材料物理之材料的结合方式课件.ppt

1、 材料的结合方式 一、结合键 1、 结合键的定义 所谓结合键是指由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 目前还不能对各种物质的结合键进行准确的理论计算（要计算结合力，就需要知道外层电子围绕各原子核的分布 ）Datel12、 结合键的本质 v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 Datel23、 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 Datel3二、化学键 F1、 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 2022/2/16l4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。

Datel5共价键的键型 键( 成键轨道）头碰头 键，肩并肩Datel6（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 2022/2/16l7化学键共价键结合的示例2022/2/16l8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2022/2/16l9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2022/2/16l10化学键2、 离子键 v（1）离子键的定义 v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 v大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合 2022/2/16l11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xy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 2022/2/16l12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 2022/2/16l13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）（红色代表带正电的钠离子，绿色代表带负电的氯离子）2022/2/16l14化学键NaCl离子键的示意图Datel15（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 ）2022/2/16l16化学键3 、金属键 l（1）定义 l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 l金属键的经典模型有两种 2022/2/16l17化学键金属键的两种经典模型l一种认为金属原子全部离子化l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 2022/2/16l18化学键（2） 金属键的特点 金属键无方向性金属键无饱和性v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 2022/2/16l19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2022/2/16l20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） 2022/2/16l21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12个数量级（液氮）Datel22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 2022/2/16l23物理键2、 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（，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2022/2/16l24物理键水的结构示意图 F图中实线代表氢和氧原子间的共价键虚线为线为氢键氢键 F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 2022/2/16l25物理键冰的结构Datel26四、各种结合键的特点比较 类类 型 作用力来源 键键合强弱 形成晶体的特点离子键键 原子得、失电电子后形成负负、正离子，正负负离子间间的库仑库仑 引力 强 无方向性键键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀胀系数、塑性较较差、固态态不导导电电、熔态态离子导电导电 共价键键 相邻邻原子价电电子各处处于相反的自旋状态态，原子核间间的库库仑仑引力 最强 有方向性键键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀胀系数、塑性较较差、即使在熔态态也不导电导电 金属键键 自由电电子气与正离子实实之间间的库仑库仑 引力 较较强 无方向性键键、结结构密堆、配位数高、塑性较较好、有光泽泽、良好的导热导热 、导电导电 性 分子键键 原子间间瞬时电时电 偶极矩的感应应作用 最弱 无方向性键键、结结构密堆、高熔点、绝缘绝缘 氢键氢键 氢氢原子核与极性分子间间的库库仑仑引力 弱 Datel27结合键的说明F实际晶体不一定只有一种键，可能是多种键合的混合，至少范氏力就是普遍存在的一种力。

不过，在某一键合为主键的情形下，其他弱键就可以忽略图 工程材料的键性Datel28本资料来源Datel29。