第二章晶体中原子的结合课件.pptx

1、第第 一一 节节 晶体结合能的普遍规律晶体结合能的普遍规律本节主要内容本节主要内容:2.1.1 2.1.1 两个原子间的相互作用能两个原子间的相互作用能2.1.3 2.1.3 结合能与晶体几个常数的关系结合能与晶体几个常数的关系2.1.2 2.1.2 晶体总的相互作用能晶体总的相互作用能2.1晶体结合能的普遍规律晶体的结合能晶体的结合能:0EEENb E0是晶体的总能量，是晶体的总能量，EN是组成该晶体的是组成该晶体的N个原子在自由状个原子在自由状态时的总能量，态时的总能量，Eb即为晶体的结合能即为晶体的结合能。晶体的结合能晶体的结合能就是将自由的原子就是将自由的原子(离子或分子离子或分子)结

2、合成晶结合成晶体时所释放的能量。体时所释放的能量。2.1.1 两个原子间的相互作用能1.原子间的相互作用力吸引力吸引力排斥力排斥力库仑引力库仑引力库仑斥力库仑斥力泡利原理引起泡利原理引起原子间的相互作用力原子间的相互作用力r 两原子间的距离；两原子间的距离；A、B、m、n0,吸引能吸引能排斥能排斥能2.相互作用势能两原子间的相互作用力两原子间的相互作用力rrurfd)(d)(nmrBrAru)(mrAnrB 假设相距无穷远的两个自由原子间的相互作用能为零，相假设相距无穷远的两个自由原子间的相互作用能为零，相互作用力为零。互作用力为零。)(ar)(rumr)(rf0rr)(b(a)a)互作用势能

3、和原子间距的关系互作用势能和原子间距的关系(b)b)互作用力和原子间距的关系互作用力和原子间距的关系,0rf,rr )(0斥力斥力,0rf,rr )(0min0)(0,)(rurf,rr 引力引力)(mmrf,rr 最大有效引力最大有效引力0dd022 r)ru(0)1()1)()dd(2022 mrmAmnmmru0dd0 rr|)ru(r0 0平衡时原子间最近邻的距离。平衡时原子间最近邻的距离。)r0 0)(ar)(rumr)(rf0rr)(b(r=r0 0处相互作用能有最小值。处相互作用能有最小值。)可知可知n m，排斥作用是短程的。nmrBrAru)(0)dd()dd(22 mrrur

4、f)(mmrf,rr 最大有最大有效引力效引力2.1.2 晶体总的相互作用能则由则由N个原子组成的晶体的总的相互作用势能为：个原子组成的晶体的总的相互作用势能为：ij1 12 23 34 4rij 第第i个原子与晶体中所有其它原子个原子与晶体中所有其它原子的相互作用势能为：的相互作用势能为：设晶体中第设晶体中第i个原子与第个原子与第j个原子之个原子之间的相互作用势能为间的相互作用势能为u(rij )，Njijiruu1)(因为晶体中原子数很多，因此晶体表面原子与晶体内部原因为晶体中原子数很多，因此晶体表面原子与晶体内部原子的差别可以忽略，上式近似为：子的差别可以忽略，上式近似为：Njijiru

5、NuNrU1)(22)(晶体体积的函数晶体体积的函数)r(UEEEENb000 U(r)原子数目原子数目原子间距原子间距若取若取EN=0=0，则晶体的结合能：则晶体的结合能：U(v)NiNjijNiiruuru1112121)()(2.1.3 结合能与晶体几个常量的关系1.原胞体积0|)(0 rrrrU0|)(0 vvvvUr0av0v02.压缩系数和体积弹性模量(体积压缩模量)TPVVk)(1 单位压强引起的体积的相对变化率。单位压强引起的体积的相对变化率。压缩系数压缩系数:0)(220VVUVK 平衡时体积弹性模量平衡时体积弹性模量:由热力学第一定律由热力学第一定律:STVpUddd Vp

