(完整版)固體物理固體的結(jié)合總結(jié)完全版

1、第三章固體的結(jié)合一、基本要求1、掌握晶體結(jié)合能的概念；晶體內(nèi)能與原子間作用力的一般特點(diǎn)及其與晶格常數(shù)、體彈性模量、抗張強(qiáng)度的關(guān)系。2、掌握晶體結(jié)合的基本類型及相應(yīng)晶體的基本性質(zhì)；各種結(jié)合類型結(jié)合能的表示。3、熟悉原子的負(fù)電性以及元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性。二、基本概念晶體結(jié)合能，電負(fù)性，電離能，親和能，離子晶體，離子性結(jié)合，共價(jià)晶體，共價(jià)結(jié)合，成鍵態(tài)，反鍵態(tài)，軌道雜化，極性鍵，非極性鍵，金屬，金屬鍵，分子晶體，分子性結(jié)合，氫鍵晶體，氫鍵。三、重點(diǎn)、難點(diǎn)晶體結(jié)合能與內(nèi)能的關(guān)系，互作用勢(shì)能的關(guān)系，由晶體結(jié)合能得到的物理常數(shù)，成鍵態(tài)，反鍵態(tài)，五種晶體結(jié)合類型與其性質(zhì)四、本章構(gòu)架bN0du(r)dr

2、1定義：分散的原子(離子或分子)在結(jié)合成穩(wěn)定晶體的過(guò)程中，所釋放出來(lái)的能量，稱為晶體的結(jié)合能2內(nèi)能：如果以組成晶體的N個(gè)原子處于自由狀態(tài)的能量作為能量的零點(diǎn)，則一E就是晶體b的內(nèi)能。(當(dāng)動(dòng)能=0時(shí)，內(nèi)能=勢(shì)能=E=En-E3.互作用力與互作用勢(shì)：沖、f(r)=4.結(jié)合能的一般形式兩個(gè)原子之間的互作用勢(shì)能:u(r)=ArmB+-rn厶匕能晶體的總的相互作用勢(shì)：u(r)二N丈u(r)離性結(jié)合21jj=2(jH1j=2,3,N)(式中r代表最近鄰的兩原子間的距離。)5.由U(r)可求出晶體的某些物理常數(shù)aU(r),c晶格常數(shù)：令I(lǐng)=0，求得r即為晶格常熟drr=r00體彈性模量：當(dāng)對(duì)晶體施加一定壓強(qiáng)

3、時(shí)，晶體體積有所改變，這種性質(zhì)用壓縮系數(shù)(K)或體彈性模量(k)來(lái)描述。K=丄=V(d2U)KdV2QU(在T=0時(shí)，晶體的平衡體積為VO，則K0=-(為唇抗張強(qiáng)度：晶體所能承受的最大張力即為抗張強(qiáng)度。|Pm=-Pm=(dU(r)dVv=Vm離子鍵：異性離子間的互作用力稱為離子鍵。1(2)離子性結(jié)合：當(dāng)電離能較小的容易放出最外層的電子而成正離子金屬原子與電子親合能較大的容易接受前者放出的電子而變成負(fù)離子非金屬原子相互接近時(shí)，出現(xiàn)正、負(fù)離子間的庫(kù)侖作用，從而結(jié)合在一起。離子性結(jié)合的特點(diǎn)：以離子為結(jié)合單元，靠正負(fù)離子之間的庫(kù)侖引力作用結(jié)合成晶體。離子晶體中正、負(fù)離子是相間排列的，使異號(hào)離子之間的吸

4、引作用強(qiáng)于同號(hào)離子之間的排斥作用，庫(kù)侖作用的總效果是吸引的，晶體勢(shì)能可達(dá)到最低值而使晶體穩(wěn)定。由于正、負(fù)離子的相對(duì)大小的差異，其結(jié)構(gòu)形式和配位數(shù)也有所差異。離子晶體:靠離子性結(jié)合的晶體稱為離子晶體或極性晶體。離子晶體的特點(diǎn)：離子晶體主要依靠較強(qiáng)的庫(kù)侖引力而結(jié)合，故結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，結(jié)合能很大，這導(dǎo)致了離子晶體熔點(diǎn)高、硬度大、膨脹系數(shù)小。由于離子的滿殼層結(jié)構(gòu)，使得這種晶體的電子導(dǎo)電性差，但在高溫下可發(fā)生離子導(dǎo)電，電導(dǎo)率隨溫度升高而加大。C.離子晶體的構(gòu)成粒子是帶電的離子，這種特點(diǎn)使該種晶體易于產(chǎn)生宏觀極化，與電磁波作用強(qiáng)烈。大多數(shù)離子晶體對(duì)可見(jiàn)光是透明的在遠(yuǎn)紅外區(qū)有一特征吸收峰。離子晶體的結(jié)合能(以N

