材料科学基础§1-2 结合键

1 2结合键InteratomicBonding 结合键 原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小 结合键决定了物质的一系列物理 化学 力学等性质 从原则上讲 只要能从理论上正确地分析和计算结合键 就能预测物质的各项性质 结合键的大小从本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用力即库仑力 不同的键对应着不同的电子分布方式 但都满足一个共同的条件 即键合后各原子的外层电子结构要成为稳定的结构 也就是隋性气体原子的外层 八电子层 结构 即ns2np6结构 正负离子通过静电引力 库仑引力ColumbicForces 而结合成离子化合物 或离子晶体IonicCrystal 因此 离子键又称极性键 离子化合物必须是电中性的 即正电荷数应等于负电荷数 离子化合物AxBy对晶体结构的唯一限制是A和B的近邻数必须与化合比x y成反比 这一限制也同时限制了离子晶体的配位数 CoordinativeNumber CN 最高为8 一 离子键 IonicBonding 多数盐类 碱类和金属氧化物 实质 金属原子失去电子成为带正电的正离子 非金属原子得到电子成为带负电的负离子 两个异号离子间的静电吸引作用 特点 以离子而不是以原子为结合单元 要求正负离子相间排列 且无方向性 无饱和性 结合力较大性质 熔点和硬度均较高 热膨胀系统小 但脆性大 良好电绝缘体 二 共价键 CovalentBonding 亚金属 C Si Sn Ge 聚合物和无机非金属材料 实质 由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对形成 特点 饱和性 配位数较小 方向性在形成共价键时 为使电子云达到最大限度的重叠 共价键就有方向性 键的分布严格服从键的方向性 当一个电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子配对了 成键的公用电子对数目是一定的 这就是共价键的饱和性 金刚石结构 共价晶体性能 强度高 硬度高 脆性大 熔点高 沸点高和挥发性低 金属键 金属中自由电子与金属正离子之间构成的键 实质 金属最外层电子数很少 通常s p价电子数少于4 即价电子 valenceelectron 极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子 Freeelectron 形成电子云 electroncloud 特点 电子共有化 既无饱和性又无方向性 容易形成低能量密堆结构 三 金属键 MetallicBonding 良好的导电性和导热性 正的电阻温度系数 不透明并呈现特有的金属光泽 良好的塑性变形能力 好的强韧性 金属键材料特点 四 范德华键 VanderWaalsBonding 范德华键 材料中分子间存在的一种弱的作用力 静电力 electrostaticforce 诱导力 inductionforce 色散力 dispersiveforce 实质 甲烷结构示意图 特点 范德华键是一种次价键 没有方向性和饱和性 它比化学键的键能小1 2个数量级 远不如化学键牢固 但能很大程度改变材料性质 由分子键结合的固体材料熔点低 硬度也很低 因无自由电子 因此材料有良好的绝缘性 在高分子材料中总的范德华键超过化学键的作用 故在去除所有的范德华键作用前化学键早已断裂了 所以高分子往往没有气态 只有固态和液态 在HF H2O NH3等物质中 原子都是通过极性共价键结合的 氢原子中唯一的电子被其它原子所共有 裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引形成氢桥 使分子之间通过氢键连接 下面以水为例加以说明 五 氢键 HydrogenBonding 氢和氧原子间形成共价键 由于氢 氧原子间的共用电子对靠近氧原子而远离氢原子 使氢原子剩下一个没有任何核外电子作屏蔽的原子核 质子 于是这个没有屏蔽的氢原子核就会对相邻水分子中的氧原子外层未共价电子有较强的静电引力 这个引力就是氢键 固体分子状态 六 各种结合键的特点比较离子键 共价键和金属键都涉及到原子外层电子的重新分布 这些电子在键合后不再仅仅属于原来的原子 因此 这几种键都称为化学键 在形成分