(完整版)固體物理固體的結(jié)合總結(jié)完全版.doc

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，共價晶體，共價結(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、難點晶體結(jié)合能與內(nèi)能的關(guān)系，互作用勢能的關(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1 .定義：分

2、散的原子(離子或分子)在結(jié)合成穩(wěn)定晶體的過程中，所釋放出來的能量，稱為 晶體的結(jié)合能2 .內(nèi)能：如果以組成晶體的 N個原子處于自由狀態(tài)的能量作為能量的零點，則一&就是晶體的內(nèi)能。(當(dāng)動能=0時，內(nèi)能二勢能二Eb二En-E。3 .互作用力與互作用勢：du( r )f(r) dr4 .結(jié)合能的一般形式A R晶 體 的 結(jié) 合 窕兩個原子之間的互作用勢能：u(r) 晶體的總的相互作用勢：TT N NU( r) u(rij)2j 2(jWl j=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)()(1)晶格常數(shù)： 令 lr ro 0 ,求得ro即為晶格常熟r

3、(2)體彈性模量：當(dāng)對晶體施加一定壓強(qiáng)時，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)來描述。K= J _JU一 V(R2(在T=。時，晶體的平衡體積為V0 ,則 Ko Voe-)vo )(3)抗張強(qiáng)度：晶體所能承受的最大張力即為抗張強(qiáng)度。VU(r)、I Pml Pm ( )V VmVni)離子鍵：異性離子間的互作用力稱為離子鍵。(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，出現(xiàn)正、負(fù)離子間的庫侖作用，從而 結(jié)合在一起。(3)離子性結(jié)合的特點：a. 以離子為結(jié)合單元，靠正負(fù)離子

4、之間的庫侖引力作用 結(jié)合成晶體。b. 離子晶體中正、負(fù)離子是相間排列的，使異號離子之間的吸引作用強(qiáng)于同號離子之間的排斥作用，庫侖作用一_的總效果是吸引的，晶體勢能可達(dá)到最低值而使晶體穩(wěn)禺定。c.由于正、負(fù)離子的相對大小的差異，其結(jié)構(gòu)形式和配子一2位數(shù)也有所差異。(4)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。(5)離子晶體的特點：a.離子晶體主要依靠較強(qiáng)的庫侖引力而結(jié)合，故結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，結(jié)合 能很大，這導(dǎo)致了離子晶體熔點高、硬度大、膨脹系數(shù)小。b.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

5、種特點使該種晶體易于產(chǎn)生宏觀極化，與電磁波作用強(qiáng)烈。大多數(shù)離子晶體對可見光是透明的, 在遠(yuǎn)紅外區(qū)有一特征吸收峰。(6)離子晶體的結(jié)合能（以 NaCl 晶體為例。）a.庫侖能一個離子的平均庫侖能為：4nin2n3一對離子或一個原胞的能量為：q2(N 4 4 ( n 2r 2 n 2r 2012n 2r2)1/23?/ 1 n n nq- ,( 1一2224 of nin2n3(ni n2 ns )q24 or固 體的 結(jié)價幺土合（其中，。稱為馬德龍常數(shù)。）b.排斥能每對離子的平均排斥能為 6b/r 口C.系統(tǒng)的內(nèi)能q2U N 4 or6bA Brn N r rn d.由內(nèi)能函數(shù)可以確定離子晶體的

6、某些物理常數(shù)（a）對于平衡晶體，體彈性模量為 K 八f40 18r0（b）.結(jié)合能為 W U（ro）八亂一（11）小卡（1.） rr4 0 0 n 4 0 0 n（ 1）共價結(jié)合：對電子束縛能力相同或相近的兩個原子，彼此靠 近時，各自貢獻(xiàn)一個電子，為兩個原子共有，使其結(jié)合在一 起，這種結(jié)合稱為共價結(jié)合。（2）共價鍵：能把兩個原子結(jié)合在一起的一對為兩個原子共有的 自旋相反配對的電子結(jié)構(gòu)，稱為共價鍵（3）共價結(jié)合的特征飽和性：指一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵 方向性：指原子只在特定的方向上形成共價鍵。（4）共價晶體：以共價結(jié)合的晶體稱為共價晶體。（5）共價晶體的特點是：熔點高，硬度高，低溫導(dǎo)電性

