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(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合 典型的共價(jià)晶體（或稱同極晶體）：典型的共價(jià)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(diǎn)：基本特點(diǎn)：靠?jī)蓚€(gè)原子各貢獻(xiàn)一個(gè)電靠?jī)蓚€(gè)原子各貢獻(xiàn)一個(gè)電子（自旋相反），形成所謂的共價(jià)鍵。子（自旋相反），形成所謂的共價(jià)鍵。共價(jià)鍵的重要特征是共價(jià)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(qiáng)，具有結(jié)合很強(qiáng)，具有很高的熔點(diǎn)很高的熔點(diǎn)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(diǎn)是的熔點(diǎn)是3280k，Si的熔的熔點(diǎn)是點(diǎn)是1639k，Ge的熔點(diǎn)是的熔點(diǎn)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合飽和性飽和性：一個(gè)原子所能形成的共價(jià)鍵的數(shù)目有一個(gè)原子所能形成的共價(jià)鍵的數(shù)目有一個(gè)最大值。一個(gè)最大值。 若價(jià)電子殼層未達(dá)到半滿若價(jià)電子殼層未達(dá)到半滿，則所有價(jià)電子都，則所有價(jià)電子都

3、可能是未配對(duì)的，則可能是未配對(duì)的，則 可成價(jià)數(shù)價(jià)電子數(shù)可成價(jià)數(shù)價(jià)電子數(shù)N 若價(jià)電子殼層等于或超過(guò)半滿若價(jià)電子殼層等于或超過(guò)半滿，重要的共價(jià)，重要的共價(jià)晶體，價(jià)電子態(tài)為晶體，價(jià)電子態(tài)為S，P態(tài)，滿殼層時(shí)最多可態(tài)，滿殼層時(shí)最多可容納容納8個(gè)電子，未配對(duì)的電子數(shù)決定于未填充個(gè)電子，未配對(duì)的電子數(shù)決定于未填充的量子態(tài)數(shù)，若價(jià)電子數(shù)為的量子態(tài)數(shù)，若價(jià)電子數(shù)為N，則能形成的共，則能形成的共價(jià)鍵數(shù)目符合價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)鍵。價(jià)鍵。 成鍵時(shí)，電子云發(fā)生交疊，

4、交成鍵時(shí)，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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合（2）周?chē)膫€(gè)原子的排列呈四周?chē)膫€(gè)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?chē)泳哂兴膫€(gè)碳原子與周?chē)泳哂兴膫€(gè)等價(jià)的共價(jià)鍵。等價(jià)的共價(jià)鍵。C原子的葫蘆原子的葫蘆狀雜化軌道必定大頭相

5、對(duì)，狀雜化軌道必定大頭相對(duì)，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(gè)原子與周?chē)膫€(gè)原子）金剛石中每個(gè)原子與周?chē)膫€(gè)原子結(jié)合，形成共價(jià)鍵。結(jié)合，形成共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合 每個(gè)雜化軌道均含有每個(gè)雜化軌道均含有s成分成分和和p成分，由一個(gè)成分，由一個(gè)2s態(tài)和態(tài)和3個(gè)個(gè)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(gè)個(gè)sp3雜化軌道；雜化軌道

7、； 4個(gè)個(gè)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(gè)頂角之間，其鍵角是個(gè)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(jià)結(jié)合共價(jià)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(shí)驗(yàn)結(jié)果（金剛石有四個(gè)共價(jià)鍵且四個(gè)鍵等答：與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（金剛石有四個(gè)共價(jià)鍵且四個(gè)鍵等價(jià)指向四面體頂角方向）一致。價(jià)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(guò)程中，各原子自旋成金剛石晶體的過(guò)程中，各原子自旋“未配對(duì)未配對(duì)”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(jià)結(jié)合共價(jià)結(jié)合 當(dāng)當(dāng)A與與B原子為異類(lèi)原子時(shí)，所形成的共價(jià)鍵包含離子鍵成原子為異類(lèi)原子時(shí)，所形成的共價(jià)鍵包含離子鍵成分，也就是說(shuō)它們的結(jié)合是共價(jià)結(jié)合和離子結(jié)合的過(guò)渡形式。分，也就是說(shuō)它們的結(jié)合是共價(jià)結(jié)合和離子結(jié)合的過(guò)渡形式。例如：例如：GaAs若完全為共價(jià)結(jié)合若完全為共價(jià)結(jié)合, ,共價(jià)鍵上的每對(duì)電子均分在兩個(gè)近鄰原共價(jià)鍵上的每對(duì)電子均分在兩個(gè)近鄰原子上子上, ,即意味著即意味著GaGa原子有一個(gè)負(fù)電荷而原子有一個(gè)負(fù)電荷而AsAs原子有一個(gè)正電原子有一個(gè)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(gè)價(jià)電子轉(zhuǎn)移給個(gè)價(jià)電子轉(zhuǎn)移給AsAs原子原子: :GaGa+