固體物理第二章化學(xué)鍵

1、第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合 典型的共價晶體（或稱同極晶體）：典型的共價晶體（或稱同極晶體）：氫分子，金剛石結(jié)構(gòu)的氫分子，金剛石結(jié)構(gòu)的C,Si,Ge等。等。 基本特點：基本特點：靠兩個原子各貢獻(xiàn)一個電靠兩個原子各貢獻(xiàn)一個電子（自旋相反），形成所謂的共價鍵。子（自旋相反），形成所謂的共價鍵。共價鍵的重要特征是共價鍵的重要特征是“飽和性飽和性”和和“方向性方向性”。 性質(zhì)：性質(zhì)：結(jié)合很強，具有結(jié)合很強，具有很高的熔點很高的熔點和和很高的硬度（金剛石是目前所知道的很高的硬度（金剛石是目前所知道的最硬的晶體），導(dǎo)電性很弱，一般屬最硬的晶體），導(dǎo)電性很弱，一般屬于絕

2、緣體或半導(dǎo)體。于絕緣體或半導(dǎo)體。 例如：例如：C的熔點是的熔點是3280k，Si的熔的熔點是點是1639k，Ge的熔點是的熔點是1209k。4C4C4C4C第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合飽和性飽和性：一個原子所能形成的共價鍵的數(shù)目有一個原子所能形成的共價鍵的數(shù)目有一個最大值。一個最大值。 若價電子殼層未達(dá)到半滿若價電子殼層未達(dá)到半滿，則所有價電子都，則所有價電子都

3、可能是未配對的，則可能是未配對的，則 可成價數(shù)價電子數(shù)可成價數(shù)價電子數(shù)N 若價電子殼層等于或超過半滿若價電子殼層等于或超過半滿，重要的共價，重要的共價晶體，價電子態(tài)為晶體，價電子態(tài)為S，P態(tài)，滿殼層時最多可態(tài)，滿殼層時最多可容納容納8個電子，未配對的電子數(shù)決定于未填充個電子，未配對的電子數(shù)決定于未填充的量子態(tài)數(shù)，若價電子數(shù)為的量子態(tài)數(shù)，若價電子數(shù)為N，則能形成的共，則能形成的共價鍵數(shù)目符合價鍵數(shù)目符合（8N）規(guī)則）規(guī)則。第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合方向性方向性： 相鄰原子只在特定方向上形成共相鄰原子只在特定方向上形成共價鍵。價鍵。 成鍵時，電子云發(fā)生交疊，

4、交成鍵時，電子云發(fā)生交疊，交疊越多，鍵能越大，系統(tǒng)能量越低，疊越多，鍵能越大，系統(tǒng)能量越低，鍵越牢固。鍵越牢固。 第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合基態(tài)電子組態(tài)：基態(tài)電子組態(tài)：1s22s22p21s2s2psp3雜化雜化2p雜化軌道電子組態(tài)：雜化軌道電子組態(tài)：1s22s12p31s2s第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合（2）周圍四個原子的排列呈四周圍四個原子的排列呈四面體結(jié)構(gòu)，具有等同性，即面體結(jié)構(gòu)，具有等同性，即碳原子與周圍原子具有四個碳原子與周圍原子具有四個等價的共價鍵。等價的共價鍵。C原子的葫蘆原子的葫蘆狀雜化軌道必定大頭相

5、對，狀雜化軌道必定大頭相對，以保證最大的電子云交疊，以保證最大的電子云交疊，系統(tǒng)能量最低。系統(tǒng)能量最低。 （1）金剛石中每個原子與周圍四個原子）金剛石中每個原子與周圍四個原子結(jié)合，形成共價鍵。結(jié)合，形成共價鍵。第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合金剛石金剛石 (diamond) Each atom forms an sp3 hybird covalent bond to each of its four neighbors. (great hardness, high thermal conduct

6、ivity)第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合)()()()(zyxzyxzyxzyxpppshpppshpppshpppsh2222222222222222212121214321 第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合 每個雜化軌道均含有每個雜化軌道均含有s成分成分和和p成分，由一個成分，由一個2s態(tài)和態(tài)和3個個2p態(tài)電子波函數(shù)共同描態(tài)電子波函數(shù)共同描述；述； C共有共有4個個sp3雜化軌道；雜化軌道

7、； 4個個sp3雜化軌道電子云分雜化軌道電子云分別集中于四面體中心到四別集中于四面體中心到四個頂角之間，其鍵角是個頂角之間，其鍵角是10928。10928第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合（1）為什么一定要提出）為什么一定要提出“雜化軌道雜化軌道”概念？概念？ 答：與實驗結(jié)果（金剛石有四個共價鍵且四個鍵等答：與實驗結(jié)果（金剛石有四個共價鍵且四個鍵等價指向四面體頂角方向）一致。價指向四面體頂角方向）一致。(2) 孤立孤立C原子的原子的2S態(tài)能量態(tài)能量E2s低于低于2P態(tài)能量態(tài)能量E2P 即即E2s E2P，孤立，孤立C原子中的電子從原子中的電子從2s態(tài)躍遷到態(tài)躍遷

8、到2P態(tài)，需吸收能量，即系統(tǒng)總能量上升，而在形態(tài)，需吸收能量，即系統(tǒng)總能量上升，而在形成金剛石晶體的過程中，各原子自旋成金剛石晶體的過程中，各原子自旋“未配對未配對”的的電子云交疊，系統(tǒng)能量反而下降，所以才可以結(jié)合電子云交疊，系統(tǒng)能量反而下降，所以才可以結(jié)合成穩(wěn)定的晶體。成穩(wěn)定的晶體。 第二章第二章 固體的結(jié)合固體的結(jié)合2 2 2 2 共價結(jié)合共價結(jié)合 當(dāng)當(dāng)A與與B原子為異類原子時，所形成的共價鍵包含離子鍵成原子為異類原子時，所形成的共價鍵包含離子鍵成分，也就是說它們的結(jié)合是共價結(jié)合和離子結(jié)合的過渡形式。分，也就是說它們的結(jié)合是共價結(jié)合和離子結(jié)合的過渡形式。例如：例如：GaAs若完全為共價結(jié)合若完全為共價結(jié)合, ,共價鍵上的每對電子均分在兩個近鄰原共價鍵上的每對電子均分在兩個近鄰原子上子上, ,即意味著即意味著GaGa原子有一個負(fù)電荷而原子有一個負(fù)電荷而AsAs原子有一個正電原子有一個正電荷荷: :GaGa-1-1AsAs+1+1若完全為離子結(jié)合若完全為離子結(jié)合, ,則意味著則意味著GaGa原子的原子的3 3個價電子轉(zhuǎn)移給個價電子轉(zhuǎn)移給AsAs原子原子: :GaGa+