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1、第二章第二章 晶体的结合晶体的结合2.1 2.1 原子的电负性原子的电负性（1 1）原子的电子分布）原子的电子分布（2 2）电离能）电离能（3 3）电子亲和能）电子亲和能（4 4）电负性）电负性2.2 2.2 晶体的结合类型晶体的结合类型（1 1）共价结合）共价结合（2 2）离子结合）离子结合（3 3）金属结合）金属结合（4 4）分子结合）分子结合（5 5）氢键结合）氢键结合本节内容本节内容: :（1 1）原子的电子分布）原子的电子分布氧的电子组态为氧的电子组态为1s1s2 22s2s2 22p2p4 4 原子的电子组态，通常用字母原子的电子组态，通常用字母s s、p p、d d来表征角量子数
2、来表征角量子数l=0=0、1 1、2 2、3 3, ,字母的左边的数字是轨道主量子数，字母的左边的数字是轨道主量子数，右上标表示该轨道的电子数目。右上标表示该轨道的电子数目。泡利不相容原理泡利不相容原理洪特定则洪特定则包括自旋在内，不可能存在量子态全同的两个电子 电子依能量从低到高依次进入轨道并先单一自旋平行地占据尽可能多的等价轨道。（2 2）电离能）电离能 中性原子失去中性原子失去1 1个电子成为个电子成为+ +1 1价离子时所需要的能量为第一价离子时所需要的能量为第一电离能，从电离能，从+ +1 1价离子再移去一个电子所需的能量为第二电离能。价离子再移去一个电子所需的能量为第二电离能。电离
3、能越大，原子对价电子的束缚能力越强。电离能越大，原子对价电子的束缚能力越强。电离能电离能 4.339 6.111 6.00 7.88 9.87 9.750 11.84 13.996 4.339 6.111 6.00 7.88 9.87 9.750 11.84 13.996 元素元素 Na Mg Al Si P S Cl Ar电离能电离能 5.138 7.644 5.984 8.149 10.55 10.357 13.01 15.7555.138 7.644 5.984 8.149 10.55 10.357 13.01 15.755元素元素 K Ca Ga Ge As Se Br kr电离能电离
4、能 ( (单位单位: :eV)eV)小小大大（3 3）电子亲和能）电子亲和能中性原子获得电子成为中性原子获得电子成为-1-1价离子时所放出的能量。价离子时所放出的能量。B为电子亲合能为电子亲合能。亲和过程不能看成是电离过程的逆过程亲和过程不能看成是电离过程的逆过程元素元素HHe LiBe BCNOFNe理论值理论值72.76672.766-21-2159.859.82402402929113113-58-58120120312-312-315315-29-29实验值实验值72.972.90 059.859.80 023231221220200201411413223220 0元素元素NaMg
5、AlSiPSClArKCa理论值理论值5252-230-23048481341347575205205343343-35-354545-156-156实验值实验值52.952.90 044441201207474200.4200.4348.7348.70 048.448.40 0电子亲和能可以用来表示原子对价电子的束缚强弱。电子亲和能可以用来表示原子对价电子的束缚强弱。（4 4）电负性）电负性 （用来表示原子得失电子能力的物理量用来表示原子得失电子能力的物理量）Mulliken （穆力肯）：（穆力肯）：原子的电负性原子的电负性= =0.180.18( (电离能电离能+ +亲和能亲和能) )Pa