7、差。（6）成鍵態(tài)和反鍵態(tài)成鍵態(tài)：電子云密集在兩個原子核之間，同時受到兩個原子 核的庫侖吸引作用， 使成鍵態(tài)能量低于原子能級。成鍵態(tài)上可以填充正、反自旋的兩個電子，這兩個電子形成所謂的共價鍵。反鍵態(tài)：能量高于原子能級。（7）軌道雜化：能量低狀態(tài)躍遷到高能態(tài)，增加未配對的電子，產(chǎn) 生更多的共價鍵，使晶體更穩(wěn)定。（8）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鍵時，由于對電 子的吸引力相同，成鍵后的配對電子密度主要出現(xiàn)在兩原子的 中間，電子在各個原子處出現(xiàn)的幾率（概率）相同，因此兩個 原子間不會有偶極矩產(chǎn)生。故稱這種共價鍵為非極性鍵。極性鍵：不同元素的原子間形成共價鍵時，由于兩個原

8、子的電負(fù)性 不相同，它們對電子的吸引力不相同，成鍵后的配對電子密度 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。這種共價鍵常伴有電偶極矩的出現(xiàn)，稱為極性鍵。（9）電離度PA PB 12PA PB 1Pa、Pb分別表示電子在原子 A和原子B上的幾率。顯然，對于 完全共價結(jié)合（入=1 ） , fi =0；對于完全離子結(jié)合 （入=0）, fi =lo當(dāng)結(jié)合性質(zhì)為部分離子、部分共價時， fi介于。與1之 間。fi數(shù)值越大，表明離子性越強(qiáng)。（1）金屬性結(jié)合：原子在結(jié)合成晶體時，原來分屬各自原子 的價電子不再束縛于其本身，而為所有“原子實”所共有，于 是，共有化電子形成的電子云和浸

9、在這個負(fù)電子云中的帶正電 的原子實之間出現(xiàn)庫侖作用，原子越緊密，勢能越低，從而把 原子聚合在一起。這樣的結(jié)合稱為金屬性結(jié)合。屬 性 結(jié) 合（2）金屬鍵：以原子實和電子云之間的庫侖力為結(jié)合力，稱為 金屬鍵（3）金屬性結(jié)合的特點：電子的“共有化”（4）金屬晶體：當(dāng)原子間距達(dá)到某一值時，排斥力等于庫侖引力，達(dá)到平衡，形成晶體，即金屬晶體（5）金屬晶體的性質(zhì)a.金屬性結(jié)合是一種較強(qiáng)的結(jié)合，結(jié)合能約為10 5106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、熔點高的特點。b. 由于金屬中價電子的共有化，所以金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，具有光澤。c. 金屬結(jié)合是一種體積效應(yīng)，對原子排列沒有特

10、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。（1）分子性結(jié)合：對原來就具有穩(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，或價電子已用于形成共價鍵 的飽和分子，它們在結(jié)合時，基本上保持原來的電子結(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（2）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（3）分子力來源：是原子中電荷漲落產(chǎn)生的瞬時電偶極矩所導(dǎo)致 的吸引相互作用。（4）雷納德一瓊斯勢u（r） 4 （嚴(yán)（一）6r r（其中和。是新的

11、參數(shù)，是令4。6 = a, 4 。i2 = B而引 入的。）鍵（1）氫鍵：由于氫原子的獨特情況，有些氫的化合物晶體中呈現(xiàn)獨特的結(jié)構(gòu)，即氫原子可以同時和兩個電負(fù)性很大而原子晶+半徑很小的原子相結(jié)合。這種特殊的結(jié)合稱為氫鍵體 _ （2）氫鍵晶體性質(zhì)：熔點和沸點介于離子晶體和分子晶體之間，件密度小，有許多分子聚合的趨勢，介電系數(shù)大。一（1）電離能定義：使基態(tài)原子失去一個電子所必需的能量稱為原子的電離能。（從原子中移去第一個電子所需要的能量稱為第一電離能。從+1價離子中再移去一個電子所需要的能量為第二電離能。由于形成+1價正離子后，核電場對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

