教學第二章晶體的結(jié)合課件

第二章晶體的結(jié)合

§2.1晶體的結(jié)合類型§2.2結(jié)合力的一般性質(zhì)§2.3分子晶體的結(jié)合能

§2.4離子晶體的結(jié)合能1ppt課件第二章晶體的結(jié)合§2.1晶體的結(jié)合類型1ppt課件§2.1晶體的結(jié)合類型一、原子的電負性（原子對電子束縛能力大?。┰瓉碇行缘脑咏Y(jié)合成晶體時，除了外界因素如壓強、溫度影響，內(nèi)因主要是最外層電子的作用，所以晶體的結(jié)合類型和原子電性有關(guān)。電離能：使原子失去一個電子所必須吸收的能量。（說明：同一周期從左到右電離能逐漸升高；同一主族從上到下電離能依次減小。）電子親和能：中性原子獲得一個電子成為負離子所釋放的能量。（說明：①原子半徑越小，電子親和能越大；

②親和過程不是電離過程的逆過程）中性原子獲得一個電子的過程不等于+1價離子獲得一個電子的過程。2ppt課件§2.1晶體的結(jié)合類型一、原子的電負性（原子對電子束縛能電負性對電負性有不同的定義，一般用單位ev。說明：①取0.18是為了使Li的電負性為1；②電負性變化規(guī)律：同一周期內(nèi)的原子從左到右電負性增大；同一主族由上到下電負性依次減小。電負性可以綜合衡量各種元素的金屬性和非金屬性，一般電負性小的是金屬元素（<2.0）,電負性大的是非金屬元素（>2.0）3ppt課件電負性3ppt課件二、晶體的結(jié)合類型1.離子鍵和離子晶體離子鍵：異號離子之間的靜電引力所形成的化學鍵配位數(shù)：例NaCl結(jié)構(gòu)，CsCl結(jié)構(gòu)，最大配位數(shù)為8特點：無飽和性和方向性；結(jié)合能大，為800kJ/mol，熔點高，硬度大，導(dǎo)電性差。4ppt課件二、晶體的結(jié)合類型4ppt課件2.共價鍵和原子晶體（共價晶體）共價鍵：在原子晶體中相鄰原子各出一個價電子形成自旋方向相反的共用電子對，從而形成封閉的電子殼層，這種結(jié)合為共價鍵結(jié)合。配位數(shù)小，4特點：1）飽和性（一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵。）2）方向性：原子只在特定的方向上形成共價鍵。

3）熔點高、硬度大、導(dǎo)電性差，結(jié)合能大約為800kJ/mol。

5ppt課件2.共價鍵和原子晶體（共價晶體）5ppt課件飽和性經(jīng)驗公式：當原子的價電子殼層不到半滿時，所有的價電子都未配對，共價鍵數(shù)目與價電子數(shù)相等。N＝n（N為價電子數(shù)）；當原子的價電子殼層不滿但超過半滿時，形成的共價鍵數(shù)目n＝8－N。6ppt課件飽和性經(jīng)驗公式：當原子的價電子殼層不到半滿時，所有的價電子都3.金屬鍵和金屬晶體金屬鍵：由（帶負電）電子云與沉浸在其中的（帶正電）原子實之間的庫侖作用而形成的鍵。（說明在下一頁）配位數(shù)：1）面心立方堆積（Cu，Ag）六角密堆積（Mg，Zn），122）體心立方。（Li，Na……）8特點：1）無明顯的方向性和飽和性。（要求排列緊密，勢能最低）