6、uling提出计算办法：提出计算办法：IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBLi1.0Na0.9K0.8Be1.5Mg1.2Ca1.0B2.0Al1.5Ga1.5C2.5Si1.8Ge1.8N3.0P2.1As2.0O3.5S2.5Se2.4F4.0Cl3.0Br2.8电电 负负 性性(1)(1)周期表由上到下，电负性逐渐弱；周期表由上到下，电负性逐渐弱；(2)(2)周期表越往下，一个周期内电负性的差别也越小。周期表越往下，一个周期内电负性的差别也越小。对比下表各个周期对比下表各个周期, ,可看出以下几个规律：可看出以下几个规律： ( (3)IA3)IA 、IIA、 IIIB电负性低的元素
7、对电子束缚较弱电负性低的元素对电子束缚较弱，价电子，价电子易于摆脱原子束缚成为易于摆脱原子束缚成为共有化电子共有化电子，因此在形成晶体时便采取，因此在形成晶体时便采取典型的典型的金属金属结合。结合。( (4)4)IVB、 VB具有较强的负电性，它们束缚电子的能力较强，具有较强的负电性，它们束缚电子的能力较强，适于形成适于形成共价结合共价结合。( (5)周期表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而右端的元周期表左端的元素负电性弱，易于失去电子；而右端的元素素电负性强电负性强，易于获得电子，因此它们形成，易于获得电子，因此它们形成离子晶体离子晶体。总结：原子的电负性电负性：是衡量原子得失电子难易的物
8、理量. 定义式为：电离势：一个原子失去一个最外层电子所需的能量. 电子亲和势：一个中性原子 获得一个电子成为负离子所放出的能量.电负性可用来定性判断形成晶体所采取的结合类型：1. 1.当当2 2个成键原子的电负性差值较大时，晶体结合往往采取离子键，由个成键原子的电负性差值较大时，晶体结合往往采取离子键，由周期表的最左端与最右端的元素结合成晶体，主要是离子键周期表的最左端与最右端的元素结合成晶体，主要是离子键. .2. 2.1同种原子之间的成键，主要是共价键或金属键，因为原子的电负性同种原子之间的成键，主要是共价键或金属键，因为原子的电负性一样大一样大. .2.2电负性差值小的原子之间成键主要是
9、共价键，像元素周期表中的相电负性差值小的原子之间成键主要是共价键，像元素周期表中的相邻元素之间形成的主要是共价键，但是也有一定的离子键成分，价电子邻元素之间形成的主要是共价键，但是也有一定的离子键成分，价电子不仅为两个原子共享，而且还偏向电负性较大的原子一边不仅为两个原子共享，而且还偏向电负性较大的原子一边. .电负性电负性0.180.18（原子电离能电子亲和势）（原子电离能电子亲和势）2.2 2.2 晶体的结合类型晶体的结合类型 由电负性较大的由电负性较大的同种原子同种原子结合成晶体时，最外层的结合成晶体时，最外层的电子都不会脱离原来的原子，称这类晶体为电子都不会脱离原来的原子，称这类晶体为
10、原子晶体原子晶体。 两个原子接近时两个原子接近时, ,只有自旋方向相反的单电子可以相只有自旋方向相反的单电子可以相互配对互配对( (两原子轨道重叠两原子轨道重叠),),使电子云密集于两核间使电子云密集于两核间, ,系统能系统能量降低量降低, ,形成稳定的共价键。形成稳定的共价键。 联结两个原子的一对电子称为配对电子，电子配对联结两个原子的一对电子称为配对电子，电子配对的方式称为共价键。如的方式称为共价键。如 C,Si,Ge（1）共价结合（原子晶体和分子晶体）共价键的饱和性共价键的饱和性 当一个原子与其它原子结合时，能够形成共价键的数目当一个原子与其它原子结合时，能够形成共价键的数目有一个最大值
11、，这个最大值决定于它所含的未配对的电子有一个最大值，这个最大值决定于它所含的未配对的电子数，这个特性称为数，这个特性称为共价键的饱和性共价键的饱和性。 如原子满壳层电子数为如原子满壳层电子数为8，若原子的价电子数，若原子的价电子数N小于满壳层小于满壳层电子数的一半，即电子数的一半，即N4，则该原子最多可形成，则该原子最多可形成N个共价键。如个共价键。如果原子的价电子数果原子的价电子数N4，则最多可形，则最多可形 成（成（8 - N）个共价键。）个共价键。常称此为常称此为 8-N 规则。规则。共价键的方向性 两个原子在以共价键结合时，必定选取尽可能使其电子云两个原子在以共价键结合时，必定选取尽可
