材料科学基础第2讲 固体中的结合键

固体中的结合键2016-9-21双原子分子的势能曲线•1）势能U(r)•2）Lennard-Jones势能曲线U(r)=4ε[(σ/r)12-(σ/r)6]Umin=-ε/2•3）H2的势能图2020/1/19第1节固体中的结合键•1离子键•2共价键•3金属键•4分子间键固体中的4种化学键概论•1金属键：价电子离域共享，形成最大配位数（12或8），基于能带理论•2离子键：价电子转移，基于静电吸引理论（Coulombforce)•3共价键:价电子局域共享，价电子的波函数的重叠，基于轨道理论（原子轨道、杂化轨道、分子轨道）•4vanderWaals键：分子间力（偶极子取向力、诱导力、色散力）、氢键（某分子中的O-H、C-H、Si-H键中的H与另一分子中的具有孤对电子的原子如O、N、F等之间存在静电引力。对H2O、DNA双螺旋结构分子的稳定起重要作用）。某些物质的键能和熔点物质键类型键能（kJ/mol,eV/个）熔点（°C)Hg金属键68，0.7-39Al金属键324，3.4660Fe金属键406，4.21538W金属键849，8.83410NaCl离子键640，3.3801MgO离子键1000,5.22800Si共价键450，4.71410Diamond共价键713，7.43550Ar范德华键7.7,0.08-189H2O氢键51,0.520NH3氢键35,0.36-78离子晶体•4个特点：1）离子是带电的、有弹性和可极化的球体2）阳离子和阴离子靠静电力结合，交替排列，配位数尽可能地大。3）同类离子间存在排斥力，所以同类离子间距尽可能地大。4）局部区域也要满足电中性要求。离子晶体的键能计算•1)库伦吸引力：F=-Z1Z2e2/4πε0r2•2)库伦作用势能：E=∫∞rFdr•3)Born短程排斥势：V=B/rn•4)每mol晶体的晶格能:U=•5)NaCl型结构的Madelung常数A=1.748•6）已知r(Na+)=0.095nm,r(Cl-)=0.181nmBorn-Haber循环法求内聚能•举例：Na(s)+1/2Cl2(g)=NaCl(s)•已知：∆Hf=-411kJ/mol,Na升华能109kJ/mol,Na离子化能494kJ/mol,Cl2离解能242kJ/mol,Cl原子电子亲和能-356kJ/mol。共价键•三个参数：键长，键角，键能•价键理论键长（nm）•C-C0.154(乙烷），C-C0.142(石墨）•C-C0.139(苯环），C=C0.133(乙烯）•C≡C0.120(乙炔），C-H0.107,•C-O0.143,C=O0.121,•C-N0.143,C=N0.138,•C≡N0.116,N-O0.136,•N=O0.122,O-H0.096共价键能（kJ/mol）•H-H436.4,•H-N393,•H-O460,•H-Cl431.9,•C-H414,•C-C347,•C=C620,•C=~C812,共价键应用举例•1PE•2PVC•3Kevlar，C=O0.124nm,C-N0.134nm化学键大师•GilbertNewtonLewis(1875-1946),美国化学家。•LinusPauling(1901-1994.8.19),美国化学家。•福井谦一（1918-1998），日本京都大学教授。2020/1/19总结•1金属键的特性•2离子键的特性•3共价键的特性•4分子键的特性•5键能计算