第三节第三节 非极性分子晶体非极性分子晶体本节主要内容本节主要内容: :2.3.1 2.3.1 非极性分子晶体的结构非极性分子晶体的结构2.3.2 2.3.2 非极性分子晶体的结合能非极性分子晶体的结合能2.3.3 2.3.3 非极性分子晶体的特征非极性分子晶体的特征2.3 非极性分子晶体范德瓦尔斯力：分子偶极矩的静电吸引作用产生的力。范德瓦尔斯力：分子偶极矩的静电吸引作用产生的力。 极性分子永久偶极矩间的相互作用力称为范德瓦尔斯极性分子永久偶极矩间的相互作用力称为范德瓦尔斯- -葛生葛生力。力。 非极性分子被极性分子的电场极化而产生的诱导偶极矩与非极性分子被极性分子的电场极化而产生的诱导偶极矩与极性分子永久偶极矩间的相互作用力称为范德瓦尔斯极性分子永久偶极矩间的相互作用力称为范德瓦尔斯-德拜德拜力。力。 非极性分子的瞬时偶极矩间相互作用力称为范德瓦尔斯非极性分子的瞬时偶极矩间相互作用力称为范德瓦尔斯- -伦敦力。伦敦力。2.3.1 非极性分子晶体结构1.结构 具有饱和电结构的原子或分子具有饱和电结构的原子或分子+ +范德瓦尔斯范德瓦尔斯-伦敦力。惰性伦敦力。惰性气体分子气体分子He、Ne、Ar、Kr、Xe在低温下形成非极性分子晶体。在低温下形成非极性分子晶体。3.配位数2.结合力通常取密堆积通常取密堆积, ,配位数为配位数为12。范德瓦尔斯范德瓦尔斯- -伦敦力。伦敦力。2.3.2 非极性分子晶体的结合能1.模型 两个相距为两个相距为r的全同线性谐振子的全同线性谐振子1和和2，每个谐振子带有一个，每个谐振子带有一个正电荷正电荷+ +q和负电荷和负电荷- -q，正负电荷之间的距离分别为正负电荷之间的距离分别为x1 1和和x2 2，粒粒子沿子沿x轴振动轴振动。2.计算(1)(1)当r很大时，两振子间没有相互作用，两振子的总能量，两振子的总能量两个分子间的相互作用势能据量子力学的结果，谐振子的振动能量为：据量子力学的结果，谐振子的振动能量为：零点振动能为：零点振动能为：+x1x2r-+(2)(2)当两个振子靠得很近时，两个振子间会发生相互作用，当两个振子靠得很近时，两个振子间会发生相互作用，相互作用势能为：相互作用势能为：( (计算时保留到二次方项计算时保留到二次方项) )+r-+x1x2令令分子的极分子的极化系数化系数振子的零点振动能振子的零点振动能两个振子的相互作用能两个振子的相互作用能-吸引能两个振子的相互作用能两个振子的相互作用能排斥能排斥能一对分子间的互作用势能为：一对分子间的互作用势能为：或或-著名的著名的雷纳德雷纳德- -琼斯势琼斯势式中式中N个惰性气体分子总的相互作用能为：个惰性气体分子总的相互作用能为：-吸引能设设R为最近为最近邻邻两个两个原原子间的距离，则子间的距离，则是仅与晶体结构有关的常数。2.平衡时体积弹性模量和晶体的结合能平均每个原子的能量平均每个原子的能量u0为：为：(1)晶体的结合能晶体的结合能晶体的结合能：晶体的结合能：平衡时最近邻原平衡时最近邻原子间距离子间距离平衡时平衡时总的互作总的互作用势能用势能2.3.3 非极性分子晶体的特征分子晶体的结合能小，熔点和沸点都很低；硬度比较小。分子晶体的结合能小，熔点和沸点都很低；硬度比较小。(2)(2)体积弹性模量体积弹性模量根据实际晶体结构根据实际晶体结构, ,求出求出 体积弹性模量体积弹性模量K对于面心立方对于面心立方单胞体积：单胞体积：n为每个单胞为每个单胞中的原子个数中的原子个数解解: :(1)(1)面心立方面心立方, ,最近邻原子有最近邻原子有12个个, ,(1)(1)只计及最近邻原子；只计及最近邻原子； (2) (2)计及最近邻和次近邻原子。计及最近邻和次近邻原子。 是参考原子是参考原子i与其它任一原子与其它任一原子j的距离的距离rij同最近邻同最近邻原子间原子间距距R的比值的比值( )( )。试计算面心立方的试计算面心立方的A6 6和和A1212。 例例1 1：由：由N个惰性气体原子构成的分子晶体，其总互作用势个惰性气体原子构成的分子晶体，其总互作用势能可表示为能可表示为式中式中,(2)计及最近邻和次近邻计及最近邻和次近邻,次近邻有次近邻有6个。个。 例例2：采用雷纳德：采用雷纳德-琼斯势，求体心立方和面心立方琼斯势，求体心立方和面心立方Ne的的结合能之比结合能之比(说明说明Ne取面心立方结构比体心立方结构更稳定取面心立方结构比体心立方结构更稳定)。已知已知(A12)f=12.13； (A6)f=14.45； (A12)b=9.11； (A6)b=12.25。解解: Ne取面心立方结构比取体心立方结构更稳定取面心立方结构比取体心立方结构更稳定。