无机材料物理基础1.2结合

1、1.2.1 晶体结合的类型晶体结合的类型1.2.2 结合力结合力 1.2 晶体的结合晶体的结合结合力的不同可以将其分成五个典型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: 离子晶体离子晶体 原子晶体原子晶体 金属晶体金属晶体 分子晶体分子晶体 氢键晶体氢键晶体1.2.1 晶体的结合类型晶体的结合类型I-VII族组成的晶体是典型的离子晶体，如：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：族化合物可以看作离子晶体，如：CdS、ZnS。一、离子晶体一、离子晶体1 . 类型类型刚球模型：刚球模型：组成离子晶体的原子在得失电子后，电组成离子

2、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。离子作为钢球来处理。 2. 基本概念基本概念结合力：结合力：正负离子间的静电库仑力正负离子间的静电库仑力 。 配位体配位体：离子的最邻近的异种离子。：离子的最邻近的异种离子。配位数配位数：异种离子的总数。：异种离子的总数。晶体的结合能晶体的结合能Eb：晶体由晶体由N个原子组成，这些原子的个原子组成，这些原子的在自由时的总能量在自由时的总能量EN与晶体处于稳定状态时的能量与晶体

3、处于稳定状态时的能量（动能和势能）（动能和势能）E0之差。之差。晶体结合能的意义：晶体结合能的意义：结合能对了解组成晶体的粒子间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相互作用的本质，为探索新材料的合成提供了理论指导。导。 表示钠 表示氯（ 1） 氯化钠型是由两种面心立方结构的离子沿晶轴氯化钠型是由两种面心立方结构的离子沿晶轴平移平移1/2间距而成，配位数为间距而成，配位数为6。NaCI、KCI、AgBr、PbS、MgO等皆属此类；等皆属此类； （ 2）氯化铯型是由两种简立方结构的离子沿空间对氯化铯型是由两种简立方结构的离子沿空间对角线位移角线位移1/2长度套

4、购而成，配位数为长度套购而成，配位数为8。TiBr、TiI等等皆属此类。皆属此类。3 . 晶格晶格复式格子。复式格子。4 . 典型的离子晶体结构典型的离子晶体结构（ 3）离子结合成分较大的半导体材料离子结合成分较大的半导体材料ZnS等，是由等，是由两种各为面心立方结构的离子沿空间对角线位移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，配位数为程度套购而成的闪锌矿结构，配位数为4。 表示Cs 。 表示Cl结合能的数量级约在结合能的数量级约在800kJ/mol，结构稳定，结构稳定导致导致4 . 特性特性导电性能差、熔点高、硬度高、热膨胀系数小。在导电性能差、熔点高、硬度

5、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红外区有一特征峰，但对可见光是透明的 。晶格：晶格：复式格子复式格子类型：类型： IV族元素族元素C（金刚石）、（金刚石）、Si、Ge、Sn(灰锡）灰锡）的晶体。的晶体。结合力：结合力：共价键力。共价键力。特点：特点：饱和性饱和性-形成键的数目（配位数）有一形成键的数目（配位数）有一 最大值；最大值；方向性方向性-各个共价键之间有确定的取向。各个共价键之间有确定的取向。 例如：例如：金刚石结构的金刚石结构的4个键的方向是沿着正四面体的个键的方向是沿着正四面体的4个顶角方向，键间的夹角恒为个顶角方向，键间的夹角恒为109028。 二、原子晶

6、体（共价晶体二、原子晶体（共价晶体）特性：特性：特性差别较大。典型的原子晶体，具有熔点高、导特性差别较大。典型的原子晶体，具有熔点高、导电性能差、硬度高等特点。电性能差、硬度高等特点。例如：例如：从熔点来看，金刚石约为从熔点来看，金刚石约为3280k、而、而Si为为1693k，Ge为为1209k。从导电性来看，金刚石是一种良好的绝缘体，而从导电性来看，金刚石是一种良好的绝缘体，而Si和和Ge在极低温度下才是绝缘体，同时它们的电阻率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。随温度升高而急速的下降，是典型的半导体材料。类型：类型：I、 II族元素及过渡元素

