第二章固体的结合课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《第二章固体的结合课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第二 固体 结合 课件
- 资源描述:
-
1、第一章第一章 固体的结合固体的结合 晶体结合的类型晶体结合的类型 晶体结合的物理本质晶体结合的物理本质 固体结合的基本形式与固体材料的结构、物理和固体结合的基本形式与固体材料的结构、物理和化学性质有密切联系化学性质有密切联系 1.1 离子性结合离子性结合 I 族碱金属元素族碱金属元素 Li、Na、K、Rb、Cs VII 族卤素元素族卤素元素 F、Cl、Br、I族碱土金属元素族碱土金属元素 Mg、Ca、Sr、Ba 族硫系元素族硫系元素 O、S、Se 副族元素副族元素 Cd、Zn等等结合为离子晶体结合为离子晶体 NaCl,CsCl等等 半导体材料半导体材料 CdS、ZnS等等一、一、离子晶体结合的
2、特点离子晶体结合的特点 以以CsCl晶体为例晶体为例 Cs原子失去电子,原子失去电子,Cl获得电子,形成离子键获得电子,形成离子键 离子为结合单元,电子分布高度局域在离子离子为结合单元,电子分布高度局域在离子实的附近,形成稳定的球对称性的电子壳层结构实的附近,形成稳定的球对称性的电子壳层结构,NaKRbCsNeArKrXeFClBrI 离子晶体的模型:正、负离子离子晶体的模型:正、负离子 刚球刚球 离子晶体结合力离子晶体结合力 吸引力吸引力 库仑作用力库仑作用力。排斥力排斥力泡利不相容原理泡利不相容原理,两个离子的闭合壳层,两个离子的闭合壳层电子云的交迭产生强大的排斥力电子云的交迭产生强大的排
3、斥力 一种离子的最近邻离子为异性离子一种离子的最近邻离子为异性离子 离子晶体的配位数:最多只能是离子晶体的配位数:最多只能是8(例如(例如CsCl晶体)晶体)离子晶体的稳定性离子晶体的稳定性 结合能高、导电性能差、结合能高、导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小熔点高、硬度高和膨胀系数小 排斥力和吸引力平衡时,形成稳定的离子晶体排斥力和吸引力平衡时,形成稳定的离子晶体氯化钠型氯化钠型 NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO (配位数配位数6)氯化铯型氯化铯型 CsCl、TlBr、TlI(配位数(配位数8)离子结合成分较大的半导体材料离子结合成分较大的半导体材料ZnS等(配位数等(配位数4)
4、闪锌矿型结构闪锌矿型结构负离子面心立方,正离子填充负离负离子面心立方,正离子填充负离子组成的四面体空隙。子组成的四面体空隙。SZn二、二、离子晶体结合的性质离子晶体结合的性质 1.系统内能的计算系统内能的计算 晶体内能晶体内能:所有离子相互吸引库仑能和重叠排斥能之和:所有离子相互吸引库仑能和重叠排斥能之和以以NaCl晶体为例,晶体为例,r 相邻正负离子的距离相邻正负离子的距离1231232222222 1/2,01231(1)24()nnnnnnqn rn rn r 321,nnn 求和遍及所有正负离子求和遍及所有正负离子 因子因子1/2:库仑相互作用能为两个离子所共有:库仑相互作用能为两个离
5、子所共有 一个正离子的平均库仑能一个正离子的平均库仑能 正整数正整数1231232222222 1/2,01231(1)24()nnnnnnqn rn rn r 正离子的平均库仑能正离子的平均库仑能 一个负离子的平均库仑能一个负离子的平均库仑能321321,2/122322222102)(4)1()(21nnnnnnrnrnrnq321,nnn 求和遍及所有正负离子求和遍及所有正负离子 因子因子1/2:库仑相互作用能为两个离子所共有:库仑相互作用能为两个离子所共有 一个原胞有两个离子,其原胞的能量一个原胞有两个离子,其原胞的能量321321,2/122322222102)(4)1(nnnnnn