6、d VUpdd )(VPVK VVUV 22dd)(VPVK 体积弹性模量是压缩系数的倒数体积弹性模量是压缩系数的倒数:mvmvuf)(mvvvvuvfmm 0)()(223.抗张强度 晶体的晶体的抗张强度抗张强度等于晶体所能承受的最大张力。等于晶体所能承受的最大张力。在三维晶体中，假设晶体的体积为在三维晶体中，假设晶体的体积为V,包含包含N个原胞，每个个原胞，每个原胞的体积为原胞的体积为v，每个原胞的势能为u(r),U为为N个原胞的总的个原胞的总的相互作用能，则有：相互作用能，则有：NvV),v(NuU 第二节第二节 离子晶体离子晶体本节主要内容本节主要内容:2.2.1 2.2.1 离子晶体

7、的结构离子晶体的结构2.2.2 2.2.2 离子晶体结合能离子晶体结合能2.2.3 2.2.3 离子晶体的特征离子晶体的特征2.2.4 2.2.4 离子半径离子半径(泡林半径泡林半径)2.2.5 2.2.5 马德隆常数的求法马德隆常数的求法 典型晶体典型晶体:氯化钠、氯化铯、硫化锌等氯化钠、氯化铯、硫化锌等2.2 离子晶体2.2.1 离子晶体的结构1.结构碱金属碱金属 卤族卤族 碱土金属碱土金属 氧族氧族 2.结合力:离子键。离子键。3.配位数:离子晶体中最大的配位数为离子晶体中最大的配位数为8。氯化钠氯化钠(配位数为配位数为6)，氯化铯，氯化铯(配位数为配位数为8)。离子晶体一定。离子晶体一

8、定是复式格子。是复式格子。负电性相差较大的原子负电性相差较大的原子+库仑作用力库仑作用力离子晶体离子晶体 在离子晶体中电子壳层饱和，电子云分布基本上是球对称在离子晶体中电子壳层饱和，电子云分布基本上是球对称的。的。2.2.2 离子晶体结合能1.结合能若以若以u(rij)表示离子表示离子i、j 之间的相互作用能，之间的相互作用能，21)(uuruij 吸引能吸引能,1u排斥能排斥能,2unijijijrbrqru )4()(02 nijijrbrqu 0224ijrqu0214 同号取同号取“-”异号取异号取“+”Njijiruu1)(“”表示求和不包括表示求和不包括j=i的项。的项。若晶体由若

9、晶体由N个正负离子组成，略去表面离子的特性组成，略去表面离子的特性iuNU2 NjijruN1)(2 NjnijijrbrqN102)4(2)4(202nRBRqNU 令令设最近邻离子间的距离为设最近邻离子间的距离为R，则则 是与晶体结是与晶体结,Rarjij ja构有关的数。构有关的数。NjNjnjnjabRa1RqNU11021)(42 NjnjabB Njja1 式中式中 为为马德隆常数马德隆常数，它是仅与晶体几何结构有关的常数。，它是仅与晶体几何结构有关的常数。10024 nRnqB 042)(1020020nRRnBRqNRU2.平衡时体积弹性模量K与n的关系及晶体的结合能设离子最近

10、邻距离为设离子最近邻距离为R，由由N个离子组成的晶体的体积：个离子组成的晶体的体积：体积弹性模量为：体积弹性模量为：00)(91220220RVRURNVUVK 推导略推导略,3RNNvVRVVURU )()(2222222RVVURVVURU 平衡时平衡时:0 VU23RNRV 2220220)(0RVRUVVUVKV 00)(91)()3(12202222030RRRURNRURNRN 00)(91220220RVRURNVUVK3RNNvVKqRn2400721 1)(724002 nRqK)(0RUEb )4(20002nRBRqN )nRqRRqNnn00102002414(2 )1

11、(18002nRqN 00)(91220220RVRURNVUVK )4(202nRBRqNU 推导略推导略 230221422n2RnB)n(RqNRU3002300230024124122Rq)n(NRq)n(RqN nRqRn)n(RqNRUn0nR0122030022241422010024 nRnqB04212020 nRRnBRqN)RU()4(202nRBRqNU KqRn2400721 ),n(RqK1724002 3002224120Rq)n(NRUR 00)(91220220RVRURNVUVK 几种离子晶体的几种离子晶体的R R0 0、K K和和n n值值离子晶体离子晶体