5、aCl晶體為例。庫(kù)侖能一個(gè)離子的平均庫(kù)侖能為：2Zq2(l)ni+n2+n3n1n2n34k8(n2r2+n2r2+n2r2)i/2一對(duì)離子或一個(gè)原胞的能量為：q2(-1)ni+氣+氣aq24ksr0nnn123(n2+n2+n2)1/21234ksr0固體的結(jié)合晶體的結(jié)合類型共價(jià)結(jié)合(其中，a稱為馬德龍常數(shù)。)b.排斥能每對(duì)離子的平均排斥能為6b/rn系統(tǒng)的內(nèi)能u=N_aq2+6b=N_+4ksrrnrrn0由內(nèi)能函數(shù)可以確定離子晶體的某些物理常數(shù)(n一l)aq2對(duì)于平衡晶體，體彈性模量為K=-4兀x18r400.結(jié)合能為w=_U(r)=旦(1-1)=止(1-104冗rn4兀rn0000共價(jià)

6、結(jié)合：對(duì)電子束縛能力相同或相近的兩個(gè)原子，彼此靠近時(shí)，各自貢獻(xiàn)一個(gè)電子，為兩個(gè)原子共有，使其結(jié)合在一起，這種結(jié)合稱為共價(jià)結(jié)合。共價(jià)鍵：能把兩個(gè)原子結(jié)合在一起的一對(duì)為兩個(gè)原子共有的自旋相反配對(duì)的電子結(jié)構(gòu)，稱為共價(jià)鍵共價(jià)結(jié)合的特征飽和性：指一個(gè)原子只能形成一定數(shù)目的共價(jià)鍵方向性：指原子只在特定的方向上形成共價(jià)鍵。共價(jià)晶體：以共價(jià)結(jié)合的晶體稱為共價(jià)晶體。共價(jià)晶體的特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高，硬度高，低溫導(dǎo)電性差。成鍵態(tài)和反鍵態(tài)成鍵態(tài)：電子云密集在兩個(gè)原子核之間，同時(shí)受到兩個(gè)原子核的庫(kù)侖吸引作用，使成鍵態(tài)能量低于原子能級(jí)。成鍵態(tài)上可以填充正、反自旋的兩個(gè)電子，這兩個(gè)電子形成所謂的共價(jià)鍵。反鍵態(tài)：能量高于原子能級(jí)。

7、軌道雜化：能量低狀態(tài)躍遷到高能態(tài)，增加未配對(duì)的電子，產(chǎn)生更多的共價(jià)鍵，使晶體更穩(wěn)定。極性鍵與非極性鍵I非極性鍵：電負(fù)性相同的同種元素原子間形成共價(jià)鍵時(shí)，由于對(duì)電子的吸引力相同，成鍵后的配對(duì)電子密度主要出現(xiàn)在兩原子的中間，電子在各個(gè)原子處出現(xiàn)的幾率(概率)相同，因此兩個(gè)原子間不會(huì)有偶極矩產(chǎn)生。故稱這種共價(jià)鍵為非極性鍵。極性鍵：不同元素的原子間形成共價(jià)鍵時(shí)，由于兩個(gè)原子的電負(fù)性不相同，它們對(duì)電子的吸引力不相同，成鍵后的配對(duì)電子密度偏向電負(fù)性大的原子一邊，電子在電負(fù)性比較大的原子一方的出現(xiàn)概率大。這種共價(jià)鍵常伴有電偶極矩的出現(xiàn)，稱為極性鍵。(9)電離度pp1九2f=AB=ip+p1+X2ABPA、P

8、b分別表示電子在原子A和原子B上的幾率。顯然，對(duì)于完全共價(jià)結(jié)合(入=1),2=0;對(duì)于完全離子結(jié)合(入=0),fi=1o當(dāng)結(jié)合性質(zhì)為部分離子、部分共價(jià)時(shí)，fj介于0與1之間。fj數(shù)值越大，表明離子性越強(qiáng)。1金屬性結(jié)合金屬性結(jié)合：原子在結(jié)合成晶體時(shí)，原來(lái)分屬各自原子的價(jià)電子不再束縛于其本身，而為所有“原子實(shí)”所共有，于是，共有化電子形成的電子云和浸在這個(gè)負(fù)電子云中的帶正電的原子實(shí)之間出現(xiàn)庫(kù)侖作用，原子越緊密，勢(shì)能越低，從而把原子聚合在一起。這樣的結(jié)合稱為金屬性結(jié)合。金屬鍵：以原子實(shí)和電子云之間的庫(kù)侖力為結(jié)合力，稱為金屬鍵金屬性結(jié)合的特點(diǎn)：電子的“共有化”金屬晶體：當(dāng)原子間距達(dá)到某一值時(shí)，排斥力等