6、rnrnrnq 正整数正整数12312322222 1/2,01230(1)4()4nnnnnnqqrnnnr 123123222 1/2,123(1)()nnnnnnnnn 令令 马德隆常数,取决于晶体的结构马德隆常数,取决于晶体的结构几种常见的晶体晶格的马德隆常数几种常见的晶体晶格的马德隆常数离子晶体离子晶体NaClCsClZnS马德隆常数马德隆常数1.7481.7631.638 相邻两个离子因电子云有显著重叠时的排斥能相邻两个离子因电子云有显著重叠时的排斥能0/rrbenrborNaCl 只计近邻离子排斥作用,每个离子有只计近邻离子排斥作用,每个离子有6个近邻个近邻离子,所以每个原胞平均
7、排斥能为:离子,所以每个原胞平均排斥能为:nrb6 晶体中有晶体中有N个原胞,系统的内能个原胞,系统的内能2064nqbUNrr 20,64qABb nABNrr2.平衡时晶体的体积和晶格常数平衡时晶体的体积和晶格常数 原子形成晶体以后,系统具有更低的能量原子形成晶体以后,系统具有更低的能量 如果分散的原子构成的系统,其内能为零,形成如果分散的原子构成的系统,其内能为零,形成晶体时内能降低,放出能量晶体时内能降低,放出能量W,称,称W为结合能为结合能 W 结合成晶体后系统的内能结合成晶体后系统的内能dUpdV dVdUp一般条件下一般条件下,晶体只受大气压的作用,对晶体体积的影响很小晶体只受大
8、气压的作用,对晶体体积的影响很小00dUpdV不考虑热效应,外界作功等于系统内能增量不考虑热效应,外界作功等于系统内能增量 如果已知晶体的内能,如果已知晶体的内能,根据极值条件来确定晶体根据极值条件来确定晶体平衡时的体积和晶格常数平衡时的体积和晶格常数NaCl晶体的内能晶体的内能nrBrANU晶格常数晶格常数00rrdrdU01020nrnBrA110()nnBrA NaCl的晶格常数的晶格常数NaCl原胞体积原胞体积341a3002VNr NaCl晶体体积晶体体积301(2)4r302r3.晶体的体变模量和结合能晶体的体变模量和结合能 体变模量体变模量VdVdpK/dVdUpnrBrANU3
9、02NrV)(22dVUdVK 平衡状态平衡状态0)(22VdVUdVK)1(218120300nrBnnrArK21000nAnBrr204qA 00r rdUdr利用利用2400(1)418nqKr 体变模量体变模量 如果实验测得的晶格常数如果实验测得的晶格常数r0和体变模量和体变模量K,由上式可,由上式可以确定排斥力中的参数以确定排斥力中的参数 n 晶体的结合能晶体的结合能nrBrANU)(0rUW20 01(1)4N qWrn 204qA 00r rdUdr利用利用21000nAnBrr晶体的结合能晶体的结合能 2.2 共价结合共价结合 共价结合是靠两个原子各贡献一个电子形成共价键共价
10、结合是靠两个原子各贡献一个电子形成共价键 IV 族元素族元素C(Z=6)、Si、Ge、Sn(灰锡灰锡)等晶体,属等晶体,属金刚石结构金刚石结构 共价键的现代理论共价键的现代理论 以氢分子的量子理论为基础以氢分子的量子理论为基础两个氢原子两个氢原子A和和B,在自由状态下时,各有一个电子,在自由状态下时,各有一个电子BAand归一化波函数归一化波函数一、共价键的形成一、共价键的形成分别满足薛定谔方程分别满足薛定谔方程BBBBAAAAVmVm)2()2(2222BAVV,原子核的库仑势原子核的库仑势当原子相互靠近,波函数交叠,形成共价键当原子相互靠近,波函数交叠,形成共价键两个电子为两个氢原子所共有