2）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，結(jié)合能較大，為

200kJ/mol。熔點高，硬度大。7ppt課件3.金屬鍵和金屬晶體7ppt課件說明：金屬晶體中，價電子不再屬于個別原子，而是為所有原子所共有，在晶體中做共有化運動，或者說金屬中所有原子都失掉了最外層價電子成為原子實（離子實），原子實浸沒在共有電子的電子云中，金屬晶體的結(jié)合力主要是原子實和共有化電子的靜電庫侖力。8ppt課件說明：金屬晶體中，價電子不再屬于個別8ppt課件4.范德瓦耳斯鍵和分子晶體分子間的相互作用力（范德瓦耳斯力）分為三種：1）靜電力（葛生力）：極性分子中的固有偶極矩產(chǎn)生的力。2）誘導(dǎo)力（德拜力）：極性分子的固有偶極矩與非極性分子的誘導(dǎo)偶極矩之間的作用力。3）色散力（倫敦力）：由非極性分子中的瞬時偶極矩產(chǎn)生的力。范德瓦耳斯鍵：由分子間相互作用使其結(jié)合成晶體的鍵。配位數(shù)：12或8特點：結(jié)合能小，熔點低，硬度小，無方向性和飽和性9ppt課件4.范德瓦耳斯鍵和分子晶體9ppt課件10ppt課件10ppt課件5.氫鍵和氫鍵晶體氫鍵：在氫鍵晶體中，氫原子可以同時與兩個電負性很大且原子半徑較?。∣，F(xiàn)，N……）的原子結(jié)合，稱為氫鍵。冰（H2O）特點：具有飽和性和方向性；氫鍵鍵能較弱。11ppt課件5.氫鍵和氫鍵晶體11ppt課件6.混合鍵：實際晶體中多種結(jié)合類型同時存在。石墨：同一層是用共價鍵結(jié)合（一個C原子以其最外層3個價電子同最近鄰的三個原子組成共價鍵結(jié)合）。另一個價電子則比較自由地在整個平面層上活動，具有金屬鍵的性質(zhì)。層與層之間主要靠分子間的瞬時偶極矩相互作用而結(jié)合。12ppt課件6.混合鍵：實際晶體中多種結(jié)合類型同時存在。12ppt課件7.晶體的結(jié)合類型與原子電性的關(guān)系：原子結(jié)合成晶體的種類主要取決于原子對價電子的束縛能力。當電離能較小的同種原子形成晶體時價電子易脫離原子，形成金屬晶體。當電離能較大的同種原子形成晶體時易生成共價鍵。Ⅷ(惰性氣體元素）只能形成分子晶體兩種原子結(jié)合：如果電離能差別大易形成離子晶體，如NaCl；如果電離能差別不大（但E大）易形成原子晶體；如果電離能差別不大（但E?。┮仔纬珊辖稹?3ppt課件7.晶體的結(jié)合類型與原子電性的關(guān)系：13ppt課件2.2結(jié)合力的一般性質(zhì)一、結(jié)合力的普遍特征1.結(jié)合力的共性引力和斥力同時存在引力和斥力都與r有關(guān)

1）當時，引力>斥力，總體表現(xiàn)為引力

2）當時，引力＝斥力，引力和斥力抵消

3）當時，引力<斥力，總體表現(xiàn)為斥力14ppt課件2.2結(jié)合力的一般性質(zhì)一、結(jié)合力的普遍特征14ppt課件2.引力和斥力的來源引力:異性電荷之間的庫侖引力斥力：1）同性電荷之間的庫侖斥力2）泡利不相容原理引起的電子間的斥力u（r）15ppt課件2.引力和斥力的來源u（r）15ppt課件3.兩個原子的相互作用勢能和作用力當時，可以求出可以求出，求出f（）最大有效引力。例如對于有玻恩經(jīng)驗公式其中A，B，m,n均為大于0的常數(shù)。；16ppt課件3.兩個原子的相互作用勢能和作用力；16ppt課件思考題：對于穩(wěn)定的雙原子系統(tǒng)，必須有n>m17ppt課件思考題：對于穩(wěn)定的雙原子系統(tǒng)，必須有n>m17ppt課件二、晶體的內(nèi)能設(shè)晶體內(nèi)i，j兩原子的間距為，它們的相互作用勢能為，晶體內(nèi)原子總數(shù)為N，原子i與其它原子的相互作用勢能,，晶體的總能量（總相互作用勢能）為

，

18ppt課件二、晶體的內(nèi)能18ppt課件說明：忽略晶體表面和晶體內(nèi)部原子對能量貢獻區(qū)別是因為和為i，j兩原子的相互作用能，被考慮2次?？傁嗷プ饔脛菽芙茷榫w的內(nèi)能。19ppt課件說明：19ppt課件三、晶體性質(zhì)與內(nèi)能關(guān)系1.結(jié)合能：自由粒子結(jié)合成晶體所釋放的能量或者把晶體離解為自由粒子所需要的能量。