9、于庫(kù)侖引力，達(dá)到平衡，形成晶體，即金屬晶體金屬晶體的性質(zhì)金屬性結(jié)合是一種較強(qiáng)的結(jié)合，結(jié)合能約為105106焦耳/摩爾，并且由于配位數(shù)較高，所以金屬一般具有穩(wěn)定、密度大熔點(diǎn)高的特點(diǎn)。由于金屬中價(jià)電子的共有化，所以金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，具有光澤。金屬結(jié)合是一種體積效應(yīng)，對(duì)原子排列沒(méi)有特殊要求，故在外力作用下容易造成原子排列的不規(guī)則性及重新排列，從而表現(xiàn)出很大的范性及延展性，容易進(jìn)行機(jī)械加工。分子性結(jié)合：對(duì)原來(lái)就具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的分子，例如，具有滿殼層結(jié)構(gòu)的惰性氣體分子，或價(jià)電子已用于形成共價(jià)鍵的飽和分子，它們?cè)诮Y(jié)合時(shí)，基本上保持原來(lái)的電子結(jié)構(gòu)。它們的結(jié)合，是由于分子間的范德瓦爾斯力的作用，稱為范

10、德瓦爾斯結(jié)合，也稱為分子性結(jié)合分子鍵：這種結(jié)合的單元是分子，它們之間的范德瓦爾斯力,即分子力，稱為范德瓦爾斯鍵，或分子鍵分子力來(lái)源:是原子中電荷漲落產(chǎn)生的瞬時(shí)電偶極矩所導(dǎo)致的吸引相互作用。雷納德瓊斯勢(shì)u(r)=48()12-()6rr(其中E和。是新的參數(shù)，是令48Q6=A,4eoi2=B而引氫入的。)氫鍵:由于氫原子的獨(dú)特情況，有些氫的化合物晶體中呈現(xiàn)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，即氫原子可以同時(shí)和兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑很小的原子相結(jié)合。這種特殊的結(jié)合稱為氫鍵氫鍵晶體性質(zhì)：熔點(diǎn)和沸點(diǎn)介于離子晶體和分子晶體之間，密度小，有許多分子聚合的趨勢(shì)，介電系數(shù)大。廣(1)電離能定義：使基態(tài)原子失去一個(gè)電子所必需的能量稱

11、為原子的電離能。從原子中移去第一個(gè)電子所需要的能量稱為第一電離能。從+1價(jià)離子中再移去一個(gè)電子所需要的能量為第二電離能。由于形成+i價(jià)正離子后,核電場(chǎng)對(duì)電子的有效吸引加強(qiáng)和離子半徑變小,所以第二電離能一定大于第一電離能。)概念：電離能的大小可以衡量原子對(duì)價(jià)電子的束縛強(qiáng)弱。變化趨勢(shì)：在一個(gè)周期內(nèi)從左到右，電離能不斷增加。原子的電負(fù)性親和能:定義：一個(gè)基態(tài)中性原子獲得一個(gè)電子成為負(fù)離子時(shí)所放出的能量，稱為親和能。概念：親和能的大小衡量原子俘獲外來(lái)電子的能力。變化趨勢(shì)：電子親和能一般隨原子半徑的減小而增大。原子負(fù)電性：穆力肯定義：負(fù)電性=0.18(電離能+親合能概念：原子負(fù)電性是用來(lái)標(biāo)志原子得失電子

12、能力的物理量，綜合表示原子對(duì)電子束縛能力的強(qiáng)弱變化趨勢(shì)：a.在同一周期內(nèi)，負(fù)電性從左到右逐漸增強(qiáng);在同一族內(nèi)，負(fù)電性從上到下逐漸減??；d.泡林與穆力肯所定義的電負(fù)性相當(dāng)接近。周期表中越靠下，同一周期內(nèi)負(fù)電性的差別越小。元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性當(dāng)負(fù)電性較小的同種原子結(jié)合成晶體時(shí)，因價(jià)電子容易脫離原子，故形成金屬晶體。負(fù)電性較大的同種原子結(jié)合成晶體時(shí)，常形成共價(jià)鍵。即族元素(惰性元素)只能依靠分子鍵構(gòu)成分子晶體。當(dāng)兩種不同性質(zhì)的原子相互結(jié)合時(shí)，如果兩種原子的負(fù)電性相差很大，則形成離子晶體；如果兩種原子的負(fù)電性都比較小，則形成合金；如果兩種原子的負(fù)電性都比較大，則形成共價(jià)鍵。五、基本內(nèi)容3-1晶