第第 四四 节节 原子晶体、金属晶体和氢键晶体原子晶体、金属晶体和氢键晶体2.4.1 2.4.1 原子晶体原子晶体2.4.2 2.4.2 金属晶体金属晶体2.4.3 2.4.3 氢键晶体氢键晶体本节主要内容本节主要内容: :2.4原子晶体、金属晶体和氢键晶体1.结构2.4.1 原子晶体 第第族、第族、第族、第族、第族、第族、第族元素都可以形成原子晶体。族元素都可以形成原子晶体。典型的原子晶体典型的原子晶体: : 金刚石、硅、锗等晶体。金刚石、硅、锗等晶体。结合力结合力: : 共价键。共价键。饱和性饱和性方向性方向性共价键的特点共价键的特点原子晶体的配位数较低。原子晶体的配位数较低。2.特征 共价键结合比较强：原子晶体具有高力学强度、高熔点、共价键结合比较强：原子晶体具有高力学强度、高熔点、高沸点和低挥发性的特点，导电率和导热率低。原子晶体一般高沸点和低挥发性的特点，导电率和导热率低。原子晶体一般属于半导体或绝缘体。属于半导体或绝缘体。2.4.2 金属晶体1.结构第第族、第族、第族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。结合力：金属键结合力：金属键 金属晶体多采取配位数为金属晶体多采取配位数为12的密堆积，少数金属为体心立的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为方结构，配位数为8。2.4.3 氢键晶体1.结构 氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子( (O、F、N等等) )结合，构成氢键。结合，构成氢键。ABH共价键共价键氢键具有饱和性。氢键具有饱和性。2.特点良好的导电性和导热性，较好的延展性，硬度大，熔点高。良好的导电性和导热性，较好的延展性，硬度大，熔点高。2.特征第第 五五 节节 元素和化合物晶体结合的规律性元素和化合物晶体结合的规律性2.5.1 2.5.1 电离能和电子亲和能电离能和电子亲和能2.5.2 2.5.2 负电性负电性本节主要内容本节主要内容: :2.5 元素和化合物晶体结合的规律性原子的负电性是用来表示原子得失电子能力的物理量。原子的负电性是用来表示原子得失电子能力的物理量。2.5.1 电离能和电子亲和能 中性原子失去中性原子失去1个电子成为个电子成为+ +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。1.电离能电离能电离能 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 15.755元素元素 K Ca Ga Ge As Se Br kr电离能电离能 ( (单位单位: :eVeV) )小小大大2.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。2.5.2 负电性负电性负电性= =0.18( (电离能电离能+ +亲和能亲和能) )(1)(1)周期表由上到下，负电性逐渐弱；周期表由上到下，负电性逐渐弱；(2)(2)周期表越往下，一个周期内负电性的差别也越小。周期表越往下，一个周期内负电性的差别也越小。对比下表各个周期对比下表各个周期, ,可看出以下两个特性：可看出以下两个特性：IAIIAIIIBIVBVBVIBVIIBLi1.0Na0.9K0.8Be1.5Mg1.2Ca1.0B2.0Al1.5Ga1.5C2.5Si1.8Ge1.8N3.0P2.1As2.0O3.5S2.5Se2.4F4.0Cl3.0Br2.8负负 电电 性性 IA 、IIA、 IIIB负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取典型的金属结合。典型的金属结合。 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，适于形成共价结合。适于形成共价结合。 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；而右端的元素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。第二章第二章 晶体中原子的结合晶体中原子的结合总总 结结v晶体结合能的普遍规律晶体结合能的普遍规律v五种基本结合类型五种基本结合类型v元素和化合物结合的规律元素和化合物结合的规律 晶体的结合能就是将自由的原子晶体的结合能就是将自由的原子( (离子或分子离子或分子) )结合成晶体结合成晶体时所释放的能量。时所释放的能量。1.