12、R0/nm/nmK/10/101010PaPanNaClNaBrKCLKBrRbCLRbBr0.2820.2990.3150.3300.3290.3432.401.991.751.481.561.307.778.098.698.859.139.00)1(18002nRqNEb 第一项表示库仑能，第一项表示库仑能，第二项表示排斥能。第二项表示排斥能。2.2.3 离子晶体的特征 结构稳定：导电性差，熔点高，硬度高和膨胀系数小等特点。结构稳定：导电性差，熔点高，硬度高和膨胀系数小等特点。2.2.4 离子半径(泡林半径)泡林认为，离子半径主要取决于最外层电子的分布，而对泡林认为，离子半径主要取决于最外

13、层电子的分布，而对于等电子离子于等电子离子(O-，F-，Na+，Mg+，)来说，离子半径与有效来说，离子半径与有效核电荷核电荷(Z-S)呈反比呈反比,1SZCR 1.单价离子半径 确定离子半径时，首先要用确定离子半径时，首先要用X射线衍射法测出最近邻离子射线衍射法测出最近邻离子的核间距的核间距r r0 0，然后根据上式可得：然后根据上式可得：0rRRSZCRSZCRR+,R-R1 1：单价半径；单价半径；C是由外层电子主量子数决定的一个常数；是由外层电子主量子数决定的一个常数；S：屏屏蔽系数；蔽系数；Z：原子序数原子序数。,1SZCR 48.652.411CCRNa 4845249.C.CRF

14、 31.2 FNaRR95.0 NaR361.RF C=6.22.多价离子半径)1(21 nRR R：多价离子半径：多价离子半径：n：玻恩指数：玻恩指数：离子的价数：离子的价数。例例1：NaF的离子间距由的离子间距由X射线衍射测得为射线衍射测得为2.31，Na+与与F-属属Ne的等电子离子，对于这种结构的屏的等电子离子，对于这种结构的屏蔽系数蔽系数S=4.52。2.2.5 马德隆常数的求法(埃夫琴-中性组合法)把晶体看成是由埃夫琴晶把晶体看成是由埃夫琴晶胞构成，胞构成，该晶胞内所有离子的电荷代数和为零。+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+把中性晶胞中的离子对参

15、考离子的库仑能量的把中性晶胞中的离子对参考离子的库仑能量的贡献份额加加起来就得马德隆常数。起来就得马德隆常数。jRaqrqU020244+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+选取绿色正方形为选取绿色正方形为埃夫琴晶胞埃夫琴晶胞:棱上棱上4个正离子对晶胞的贡献为个正离子对晶胞的贡献为,214 它们对参考离子库仑能的贡献为它们对参考离子库仑能的贡献为,11214 顶角上顶角上4个负离子对晶胞的贡献为个负离子对晶胞的贡献为,414 它们对参考离子库仑能的贡献为它们对参考离子库仑能的贡献为,21414 jRaqU02421414112141 1.293 81414512

16、18212142141142 607.1+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+同理当选取红色正方形为同理当选取红色正方形为埃夫琴晶胞时埃夫琴晶胞时:例例2 2：计算正负离子相间排列，相邻离子间距为：计算正负离子相间排列，相邻离子间距为R的一维的一维无限长离子链的马德隆常数。无限长离子链的马德隆常数。选定某一正离子为参考离子，选定某一正离子为参考离子，对于负离子取正号，正离子取负号，对于负离子取正号，正离子取负号，马德隆常数马德隆常数2ln2 Njja1,1,11 aRrrA,3,333 aRrrC,2,222 aRrrBA iA+BRCB C)4131211(2

17、 432)1ln(432xxxxx2ln2 解解:解解:由题知每个原子由题知每个原子(离子离子)平均所占的体积为平均所占的体积为:3R 晶胞的体积晶胞的体积3RnV 3nRV n为晶胞所包含的原子为晶胞所包含的原子(离子离子)个数个数。氯化钠结构氯化钠结构:Ra2 例例3：由：由N个原子个原子(或或离子离子)组成的晶体体积组成的晶体体积V可以写成可以写成3RNNvV 其中其中 为每个原子为每个原子(离子离子)平均所占的体积，平均所占的体积，R为原子为原子(离子离子)间的最短距离，间的最短距离，是和晶体结构有关的常数是和晶体结构有关的常数。v试求氯化钠型结构的试求氯化钠型结构的 值值。18)2(