7、都是典型的金属晶体。族元素及过渡元素都是典型的金属晶体。结合力：主要是由原子实和结合力：主要是由原子实和 电子云之间的静电库仑电子云之间的静电库仑力，所以要求排列最紧密。力，所以要求排列最紧密。晶格：晶格：不喇菲格子。不喇菲格子。 原胞：原胞：大多数金属为立方密积和六角密积，配位数大多数金属为立方密积和六角密积，配位数均为均为12。前者如。前者如Cu、Ag、Au、AI，后者如，后者如Be、Mg、Zn、Cd。少数金属具有体心立方结构，如。少数金属具有体心立方结构，如Li、Na、K、Rb、Cs、Mo、W等。等。特性：特性：具有良好的导电性，结合力小，但过渡金属具有良好的导电性，结合力小，但过渡金属

8、的结合能则比较大。的结合能则比较大。三、金属晶体三、金属晶体特点：1、由于金属键对离子实的排列方式没有特殊要求，使得金属键没有方向性和饱和性，因而金属晶体一般要求紧密排列，具有高的配位数。2、金属具有良好的导电性和导热性，这与共有化电子在整个晶体内自由运动相联系。3、金属具有高的硬度和高的熔点，这是金属间结合力强的结果，但金属键和离子键、共价键比还是弱的。二、范德华力及其对物质性质的影响二、范德华力及其对物质性质的影响1、范德华力：、范德华力：分子之间的相互作用力，分子之间的相互作用力，很弱很弱，比化学键小，比化学键小12个数量级。只能在个数量级。只能在很小的范围内存在。很小的范围内存在。不属

9、于化学键不属于化学键二、范德华力及其对物质性质的影响二、范德华力及其对物质性质的影响1、范德华力：、范德华力：分子之间的相互作用力，分子之间的相互作用力，很弱很弱，比化学键小，比化学键小12个数量级。只能在个数量级。只能在很小的范围内存在。很小的范围内存在。不属于化学键不属于化学键2 2、影响范德华力大小的因素、影响范德华力大小的因素结构相似的分子，结构相似的分子，相对分子质量相对分子质量越大，范德华力越大。如卤素单质越大，范德华力越大。如卤素单质分子极性分子极性越强，范德华力越大越强，范德华力越大 化学键影响物质的化学键影响物质的化学性质（主）化学性质（主）和和物理性质物理性质 范德华力影响

10、物质的范德华力影响物质的物理性质物理性质（熔、沸（熔、沸点及溶解度等）点及溶解度等） 分子间范德华力越大，熔沸点越高分子间范德华力越大，熔沸点越高3 3、范德华力对物质性质的影响、范德华力对物质性质的影响壁虎为什么能在天花板土爬行自如壁虎为什么能在天花板土爬行自如?这曾是一个困扰这曾是一个困扰科学家一百多年的谜。用电子显微镜可观察到，壁虎科学家一百多年的谜。用电子显微镜可观察到，壁虎的四足覆盖着几十万条纤细的由角蛋白构成的纳米级的四足覆盖着几十万条纤细的由角蛋白构成的纳米级尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力尺寸的毛。壁虎的足有多大吸力?实验证明，如果在一实验证明，如果在一个分币的面积土布满个分币的面

11、积土布满100万条壁虎足的细毛，可以吊起万条壁虎足的细毛，可以吊起20kg重的物体。近年来，有人用计算机模拟，证明壁重的物体。近年来，有人用计算机模拟，证明壁虎的足与墙体之间的作用力在本质上是它的细毛与墙虎的足与墙体之间的作用力在本质上是它的细毛与墙体之间的范德华力。体之间的范德华力。思考？夏天经常见到许多壁虎在墙壁或天花板上爬行，思考？夏天经常见到许多壁虎在墙壁或天花板上爬行，却掉不下来，为什么？却掉不下来，为什么？将干冰气化，破坏了将干冰气化，破坏了CO2分子晶体的分子晶体的将将CO2气体溶于水，破坏了气体溶于水，破坏了CO2分子的分子的分子间分子间作用力作用力共价键共价键思考：思考：练习