2.內(nèi)部參數(shù)的計算

1）晶格常數(shù)(一般為晶胞邊長)：

2）壓縮系數(shù)：單位壓強引起晶體體積的變化

20ppt課件三、晶體性質(zhì)與內(nèi)能關(guān)系20ppt課件3）體積彈性模量：a）絕熱近似條件下（T＝0k）晶體對外做功，對外做功等于內(nèi)能減少，即；平衡狀態(tài)下晶體的體積彈性模量，其中為平衡狀態(tài)下晶體的體積。21ppt課件3）體積彈性模量：21ppt課件b)設(shè)有一晶體體積為V，共含N個原子，最近鄰原子之間的距離為R，原胞體積為，引入晶體結(jié)構(gòu)參量

（如對于面心立方：，，

,求K=？22ppt課件b)設(shè)有一晶體體積為V，共含N個原子，最近鄰原子之間的距離為23ppt課件23ppt課件說明：1）

2）當（平衡狀態(tài)下最近鄰原子間距），（平衡狀態(tài)下晶體體積）得到：24ppt課件說明：1）24ppt課件平衡狀態(tài)時體積彈性模量：25ppt課件平衡狀態(tài)時體積彈性模量：25ppt課件§2.3分子晶體的結(jié)合能分子晶體的結(jié)合力是范德瓦耳斯力，它主要包括3種情況：1)極性分子的固有偶極距產(chǎn)生的力(靜電力），對應(yīng)極性分子晶體的結(jié)合能.2)極性分子的固有偶極距與非極性分子的誘導(dǎo)偶極距之間的力（誘導(dǎo)力），對應(yīng)極性分子與非極性分子晶體的結(jié)合能.3)非極性分子的瞬時偶極距產(chǎn)生的力（色散力），對應(yīng)非極性分子的結(jié)合能.26ppt課件§2.3分子晶體的結(jié)合能26ppt課件一、極性分子晶體的結(jié)合能（靜電力）

極性分子存在永久偶極距，每個極性分子是一個電偶極子，相距較遠兩個極性分子之間的作用力是庫侖力，這一作用力有定向作用，因為兩極性分子同極相斥，異極相吸，有使偶極距排成一個方向的趨勢。

極性分子的相互作用27ppt課件一、極性分子晶體的結(jié)合能（靜電力）

極性分子兩個相互平行的電偶極子的庫侖勢能可以求出：28ppt課件兩個相互平行的電偶極子的庫侖勢能可以求出：28ppt課件二、極性分子晶體與非極性分子晶體的結(jié)合能(誘導(dǎo)力)

當極性分子與非極性分子靠近時，在極性分子偶極距電場作用下導(dǎo)致非極性分子的極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極距。也就是說非極性分子在誘導(dǎo)力作用下變成了極性分子。這就類似與上面公式。

極性分子與非極性分子的相互作用29ppt課件二、極性分子晶體與非極性分子晶體的結(jié)合能(誘導(dǎo)力)29ppt設(shè)是極性分子的偶極距，電場定義極化系數(shù)，由前面公式得到30ppt課件設(shè)是極性分子的偶極距，電場30ppt課件三、非極性分子晶體的結(jié)合能（色散力）以惰性氣體為例（原子核與電子處在不同相對位置的圖像）產(chǎn)生庫侖吸引產(chǎn)生庫侖排斥31ppt課件三、非極性分子晶體的結(jié)合能（色散力）產(chǎn)生庫侖吸引產(chǎn)生庫侖排斥由實驗得出兩分子之間的相互作用勢能

（雷納德－瓊斯勢）其中32ppt課件由實驗得出兩分子之間的相互作用勢能32ppt課件設(shè)有N個原子組成分子晶體，它的相互作用勢能其中R：原子的最近鄰距離，則

它們均與結(jié)構(gòu)有關(guān)。33ppt課件設(shè)有N個原子組成分子晶體，它的相互作用勢能33ppt課件2.參數(shù)計算（1）平衡時原子間距