13、體結(jié)合能與結(jié)合力的一般性質(zhì)1、晶體的結(jié)合能定義：分散的原子（離子或分子）在結(jié)合成穩(wěn)定晶體的過(guò)程中，所釋放出來(lái)的能量，稱為晶體的結(jié)合能。晶體的內(nèi)能：如果以組成晶體的N個(gè)原子處于自由狀態(tài)的能量作為能量的零點(diǎn)，則一Eb就是晶體的內(nèi)能內(nèi)能與體積關(guān)系：由于原子間的力與距離有關(guān)，所以當(dāng)晶體的體積變化時(shí)，晶體的內(nèi)能也要發(fā)生變化，即晶體的內(nèi)能是體積的函數(shù)?；プ饔玫姆诸惥w中原子（粒子）之間的相互作用可分為兩大類型：吸引作用在遠(yuǎn)距離是主要的排斥作用在近距離是主要的在某一適當(dāng)?shù)木嚯x，兩種作用相互抵消，使晶格處于穩(wěn)定狀態(tài)。互作用的原因吸引作用是由于電荷之間的庫(kù)侖引力；排斥作用的來(lái)源有兩個(gè)方面：一方面是同性電荷之間的

14、庫(kù)侖力斥力，另一方面是泡利原理所引起的排斥力。（1）所示。互作用力如圖（2）所示。由勢(shì)能u（r）可以計(jì)算原子之間的互作用力f（r）=由圖（2）可以看出：當(dāng)兩原子之間的距離無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，能量為零，作用力為零；當(dāng)兩原子逐漸靠近時(shí)，能量為負(fù)且絕對(duì)值逐漸增大，原子間產(chǎn)生吸引力；當(dāng)原子間距很小時(shí)，作用力成為排斥力。并且力的大小及能量u都隨著r的進(jìn)一步減小而急劇上升。兩個(gè)原子之間的互作用勢(shì)AB兩個(gè)原子之間的互作用勢(shì)能?？捎媚缓瘮?shù)來(lái)表示：u（r）=-+B由晶體的結(jié)合能所得到的物理常量rmrn晶格常數(shù)當(dāng)粒子結(jié)合成穩(wěn)定的晶體時(shí)，勢(shì)能U(r)應(yīng)處于極小值。因而由U(r)的極小值的條件|=0drr=r0可求出晶格常數(shù)r

15、0，即晶體中粒子之間的最小距離。體彈性模量定義1(av)K=_一()vapt抗張強(qiáng)度IPm1=_Pm=(aU)avV=V”，3-2原子的電負(fù)性1、電離能定義：使基態(tài)原子失去一個(gè)電子所需的能量稱為原子的電離能。第一電離能：從原子中移去第一個(gè)電子所需要的能量。第二電離能：從1價(jià)離子中再移去一個(gè)電子所需要的能量為。(由于形成+1價(jià)正離子后，核電場(chǎng)對(duì)電子的有效吸引加強(qiáng)和離子半徑變小，所以第二電離能一定大于第一電離能。)物理意義：電離能的大小可以衡量原子對(duì)價(jià)電子的束縛強(qiáng)弱。變化趨勢(shì)：在一個(gè)周期內(nèi)從左到右，電離能不斷增加。變化趨勢(shì)：在一個(gè)周期內(nèi)從左到右，電離能不斷增加。2、原子負(fù)電性：穆力肯定義：負(fù)電性=

16、0.18(電離能+親合能)物理意義：原子負(fù)電性是用來(lái)標(biāo)志原子得失電子能力的物理量，綜合表示原子對(duì)電子束縛能力的強(qiáng)弱。變化趨勢(shì)：在同一周期內(nèi)，負(fù)電性從左到右逐漸增強(qiáng)；在同一族內(nèi)，負(fù)電性從上到下逐漸減?。恢芷诒碇性娇肯?，同一周期內(nèi)負(fù)電性的差別越小泡林與穆力肯所定義的電負(fù)性相當(dāng)接近。3-3離子性結(jié)合離子鍵：異性離子間的互作用力稱為離子鍵。離子性結(jié)合：當(dāng)電離能較小的容易放出最外層的電子而成正離子金屬原子與電子親合能較大的容易接受前者放出的電子而變成負(fù)離子非金屬原子相互接近時(shí)，出現(xiàn)正、負(fù)離子間的庫(kù)侖作用，從而結(jié)合在一起。離子性結(jié)合的特點(diǎn)：（1）以離子為結(jié)合單元，靠正負(fù)離子之間的庫(kù)侖引力作用結(jié)合成晶體。（