12、電離能。）概念：電離能的大小可以衡量原子對價電子的束縛強(qiáng)弱。變化趨勢： 在一個周期內(nèi)從左到右，電離能不斷增加。（2）親和能 ：定義：一個改態(tài)中性原子獲得一個電子成為負(fù)離子時所放出的能量，稱為親 和能。概念：親和能的大小衡量原子俘獲外來電子的能力。子 的 電 負(fù)變化趨勢：電子親和能一般隨原子半徑的減小而增大。（3）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)電性是用來標(biāo)志原子得失電子能力的物理量，綜合表示原子對 電子束縛能力的強(qiáng)弱（4）變化趨勢：a.在同一周期內(nèi)，負(fù)電性從左到右逐漸增強(qiáng)； b.在同一族內(nèi)，負(fù)電性從上到下逐漸減小； c.周期表中越靠下，同一周期內(nèi)負(fù)電性的

13、差別越小。d.泡林與穆力肯所定義的電負(fù)性相當(dāng)接近。（5）元素和化合物晶體結(jié)合的規(guī)律性a.當(dāng)負(fù)電性較小的同種原子結(jié)合成晶體時，因價電子容易脫離原子，故形成金屬晶體。b.負(fù)電性較大的同種原子結(jié)合成晶體時，常形成共價鍵。co vm族元素（惰性元素）只能依靠分子鍵構(gòu)成分子晶體。一 d.當(dāng)兩種不同性質(zhì)的原子相互結(jié)合時，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，則形成共價鍵。五、基本內(nèi)容3-1晶體結(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)定晶體的過程中，所釋放出來的能量，稱 為晶體的結(jié)合能

14、。 晶體的內(nèi)能：如果以組成晶體的N個原子處于自由狀態(tài)的能量作為能量的零點，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，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)。 互作用的分類晶體中原子（粒子）之間的相互作用可分為兩大類型：吸引作用一一在遠(yuǎn)距離是主要的排斥作用一一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侖引力；排斥作用的來源有兩個方面：一方面是同性電荷之間的庫侖力斥力，另一方面是泡利 原理所引起的排斥力。兩個原子的互作用勢能u（r）的曲線如圖（1）所示。f(r)由3dr互

15、作用力如圖（2）所示。 由勢能u（r）可以計算原子之間的互作用力由圖（2）可以看出：當(dāng)兩原子之間的距離無窮遠(yuǎn)時，能量為零，作用力為零；當(dāng)兩原子逐漸靠近時，能量為負(fù)且絕對值逐漸增大，原子間產(chǎn)生吸引力；當(dāng)原子間距很小時，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。 兩個原子之間的互作用勢u(r)兩個原子之間的互作用勢能?？捎媚缓瘮?shù)來表示: 由晶體的結(jié)合能所得到的物理常量 晶格常數(shù)當(dāng)粒子結(jié)合成穩(wěn)定的晶體時，勢能U應(yīng)處于極小值。因而由 U(r)的極小值的條件U (r ) |0r rr 可求出晶格常數(shù)ro ,即晶體中粒子之間的最小距離。體彈性模量定義V P抗張強(qiáng)度U(r)I

16、 Pm I Pm ( )v vm V3-2原子的電負(fù)性1、電離能定義：使基態(tài)原子失去一個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電子所需要的能量。第二電離能：從+ 1價離子中再移去一個電子所需要的能量為。(由于形成+1價正離子后，核電場對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價電子的束縛強(qiáng)弱。變化趨勢：在一個周期內(nèi)從左到右，電離能不斷增加。變化趨勢：在一個周期內(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=0.18 (電離能+親合能)物理意義：原子負(fù)電性是用來標(biāo)志原子得失電子能力的

17、物理量，綜合表示原子對電子束縛能力的強(qiáng)弱。變化趨勢：(1)在同一周期內(nèi)，負(fù)電性從左到右逐漸增強(qiáng)；(2)在同一族內(nèi)，負(fù)電性從上到下逐漸減?。?3)周期表中越靠下，同一周期內(nèi)負(fù)電性的差別越小。(4)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，出現(xiàn)正、負(fù)離子間的庫侖作用，從而結(jié)合在一起。離子性結(jié)合的特點：（1）以離子為結(jié)合單元，靠正負(fù)離子之間的庫侖引力作用結(jié)合成晶體。（2）離子晶體中正、負(fù)離子是相間排列的，使異號離子