34ppt課件34ppt課件（2）平衡時晶體總的相互作用勢能平均每個原子的能量

（3）平衡時晶體的體積彈性模量

35ppt課件（2）平衡時晶體總的相互作用勢能35ppt課件例如對于面心立方，A6=14.45，A12=12.13

代入得到，，，

36ppt課件例如對于面心立方，A6=14.45，A12=12.132.4離子晶體的結(jié)合能一、離子晶體的結(jié)合能關(guān)于離子晶體的理論是玻恩、馬德隆等人建立的，他們近似把組成離子晶體的正、負離子看做是球?qū)ΨQ的，可以看成是點電荷來處理。我們以氯化鈉晶體為例，一對離子的庫侖能：排斥能：，所以一對離子的相互作用能：

37ppt課件2.4離子晶體的結(jié)合能37ppt課件由N個正、負離子組成的晶體中，設(shè)R為最近鄰離子間距，則其中（馬德隆常數(shù)）由晶體的幾何結(jié)構(gòu)決定，與晶體大小和類型無關(guān)。38ppt課件由N個正、負離子組成的晶體中，38ppt課件二、內(nèi)部參數(shù)計算1.常數(shù)B設(shè)晶體中離子平衡間距2.體積彈性模量和玻恩指數(shù)n39ppt課件二、內(nèi)部參數(shù)計算39ppt課件其中和K均由實驗測定；由晶體的幾何結(jié)構(gòu)決定。因此3.離子晶體的結(jié)合能40ppt課件其中和K均由實驗測定；由晶體的幾何結(jié)構(gòu)決定。因此40第二章晶體的結(jié)合

§2.1晶體的結(jié)合類型§2.2結(jié)合力的一般性質(zhì)§2.3分子晶體的結(jié)合能

§2.4離子晶體的結(jié)合能41ppt課件第二章晶體的結(jié)合§2.1晶體的結(jié)合類型1ppt課件§2.1晶體的結(jié)合類型一、原子的電負性（原子對電子束縛能力大小）原來中性的原子結(jié)合成晶體時，除了外界因素如壓強、溫度影響，內(nèi)因主要是最外層電子的作用，所以晶體的結(jié)合類型和原子電性有關(guān)。電離能：使原子失去一個電子所必須吸收的能量。（說明：同一周期從左到右電離能逐漸升高；同一主族從上到下電離能依次減小。）電子親和能：中性原子獲得一個電子成為負離子所釋放的能量。（說明：①原子半徑越小，電子親和能越大；

②親和過程不是電離過程的逆過程）中性原子獲得一個電子的過程不等于+1價離子獲得一個電子的過程。42ppt課件§2.1晶體的結(jié)合類型一、原子的電負性（原子對電子束縛能電負性對電負性有不同的定義，一般用單位ev。說明：①取0.18是為了使Li的電負性為1；②電負性變化規(guī)律：同一周期內(nèi)的原子從左到右電負性增大；同一主族由上到下電負性依次減小。電負性可以綜合衡量各種元素的金屬性和非金屬性，一般電負性小的是金屬元素（<2.0）,電負性大的是非金屬元素（>2.0）43ppt課件電負性3ppt課件二、晶體的結(jié)合類型1.離子鍵和離子晶體離子鍵：異號離子之間的靜電引力所形成的化學鍵配位數(shù)：例NaCl結(jié)構(gòu)，CsCl結(jié)構(gòu)，最大配位數(shù)為8特點：無飽和性和方向性；結(jié)合能大，為800kJ/mol，熔點高，硬度大，導(dǎo)電性差。44ppt課件二、晶體的結(jié)合類型4ppt課件2.共價鍵和原子晶體（共價晶體）共價鍵：在原子晶體中相鄰原子各出一個價電子形成自旋方向相反的共用電子對，從而形成封閉的電子殼層，這種結(jié)合為共價鍵結(jié)合。配位數(shù)小，4特點：1）飽和性（一個原子只能形成一定數(shù)目的共價鍵。）2）方向性：原子只在特定的方向上形成共價鍵。