17、2）離子晶體中正、負(fù)離子是相間排列的，使異號(hào)離子之間的吸引作用強(qiáng)于同號(hào)離子之間的排斥作用，庫(kù)侖作用的總效果是吸引的，晶體勢(shì)能可達(dá)到最低值而使晶體穩(wěn)定。（3）由于正、負(fù)離子的相對(duì)大小的差異，其結(jié)構(gòu)形式和配位數(shù)也有所差異。離子晶體:靠離子性結(jié)合的晶體稱為離子晶體或極性晶體。離子晶體的特點(diǎn)：（1）離子晶體主要依靠較強(qiáng)的庫(kù)侖引力而結(jié)合，故結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，結(jié)合能很大，這導(dǎo)致了離子晶體熔點(diǎn)高、硬度大、膨脹系數(shù)小。離子晶體的特點(diǎn)（2）由于離子的滿殼層結(jié)構(gòu)，使得這種晶體的電子導(dǎo)電性差，但在高溫下可發(fā)生離子導(dǎo)電，電導(dǎo)率隨溫度升高而加大。（3）離子晶體的構(gòu)成粒子是帶電的離子，這種特點(diǎn)使該種晶體易于產(chǎn)生宏觀極化，與電磁

18、波作用強(qiáng)烈。大多數(shù)離子晶體對(duì)可見(jiàn)光是透明的，在遠(yuǎn)紅外區(qū)有一特征吸收峰。離子晶體的結(jié)合能（以NaCl晶體為例。）（1）庫(kù)侖能1一個(gè)離子的平均庫(kù)侖能為：-Z2n1n2n3q2(1)ni+n2+5(n2r2+n2r2012+n2r2)i/23q2(一1)竹+n2+n3aq2一對(duì)離子或原胞的能量為：五亍0其中，a稱為馬德龍常數(shù)。（2）排斥能n1n2n3(n2+n2+n2)1/2123每對(duì)離子的平均排斥能為6b/rn3）系統(tǒng)的內(nèi)能U二N-4兀r06brn二N仝+蘭rrnaq2苴中A=其中4兀0B=6b（4）由內(nèi)能函數(shù)可以確定離子晶體的某些物理常數(shù)a.對(duì)于平衡晶體，體彈性模量為/K二（n-gq24兀x18

19、r400NA1Naq21b.結(jié)合能為W=U(r)二(1)二(1)04庇rn4庇rn00003-4共價(jià)晶體共價(jià)晶體及其特點(diǎn)共價(jià)晶體:共價(jià)結(jié)合的晶體共價(jià)晶體的特點(diǎn)是：熔點(diǎn)高，硬度高，低溫導(dǎo)電性差。共價(jià)結(jié)合和共價(jià)鍵對(duì)電子束縛能力相同或相近的兩個(gè)原子，彼此靠近時(shí)，各自貢獻(xiàn)一個(gè)電子，為兩個(gè)原子共有，使其結(jié)合在一起，這種結(jié)合稱為共價(jià)結(jié)合。能把兩個(gè)原子結(jié)合在一起的一對(duì)為兩個(gè)原子共有的自旋相反配對(duì)的電子結(jié)構(gòu)，稱為共價(jià)鍵(3)成鍵態(tài)和反鍵態(tài)成鍵態(tài)：電子云密集在兩個(gè)原子核之間，同時(shí)受到兩個(gè)原子核的庫(kù)侖吸引作用，使成鍵態(tài)能量低于原子能級(jí)。成鍵態(tài)上可以填充正、反自旋的兩個(gè)電子，這兩個(gè)電子形成所謂的共價(jià)鍵。反鍵態(tài)：能量

20、高于原子能級(jí)。反鍵態(tài)能級(jí)能量成鍵態(tài)能級(jí)(4)共價(jià)結(jié)合的特征兩個(gè)基本特征：飽和性和方向性。飽和性：指一個(gè)原子只能形成一定數(shù)目的共價(jià)鍵。由泡利不相容原理，當(dāng)原子中的電子一旦配對(duì)后，便不能再與第三個(gè)電子配對(duì)。因此當(dāng)一個(gè)原子與其它原子結(jié)合時(shí)，能夠結(jié)合成共價(jià)鍵的數(shù)目有一個(gè)最大值，這個(gè)最大值取決于它所含的未配對(duì)的電子數(shù)。這個(gè)特性稱為共價(jià)鍵的飽和性。共價(jià)鍵的數(shù)目符合所謂的8N定則*,N指價(jià)電子數(shù)。(8N定則：共價(jià)結(jié)合時(shí)，原子的價(jià)電子的殼層是由一個(gè)ns軌道和3個(gè)np軌道組成，考慮到電子的兩種自旋，共包含8個(gè)量子態(tài)，價(jià)電子殼層為半滿或超過(guò)半滿時(shí)，未配對(duì)的電子數(shù)實(shí)際上確定于未填充的量子態(tài)，因此等于8No)方向性：

