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1.2.1 晶体结合的类型 1.2.2 结合力. 1.2 晶体的结合. 1.2.1 晶体的结合类型. 结合力的不同可以将其分成五个典型的结合类型 : 离子晶体 原子晶体 金属晶体 分子晶体 氢键晶体. 一、离子晶体. 1 . 类型. I-VII 族组成的晶体是典型的离子晶体,如: NaCI 、 CsCI ; II-VI 族化合物可以看作离子晶体,如: CdS 、 ZnS 。. 2 . 基本概念.

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slide1

1.2.1 晶体结合的类型

1.2.2 结合力

1.2 晶体的结合

1.2.1 晶体的结合类型

结合力的不同可以将其分成五个典型的结合类型:

离子晶体

原子晶体

金属晶体

分子晶体

氢键晶体

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一、离子晶体

1 . 类型

I-VII族组成的晶体是典型的离子晶体,如: NaCI、 CsCI;

II-VI族化合物可以看作离子晶体,如:CdS、ZnS。

2. 基本概念

刚球模型:组成离子晶体的原子在得失电子后,电子组态与惰性原子的电子组态一样,这种电子壳层结构是稳定的,具有球形对称性,由此可以把正负离子作为钢球来处理。

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结合力:正负离子间的静电库仑力 。

配位体:离子的最邻近的异种离子。

配位数:异种离子的总数。

晶体的结合能Eb:晶体由N个原子组成,这些原子的在自由时的总能量EN与晶体处于稳定状态时的能量(动能和势能)E0之差。

晶体结合能的意义:结合能对了解组成晶体的粒子间相互作用的本质,为探索新材料的合成提供了理论指导。

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3 . 晶格

复式格子。

4 . 典型的离子晶体结构

(1) 氯化钠型是由两种面心立方结构的离子沿晶轴平移1/2间距而成,配位数为6。NaCI、KCI、AgBr、PbS、MgO等皆属此类;

( 2)氯花铯型是由两种简立方结构的离子沿空间对角线位移1/2长度套购而成,配位数为8。TiBr、TiI等皆属此类。

(3)离子结合成分较大的半导体材料ZnS等,是由两种各为面心立方结构的离子沿空间对角线位移1/4程度套购而成的闪锌矿结构,配位数为4。

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4 . 特性

结合能的数量级约在800kJ/mol,结构稳定

导致

导电性能差、熔点高、硬度高、热膨胀系数小。在红外区有一特征峰,但对可见光是透明的 。

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二、原子晶体(共价晶体)

晶格:复式格子

类型:IV族元素C(晶刚石)、Si、Ge、Sn(灰锡)的晶体。

结合力:共价键力。

特点:

饱和性------形成键的数目(配位数)有一 最大值;

方向性------各个共价键之间有确定的取向。

例如:金刚石结构的4个键的方向是沿着正四面体的4个顶角方向,键间的夹角恒为109028‘。

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特性:

特性差别较大。典型的原子晶体,具有熔点高、导电性能差、硬度高等特点。

例如:

从熔点来看,金刚石约为3280k、而Si为1693k,Ge为1209k。

从导电性来看,金刚石是一种良好的绝缘体,而Si和Ge在极低温度下才是绝缘体,同时它们的电阻率随温度升高而急速的下降,是典型的半导体材料。

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三、金属晶体

类型:I、 II族元素及过渡元素都是典型的金属晶体。

结合力:主要是由原子实和 电子云之间的静电库仑力,所以要求排列最紧密。

晶格:不喇菲格子。

原胞:大多数金属为立方密积和六角密积,配位数均为12。前者如Cu、Ag、Au、AI,后者如Be、Mg、Zn、Cd。少数金属具有体心立方结构,如Li、Na、K、Rb、Cs、Mo、W等。

特性:具有良好的导电性,结合力小,但过渡金属的结合能则比较大。

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1.2.2 结合力

一 、 结合力

晶体中粒子的互作用可分为两大类:

1 . 吸引作用:是由于异性电荷之间的库仑力,引起的作用在远距离是主要的。

2. 排斥作用:一是同性电荷之间的库仑力,二是泡利原理所引起,在近距离是主要的。

在一适当的距离

吸引作用 = 排斥作用

晶格处于稳定状态

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互作用力、互作用势能和原子间距的关系

原子间的相互作用

1. 计算ro 、rm

u(r)

由势能u(r)可以按下式计算互作用力:

f(r) = -du(r)/dr

当两原子很靠近时,斥力大于引力, 总的作用力f(r) 0。

当两原子相离比较远时,总的作用力为引力,f(r)0

r

斥力

f(r)

ro

r

rm

吸引力

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在某一适当距离ro,引力和斥力相抵消,f(r)=0

即: du(r)/dr| ro=0

得 ro

由:df(r)/dr| rm=- d2u(r)/dr2|rm= 0

得 rm

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2 . 求结合能

两原子间的互作用势能可用密函数来表达:

u(r)=A/rm+B/rn

A、B、m、n为大于零的常数 ,第一项表示吸引能,第二项表示斥力能。

晶体中总互作用势能为原子或离子对间的互作用势能之和用经典的处理方法: 先计算两个原子之间的互作用势能,再把晶体的结构因素考虑进去,综合起来就可以求得晶体的总势能。

设晶体中两原子的互作用势能为u(rij),则由N个原子组成的晶体其总的互作用势能为:

u(r) =1/2 u(rij)

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三、结合力、势能的意义

已知原子间的结合力、结合能的数学表达式,可以计算晶格常数、体积弹性模量、抗张强度等许多物理量。

例如: 晶胞常数的计算:

原子处于平衡位置时,结合能最小,

由 du(r)/dr| ro=0 求晶格常数。

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小 结

1 . 固体的结合全部归因于电子的负电荷和原子核的正电荷之间的静电吸引作用。但不同类型,表现形式不同。

离子键是由异性离子的静电吸引而形成;

共价键是反平行自旋的交叠电子,通过静电吸引束缚与它们关联的离子而形成;

金属键是靠负电子云同正离子实间的库仑力形成;

分子键靠感生偶极矩间的互作用形成

氢键是氢原子核通过库仑作用与负电性较大的离子结合形成。

2. 原子间的排斥作用来源于交叠电荷的静电排斥和泡利原理造成的排斥。

3. 晶体采用何种结合类型决定于原子束缚电子的能力,这个能力由原子的电负性衡量。

4 . 晶体结合力是研究其理化性能的基础。