18、之間的吸引作用強(qiáng)于同號離子之 間的排斥作用，庫侖作用的總效果是吸引的，晶體勢能可達(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：（1）離子晶體主要依靠較強(qiáng)的庫侖引力而結(jié)合，故結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定，結(jié)合能很大，這導(dǎo)致了離子晶體熔點高、硬度大、膨脹系數(shù)小。離子晶體的特點（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)離子晶體對可見光是透明的

19、，在遠(yuǎn)紅外區(qū)有一特征吸收峰。離子晶體的結(jié)合能（以（1）庫侖能一個離子的平均庫侖能為:NaCl晶體為例。）1Tn in 2 n 3%)、n 2r222)1/23一對離子或原胞的能量為:其中，a稱為馬德龍常 數(shù)。（2）排斥能njn 2 )1/23每對離子的平均排斥能為6b/r n（3）系統(tǒng)的內(nèi)能Nq 2 6bn N2其中 A4 oB=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.對于平衡晶體，體彈性模量為(n 1) q?K 4 0 18ro4b.結(jié)合能為 W u(ro) NA (1 1) N q2 (1 1)3-4共價晶體(1)共價晶體及其特點共價晶體:共價結(jié)合的晶體共價晶體的特點是：熔點

20、高，硬度高，低溫導(dǎo)電性差。(2)共價結(jié)合和共價鍵對電子束縛能力相同或相近的兩個原子，彼此靠近時，各自貢獻(xiàn)一個電子，為兩個原子共 有，使其結(jié)合在一起，這種結(jié)合稱為共價結(jié)合。能把兩個原子結(jié)合在一起的一對為兩個原子共有的自旋相反配對的電子結(jié)構(gòu)，稱為共價鍵(3)成鍵態(tài)和反鍵態(tài)成鍵態(tài)：電子云密集在兩個原子核之間，同時受到兩個原子核的庫侖吸引作用，使成反鍵態(tài)能量低于原子能級 。成鍵態(tài)上可以填充正、自旋的兩個電子，這兩個電子形成所謂的共價鍵。反鍵態(tài)：能量高于原子能級。反鍵態(tài)能級能量成鍵態(tài)能級(4)共價結(jié)合的特征兩個基本特征：飽和性和方向性 。飽和性：指一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵。由泡利不相容原理，當(dāng)原

21、子中的電子一旦配對后，便不能再與第三個電子配對。因此當(dāng)一個原子與其它原子結(jié)合時，能夠結(jié)合成共價鍵的數(shù)目有一個最大值，這個最大值取決于它所含 的未配對的電子數(shù)。這個特性稱為共價鍵的飽和性。共價鍵的數(shù)目符合所謂的8N定則*, N指價電子數(shù)。(8N定則：共價結(jié)合時，原子的 價電子的殼層是由一個ns軌道和3個np軌道組成，考慮到電子的兩種自旋，共包含8 個量子態(tài)，價電子殼層為半滿或超過半滿時，未配對的電子數(shù)實際上確 定于未填充的量子態(tài)，因此等于8-No )方向性：指原子只在特定的方向上形成共價鍵。當(dāng)兩原子未配對的自旋相反的電子結(jié)合成共價鍵后，電子云就會發(fā)生交疊，而 且共價鍵結(jié)合得越緊密，相應(yīng)的電子云交

22、疊的也越厲害。物理本質(zhì)：兩原子在以共價鍵結(jié)合時，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。(b)。(bonding)CTI anti bonding)Overlap of two s orbitals (o form bonding and antibonding OTbttals(5)軌道雜化金剛石的sp3雜化。碳原子有6個電子，基態(tài)1s和2s填充了 4個電子，余下的 2個填充在2p態(tài)，這時只有兩個未配對的電子；要形成4個共價鍵，則要把2s態(tài)的兩個電子波函數(shù)與2p態(tài)的電子波碳原子的雜化軌道函數(shù)組成4個新的電子狀態(tài)，使這四個電子都成為未配對的電子，可以形成共價