21、指原子只在特定的方向上形成共價(jià)鍵。當(dāng)兩原子未配對(duì)的自旋相反的電子結(jié)合成共價(jià)鍵后，電子云就會(huì)發(fā)生交疊，而且共價(jià)鍵結(jié)合得越緊密，相應(yīng)的電子云交疊的也越厲害。物理本質(zhì):兩原子在以共價(jià)鍵結(jié)合時(shí)，必定選取盡可能使其電子云密度為最大的方位，也就是電子的波函數(shù)為最大的方向。AOverlapoftwo5orbitalstoformbondingandantibondingqorbitals(7(mntitKinding)a(bonding)(5)軌道雜化金剛石的sp3雜化。碳原子有6個(gè)電子，基態(tài)1s和2s填充了4個(gè)電子，余下的2個(gè)填充在2p態(tài)，這時(shí)只有兩個(gè)未配對(duì)的電子；要形成4個(gè)共價(jià)鍵，則要把2s態(tài)的兩個(gè)電子

22、波函數(shù)與2p態(tài)的電子波函數(shù)組成4個(gè)新的電子狀態(tài)，使這四個(gè)電子都成為未配對(duì)的電子，可以形成共價(jià)鍵。碳原子的雜化軌道4個(gè)電子分別占據(jù)一個(gè)新軌道，在四面體頂角方向形成四個(gè)共價(jià)鍵，這就是所謂的軌道雜化，也稱為sp3雜化。雜化軌道需要一定的能量，但雜化后成鍵數(shù)目增多，成鍵能力增強(qiáng)，形成共價(jià)鍵時(shí)能量的下降足以補(bǔ)償軌道雜化的能量。極性鍵與非極性鍵非極性鍵：電負(fù)性相同的同種元素原子間形成共價(jià)鍵時(shí)，由于對(duì)電子的吸引力相同，成鍵后的配對(duì)電子密度主要出現(xiàn)在兩原子的中間，電子在各個(gè)原子處出現(xiàn)的幾率(概率)相同，因此兩個(gè)原子間不會(huì)有偶極矩產(chǎn)生。故稱這種共價(jià)鍵為非極性鍵。極性鍵：不同元素的原子間形成共價(jià)鍵時(shí)，由于兩個(gè)原子

23、的電負(fù)性不相同，它們對(duì)電子的吸引力不相同，成鍵后的配對(duì)電子密度偏向電負(fù)性大的原子一邊，電子在電負(fù)性比較大的原子一方的出現(xiàn)概率大。這種共價(jià)鍵常伴有電偶極矩的出現(xiàn)，稱為極性鍵。電離度共價(jià)結(jié)合中離子性的成分可以用電離度f(wàn)i來(lái)描述：卡森定義方式：rp-p1-X2f=AB=ip+p1+九2ABPA、PB分別表示電子在原子A和原子B上的幾率。顯然，對(duì)于完全共價(jià)結(jié)合(入=1)，f=0;對(duì)于完全離子結(jié)合(入=0)，f=1。當(dāng)結(jié)合性質(zhì)為部分離子、部分共價(jià)時(shí)，f介于0與1之間。fi數(shù)值越大，表明離子性越強(qiáng)。3-5金屬、分子晶體以及氫鍵晶體一、金屬1、金屬性結(jié)合與金屬鍵金屬性結(jié)合：基本特點(diǎn)電子的“共有化”原子在結(jié)合

24、成晶體時(shí)，原來(lái)分屬各自原子的價(jià)電子不再束縛于其本身，而為所有“原子實(shí)”所共有，于是，共有化電子形成的電子云和浸在這個(gè)負(fù)電子云中的帶正電的原子實(shí)之間出現(xiàn)庫(kù)侖作用，原子越緊密，勢(shì)能越低，從而把原子聚合在一起。這樣的結(jié)合稱為金屬性結(jié)合。金屬鍵:以原子實(shí)和電子云之間的庫(kù)侖力為結(jié)合力，稱為金屬鍵2、金屬晶體的形成過(guò)程在金屬性結(jié)合時(shí)，一方面有負(fù)電子云和帶正電的原子實(shí)之間的庫(kù)侖作用，使其排列緊密；另一方面，由于距離的不斷減小，還會(huì)出現(xiàn)排斥作用，其來(lái)源有二：一是共有化電子云密度增加的同時(shí)，動(dòng)能也將增加(動(dòng)能正比于電子云密度的三分之二次方)，二是當(dāng)原子實(shí)相互靠近到它們的電子云發(fā)生顯著交疊時(shí)，也將產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥作