3）熔點高、硬度大、導(dǎo)電性差，結(jié)合能大約為800kJ/mol。

45ppt課件2.共價鍵和原子晶體（共價晶體）5ppt課件飽和性經(jīng)驗公式：當原子的價電子殼層不到半滿時，所有的價電子都未配對，共價鍵數(shù)目與價電子數(shù)相等。N＝n（N為價電子數(shù)）；當原子的價電子殼層不滿但超過半滿時，形成的共價鍵數(shù)目n＝8－N。46ppt課件飽和性經(jīng)驗公式：當原子的價電子殼層不到半滿時，所有的價電子都3.金屬鍵和金屬晶體金屬鍵：由（帶負電）電子云與沉浸在其中的（帶正電）原子實之間的庫侖作用而形成的鍵。（說明在下一頁）配位數(shù)：1）面心立方堆積（Cu，Ag）六角密堆積（Mg，Zn），122）體心立方。（Li，Na……）8特點：1）無明顯的方向性和飽和性。（要求排列緊密，勢能最低）

2）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，結(jié)合能較大，為

200kJ/mol。熔點高，硬度大。47ppt課件3.金屬鍵和金屬晶體7ppt課件說明：金屬晶體中，價電子不再屬于個別原子，而是為所有原子所共有，在晶體中做共有化運動，或者說金屬中所有原子都失掉了最外層價電子成為原子實（離子實），原子實浸沒在共有電子的電子云中，金屬晶體的結(jié)合力主要是原子實和共有化電子的靜電庫侖力。48ppt課件說明：金屬晶體中，價電子不再屬于個別8ppt課件4.范德瓦耳斯鍵和分子晶體分子間的相互作用力（范德瓦耳斯力）分為三種：1）靜電力（葛生力）：極性分子中的固有偶極矩產(chǎn)生的力。2）誘導(dǎo)力（德拜力）：極性分子的固有偶極矩與非極性分子的誘導(dǎo)偶極矩之間的作用力。3）色散力（倫敦力）：由非極性分子中的瞬時偶極矩產(chǎn)生的力。范德瓦耳斯鍵：由分子間相互作用使其結(jié)合成晶體的鍵。配位數(shù)：12或8特點：結(jié)合能小，熔點低，硬度小，無方向性和飽和性49ppt課件4.范德瓦耳斯鍵和分子晶體9ppt課件50ppt課件10ppt課件5.氫鍵和氫鍵晶體氫鍵：在氫鍵晶體中，氫原子可以同時與兩個電負性很大且原子半徑較?。∣，F(xiàn)，N……）的原子結(jié)合，稱為氫鍵。冰（H2O）特點：具有飽和性和方向性；氫鍵鍵能較弱。51ppt課件5.氫鍵和氫鍵晶體11ppt課件6.混合鍵：實際晶體中多種結(jié)合類型同時存在。石墨：同一層是用共價鍵結(jié)合（一個C原子以其最外層3個價電子同最近鄰的三個原子組成共價鍵結(jié)合）。另一個價電子則比較自由地在整個平面層上活動，具有金屬鍵的性質(zhì)。層與層之間主要靠分子間的瞬時偶極矩相互作用而結(jié)合。52ppt課件6.混合鍵：實際晶體中多種結(jié)合類型同時存在。12ppt課件7.晶體的結(jié)合類型與原子電性的關(guān)系：原子結(jié)合成晶體的種類主要取決于原子對價電子的束縛能力。當電離能較小的同種原子形成晶體時價電子易脫離原子，形成金屬晶體。當電離能較大的同種原子形成晶體時易生成共價鍵。Ⅷ(惰性氣體元素）只能形成分子晶體兩種原子結(jié)合：如果電離能差別大易形成離子晶體，如NaCl；如果電離能差別不大（但E大）易形成原子晶體；如果電離能差別不大（但E?。┮仔纬珊辖?。53ppt課件7.晶體的結(jié)合類型與原子電性的關(guān)系：13ppt課件2.2結(jié)合力的一般性質(zhì)一、結(jié)合力的普遍特征1.結(jié)合力的共性引力和斥力同時存在引力和斥力都與r有關(guān)