18、333 RRnRV cefinnnnn814121 88112416211 8 第三节第三节 非极性分子晶体非极性分子晶体本节主要内容本节主要内容:2.3.1 2.3.1 非极性分子晶体的结构非极性分子晶体的结构2.3.2 2.3.2 非极性分子晶体的结合能非极性分子晶体的结合能2.3.3 2.3.3 非极性分子晶体的特征非极性分子晶体的特征2.3 非极性分子晶体范德瓦尔斯力：分子偶极矩的静电吸引作用产生的力。范德瓦尔斯力：分子偶极矩的静电吸引作用产生的力。极性分子永久偶极矩间的相互作用力称为范德瓦尔斯极性分子永久偶极矩间的相互作用力称为范德瓦尔斯-葛生力。葛生力。非极性分子被极性分子的电场极

19、化而产生的诱导偶极矩与极性分子永久偶极矩非极性分子被极性分子的电场极化而产生的诱导偶极矩与极性分子永久偶极矩间的相互作用力称为范德瓦尔斯间的相互作用力称为范德瓦尔斯-德拜力。德拜力。非极性分子的瞬时偶极矩间相互作用力称为范德瓦尔斯非极性分子的瞬时偶极矩间相互作用力称为范德瓦尔斯-伦敦力。伦敦力。2.3.1 非极性分子晶体结构1.结构 具有饱和电结构的原子或分子具有饱和电结构的原子或分子+范德瓦尔斯范德瓦尔斯-伦敦力。惰性气体分子伦敦力。惰性气体分子He、Ne、Ar、Kr、Xe在低温下形成非极性分子晶体。在低温下形成非极性分子晶体。3.配位数2.结合力通常取密堆积通常取密堆积,配位数为配位数为1

20、2。范德瓦尔斯范德瓦尔斯-伦敦力。伦敦力。2.3.2 非极性分子晶体的结合能1.模型 两个相距为两个相距为r的全同线性谐振子的全同线性谐振子1和和2，每个谐振子带有一个正电荷，每个谐振子带有一个正电荷+q和负电荷和负电荷-q，正负电荷之间的距离分别为正负电荷之间的距离分别为x1 1和和x2 2，粒子沿粒子沿x轴振动轴振动。2.计算(1)(1)当r很大时，两振子间没有相互作用，两振子的总能量，两振子的总能量21EEE 两个分子间的相互作用势能21211212kxmPE 22222212kxmPE mk210 20100EEE 据量子力学的结果，谐振子的振动能量为：据量子力学的结果，谐振子的振动能

21、量为：hnE)21(零点振动能为：零点振动能为：0 h+x1x2r-+(2)(2)当两个振子靠得很近时，两个振子间会发生相互作用，当两个振子靠得很近时，两个振子间会发生相互作用，相互作用势能为：相互作用势能为：2212122201241xrqxrqxxrqrqu rxrxrxrxrq21120211)(11)(1114),(21xxr)1(11132xxxxx (计算时保留到二次方项计算时保留到二次方项)30212122rxxqu +r-+x1x2推导略推导略 rxrxrxrxrqu2112021211)(11)(1114),(21xxr rxrxrxrx211211)(11)(111 222

22、211212121111rxrxrxrxrxxrxx221rxx2 302122rxxq )1(11132 xxxxx3021222221212212212rxqxkxmPkxmPE )(21)(21212211 xx令令)(42)(2122221022222121 3rqmPkmPE22302222130221)2(122)2(122 krqkmPkrqkmP 2232221321)2(122)2(122 rkmPrkmP 222221212222 kmPkmP )21()21(33rkkrkk kq02 分子的极化分子的极化系数系数30302212121r1mkrmk 振子的零点振动能振子

23、的零点振动能 21321300)2(1)2(1212121rrhhhE 222221212222 kmPkmP 0622032 hrh 2332132332132)2(814121)2(814121)1(421211rrrrrrxxxx 两个振子的相互作用能两个振子的相互作用能062232 hrE -吸引能 21321300)21()21(212121rrhhhE 两个振子的相互作用能两个振子的相互作用能062232 hrE 排斥能排斥能121r一对分子间的互作用势能为：一对分子间的互作用势能为：126)(rBrAru 或或 6124)(rrru -著名的著名的雷纳德雷纳德-琼斯势琼斯势式中式