23、鍵。P* Py PfP* Py Ao 一3s4個電子分別占據(jù)一個新軌道，在四面體頂角方向形成四個共價鍵，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)，形成共價鍵時能量 的下降足以補(bǔ)償軌道雜化的能量。(6)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鍵時，由于對電子的吸引力相同， 成鍵后的配對電子密度主要出現(xiàn)在兩原子的中間，電子在各個原子處出現(xiàn)的幾率 (概率)相同，因此兩個原子間不會有偶極矩產(chǎn)生。故稱這種共價鍵為非極性鍵。極性鍵：不同元素的原子間形成共價鍵時，由于兩個原子的電負(fù)性不相同，它們對電子的吸引力不相同，成鍵后的配對

24、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。這種共價鍵常伴有電偶極矩的出現(xiàn)，稱為極性鍵。(7)電離度共價結(jié)合中離子性的成分可以用電離度fi來描述：卡森定義方式：PA PB 1 2fi2PA PB 1P、P分別表示電子在原子 A和原子B上的幾率。顯然，對于完全共價結(jié)合( 入=1 ), A B fi=0;對于完全離子結(jié)合 (入=0), =1。當(dāng)結(jié)合性質(zhì)為部分離子、部分共價時，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：基本特點一一電子的“共有化”原子在結(jié)合成晶體時， 原來分屬各自原子的價電子

25、不再束縛于其本身，而為所有“原子實”所共有，于是，共有化電子形成的電子云和浸在這個負(fù)電子云中的帶正電的原子實之間出現(xiàn)庫侖作用，原子越緊密，勢能越低，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：以原子實和電子云之間的庫侖力為結(jié)合力，稱為金屬鍵2、金屬晶體的形成過程在金屬性結(jié)合時，一方面 有負(fù)電子云和帶正電的原子實之間的庫侖作用，使其排列緊密 ；另一方面，由于距離的不斷減小，還會出現(xiàn)排斥作用 ，其來源有二：一是共有化電子云 密度增加的同時，動能也將增加（動能正比于電子云密度的三分之二次方），二是當(dāng)原子實相互靠近到它們的電子云發(fā)生顯著交疊時，也將產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥作用。當(dāng)原子間距達(dá)到某一值

26、時，排斥力等于庫侖引力，達(dá)到平衡，形成晶體，即金屬晶 體。3、金屬晶體的性質(zhì)（1）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、熔點高的特點。（2）由于金屬中價電子的共有化，所以金屬的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，具有光澤。（3）金屬結(jié)合是一種體積效應(yīng)，對原子排列沒有特殊要求，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：對原來就具有穩(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，或價電子已用于形成共價鍵的飽和分子，它們在結(jié)合時

27、，基本上保持 原來的電子結(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、 分子力的來源分子力來源于分子的電偶極矩。對于電子云是球?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，由于核周圍電子運動的漲落，可以有瞬時電偶極矩。設(shè)原子1的瞬時電偶極矩為pl ,在距離r處產(chǎn)生的電場 E正比于pl/r3 。在這個電場作用下，另一原子（原子 2）被極化，感 生電偶極矩為p2 e 上 r3pi P2 pi 2其中。是原子的極化率。兩個偶極矩之間的作用能為

28、一 r這就是范德瓦耳斯力的來源，是原子中電荷漲落產(chǎn)生的瞬時電偶極矩所導(dǎo)致的吸引相互作用。C 1卜.3、雷納德一瓊斯勢靠范德瓦耳斯相互作用結(jié)合的兩個原子的相互作用能，可以寫成0.4ru(r)r6 r 12其中B/r 12表示重疊排斥作用，這種形式可以滿意地解釋有關(guān)惰性氣體的實驗數(shù)據(jù)。A、B是經(jīng)驗參數(shù)，都是正數(shù)。原子間的相互作用勢，通常采用的形式是u(r) 4 ( )l2 O6稱為雷納德一瓊斯勢。其中和。是新的參數(shù)，是令4 e o 6 = A, 4 e o= b而引入的。雷納德一一瓊斯勢惰性氣體晶體的結(jié)合能就是晶體內(nèi)所有原子對之間雷納德-瓊斯勢之和。如果晶體內(nèi)含有 N個原子，總的勢能就是5*4)A