12、能使其电子云密度为最大的方位，密度为最大的方位，电子云交迭得越厉害，共价键越稳固电子云交迭得越厉害，共价键越稳固。这。这就是共价键具有方向性的物理本质。就是共价键具有方向性的物理本质。 共价结合使两个原子核间出现一个电子云密集区，降低了共价结合使两个原子核间出现一个电子云密集区，降低了两核间的正电排斥，使得体系的势能降低，形成稳定的结构。两核间的正电排斥，使得体系的势能降低，形成稳定的结构。 共价晶体的硬度高，熔点高，热膨胀系数小，导电性差。共价晶体的硬度高，熔点高，热膨胀系数小，导电性差。 一种容易失去电子的元素和一种容易俘获电子的元素结合在一一种容易失去电子的元素和一种容易俘获电子的元素结
13、合在一起，其中起，其中一个变成正离子一个变成正离子，另一个变成，另一个变成负离子负离子，最终形成离子晶体。，最终形成离子晶体。 离子晶体的硬度高，熔点高，热膨胀系数小，导电性差。 离子晶体结合过程中的动力显然是正负离子之间的库仑力。一种离子晶体结合过程中的动力显然是正负离子之间的库仑力。一种离子的最近邻只能为异号离子。离子的最近邻只能为异号离子。氯化钠结构、氯化铯结构是氯化钠结构、氯化铯结构是氯化钠结构、氯化铯结构是氯化钠结构、氯化铯结构是典型的离子晶体结构典型的离子晶体结构典型的离子晶体结构典型的离子晶体结构（2）离子结合模型：金属中所有的原子都失掉了最外层的价电子而成为原子实，原子实浸没在
14、共有电子共有电子的电子云中。 金属晶体有良好的导电性、导热性和延展性。（3）金属结合 分子之间的结合力称为范德瓦耳斯力。分子之间的结合力称为范德瓦耳斯力。极性分子间的结合 极性分子具有电偶极矩，两分子靠近的两原子一定是异性的，这样才能使体系能量最低。极性分子与非极性分子间的结合非极性分子间的结合 极性分子先由到出电偶极子，然后电偶极矩与诱导偶极矩间的诱导力使两分子结合。 低温条件下的瞬时电偶极矩是非极性分子在低温时形成晶体的原因。（4）分子结合与负电性大的原子X（氟、氯、氧、氮等）共价结合的氢，如与负电性大的原子Y（与X相同的也可以）接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-HY形的键，称为氢键。
15、 对大多数晶体来说，晶体的结合可能是混合型，即一种晶体内同时存在有几种结合类型。如石墨晶体是典型的混合型晶体，既有共价结合，又有分子结合，还有金属结合。注意（5）氢键结合总结：原子的电负性电负性：是衡量原子得失电子难易的物理量. 定义式为：电离势：一个原子失去一个最外层电子所需的能量. 电子亲和势：一个中性原子 获得一个电子成为负离子所放出的能量.电负性可用来定性判断形成晶体所采取的结合类型：1. 1.当当2 2个成键原子的电负性差值较大时，晶体结合往往采取离子键，由个成键原子的电负性差值较大时，晶体结合往往采取离子键，由周期表的最左端与最右端的元素结合成晶体，主要是离子键周期表的最左端与最右
16、端的元素结合成晶体，主要是离子键. .2. 2.同种原子之间的成键，主要是共价键或金属键，因为原子的电负性同种原子之间的成键，主要是共价键或金属键，因为原子的电负性一样大一样大. .3. 3.电负性差值小的原子之间成键主要是共价键，像元素周期表中的相邻电负性差值小的原子之间成键主要是共价键，像元素周期表中的相邻元素之间形成的主要是共价键，但是也有一定的离子键成分，价电子不元素之间形成的主要是共价键，但是也有一定的离子键成分，价电子不仅为两个原子共享，而且还偏向电负性较大的原子一边仅为两个原子共享，而且还偏向电负性较大的原子一边. .电负性电负性0.180.18（原子电离能电子亲和势）（原子电离
17、能电子亲和势）2.2 晶体的结合类型（袖珍版）离子键：离子键：离子晶体中，一种原子的电子转移的另一个原子上，形成离子晶体中，一种原子的电子转移的另一个原子上，形成正负离子，它们通过静电引力键合在一起，形成离子键正负离子，它们通过静电引力键合在一起，形成离子键. .通常由金属性很强的元素和氧化性很强的非金属元素组成通常由金属性很强的元素和氧化性很强的非金属元素组成. .如卤族元素和碱金属如卤族元素和碱金属元素，氧族元素和碱土金属元素元素，氧族元素和碱土金属元素. . 具有闭合的电子壳层，离子键没有方向性；离具有闭合的电子壳层，离子键没有方向性；离子键之间的作用很强，具有相当高的强度、硬度和熔点，
