第二章 晶体的结合

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1、第二章晶体的结合1.结合能(bindingenergy)Eb=EN-E0其中，EN：N个原子孤立(或自由)时的总能量；E0：N个原子结合成晶体时的总能量。一般情况下，E00，即结构是稳定的。2.结合能的物理本质粒子(原子、分子、离子)从自由状态结合为晶体过程中所放出的能量，或把晶体拆散为各个自由粒子所必须的能量。13.结合能的单位晶体结合能的大小取决于粒子种类、结构和温度。结合能的单位有：kJ/mol，kcal/mol，eV/atom。4.研究晶体结合能的意义(1)计算晶格常数和体积弹性模量。因为晶体的结合能和晶体的晶格常数a、体积弹性模量K有

2、关，因此，可以通过结合能求出晶体的晶格常数和体积弹性模量。(2)通过实验和理论的比较，检验理论的正确性。(3)对实际研究提供正确的理论指导。2§2.1晶体的结合类型1.晶体的结合类型根据晶体结合键的类型，晶体的结合类型可以分为五大类：离子晶体(NaCl)、原子晶体(金刚石)、金属晶体(Cu、Al)、分子晶体(Ar)和氢键晶体(冰)。2.粒子间相互作用的特点晶体的结合力的类型是多种多样的，但粒子间相互间作用的关系是相同的(或相似的)。可以分为吸引和排斥。远距离(大于几个Å)吸引为主；近距离(小于平均粒子间距)排斥为主。3一、离子晶体1.离子晶体的结合力静电库仑

3、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。I族碱金属元素——Li、Na、K、Rb、CsVII族的卤素元素——F、Cl、Br、I结合为离子晶体——NaCl、CsCl半导体材料——CdS、ZnS42.离子晶体的结合类型(1)NaCl型—NaCl、KCl、AgBr、PbS、MgO两套面心立方套构而成。配位数为6。5NaCl晶胞结构示意图6(2)CsCl型—两套简立方套构而成。配位数为8。7CsCl晶胞、原胞示意图8(3)ZnS型—两套面心立方套构而成

4、。配位数为4。93.离子晶体的特点(1)构成晶体的基本单元是离子；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(2)晶体的结合力是靠正负离子间的静电库仑力；(3)离子晶体是复式格子，配位数不超过8；(4)结构稳定，结合能约为800kJ/mol；(5)导电性差、熔点高、硬度高、膨胀系数小、容易沿解理面劈裂；(6)一般对可见光透明，在远红外区有一特征吸收峰。10二、原子晶体(共价键晶体)1.原子晶体的结合力相邻的原子各出一个(或数个)电子，组成公用电子对，从而在最外层形成公用的封闭电子壳层。此种原子键合称为共价键。2.原子晶体的类型(1)Ⅳ族

5、元素。金刚石、硅、锗等是典型的共价晶体，其结构为金刚石结构。配位数为4。(2)InSb近似为原子晶体。113.原子晶体的特点(1)原子结合力是共价键；(2)共价键具有饱和性(取决于原子未配对电子数)、方向性(共价键的方向为未配对电子云密度最大的方向);(3)原子晶体为复式格子；(4)结构稳定，结合能约为800kJ/mol;(5)低温导电性差，为绝缘体或半导体，熔点高、硬度高;(6)能透射红外线。12三、金属晶体1.金属晶体的结合力原子实和公有化的电子云(价电子形成的电子云)之间的静电力。2.金属晶体的类型大多数金属晶体都是面心立方、六角密积结构。配位数为12

6、；少数为体心立方结构，配位数为8。fcc—Cu,Ag,Au,Al;hcp—Mg,Zn,Be;bcc—Li,Na,K,Mo,W;sc—Po。13143.金属晶体的特点(1)采取密堆积的形式；(2)结合能较高。约为200kJ/mol；(3)导电性好、热导率高、密度大、延展性好；(4)对红外线和可见光反射能力强，不透明，能透紫外线。15四、分子晶体1.分子晶体的结合力分子晶体分为极性分子晶体和非极性分子晶体。非极性分子晶体是靠范德瓦尔斯—伦敦力结合的。对于非极性分子，由于瞬时的正、负电子的中心不重合，呈现出瞬时的偶极矩，使其它原子间产生感应偶极矩，由此而产生伦敦力

7、。2.分子晶体的类型一般采取密堆积的形式。fcc——Ne,Ar,Kr,Xe；bcc——He。163.分子晶体的特点(1)fcc结构；惰性元素具有球对称，结合时排列最紧密以使势能最低；(2)结合能较低，约为几kJ/mol，结合力弱；(3)熔点低、沸点低、绝缘体、硬度小、易压缩；(4)能透射从红外到远紫外。晶体NeArKrXe熔点(K)248411716117五、氢键晶体1.氢键晶体的结合力氢外层只有一个电子，但电离能较高(13.595eV)，不容易电离形成离子，容易形成共价键，形成共价键后，大半个原子核暴露在外，可能再与其它负电性较高的原子结合，形成氢键。2.

8、氢键晶体的特点(1)饱和性——只能形成一个氢键；(2