晶体的结合能 E0 0是晶体的总能量，是晶体的总能量，EN是组成该晶体的是组成该晶体的N个原子在自由状态个原子在自由状态时的总能量，时的总能量，Eb即为晶体的结合能即为晶体的结合能。2.原子间相互作用势能其中第一项表示吸引能，第二项表示排斥能。其中第一项表示吸引能，第二项表示排斥能。A、B、m、n00晶体结合能的普遍规律吸引力吸引力-库仑引力；库仑引力；排斥力排斥力库仑斥力库仑斥力泡利不相容原理泡利不相容原理3.N个原子组成的晶体相互作用势能 其中其中ui、u( (rij) )为第为第i个原子与其他所有原子间的相互作用势个原子与其他所有原子间的相互作用势能及第能及第i个原子与第个原子与第j个原子间的相互作用势能。个原子间的相互作用势能。4.由相互作用势能可以求的几个参量设由设由N个原子组成的晶体的体积为个原子组成的晶体的体积为r0a( (晶格常量晶格常量) )(1(1) )(2(2) )(3(3) )五种基本结合类型离子晶体一定是复式晶格。离子晶体一定是复式晶格。(2)结合力：结合力：离子键。离子键。(3)配位数；配位数； 最大为最大为8 。(1)结构：结构： 负电性相差较大的原子负电性相差较大的原子+库仑作用力。库仑作用力。(4)互作用势能：互作用势能：1.离子晶体(5)体积弹性模量体积弹性模量马德隆常数马德隆常数(6)结合能结合能C：由外层电子主量子数决定的一个常数；由外层电子主量子数决定的一个常数；S：屏屏蔽系数；蔽系数；Z：原子序数原子序数。多价离子半径多价离子半径R ：多价离子半径；多价离子半径；n：玻恩指数；玻恩指数； ：离子的价数：离子的价数。(7)(7)离子半径离子半径单价离子半径：单价离子半径：2.非极性分子晶体(3)配位数：配位数：(2)结合力：结合力：通常取密堆积通常取密堆积,配位数为配位数为12。范德瓦尔斯范德瓦尔斯-伦敦力。伦敦力。具有饱和电结构的原子或分子具有饱和电结构的原子或分子+ 范德瓦尔斯范德瓦尔斯-伦敦力。伦敦力。(1)(1)结构：结构：(4)互作用势能：互作用势能：式中式中是仅与晶体结构有关的常数。是仅与晶体结构有关的常数。3.原子晶体、金属晶体和氢键晶体 结构：第结构：第族、第族、第族、第族、第族、第族、第族元素都可以形成族元素都可以形成原子晶体。原子晶体。结合力：结合力： 共价键共价键饱和性饱和性方向性方向性(1)原子晶体原子晶体 结构：第结构：第族、第族、第族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。族及过渡元素晶体都是典型的金属晶体。 多采取配位数为多采取配位数为12的密堆积，少数金属为体心立方结构，的密堆积，少数金属为体心立方结构，配位数为配位数为8。(2)(2)金属晶体金属晶体结合力：金属键。结合力：金属键。 结构：氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小结构：氢原子同时与两个负电性较大，而原子半径较小的原子的原子( (O、F、N等等) )结合，构成氢键。结合，构成氢键。ABH氢键具有饱和性。氢键具有饱和性。共价键共价键(3)(3)氢键晶体氢键晶体 中性原子失去中性原子失去1个电子成为个电子成为+ +1价离子时所需要的能量为第一电价离子时所需要的能量为第一电离能，从离能，从+ +1价离子再移去一个电子所需能量为第二电离能。价离子再移去一个电子所需能量为第二电离能。元素和化合物结合的规律1.电离能：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。负电性负电性= =0.18( (电离能电离能+ +亲和能亲和能) )2.电子亲和能3.负电性：原子的负电性的大小表示原子得失电子能力的强弱。原子的负电性的大小表示原子得失电子能力的强弱。 IA 、IIA、 IIIB负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子负电性低的元素对电子束缚较弱，价电子易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取易于摆脱原子束缚成为共有化电子，因此在形成晶体时便采取典型的金属结合。典型的金属结合。 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，适于形成共价结合。适于形成共价结合。 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；而右端的元素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。素负电性强，易于获得电子，因此它们形成离子晶体。