12、：练习：下列变化过程只是克服了范德华力下列变化过程只是克服了范德华力的是（的是（ ）A A、食盐的熔化、食盐的熔化 B B、水的分解、水的分解 C C、碘单质的升华、碘单质的升华 D D、金属钠的熔化、金属钠的熔化C-150-125-100-75-50-2502550751002345CH4SiH4GeH4SnH4NH3PH3AsH3SbH3HFHClHBrHIH2OH2SH2SeH2Te沸点沸点/周期周期一些氢化物的沸点一些氢化物的沸点. .定义：当定义：当氢原子氢原子与与电负性大电负性大的的X X原子以共价键结合时，它们之间的原子以共价键结合时，它们之间的共用电子对强烈地偏向共用电子对强烈

13、地偏向X X，使，使H H几乎几乎成为成为“裸露裸露”的质子，这样相对的质子，这样相对显显正电性的正电性的H H与另一分子中相对显负电与另一分子中相对显负电性的性的X(X(或或Y)Y)中的孤对电子接近并产中的孤对电子接近并产生相互作用生相互作用，这种相互作用称氢键。，这种相互作用称氢键。 四、氢键及其对物质性质的影响四、氢键及其对物质性质的影响. .表示表示：氢键可以用：氢键可以用X XH HY Y表示。表示。X X和和Y Y可以是同种原子，也可以是不同种原子，可以是同种原子，也可以是不同种原子，但都是但都是电负性较大、半径极小的非金属原电负性较大、半径极小的非金属原子（一般就是、子（一般就是

14、、）。表示式中的）。表示式中的实线表示共价键，虚线表示氢键。实线表示共价键，虚线表示氢键。 . .氢键的键能一般小于氢键的键能一般小于40kJ/mol40kJ/mol，强强度介于化学键和分子间作用力之间度介于化学键和分子间作用力之间因因此氢键此氢键不属于化学键不属于化学键，而，而属于分子间作属于分子间作用力用力的范畴。的范畴。 邻羟基苯甲醛邻羟基苯甲醛(熔点熔点:-7)对羟基苯甲醛对羟基苯甲醛(熔点熔点:115-117). .氢键的氢键的存在存在(1)(1)分子间氢键分子间氢键(2)(2)分子内氢键分子内氢键5.5.氢键对物质性质的影响氢键对物质性质的影响：对物质对物质熔沸点熔沸点的影响的影响

15、分子分子间间氢键使物质熔点氢键使物质熔点升高升高分子分子内内氢键使物质熔点氢键使物质熔点降低降低讨论：尿素、醋酸、硝酸是相对分子质量相近讨论：尿素、醋酸、硝酸是相对分子质量相近的三种分子，但这三种物质的熔点和沸点相差的三种分子，但这三种物质的熔点和沸点相差比较大尿素常温下是固体，熔点在比较大尿素常温下是固体，熔点在200以上；以上；醋酸的熔点为醋酸的熔点为16.6，在温度低于，在温度低于16.6时即凝时即凝结成冰状的固体；常温下硝酸是一种具有挥发结成冰状的固体；常温下硝酸是一种具有挥发性的液体性的液体,熔点为熔点为-41.6 .根据上述三种物质熔、根据上述三种物质熔、沸点差异较大的事实，分析它

16、们可能含有的氢沸点差异较大的事实，分析它们可能含有的氢键，画出示意图键，画出示意图对物质的溶解性的影响对物质的溶解性的影响讨论讨论:我们在学习化学的过程中还有什么地方能我们在学习化学的过程中还有什么地方能用氢键的知识来解释的？用氢键的知识来解释的？(1)水的特殊物理性质水的特殊物理性质(2)蛋白质结构中存在氢键蛋白质结构中存在氢键(3)核酸核酸DNA中也存在氢键中也存在氢键(4)甲醇易溶于水甲醇易溶于水(5)乙醇与水互溶乙醇与水互溶水的物理性质水的物理性质:讨论水的讨论水的特殊性特殊性：(1)水的熔沸点比较高？水的熔沸点比较高？(2)为什么水结冰后体积膨胀？为什么水结冰后体积膨胀？(3)为什么

17、水在为什么水在4时密度最大？时密度最大？液态水中的氢键液态水中的氢键在水蒸气中水以单个的在水蒸气中水以单个的H20分子形式存在；分子形式存在；在液态水中，经常是几个水分子通过氢键结合在液态水中，经常是几个水分子通过氢键结合起来，形成（起来，形成（H20）n(如上图）；在固态水如上图）；在固态水（冰）中，水分子大范围地以氢键互相联结，（冰）中，水分子大范围地以氢键互相联结，形成相当疏松的晶体，从而在结构中有许多空形成相当疏松的晶体，从而在结构中有许多空隙，造成体积膨胀，密度减小，因此冰能浮在隙，造成体积膨胀，密度减小，因此冰能浮在水面上水面上 随温度升高，同时发生两种相反的过程：一随温度升高，同

