵能較弱，給其復合物穩定性帶來不利影響，但它的適當弱化，反而使得氫鍵液晶高分子具有獨特的動力學性質，尤其是對溫度的變化具有可逆響應性能，為其在感應材料制備方面的應用提供了廣闊的空間。氫鍵的動態可逆特性，基于氫鍵相互作用的超分子液晶體系具有信息儲存功能、質量或電荷傳輸性以及分子傳感等諸多動態特性。

結合能與材料性能

共價鍵、離子鍵的鍵能大，金屬鍵的鍵能次之;范德華鍵的鍵能最小，遠小于三種化學鍵的結合能。

不同結合鍵能的大小

一

熔點

熔點與鍵能有較好的對應關系。離子鍵和共價鍵的化合物熔點高，其中純共價鍵的金剛石具有最高的熔點；某些金屬如W、Ta等也存在相當部分的共價鍵，故熔點高；普通金屬材料的熔點相對較低。離子鍵結合能大，故陶瓷材料比金屬材料具有更高的熱穩定性，耐高溫性好。物理鍵結合的材料熔點較小，如線性高分子材料，因有大量的物理鍵，其熔點很低，耐熱性較差。

聚氯乙烯（PVC）大分子鏈之間的氫鍵力

二

密度

材料的密度與結合鍵類型關系密切。金屬材料如Pb、Ag、Cu等元素的密度高，這是因為：一是金屬原子質量大；二是金屬鍵的結合方式沒有方向性，原子趨于緊密排列，得到簡單的原子排列形態。離子鍵和共價鍵結合的原子，相鄰原子的個數受到共價鍵數目的限制，離子鍵結合還要滿足正、負離子間電荷之間的平衡，原子不可能緊密堆積，而且存在空洞缺陷，故陶瓷材料密度小。高分子材料的組成元素主要是C、H，質量小，且分子鏈間是物理鍵結合，堆積不緊密，密度就更小。

三

導電、導熱性

金屬鍵有大量自由電子的運動和離子的振動，使金屬材料具有良好的導熱性和導電性。陶瓷材料和高分子材料由于無自由電子存在，固態下基本不導電，成為一種絕緣材料。