试谈材料的结合方式课件

15三月2024试谈材料的结合方式2、结合键的本质

原子结合成分子或固体的力从本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用即库仑力

Date2双原子作用模型Date33、结合键的分类

根据电子围绕原子的分布方式，可以将结合键分为化学键和物理键

化学键(涉及到原子外层电子的重新分布，电子在键合后不再仅仅属于原来的原子)物理键(原子的外层电子分布没有变化，或变化极小，它们仍属于原来的原子)化学键有：离子键、共价键、金属键

物理键有：分子键和氢键

Date4二、化学键

1、共价键

（1）共价键定义

有些同类原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多数元素或电负性相差不大的原子互相接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合。●●3/15/20245化学键共价键的本质共价键的本质是由于原子相互接近时轨道重叠（即波函数叠加），原子间通过共用自旋相反的电子对使能量降低而成键。Date6共价键的键型键(成键轨道）头碰头键，肩并肩Date7（2）共价键特点

共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小

共价键具有方向性、饱和性金刚石、单质硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氢化合物

3/15/20248化学键

饱和性：每一个H原子最多只能与另一个原子形成一个共价键，所以说共价键具有饱和性。共价结合的基本特征：方向性和饱和性（以H原子结合成氢分子为例）

方向性：电子云的分布主要集中在两个H原子的连线方向上，即电子云的分布有一择优取向，电子云密度最大的方向也即共价键的方向。Date9共价键结合的示例3/15/202410化学键Si形成的四面体

共价键结合的示例图硅原子四个价键和硅的键角3/15/202411化学键金刚石的共价键

共价键结合的示例图金刚石型结构(a)晶胞；(b)原子在底面的投影3/15/202412化学键（3）共价晶体的特点

结构稳定

熔点高

一般是绝缘体，其导电性能差质硬脆3/15/202413化学键2、离子键

（1）离子键的定义

当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键

大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合

3/15/202414化学键（2）离子键的特点

离子键又称极性键

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（配位数最高为8）常温下，电绝缘体（离子晶体中很难产生自由运动的电子）；在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性3/15/202415化学键（2）离子键的特点

典型的离子化合物有NaCl,MgCl2等

离子键没有方向性、无饱和性3/15/202416化学键离子键CsCl结构示意图

红色球代表Cl离子，绿色球代表Cs离子，Cl和Cs离子均构成各自的简立方点阵。每个Cl离子与8个Cs离子为邻。每个Cs离子也有8个近邻的Cl离子

3/15/202417化学键NaCl离子键的示意图

每个C1离子周围都有6个Na离子，每个Na离子也有6个C1离子等距离排列

（红色代表带正电的钠离子，绿色代表带负电的氯离子）3/15/202418化学键NaCl离子键的示意图Date19（3）离子型晶体的特征

较高熔点（正、负离子间有很强的电的吸引力）脆性大固态时导电性很差（离子键中很难产生可以自由运动的电子）

无色透明（离子的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，不吸收可见光）3/15/202420化学键3、金属键

（1）定义

由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键

金属键的经典模型有两种

3/15/202421化学键金属键的两种经典模型一种认为金属原子全部离子化一种认为金属键包括中性原子间的共价键及正离子与自由电子间的静电引力的复杂结合

3/15/202422化学键（2）

金属键的特点

金属键无方向性金属键无饱和性具有高对称性

原因：在金属晶体中，价电子弥漫在整个体积内，所有的金属离子皆处于相同的环境之中，全部离子(或原子)均可被看成是具有一定体积的圆球

3/15/202423化学键（3）金属键型晶体的特征

良好的延展性

良好的导电性

具有正的电阻温度系数（即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降，趋近于零。）

导热性好（一是由于自由电子的活动性很强，二是依靠金属离子振动的作用而导热）金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光的能量）3/15/202424化学键（3）金属键型晶体的特征

图金属键、金属的导电性和金属的变形3/15/202425化学键自由电子气和原子实

价电子在整个晶体内自由地运动（称为“自由电子气”）（价电子是为所有金属原子（正离子）所共有）带正电的粒子叫原子实（又叫正离子实）

3/15/202426化学键三、物理键

1、范德瓦尔斯键

分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德瓦尔斯键也叫分子键

范德瓦尔斯键没有方向性和饱和性

比化学键的键能小1～2个数量级（液氮）Date27分子键名称的由来

N2，O2，CO，Cl2，Br2和I2等由共价键结合而成的双原子分子在低温下聚集成所谓分子晶体，此时每个结点上有一个分子，相邻结点上的分子之间就存在着范德瓦尔斯力。正是此种范氏力使分子结合成分子晶体。3/15/202428物理键分子键名称的由来

碘晶体的结构

碘通过共价键结合成碘分子，而碘分子间通过分子键的结合形成分子晶体

3/15/202429物理键为什么在电中性的原子之间会出现静电引力呢？

如果将核外电子的分布（或电子云的密度）看成是不随时间改变的固定分布，那么电中性原子的正电荷中心和负电荷中心在任何时刻都应该重合，因而不可能对其他原子或电子有静电引力。然而实际上核外电子是在不断运动的（虽然我们不能指出它的运动轨道），因而电子云的密度随时间而变。在每一瞬间，负电荷中心并不和正电荷中心重合，这样就形成瞬时电偶极矩，产生瞬时电场。

瞬时电偶极矩产生示意图

3/15/202430物理键图分子键Date312、氢键

是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相结合而产生的具有比范德瓦尔斯键大的键力，具有饱和性和方向性。

在HF，H2O，NH3等物质中，分子都是通过极性共价键结合的，而分子之间则是通过氢键连接的。3/15/202432物理键水的结构示意图

图中实线代表氢和氧原子间的共价键。虚线为氢键。由于氢-氧原子间的共用电子对靠近氧原子而远离氢原子，又由于氢原子除去一个共价电子外就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（库仑引力），这个引力就是氢键。3/15/202433物理键冰的结构Date34形成氢键必须满足的两个条件

(1)分子中必须含氢

(2)另一个元素必须是显著的非金属元素（F，O和N分别是ⅦB，ⅥB和ⅤB族的第一个元素）。这样才能形成极性分子，同时形成一个裸露的质子。3/15/202435物理键四、各种结合键的特点比较

类

型

作用力来源

键合强弱

形成晶体的特点离子键

原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力

强

无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电

共价键

相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力

最强

有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电

金属键

自由电子气与正离子实之间的库仑引力

较强

无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热、导电性

分子键

原子间瞬时电偶极矩的感应作用

最弱

无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘

氢键

氢原子核与极性