18、时发生两种相反的过程：一是冰晶结构小集体受热不断崩溃，缔合分子减少；是冰晶结构小集体受热不断崩溃，缔合分子减少；另一是水分子间距因热运动不断增大另一是水分子间距因热运动不断增大0 044间，间，前者占主导优势，前者占主导优势， 4以上，后者占主导优势，以上，后者占主导优势， 4时，两者互不相让，导致水的密度最大时，两者互不相让，导致水的密度最大相似相溶相似相溶水和水和甲醇的相互溶解甲醇的相互溶解（深蓝色虚线为氢（深蓝色虚线为氢键）键）蛋白质结构中的氢键蛋白质结构中的氢键 二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的结构的构象，是多肽链

19、局部的空间结构（构象），周期性的结构的构象，是多肽链局部的空间结构（构象），主要有主要有螺旋、螺旋、折叠、折叠、转角等几种形式，它们是构转角等几种形式，它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。成蛋白质高级结构的基本要素。 蛋白质的生物学活性和理蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整化性质主要决定于空间结构的完整 变性作用是蛋白质受物理或化学因素变性作用是蛋白质受物理或化学因素 的影响，改变其分子内部结构和性质的作的影响，改变其分子内部结构和性质的作 用。一般认为蛋白质的二级结构和三级结用。一般认为蛋白质的二级结构和三级结 构有了改变或遭到破坏，都是变性的结果。构有了改变或遭到破坏，都

20、是变性的结果。 强酸、强碱使蛋白质变性，是因为强酸、强酸、强碱使蛋白质变性，是因为强酸、 强碱可以使蛋白质中的氢键断裂强碱可以使蛋白质中的氢键断裂, ,从而使蛋从而使蛋 白质发生变性白质发生变性. . DNA的双螺旋结构的双螺旋结构(碱基配对碱基配对) 水孕育生命，水养育人类。人体内水的重量约占水孕育生命，水养育人类。人体内水的重量约占70%70%。人们平常喝的天然水是由许多水分子缔合成的簇。人们平常喝的天然水是由许多水分子缔合成的簇团，参与体内生物化学作用差。人体动脉内的脂质沉积团，参与体内生物化学作用差。人体动脉内的脂质沉积随着年龄增长逐渐增多，血流阻力增大，同时动脉管腔随着年龄增长逐渐增

21、多，血流阻力增大，同时动脉管腔变窄，血流量减少。中老年人可能患动脉粥样硬化症、变窄，血流量减少。中老年人可能患动脉粥样硬化症、高脂血症和高血压症，有的人还伴发血粘度高、血糖高、高脂血症和高血压症，有的人还伴发血粘度高、血糖高、血尿酸高，产生微循环障碍，这些病变，形成心脑血管血尿酸高，产生微循环障碍，这些病变，形成心脑血管病、糖尿病等，促使人体器官功能提前衰减，缩短了人病、糖尿病等，促使人体器官功能提前衰减，缩短了人应享的自然寿命。只有认识水的结构及其变化，了解有应享的自然寿命。只有认识水的结构及其变化，了解有关的医学研究成果，才能领悟喝天然水是产生上述老年关的医学研究成果，才能领悟喝天然水是产

22、生上述老年病的重要原因，人类应企盼饮用小分子水，以祛疾养生，病的重要原因，人类应企盼饮用小分子水，以祛疾养生，益寿延年。益寿延年。 拓展视野拓展视野：昆虫靠漩涡在水上行走昆虫靠漩涡在水上行走 水中的氢键很脆弱水中的氢键很脆弱,破坏的快破坏的快,形成的也快形成的也快.总的结总的结果是水分子总是以不稳定的氢键连在一片果是水分子总是以不稳定的氢键连在一片.水的这一特水的这一特性使水有了较强的内聚力和表面能力性使水有了较强的内聚力和表面能力.由于具有较高的由于具有较高的表面能力表面能力,所以昆虫能在水面上行走所以昆虫能在水面上行走.当然也和昆虫本当然也和昆虫本身所具有的结构有关系身所具有的结构有关系.