24、中BAAB4;261 N个惰性气体分子总的相互作用能为：个惰性气体分子总的相互作用能为：-吸引能 NjijiruNuNrU1)(22)(nJrrNrU61242)(设设R为最近为最近邻邻两个两个原原子间的距离，则子间的距离，则Rarjij 6612122)(RARANRU 126,AA是仅与晶体结构有关的常数。nJjjRaRaNRU61242)(NjjaA12121 NjjaA661 6612122)(RARANRU 2.平衡时体积弹性模量和晶体的结合能 6/161202 AAR0dd0 RRUNAARUU1226002)(平均每个原子的能量平均每个原子的能量u0为：为：(1)晶体的结合能晶体

25、的结合能晶体的结合能：晶体的结合能：平衡时最近邻原子间平衡时最近邻原子间距离距离平衡时平衡时总的互作用势总的互作用势能能1226002AANUu 0UEb NAA12262 2.3.3 非极性分子晶体的特征分子晶体的结合能小，熔点和沸点都很低；硬度比较小。分子晶体的结合能小，熔点和沸点都很低；硬度比较小。(2)(2)体积弹性模量体积弹性模量根据实际晶体结构根据实际晶体结构,求出求出 体积弹性模量体积弹性模量K对于面心立方对于面心立方3RnV 3nRV Ra2 4 n333334224RRRanRV 21 251261234 AAA 单胞体积：单胞体积：n为每个单胞中的为每个单胞中的原子个数原子

26、个数00)(91220220RVRURNVUVK 解解:(1)(1)面心立方面心立方,最近邻原子有最近邻原子有12个个,Rr 近近11221 aaa(1)(1)只计及最近邻原子；只计及最近邻原子；(2)(2)计及最近邻和次近邻原子。计及最近邻和次近邻原子。是参考原子是参考原子i与其它任一原子与其它任一原子j的的距离距离 rij 同同最近邻最近邻原子间原子间距距R的比值的比值()。试计算面心立方的试计算面心立方的A6 6和和A1212。jaRraijj 例例1 1：由：由N个惰性气体原子构成的分子晶体，其总互作用势能可表示为个惰性气体原子构成的分子晶体，其总互作用势能可表示为式中式中 66121

27、22)(RARANRU NjjaA12121 NjjaA661,1211121121211212 jjaA1211121612166 jjaA 18112121jjaA(2)计及最近邻和次近邻计及最近邻和次近邻,次近邻有次近邻有6个。个。,Rr 近近11221 aaa,2Rr 次次2181413 aaa 181661jjaA094.12641612 1212)2(161112 66)2(161112 75.1281612 例例2：采用雷纳德：采用雷纳德-琼斯势，求体心立方和面心立方琼斯势，求体心立方和面心立方Ne的结合能之比的结合能之比(说明说明Ne取取面心立方结构比体心立方结构更稳定面心立方

28、结构比体心立方结构更稳定)。已知已知(A12)f=12.13；(A6)f=14.45；(A12)b=9.11；(A6)b=12.25。解解:6/161202 AAR0dd0 RRUNAARUU1226002)(fbbfbbUUEE00 bffbAAAA)()()()(12122626 11.945.1413.1225.1222 96.0 Ne取面心立方结构比取体心立方结构更稳定取面心立方结构比取体心立方结构更稳定。bbfbEE)()(6612122)(RARANRU 第第 四四 节节 原子晶体、金属晶体和氢键晶体原子晶体、金属晶体和氢键晶体2.4.1 2.4.1 原子晶体原子晶体2.4.2 2

29、.4.2 金属晶体金属晶体2.4.3 2.4.3 氢键晶体氢键晶体本节主要内容本节主要内容:2.4原子晶体、金属晶体和氢键晶体1.结构2.4.1 原子晶体 第第族、第族、第族、第族、第族、第族、第族元素都可以形成原子晶体。族元素都可以形成原子晶体。典型的原子晶体典型的原子晶体:金刚石、硅、锗等晶体。金刚石、硅、锗等晶体。结合力结合力:共价键。共价键。饱和性饱和性方向性方向性共价键的特点共价键的特点原子晶体的配位数较低。原子晶体的配位数较低。共价键是由共价键是由2S和和2P波函数组成的下列波函数组成的下列4种新的电子状态组成的种新的电子状态组成的。金刚石金刚石C6 61S22S12P3)(212