25、用。當(dāng)原子間距達(dá)到某一值時(shí)，排斥力等于庫(kù)侖引力，達(dá)到平衡，形成晶體，即金屬晶體。3、金屬晶體的性質(zhì)金屬性結(jié)合是一種較強(qiáng)的結(jié)合，結(jié)合能約為105106焦耳/摩爾，并且由于配位數(shù)較高，所以金屬一般具有穩(wěn)定、密度大、熔點(diǎn)高的特點(diǎn)。由于金屬中價(jià)電子的共有化，所以金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，具有光澤。金屬結(jié)合是一種體積效應(yīng)，對(duì)原子排列沒(méi)有特殊要求，故在外力作用下容易造成原子排列的不規(guī)則性及重新排列，從而表現(xiàn)出很大的范性及延展性，容易進(jìn)行機(jī)械加工。二、分子晶體1、分子性結(jié)合與分子鍵分子性結(jié)合：對(duì)原來(lái)就具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的分子，例如，具有滿殼層結(jié)構(gòu)的惰性氣體分子，或價(jià)電子已用于形成共價(jià)鍵的飽和分子，它們?cè)诮Y(jié)合時(shí)，

26、基本上保持原來(lái)的電子結(jié)構(gòu)。它們的結(jié)合，是由于分子間的范德瓦爾斯力的作用，稱為范德瓦爾斯結(jié)合，也稱為分子性結(jié)合。分子鍵：這種結(jié)合的單元是分子，它們之間的范德瓦爾斯力，即分子力，稱為范德瓦爾斯鍵，或分子鍵。2、分子力的來(lái)源分子力來(lái)源于分子的電偶極矩。對(duì)于電子云是球?qū)ΨQ分布的惰性氣體原子，原子的平均電偶極矩為零，但在某一瞬時(shí)，由于核周圍電子運(yùn)動(dòng)的漲落，可以有瞬時(shí)電偶極矩。設(shè)原子1的瞬時(shí)電偶極矩為pl，在距離r處產(chǎn)生的電場(chǎng)E正比于p1/r3。在這個(gè)電場(chǎng)作用下，另一原子(原子2)被極化，感生電偶極矩為p=aE二鳴其中a是原子的極化率。兩個(gè)偶極矩之間的作用能為紐=罟r3r6這就是范德瓦耳斯力的來(lái)源，是原子

27、中電荷漲落產(chǎn)生的瞬時(shí)電偶極矩所導(dǎo)致的吸引相互作u(r)=-+r6Br12其中B/ri2表示重疊排斥作用，這種形式可以滿意地解釋有關(guān)惰性氣體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。人、B是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，都是正數(shù)。原子間的相互作用勢(shì)，通常采用的形式是u(r)二48()12-()6rr雷納德瓊斯勢(shì)稱為雷納德一瓊斯勢(shì)。其中和。是新的參數(shù)，是令4O6=A,4Oi2=B而引入的。惰性氣體晶體的結(jié)合能就是晶體內(nèi)所有原子對(duì)之間雷納德一瓊斯勢(shì)之和。如果晶體內(nèi)含有N個(gè)原子，總的勢(shì)能就是U=-N(48)A(-)12-A(-)6212r6r1/2因子是考慮到互作用為兩原子共有，r表示最近鄰原子之間的距離,A12與A6是與晶格結(jié)構(gòu)有關(guān)的晶格求和常數(shù)。

28、由晶格的勢(shì)能函數(shù)可以確定晶格常數(shù)、結(jié)合能以及體變模量。4、分子晶體的性質(zhì)由于分子力而使原來(lái)具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的分子而結(jié)合成的晶體，稱為分子晶體。典型的分子晶體有：哪族元素在低溫下形成的晶體，大部分有機(jī)化合物晶體，以及C02，S02，HCI等晶體。分子晶體的結(jié)合很弱，導(dǎo)致熔點(diǎn)低，硬度低，多為透明的絕緣體?？?H分子晶體：例如c60晶體二、氫鍵晶體由于氫原子的獨(dú)特情況，有些氫的化合物晶體中呈現(xiàn)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，即氫原子可以同時(shí)和兩個(gè)電負(fù)性很大而原子半徑很小的原子相結(jié)合。這種特殊的結(jié)合稱為氫鍵。氫原子通常先與電負(fù)性大的原子A形成共價(jià)結(jié)合；形成共價(jià)鍵后，原來(lái)球?qū)ΨQ的電子云分布偏向了A原子方向，使氫核和負(fù)電中心

