7、晶体的结合力(第二章)详解

A Wi A (e)
原子半径、有效核电荷和原子的 电子构型 电离能的意义：反映了元素原子失
电子的难易，电离能越大，失电子
越难，金属性越弱，电离能越小， 金属性越强。
电离能变化规律：
A：同周期元素而言，ⅠA族第一电离能小，ⅦA族第一电离能最大，从左到右总体 呈现增大趋势. B：同主族，从上到下，第一电离能逐渐减弱
胞是体心立方结构。碳原子
熔于铁的体心立方组织叫铁 素体--单相α 相 。 纯 铁 在 912℃ 以 上 的 晶 胞也是一个立方体 -- 面心立 方结构。碳原子熔于铁的面 心立方组织叫奥氏体。
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§2.2 晶体的结合类型
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不同金属的熔点，在很宽的范围内变化。铅的熔点：327度，锡的熔
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§2.2 晶体的结合类型
三、金属结合（金属晶体）
（1）元素族:
大多数的元素是金属，周期表上I, II
族元素及过渡元素(Cu, Al, Mg, Zn, Ni)
（2）结合方式: 原子的最外层电子形成共有化的电子云，剩下的原子实(正离子)具有 稳定的满壳层结构。 （3）结合力: 原子实（正离子）和电子云之间的静电库仑力。无饱合性和方向性。 原子实与电子云之间的作用，不存在明确的方向性，原子实与原子实
原子中各壳层可以容纳的最多电子数
壳层 （主量子数）
K(n=1)
L(n=2) M(n=3) N(n=4) O(n=5)
支壳层2（2l＋1）
S(l=0) P(l=1) d(l=2) f(l=3) g(l=4)
最多电 子数
(2n2)
2
2 2 2 2
6 6 6 6
10 10 10
14 14
18
2
8 18 32 50
利用电负性可以综合衡量各种元素的金属性和 非金属性。 一般地，电负性小的是金属性元素，电负性大 的是非金属性元素。
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§2.2 晶体的结合类型
一、共价结合 (共价晶体 原子晶体)
(1)元素族 IV族元素(如C金刚石, Si, Ge) (2)结合方式 (电负性较大原子) 最外层有4个电子,分别和相邻的4个原子的 最外层1个电子形成公用的封闭电子壳层(共价
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§2.1 原子的电负性
电子组态
给定原子的所有电子的主量子数n和轨道量子数l的组合。
例如：硅原子（Si,Z=14）,电子组态：
1s 2 2s 2 2 p6 3s 2 3 p2
外层电子组态（指价电子）决定各元素化学性质的相似性。
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§2.1 原子的电负性
二、电离能
Wi Wi
使原子失去一个电子所需要的能量称为原子的电离能 影响电离能大小的因素:
共价键
硅离子
价 电
子
键),每对电子自旋相反。 1s 2 2s 2 2 p6 3s 2 3 p2
量子力学计算证明： 当两个原子各自给出的两个电子的自旋方向相反时 系统总能量下降，从而使两个原子结合在一起。
共价结合
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§2.2 晶体的结合类型
(3)结合力：
共价键本质上只能由量子力学来解释。碳原子通过共价键结合成
由左向右电负性逐渐增加
Ionization Energy (IE) and Electron Affinities (EA) are expressed as kilojoules per mole. 1 eV = 96,490 J/mol = 1.602176 × 10-19 J
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§2.1 原子的电负性
ms
1 , 2
代表电子自旋的取向，也代表电子自旋角动量在某特殊方向（例如磁场） 的分量。 电子在各壳层上的填充，遵循能量最小原理、泡利不相容原理和洪 特规则。 泡利不相容原理：在原子中不能有两个电子处在同一量子态，用上述这 四个量子数来描述，即不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。 适用于费米子：具有半整数自旋的粒子。 能量最低原理：自然界普遍规律，任何稳定体系，其能量最低。 洪特定则：电子依能量由低到高依次进入轨道并先单一平行地占据尽量多 的等价轨道。
轨道角动量量子数
l
=0,1,2,…..(n-1)
代表轨道的形状和轨道角动量，同电子的能量有关； 轨道方向量子数
m l : m l l , l 1, 0, l ,
代表轨道在空间的可能取向，也代表轨道角动量在某一特殊方向（例如磁 场）的分量；
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§2.1 原子的电负性
自旋方向量子数
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§2.2 晶体的结合类型
晶体特征：
共价键是强键，结合能大, 共享电子使得每个原子核外都是饱和电
子壳层。 共价晶体中的缺陷不容易产生 熔点高（金刚石超过3000度），硬 度高，导电性能差。 第IV族元素的结构模型是以某一原子 为中心的四面体，原子四个最邻近的原子 处在正四面体的顶角上。