30、2221zyxppps )(2122221zyxppps )(2122221zyxppps )(2122221zyxppps “杂化轨道杂化轨道”2.特征 共价键结合比较强：原子晶体具有高力学强度、高熔点、高沸点和低挥发性的共价键结合比较强：原子晶体具有高力学强度、高熔点、高沸点和低挥发性的特点，导电率和导热率低。原子晶体一般属于半导体或绝缘体。特点，导电率和导热率低。原子晶体一般属于半导体或绝缘体。2.4.2 金属晶体1.结构第第族、第族、第族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。结合力：金属键结合力：金属键 金属晶体多采取配位数为金属晶体多采取配位数为12的

31、密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为8。2.4.3 氢键晶体1.结构 氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子(O、F、N等等)结合，构结合，构成氢键。成氢键。ABH共价键共价键氢键具有饱和性。氢键具有饱和性。2.特点良好的导电性和导热性，较好的延展性，硬度大，熔点高。良好的导电性和导热性，较好的延展性，硬度大，熔点高。2.特征第第 五五 节节 元素和化合物晶体结合的规律性元素和化合物晶体结合的规律性2.5.1 2.5.1 电离能和电子亲和能电离能和电子亲和能2.5.2 2.5.2 负电性负电

32、性本节主要内容本节主要内容:2.5 元素和化合物晶体结合的规律性原子的负电性是用来表示原子得失电子能力的物理量。原子的负电性是用来表示原子得失电子能力的物理量。2.5.1 电离能和电子亲和能 中性原子失去中性原子失去1个电子成为个电子成为+1价离子时所需要的能量为第一电离能，从价离子时所需要的能量为第一电离能，从+1价离子价离子再移去一个电子所需的能量为第二电离能。再移去一个电子所需的能量为第二电离能。为第一电离能其中AzAze 电离能越大，原子对价电子的束缚能力越强。电离能越大，原子对价电子的束缚能力越强。1.电离能电离能电离能 4.339 6.111 6.00 7.88 9.87 9.75

33、0 11.84 13.996 元素元素 Na Mg Al Si P S Cl Ar电离能电离能 5.138 7.644 5.984 8.149 10.55 10.357 13.01 15.755元素元素 K Ca Ga Ge As Se Br kr电离能电离能 (单位单位:eV)eV)小小大大2.电子亲和能:Byy 1e中性原子获得电子成为中性原子获得电子成为-1-1价离子时所放出的能量。价离子时所放出的能量。B为电子亲合能为电子亲合能。2.5.2 负电性负电性负电性=0.18(电离能电离能+亲和能亲和能)(1)(1)周期表由上到下，负电性逐渐弱；周期表由上到下，负电性逐渐弱；(2)(2)周期

34、表越往下，一个周期内负电性的差别也越小。周期表越往下，一个周期内负电性的差别也越小。对比下表各个周期对比下表各个周期,可看出以下两个特性：可看出以下两个特性：IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBLi1.0Na0.9K0.8Be1.5Mg1.2Ca1.0B2.0Al1.5Ga1.5C2.5Si1.8Ge1.8N3.0P2.1As2.0O3.5S2.5Se2.4F4.0Cl3.0Br2.8负负 电电 性性 IA、IIA、IIIB负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子易于摆脱原子束缚成负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取典型的金属结合。为共有

35、化电子，因此在形成晶体时便采取典型的金属结合。IVB、VB具有较强的负电性，它们束缚电子的能力较强，适于形成共价结合。具有较强的负电性，它们束缚电子的能力较强，适于形成共价结合。周期表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而右端的元素负电性强，易于周期表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而右端的元素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。获得电子，因此它们形成离子晶体。第二章第二章 晶体中原子的结合晶体中原子的结合总总 结结v晶体结合能的普遍规律晶体结合能的普遍规律v五种基本结合类型五种基本结合类型v元素和化合物结合的规律元素和化合物结合的规律 晶体的结合能就是将自由的原子晶体的结合能就是将

36、自由的原子(离子或分子离子或分子)结合成晶体结合成晶体时所释放的能量。时所释放的能量。0EEENb 1.晶体的结合能 E0 0是晶体的总能量，是晶体的总能量，EN是组成该晶体的是组成该晶体的N个原子在自由状态个原子在自由状态时的总能量，时的总能量，Eb即为晶体的结合能即为晶体的结合能。2.原子间相互作用势能其中第一项表示吸引能，第二项表示排斥能。其中第一项表示吸引能，第二项表示排斥能。A、B、m、n00晶体结合能的普遍规律nmrBrAru)(吸引力吸引力-库仑引力；库仑引力；排斥力排斥力库仑斥力库仑斥力泡利不相容原理泡利不相容原理3.N个原子组成的晶体相互作用势能 其中其中ui、u(rij)为