29、不再重合，產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。此時(shí)呈正電性的氫核一端可以通過(guò)庫(kù)侖力與另一個(gè)電負(fù)性較大的B原子相結(jié)合。這種結(jié)合可以表示為A-HB,H與A距離近，作用強(qiáng)，與B的距離稍遠(yuǎn)，結(jié)合力相對(duì)較弱。冰是典型的氫鍵晶體。氫原子的電子參與形成共價(jià)鍵后，裸露的氫核與另一負(fù)電性較大的原子通過(guò)靜電作用相互結(jié)合。晶體的結(jié)合類型和元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律總結(jié)力合結(jié)點(diǎn)特成形能合結(jié)離子品體a定相侖引穩(wěn)子庫(kù)吸期如異之釦周兩壟子結(jié)強(qiáng)3共-液化方議rJ金:體電度原故和1Na囂Fe7較-鍵一分于晶體一易原九、對(duì)求It子右性之歸表電子性期負(fù)原奇惰周方的結(jié)氣體有物T晶合惰體Ar機(jī)晶L評(píng)一點(diǎn)體曲合加氫嶂于和負(fù)電性很大的原于（）,F.N,CO結(jié)

30、合羽成一個(gè)構(gòu)適基荒冰H.FH：N一霸7鍵四、元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性1當(dāng)負(fù)電性較小的同種原子結(jié)合成晶體時(shí)，因價(jià)電子容易脫離原子，故形成金屬晶體2負(fù)電性較大的同種原子結(jié)合成晶體時(shí)，常形成共價(jià)鍵。3哪族元素（惰性元素）只能依靠分子鍵構(gòu)成分子晶體。4當(dāng)兩種不同性質(zhì)的原子相互結(jié)合時(shí)，如果兩種原子的負(fù)電性相差很大，則形成離子晶體；如果兩種原子的負(fù)電性都比較小，則形成合金；如果兩種原子的負(fù)電性都比較大，則形成共價(jià)鍵。六、典型例題1、兩種一價(jià)離子組成的一維晶格的馬德隆常數(shù)（a=21n2）和庫(kù)侖相互作用能,設(shè)離子的總數(shù)為2N。V解設(shè)想一個(gè)由正負(fù)兩種離子相間排列的無(wú)限長(zhǎng)的離子鍵，取任一負(fù)離子作參考離子（這樣

31、馬德隆常數(shù)中的正負(fù)號(hào)可以這樣取,即遇正離子取正號(hào),遇負(fù)離子取負(fù)號(hào)），用r表示相鄰離子間的距離，于是有TOC o 1-5 h za，(1)1111.=工=2+.rrr2r3r4rjij前邊的因子2是因?yàn)榇嬖谥鴥蓚€(gè)相等距離r的離子，一個(gè)在參考離子左面，一個(gè)i在其右面，故對(duì)一邊求和后要乘2，馬德隆常數(shù)為-a=21+234x2x3x4Ql(1+x)=x+.nx34/.a=2l2n111ax=i時(shí)，有i-+-+.二12234n2、若一晶體的相互作用能可以表示為u(r)二-rmrn試求：（1）平衡間距r；0（2）結(jié)合能W（單個(gè)原子的）;（3）體彈性模量；若取m=2,n=10,r=3A,W=4eV，計(jì)算a及

32、0的值。0解：（1）求平衡間距r有：由du(r)drr=r0man01mamn=0nr=rm+-rn+-000.結(jié)合能：設(shè)想把分散的原子量釋放出來(lái)，這個(gè)能量稱為結(jié)合能（2）求結(jié)合能w（單個(gè)原子的）n-mn0Ima丿離子或分子）結(jié)合成為晶體，將有一定的能（用w表示）題中標(biāo)明單個(gè)原子是為了使問(wèn)題簡(jiǎn)化，說(shuō)明組成晶體的基本單元是單個(gè)原子，而非原子團(tuán)、離子基團(tuán)，或其它復(fù)雜的基元。顯然結(jié)合能就是平衡時(shí)，晶體的勢(shì)能，即Umin即:W=-U（r）=+-（可代入r值，也可不代入）0rmrn000（3）體彈性模量r2（力2U由體彈性模量公式：k=茜-一9V（-r2丿0r04eV，求a、Bm=2，n=10，r=3A，w01002ar里丫8a丿aPU(r)=-+0r2r100.4a-KKK5r20（r08=乎代入）二4eV4anW=-U(r)-05r20將r=3A,1eV=1.602x10-19J代入0a7.209x10-38N-m2P9.459x10-115N-m2（1）平衡間距r0的計(jì)算晶體內(nèi)能U（r）N（-+!）2rmrn平衡條件dUdr叫止-0r=r02）單個(gè)原子的結(jié)合能rm+10rn+10r=(也)亠0ma=(nP)亠maaPW=-u(7)，u(r)=(+)00rmrnr=r0mx.n卩、W=評(píng)(1-)()nma體彈性模量K=（梟）竊-v0晶體的體積V