18、而导电性、热膨胀系数子键之间的作用很强，具有相当高的强度、硬度和熔点，而导电性、热膨胀系数小小. .大多数离子晶体对可见光是透明的，在远红外区有一特征吸收峰大多数离子晶体对可见光是透明的，在远红外区有一特征吸收峰2.共价晶体（原子晶体）1.离子晶体共价键：共价键：共价晶体中，相邻原子各出一个价电子形成自旋相反的共共价晶体中，相邻原子各出一个价电子形成自旋相反的共用电子对，这样的原子键合，称为共价键用电子对，这样的原子键合，称为共价键. .共价键的两个特点：共价键的两个特点：饱和性，方向性饱和性，方向性共价晶体一般很硬，熔点也很高，但导电性很差. .饱和性：饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价
19、键一个原子只能形成一定数目的共价键. .方向性：方向性：通常在价电子电荷密度最大的方向上形成共价键通常在价电子电荷密度最大的方向上形成共价键. .3.金属晶体金属键金属键的基本特征是电子云的的基本特征是电子云的共有化共有化，即在结合成晶体时，原来属，即在结合成晶体时，原来属于各原子的价电子不在束缚在原子上，而转变为在整个晶体内运动，于各原子的价电子不在束缚在原子上，而转变为在整个晶体内运动，它的波函数遍及整个晶体它的波函数遍及整个晶体. .由于共有化自由电子存在，因而金属具有良好的导热性和导电性等.4.分子晶体（如惰性气体）伦敦力（色散力）伦敦力（色散力）：2 2个原子或分子由于瞬时的电偶极矩
20、而相互个原子或分子由于瞬时的电偶极矩而相互吸引作用吸引作用. .葛生力：葛生力：极性分子固有偶极间的相互作用力极性分子固有偶极间的相互作用力德拜力：德拜力：有极分子与无极分子之间的相互作用力有极分子与无极分子之间的相互作用力（1 1）伦敦力、葛生力、德拜力统称为范德瓦尔斯力，均与）伦敦力、葛生力、德拜力统称为范德瓦尔斯力，均与r的的7 7次方成反比次方成反比. .（2 2）分子的结合力就是范德瓦尔斯力）分子的结合力就是范德瓦尔斯力. . 伦敦力在范德瓦尔斯力中起主要作用，伦敦力在范德瓦尔斯力中起主要作用， 它它比葛生力和德拜力大比葛生力和德拜力大. .（3）由于范德瓦尔斯力很弱，所以分子晶体结
21、合能低，晶体质软，熔点低）由于范德瓦尔斯力很弱，所以分子晶体结合能低，晶体质软，熔点低. .通常通常: : 色散力色散力 取向力取向力 诱导力诱导力 ( (水，氨等强极性分子例外水，氨等强极性分子例外) )5.氢键晶体（1 1）氢原子只有一个价电子，一般只能与一个原子相互作用形成）氢原子只有一个价电子，一般只能与一个原子相互作用形成共价键共价键. .（2 2）在氢键晶体中，氢原子可以和）在氢键晶体中，氢原子可以和2 2个电负性较大而原子半径较个电负性较大而原子半径较小的原子相结合，这种特殊的结合称为小的原子相结合，这种特殊的结合称为氢键氢键. .（3 3）由于氢核很小，只能容许）由于氢核很小，
22、只能容许2 2个原子从两边靠拢，故氢键既有个原子从两边靠拢，故氢键既有方方向性向性，又有，又有饱和性饱和性. .（4 4）氢键是一种较弱的键）氢键是一种较弱的键. .注：注：以上讨论的以上讨论的5 5种典型类型，有些晶体并不能明确的划入哪种种典型类型，有些晶体并不能明确的划入哪种类型，而是介于某些类型之间，有些晶体可能同时具有几种相互作类型，而是介于某些类型之间，有些晶体可能同时具有几种相互作用形式，有人称之为混合键用形式，有人称之为混合键. .像离子晶体和共价晶体之间就有多种像离子晶体和共价晶体之间就有多种化合物晶体存在，他们同时含有离子性和共价性化合物晶体存在，他们同时含有离子性和共价性2 2种成分，哪种成种成分，哪种成分多就划入哪种晶体类型分多就划入哪种晶体类型. .