29、12(_)12 A6(-)62rr1 /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)。由晶格的勢能函數(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：VIII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CO2, SO2, HC1等晶體。分子晶體的結(jié)合很弱，導(dǎo)致熔點低，硬度低，多為透明的絕緣體。分子晶體：例如 C60晶體由于氫原子的獨特情況，有些氫的化合物晶體中呈現(xiàn)獨特的 結(jié)構(gòu)，即氫原子可以同時和兩個電負(fù)性很大而原子半徑很小的原子 相

30、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形成共價結(jié)合；形成共價鍵 后，原來球?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 不再重合，產(chǎn)生了極化現(xiàn)象。此時呈正電性的氫核一端可以通過庫侖 力與另一個電負(fù)性較大的B原子相結(jié)合?！?工建7,神金屬班，價電子需 化形成的共有化負(fù) 電子云與處在其中 的正禹干實通過庫 會力而管合.電導(dǎo)率.聃導(dǎo)率高-密 度大、延展性好.對 原子陸列無特殊要求.故原子盡可能卷集措 列工能域低J電負(fù)性小的 原子形成Na. Cu A stAu Ffl校震 lev僧分子晶體前德瓦爾斯鑄二 由偶被玨的作用聚合低懦點低沸點.易 質(zhì)塌.電絕緣，對原 了博列無特殊

31、要求. 故股取密堆枳排列.情性原子.周期表右下 方負(fù)電性大 的原子之間悟性氣 體）晶體， Ar r有 機(jī)化合檢品體弱O.lpv/健氫鍵：氫原子的電 于裁與形成共侏譯 后，裸露的乳檀與 另一負(fù)電性較大的 原子通過酢所作用 相互結(jié)合.爆點和那點介于離子 晶體和分子晶體之間， 密度小，有許多分子 聚合的於勢.介電系 數(shù)大氫糜子和負(fù) 電性得大的 原子F.N. CD結(jié)合 形或一個梅 第事無詠HjF H：N 上弱 *-0.1ev/ 健四、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，因價電子容易脫離原子，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，常形成共價鍵。3 VIII族元

32、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，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 鍵。六、典型例題1、兩種一價離子組成的一維晶格的馬德隆常數(shù)（2 In 2）和庫侖相互作用能，設(shè) 離子的總數(shù)為2No解設(shè)想一個由正負(fù)兩種離子相間排列的無限長的離子鍵，取任一負(fù) 離子作參考離子（這樣馬德隆常數(shù)中的正負(fù)號可以這樣取，即遇正離子取正號， 遇負(fù)離子取負(fù)號），用r表示相鄰離子間的距離，于是有1i1） 2L L 1 L .r rj ij r 2r 3r 4r前邊的因子2是因為存在著兩個相等

33、距離 ”的離子，一個在參考離子左面，一個在其右面，故對一邊求和后要乘 2,馬德隆常數(shù)為21 i 1 X . 2 3 4x2x3 x4Q 1 n （1 X） X 一 一 一 .X34r , 111當(dāng)X=1時，有1 一一一 2 23 42、若一晶體的相互作用能可以表示為u（r）rm M試求：（1）平衡間距ro ；（2）結(jié)合能W （單個原子的）；（3）體彈性模量；（4 ）若取 m 2, n 10, ro 3A, W解：（1）求平衡間距ro由du（葉 0 ,有：dr Lroy mnm的 n0 ro rom 1 ron 1n21n24eV,計算及的值。口 / n in2結(jié)合能：設(shè)想把分散的原子（離子或分

34、子）結(jié)合成為晶體，將有一定的能 量釋放出來，這個能量稱為結(jié)合能（用w表示）（2）求結(jié)合能w （單個原子的）題中標(biāo)明單個原子是為了使問題簡化，說明組成晶體的基本單元是單個原 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，晶體的勢能，即Un而即：WU （ro ） （可代入r。值，也可不代入）ro ro（3）體彈性模量22由體彈性模量公式：k 無 T ro（4） m = 2 , n = 10 , ro 3 A , w = 4e V ,求 Q、8io 45 4U(r0) -422ro r. 10 5roWU (ro )44eV 5ro2(ro8 代入)將ro 3 A , leV 1.602 10代入7.209 10 38 n m29.459 10 115 N m2(1)平衡間距r。的計算晶體內(nèi)能U(r) K( _ _) q m n平