23、 吉林雾凇吉林雾凇 雾凇是一种附着于地面物体雾凇是一种附着于地面物体( (如树枝、如树枝、电线电线) )迎风面上的白色或乳白色不透明冰层。迎风面上的白色或乳白色不透明冰层。它也是由过冷水滴凝结而成。不过，这些它也是由过冷水滴凝结而成。不过，这些过冷水滴不是从天上掉下来的，而是浮在过冷水滴不是从天上掉下来的，而是浮在气流中由风携带来的。这种水滴要比形成气流中由风携带来的。这种水滴要比形成雨凇的雨滴小许多，称为雾滴，实际上，雨凇的雨滴小许多，称为雾滴，实际上，也就是组成云的水滴。当它们撞击物体表也就是组成云的水滴。当它们撞击物体表面后，会迅速冻结。由于雾凇中雾滴与雾面后，会迅速冻结。由于雾凇中雾滴

24、与雾滴间空隙很多，因此雾凇呈完全不透明的滴间空隙很多，因此雾凇呈完全不透明的白色。雾凇轻盈洁白，附着在树木物体上，白色。雾凇轻盈洁白，附着在树木物体上，宛如琼树银花，清秀雅致，这就是树挂宛如琼树银花，清秀雅致，这就是树挂( (又又称雪挂称雪挂) )。 冰霜、雪花中的水冰霜、雪花中的水的氢键结构的氢键结构范德华力、氢键和共价键的对比范德华力、氢键和共价键的对比三、氢键及其对物质性质的影响三、氢键及其对物质性质的影响氢键：是由已经与电负性很强的原子形成共价键的氢键：是由已经与电负性很强的原子形成共价键的氢原子氢原子( (如水分子中的氢如水分子中的氢) )与另一个分子中电负性很与另一个分子中电负性很

25、强的原子强的原子( (如水分子中的氧如水分子中的氧) )之间的作用力。之间的作用力。分子间氢键：使物质的熔、沸点升高。分子间氢键：使物质的熔、沸点升高。 氢键普遍存在于已经与氢键普遍存在于已经与NN、OO、F F等电负性很大的等电负性很大的原子形成共价键的氢原子与另外的原子形成共价键的氢原子与另外的NN、OO、F F等电等电负性很大的原子之间。负性很大的原子之间。 分子间内氢键：使物质的熔、沸点降低。分子间内氢键：使物质的熔、沸点降低。 氢键表示方氢键表示方法：法：X XH HY Y。 晶体中粒子的互作用可分为两大类：晶体中粒子的互作用可分为两大类： 1 . 吸引作用吸引作用：是由于异性电荷之

26、间的库仑力，：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。引起的作用在远距离是主要的。 2. 排斥作用：排斥作用：一是同性电荷之间的库仑力，二是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。泡利原理所引起，在近距离是主要的。 在一适当的距离在一适当的距离 吸引作用吸引作用 = 排斥作用排斥作用 晶格处于稳定状态晶格处于稳定状态1.2.2 结合力结合力一一 、 结合力结合力原子间的相互作用原子间的相互作用由势能由势能u(r)可以按下式计可以按下式计算互作用力：算互作用力： f(r) = -du(r)/dr 当两原子很靠近时，当两原子很靠近时，斥力大于引力，斥力大于引

27、力， 总的总的作用力作用力f(r) 0。 当两原子相离比较远当两原子相离比较远时，总的作用力为引力，时，总的作用力为引力，f(r) 0 二二 互作用力、互作用势能和原子间距的关系互作用力、互作用势能和原子间距的关系u(r)rrf(r)rorm斥力斥力吸引力吸引力1. 计算计算ro 、rm在某一适当距离在某一适当距离ro，引力和斥力相抵消，引力和斥力相抵消，f(r)=0即：即： du(r)/dr| ro=0得得 ro 由：由：df(r)/dr| rm=- d2u(r)/dr2|rm= 0 得得 rm两原子间的互作用势能可用密函数来表达：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为大于零的常数为大于零的常数 ，第一项表示吸引能，第，第一项表示吸引能，第二项表示斥力能。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：用经典的处理方法： 先计算两个原子之间的互作用势能，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