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Br, I的最外层电子有七个。
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§2.2 晶体的结合类型
(3)典型的离子晶体结构
氯化钠型 配位数=6 结合力： 正、负离子间的静电库仑吸引力。 但是如果只存在原子间引力，离子晶 体就要崩塌。 离子晶体的稳定性表明， Na离子和Cl
离子之间必有短程排斥力：
量子力学来解释: 泡利不相容原理：电子云的交叠变形，强
§2.2 晶体的结合类型
二、离子结合（离子晶体）
(1)元素族：周期表I族（碱金属） – VII（卤）族化合物（如NaCl,
CsCl）是典型的离子晶体； II – VI族化合物（如CdS, ZnS）亦是离子晶体。 (2)结合方式 以I –VII族为例 I族（碱金属）Na, K, Rb, Cs的最外
层电子只有一个，而VII族（卤族）F, Cl,
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§2.1 原子的电负性
根据泡利不相容原理，可以算出毎一壳层或毎一支壳层中所能容纳的 最多电子数，分别为： 壳层： 支壳层：
N n 2n 2 , N l 2( 2l 1)
闭合壳层：当壳层（或支壳层）上电子数目达到它的最大数目时，这 个壳层（或支壳层）就称为闭合壳层。
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§2.1 原子的电负性
电子数多少决定。阳离子半径越小、所带的电荷越多、自由电子数越多， 相互作用就越大，熔点就会相应升高。
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§2.1 原子的电负性
四、电负性 原子对价电子的束缚能力愈强，则该原子的电离能和亲和能就愈大。 为了总体上描述，引用电负性来度量原子吸引电子的能力。 穆力肯（R.S.Mulliken）电负性定义：
0.18(Wi Wa )
系数0.18的选取，是为了使Li的电负性为1。 同一周期：从左到右电负性依次增大 同一主族：从上到下电负性依次变小
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§2.2 晶体的结合类型
库仑引力无方向性
对晶体结构无特殊要求，只要求原子排列得越密越好。
排列的越密，电子云密度越大，结合也就越稳定。
同时正离子之间排斥力将增大
金属具有立方和六角密堆积结构
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同素异构现象
纯 铁 在 912℃ 以 下 的 晶
§2.2 晶体的结合类型
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点：232度
金属 名称 元素 符号 熔 点 铝 Al 660. 2 铜 Cu 锰 Mn 1245 铅 Pb 327. 4 钴 Co 铁 Fe 1535 钼 Mo 铬 Cr 1855 镁 Mg 镍 Ni 1455 锡 Sn 231. 9
1083
1495
2622
650
一般情况，不同金属的熔点，由金属阳离子半径、所带电荷数、自由
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§2.1 原子的电负性
三、电子亲和能
Wa
一个中性原子获得一个电子成为负离子所释放出的能量叫电子亲和
能。
A (e) A Wa
电子亲和能一般随原子半径的减小而增大。因为原子半径小，核电
荷对电子的吸引力较强。 影响电子亲和能大小的因素与电离能相同，即原子半径、有效核电 荷和原子的电子构型。它的变化趋势与电离能相似，具有大的电离能的 元素一般电子亲和能也很大。
金刚石晶体，是量子效应和库仑相互作用的综合效果－交换力（杂化 轨道）。 (4)特点：共价健的两个特点是： 饱和性：每个原子能成键的数目有个最大值，通
常就是它的价电子壳层中的末配对电子数；
方向性：各个共价键之间有确定的相对取向 ；例 如，在金刚石结构中，4个键的方向沿正四面体
的 4个顶角方向，键间的夹角恒为109°28。
迫交叠的电子进入能量更高的轨道
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（4）离子晶体特征
离子晶体结构上的特点：
§2.2 晶体的结合类型
静电相互作用
每个离子的最近邻必须为异性离子。
在满足近邻是异号离子的前提下 要求配位数愈大愈好。氯化钠型(面心
立方子晶格)，配位数=6；氯化铯型(简 立方子晶格)， 配位数=8，闪锌矿结构 (面心立方子晶格)的配位数＝4。
稳定，密度大，硬度高，熔点高，可延展性，导电性能好，导热性好
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§2.2 晶体的结合类型
延展性：
物体在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫延性；在外力
（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不破裂的性质叫展性。如金属的延展性良 好，其中金、铂、铜、银、钨、铝都富于延展性。石英、玻璃等非金属材料 在高温时也有一定的延展性。 延展性是金属矿物的一种特性，金属键的矿物在外力作用下的一个特征 就是产生塑性形变，这就意味着离子能够移动重新排列而失去粘接力，这是 金属键矿物具有延展性的根本原因。金属键程度不同，则延展性也有差异。 金属键中，价壳层的电子可在许多原子间自由移动。这样的特性称为 “电子海”。由于电子可以自由移动，因此金属原子之间可以相对运动，不 会有很大的阻力。