§1.10 晶体的结合

§1.10晶体的结合晶体结合的类型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、物理和化学性质有密切联系一、离子性结合I族碱金属元素——Li、Na、K、Rb、CsVII族的卤素元素——F、Cl、Br、I1.离子晶体结合的特点CsCl晶体——Cs原子失去电子，Cl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实的附近，形成稳定的球对称性的电子壳层结构结合为离子晶体——NaCl，CsCl等半导体材料——CdS、ZnS等XeICsKrBrRbArClKNeFNa,,,离子晶体结合力——库仑吸引力作用——排斥力靠近到一定程度，由于泡利不相容原理，两个离子的闭合壳层电子云的交迭产生强大的排斥力——排斥力和吸引力相互平衡时，形成稳定的离子晶体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8（例如CsCl晶体）离子晶体结合的稳定性——导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小氯化钠型——NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO(配位数6)氯化铯型——CsCl、TlBr、TlI（配位数8）离子结合成分较大的半导体材料ZnS等（配位数4）二、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IV族元素C(Z=6)、Si、Ge、Sn(灰锡)等晶体，属金刚石结构共价键的现代理论——以氢分子的量子理论为基础——两个氢原子A和B，在自由状态下时，各有一个电子——归一化波函数分别满足薛定谔方程——原子核的库仑势——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单个原子中的电子的波函数共价键结合的两个基本特征——饱和性和方向性饱和性——共价键形式结合的原子能形成的键的数目有一个最大值，每个键含有2个电子，分别来自两个原子——共价键是由未配对的电子形成IV族—VII族的元素共价键数目符合8－N原则——价电子壳层如果不到半满，所有电子都可以是不配对的，因此成键的数目就是价电子数目——价电子壳层超过半满时，根据泡利原理，部分电子必须自旋相反配对，形成的共价键数目小于价电子数目方向性——原子只在特定的方向上形成共价键，各个共价键之间有确定的相对取向根据共价键的量子理论，共价键的强弱取决于形成共价键的两个电子轨道相互交叠的程度——一个原子在价电子波函数最大的方向上形成共价键——对于金刚石中C原子形成的共价键，要用“轨道杂化”理论进行解释C原子——6个电子，1s2，2s2和2p2。——只有2个电子是未配对的——而在金刚石中每个C原子和4个近邻C原子形成共价键金刚石共价键的基态由2s和2p波函数的组合构成)(21)(21)(21)(2122222222222222224321zyxzyxzyxzyxpppshpppshpppshpppsh杂化轨道的特点——电子云分别集中在四面体的4个顶角方向上，2个2s和2个2p电子都是未配对的，在四面体顶角方向上形成4个共价键——两个键之间的夹角：109028’Diamond三、金属性结合I族、II族元素及过渡元素——典型的金属晶体，最外层电子一般为1~2个组成晶体时每个原子最外层电子为所有原子所共有电子云和原子实的作用——库仑作用体积越小电子云密度越高，库仑相互作用的能愈低，表现为原子聚合起来的作用原子实——沉浸在电子云价电子——电子云金属晶体结合力——原子实和电子云之间的库仑力，无特殊要求，要求排列最紧密，势能最低，结合最稳定大多数金属——面心立方结构六角密排——面心立方晶格和六角晶格，配位数为12面心立方晶格——Cu、Ag、Au、Al六角晶格——Be、Mg、Zn、Cd体心立方——Li、Na、K、Rb、Cs、Mo(配位数8)——良好的导电本领——结合能比前面两种晶体要低一些——过渡金属结合能较大晶体的平衡——依靠库仑作用力和一定的排斥力——体积减小，电子云的密度增大，电子的动能将增加——原子实相互接近到一定的距离时，它们的电子云发生显著的重叠，将产生强烈的排斥作用——金属性结合对原子的排列没有特殊的要求，容易造成原子排列的不规范性，使其具有很大的范性排斥来自两个方面四、范德瓦耳斯结合VIII族元素在低温时结合成的晶体——非极性分子晶体分子晶体的作用力——非极性分子晶体依靠瞬时偶极矩的相互作用而结合——作用力非常微弱——惰性元素最外层8个电子，具有球对称的稳定封闭结构——某一瞬时正负电中心不重合使原子呈现出瞬时偶极矩——使其它原子产生感应极矩——1873年范德瓦耳斯提出在实际气体分子中，两个中性分子间存在着“分子力”原子呈现出瞬时偶极矩——惰性元素具有球对称，结合时排列最紧密以使势能最低——Ne、Ar、Kr、Xe的晶体都是面心立方两个惰性原子之间的相互作用势能——两个相距为r的原子，原子中电子是对称分布设原子1的瞬时电偶极矩在r处产生的电场——透明的绝缘体，熔点特低——分别为24K、84K、117K和161K——偶极矩作用原子2在电场的作用下感应偶极矩——原子的极化率两个电偶极子之间的相互作用能——作用能与p1的平方成正比，对时间的平均值不为零——力随距离增加下降很快，两个原子之间的相互作用很弱两个原子的相互作用势能126)(rBrAru——B/r12:重叠排斥势能，A和B为经验参数，都是正数原子1的电场