1）當時，引力>斥力，總體表現(xiàn)為引力

2）當時，引力＝斥力，引力和斥力抵消

3）當時，引力<斥力，總體表現(xiàn)為斥力54ppt課件2.2結(jié)合力的一般性質(zhì)一、結(jié)合力的普遍特征14ppt課件2.引力和斥力的來源引力:異性電荷之間的庫侖引力斥力：1）同性電荷之間的庫侖斥力2）泡利不相容原理引起的電子間的斥力u（r）55ppt課件2.引力和斥力的來源u（r）15ppt課件3.兩個原子的相互作用勢能和作用力當時，可以求出可以求出，求出f（）最大有效引力。例如對于有玻恩經(jīng)驗公式其中A，B，m,n均為大于0的常數(shù)。；56ppt課件3.兩個原子的相互作用勢能和作用力；16ppt課件思考題：對于穩(wěn)定的雙原子系統(tǒng)，必須有n>m57ppt課件思考題：對于穩(wěn)定的雙原子系統(tǒng)，必須有n>m17ppt課件二、晶體的內(nèi)能設(shè)晶體內(nèi)i，j兩原子的間距為，它們的相互作用勢能為，晶體內(nèi)原子總數(shù)為N，原子i與其它原子的相互作用勢能,，晶體的總能量（總相互作用勢能）為

，

58ppt課件二、晶體的內(nèi)能18ppt課件說明：忽略晶體表面和晶體內(nèi)部原子對能量貢獻區(qū)別是因為和為i，j兩原子的相互作用能，被考慮2次?？傁嗷プ饔脛菽芙茷榫w的內(nèi)能。59ppt課件說明：19ppt課件三、晶體性質(zhì)與內(nèi)能關(guān)系1.結(jié)合能：自由粒子結(jié)合成晶體所釋放的能量或者把晶體離解為自由粒子所需要的能量。

2.內(nèi)部參數(shù)的計算

1）晶格常數(shù)(一般為晶胞邊長)：

2）壓縮系數(shù)：單位壓強引起晶體體積的變化

60ppt課件三、晶體性質(zhì)與內(nèi)能關(guān)系20ppt課件3）體積彈性模量：a）絕熱近似條件下（T＝0k）晶體對外做功，對外做功等于內(nèi)能減少，即；平衡狀態(tài)下晶體的體積彈性模量，其中為平衡狀態(tài)下晶體的體積。61ppt課件3）體積彈性模量：21ppt課件b)設(shè)有一晶體體積為V，共含N個原子，最近鄰原子之間的距離為R，原胞體積為，引入晶體結(jié)構(gòu)參量

（如對于面心立方：，，

,求K=？62ppt課件b)設(shè)有一晶體體積為V，共含N個原子，最近鄰原子之間的距離為63ppt課件23ppt課件說明：1）

2）當（平衡狀態(tài)下最近鄰原子間距），（平衡狀態(tài)下晶體體積）得到：64ppt課件說明：1）24ppt課件平衡狀態(tài)時體積彈性模量：65ppt課件平衡狀態(tài)時體積彈性模量：25ppt課件§2.3分子晶體的結(jié)合能分子晶體的結(jié)合力是范德瓦耳斯力，它主要包括3種情況：1)極性分子的固有偶極距產(chǎn)生的力(靜電力），對應(yīng)極性分子晶體的結(jié)合能.2)極性分子的固有偶極距與非極性分子的誘導(dǎo)偶極距之間的力（誘導(dǎo)力），對應(yīng)極性分子與非極性分子晶體的結(jié)合能.3)非極性分子的瞬時偶極距產(chǎn)生的力（色散力），對應(yīng)非極性分子的結(jié)合能.66ppt課件§2.3分子晶體的結(jié)合能26ppt課件一、極性分子晶體的結(jié)合能（靜電力）

極性分子存在永久偶極距，每個極性分子是一個電偶極子，相距較遠兩個極性分子之間的作用力是庫侖力，這一作用力有定向作用，因為兩極性分子同極相斥，異極相吸，有使偶極距排成一個方向的趨勢。

極性分子的相互作用67ppt課件一、極性分子晶體的結(jié)合能（靜電力）

極性分子兩個相互平行的電偶極子的庫侖勢能可以求出：68ppt課件兩個相互平行的電偶極子的庫侖勢能可以求出：28ppt課件二、極性分子晶體與非極性分子晶體的結(jié)合能(誘導(dǎo)力)

當極性分子與非極性分子靠近時，在極性分子偶極距電場作用下導(dǎo)致非極性分子的極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極距。也就是說非極性分子在誘導(dǎo)力作用下變成了極性分