11、两个电子为两个氢原子所共有单个原子中的电子的波函数单个原子中的电子的波函数BAand描写其状态的哈密顿量描写其状态的哈密顿量22221212121222AABBHVVVVVmm EH薛定谔方程薛定谔方程 下标下标A和和B代表两个原子,代表两个原子,1和和2代表两个电子代表两个电子 分子轨道法分子轨道法(Molecular Orbital methodMO method)简化处理问题简化处理问题忽略两个电子之间的相互作用忽略两个电子之间的相互作用V12,简化为单电子问题,简化为单电子问题)()(),(2121rrrr假定两个电子总的波函数假定两个电子总的波函数求解比较因难求解比较因难上式分解为两
12、部分,每部分只与一个电子有关上式分解为两部分,每部分只与一个电子有关满足薛定谔方程满足薛定谔方程2222222211111212)2()2(BABAVVmVVm 单电子波动方程单电子波动方程)(),(21rr称分子轨道波函数称分子轨道波函数两个等价的原子两个等价的原子A和和B120选取分子轨道波函数为原子轨道波函数的线性组合选取分子轨道波函数为原子轨道波函数的线性组合()()()iiAiBrCrrLinear Combination of Atomic Orbitals LCAO)()()(rrCrBiAii分子轨道波函数分子轨道波函数1 变分计算待定因子变分计算待定因子 归一化常数归一化常数
13、 C分子轨道波函数分子轨道波函数()ABCBonding state()ABCAntibonding state两种分子轨道两种分子轨道之间能量差别之间能量差别*2*2*2()2()aaabaaabHdrCHHdrHdrCHHdr 0*rdHrdHHBBAAaa0*rdHrdHHABBAab)(),(BABACC分子轨道波函数分子轨道波函数 负电子云与原子核之间的库仑作用,成键态能量相负电子云与原子核之间的库仑作用,成键态能量相对于原子能级降低了,与此同时反键态的能量升高对于原子能级降低了,与此同时反键态的能量升高 成键态上可以填充两个自旋相反的电子,使体系的成键态上可以填充两个自旋相反的电子
14、,使体系的能量下降,意味着有相互吸引的作用能量下降,意味着有相互吸引的作用*2*2*2()2()aaabaaabHdrCHHdrHdrCHHdr )(),(BABACC分子轨道波函数分子轨道波函数C原子原子:6个电子,个电子,1s2,2s2和和2p2。只有。只有2个电子是未配对个电子是未配对的。对于金刚石中的。对于金刚石中C原子形成的共价键,要用原子形成的共价键,要用“轨道杂化轨道杂化”理论进行解释。理论进行解释。在金刚石中每个在金刚石中每个C原子和原子和4个近邻个近邻C原原子形成共价键。子形成共价键。123422222222222222221()21()21()21()2xyzxyzxyzx
15、yzhsppphsppphsppphsppp金刚石共价键金刚石共价键的基态由的基态由2s和和2p波函数的组波函数的组合构成。合构成。杂化轨道的特点:杂化轨道的特点:电子云分别集中在四电子云分别集中在四面体的面体的4个顶角方向上,个顶角方向上,4个电子都是未配对的,在个电子都是未配对的,在四面体顶角方向上形成四面体顶角方向上形成4个共价键。个共价键。杂化时,原子能量比基态高,但成键数目多,成杂化时,原子能量比基态高,但成键数目多,成键能力增强,形成共价键时能量的下降在于形成杂化键能力增强,形成共价键时能量的下降在于形成杂化轨道所需的能量轨道所需的能量体系的能量下降。体系的能量下降。Diamond
16、共价键结合的两个基本特征共价键结合的两个基本特征 饱和性和方向性饱和性和方向性 饱和性饱和性 能形成的键的数目有一个最大值,每个能形成的键的数目有一个最大值,每个键含有键含有2个电子,分别来自两个原子个电子,分别来自两个原子 共价键是由未配对的电子形成共价键是由未配对的电子形成 IV族族 VII族的元素共价键数目符合族的元素共价键数目符合8N原则原则 价电子壳层不到半满,所有电子可以是不配对的,价电子壳层不到半满,所有电子可以是不配对的,成键的数目成键的数目=价电子数目价电子数目 价电子壳层超过半满,部分电子必须自旋相反配对,价电子壳层超过半满,部分电子必须自旋相反配对,形成的共价键数目小于价
展开阅读全文