37、第为第i个原子与其他所有原子间的相互作用个原子与其他所有原子间的相互作用势能及第势能及第i个原子与第个原子与第j个原子间的相互作用势能。个原子间的相互作用势能。NjijiruNuNrU1)(22)(nmrBrAru)(0)(220VVUVK mvm)vu(f 4.由相互作用势能可以求的几个参量mv3RNV 设由设由N个原子组成的晶体的体积为个原子组成的晶体的体积为00)(91220220RVRURNVUVK r0a(晶格常量晶格常量)0|)(0 rrrrU(1)(1)(VPVK (2)(2)0)()(22 mmvvvuvf(3)(3)五种基本结合类型离子晶体一定是复式晶格。离子晶体一定是复式晶

38、格。(2)结合力：结合力：离子键。离子键。(3)配位数；配位数；最大最大为为 8。)4(202nRBRqNU Njja1(1)结构：结构：负电性相差较大的原子负电性相差较大的原子+库仑作用力。库仑作用力。(4)互作用势能：互作用势能：1.离子晶体)1(724002 nRqK (5)体积弹性模量体积弹性模量马德隆常数马德隆常数)11(8002nRqNEb (6)结合能结合能SZCR 1C：由外层电子主量子数决定的一个常数；由外层电子主量子数决定的一个常数；S：屏屏蔽系数；蔽系数；Z：原子序数原子序数。多价离子半径多价离子半径)1(21 nRR R：多价离子半径；多价离子半径；n：玻恩指数；玻恩指

39、数；：离子的价数：离子的价数。(7)(7)离子半径离子半径单价离子半径：单价离子半径：2.非极性分子晶体(3)配位数：配位数：(2)结合力：结合力：通常取密堆积通常取密堆积,配位数为配位数为12。范德瓦尔斯范德瓦尔斯-伦敦力。伦敦力。6612122)(RARANRU 具有饱和电结构的原子或分子具有饱和电结构的原子或分子+范德瓦尔斯范德瓦尔斯-伦敦力。伦敦力。(1)(1)结构：结构：(4)互作用势能：互作用势能：式中式中BAAB4;261 126,AA是仅与晶体结构有关的常数。是仅与晶体结构有关的常数。NjjaA12121 NjjaA6613.原子晶体、金属晶体和氢键晶体 结构：第结构：第族、第

40、族、第族、第族、第族、第族、第族元素都可以形成族元素都可以形成原子晶体。原子晶体。结合力：结合力：共价键共价键饱和性饱和性方向性方向性(1)原子晶体原子晶体 结构：第结构：第族、第族、第族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。多采取配位数为多采取配位数为12的密堆积，少数金属为体心立方结构，的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为配位数为8。(2)(2)金属晶体金属晶体结合力：金属键。结合力：金属键。结构：氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小结构：氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子的原子(O、F、N等等)结合，构成氢键。结合，构成氢键。AB

41、H氢键具有饱和性。氢键具有饱和性。共价键共价键(3)(3)氢键晶体氢键晶体 中性原子失去中性原子失去1个电子成为个电子成为+1价离子时所需要的能量为第一电价离子时所需要的能量为第一电离能，从离能，从+1价离子再移去一个电子所需能量为第二电离能。价离子再移去一个电子所需能量为第二电离能。元素和化合物结合的规律1.电离能：中性原子获得电子成为中性原子获得电子成为-1-1价离子时所放出的能量。价离子时所放出的能量。负电性负电性=0.18(电离能电离能+亲和能亲和能)2.电子亲和能3.负电性：原子的负电性的大小表示原子得失电子能力的强弱。原子的负电性的大小表示原子得失电子能力的强弱。IA、IIA、IIIB负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取典型的金属结合。典型的金属结合。IVB、VB具有较强的负电性，它们束缚电子的能力较强，具有较强的负电性，它们束缚电子的能力较强，适于形成共价结合。适于形成共价结合。周期表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而右端的元周期表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而右端的元素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。