試談材料的結合方式課件

15三月2024試談材料的結合方式2、結合鍵的本質(zhì)

原子結合成分子或固體的力從本質(zhì)上講都起源于原子核和電子間的靜電交互作用即庫侖力

Date2雙原子作用模型Date33、結合鍵的分類

根據(jù)電子圍繞原子的分布方式，可以將結合鍵分為化學鍵和物理鍵

化學鍵(涉及到原子外層電子的重新分布，電子在鍵合后不再僅僅屬于原來的原子)物理鍵(原子的外層電子分布沒有變化，或變化極小，它們?nèi)詫儆谠瓉淼脑?化學鍵有：離子鍵、共價鍵、金屬鍵

物理鍵有：分子鍵和氫鍵

Date4二、化學鍵

1、共價鍵

（1）共價鍵定義

有些同類原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多數(shù)元素或電負性相差不大的原子互相接近時，原子之間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，此時借共用電子對所產(chǎn)生的力結合?！瘛?/15/20245化學鍵共價鍵的本質(zhì)共價鍵的本質(zhì)是由于原子相互接近時軌道重疊（即波函數(shù)疊加），原子間通過共用自旋相反的電子對使能量降低而成鍵。Date6共價鍵的鍵型鍵(成鍵軌道）頭碰頭鍵，肩并肩Date7（2）共價鍵特點

共價鍵鍵合的基本特點是核外電子云達到最大的重疊，形成“共用電子對”，有確定的方位，且配位數(shù)較小

共價鍵具有方向性、飽和性金剛石、單質(zhì)硅、SiC、H2、O2、F2、碳-氫化合物

3/15/20248化學鍵

飽和性：每一個H原子最多只能與另一個原子形成一個共價鍵，所以說共價鍵具有飽和性。共價結合的基本特征：方向性和飽和性（以H原子結合成氫分子為例）

方向性：電子云的分布主要集中在兩個H原子的連線方向上，即電子云的分布有一擇優(yōu)取向，電子云密度最大的方向也即共價鍵的方向。Date9共價鍵結合的示例3/15/202410化學鍵Si形成的四面體

共價鍵結合的示例圖硅原子四個價鍵和硅的鍵角3/15/202411化學鍵金剛石的共價鍵

共價鍵結合的示例圖金剛石型結構(a)晶胞；(b)原子在底面的投影3/15/202412化學鍵（3）共價晶體的特點

結構穩(wěn)定

熔點高

一般是絕緣體，其導電性能差質(zhì)硬脆3/15/202413化學鍵2、離子鍵

（1）離子鍵的定義

當兩種電負性相差大的原子(如堿金屬元素與鹵族元素的原子)相互靠近時，其中電負性小的原子失去電子，成為正離子，電負性大的原子獲得電子成為負離子，兩種離子靠靜電引力結合在一起形成離子鍵

大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以離子鍵的方式結合

3/15/202414化學鍵（2）離子鍵的特點

離子鍵又稱極性鍵

離子化合物AxBy對晶體結構的唯一限制是：A和B的近鄰數(shù)必須與化合比x∶y成反比（配位數(shù)最高為8）常溫下，電絕緣體（離子晶體中很難產(chǎn)生自由運動的電子）；在高溫熔融狀態(tài)時，正負離子在外電場作用下可以自由運動，即呈現(xiàn)離子導電性3/15/202415化學鍵（2）離子鍵的特點

典型的離子化合物有NaCl,MgCl2等

離子鍵沒有方向性、無飽和性3/15/202416化學鍵離子鍵CsCl結構示意圖

紅色球代表Cl離子，綠色球代表Cs離子，Cl和Cs離子均構成各自的簡立方點陣。每個Cl離子與8個Cs離子為鄰。每個Cs離子也有8個近鄰的Cl離子

3/15/202417化學鍵NaCl離子鍵的示意圖

每個C1離子周圍都有6個Na離子，每個Na離子也有6個C1離子等距離排列

（紅色代表帶正電的鈉離子，綠色代表帶負電的氯離子）3/15/202418化學鍵NaCl離子鍵的示意圖Date19（3）離子型晶體的特征

較高熔點（正、負離子間有很強的電的吸引力）脆性大固態(tài)時導電性很差（離子鍵中很難產(chǎn)生可以自由運動的電子）

無色透明（離子的外層電子比較牢固地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發(fā)，不吸收可見光）3/15/202420化學鍵3、金屬鍵

（1）定義

由金屬正離子和自由電子之間互相作用而結合稱為金屬鍵

金屬鍵的經(jīng)典模型有兩種

3/15/202421化學鍵金屬鍵的兩種經(jīng)典模型一種認為金屬原子全部離子化一種認為金屬鍵包括中性原子間的共價鍵及正離子與自由電子間的靜電引力的復雜結合

3/15/202422化學鍵（2）

金屬鍵的特點

金屬鍵無方向性金屬鍵無飽和性具有高對稱性

原因：在金屬晶體中，價電子彌漫在整個體積內(nèi)，所有的金屬離子皆處于相同的環(huán)境之中，全部離子(或原子)均可被看成是具有一定體積的圓球

3/15/202423化學鍵（3）金屬鍵型晶體的特征

良好的延展性

良好的導電性

具有正的電阻溫度系數(shù)（即隨溫度升高電阻增大。絕大多數(shù)金屬具有超導性，即在溫度接近于絕對零度時電阻突然下降，趨近于零。）

導熱性好（一是由于自由電子的活動性很強，二是依靠金屬離子振動的作用而導熱）金屬不透明、具有金屬光澤（自由電子可吸收可見光的能量）3/15/202424化學鍵（3）金屬鍵型晶體的特征

圖金屬鍵、金屬的導電性和金屬的變形3/15/202425化學鍵自由電子氣和原子實

價電子在整個晶體內(nèi)自由地運動（稱為“自由電子氣”）（價電子是為所有金屬原子（正離子）所共有）帶正電的粒子叫原子實（又叫正離子實）

3/15/202426化學鍵三、物理鍵

1、范德瓦爾斯鍵

分子的一部分往往帶正電荷，而另一部分往往帶負電荷，一個分子的正電荷部位和另一分子的負電荷部位間，以微弱靜電力相吸引，使之結合在一起，稱為范德瓦爾斯鍵也叫分子鍵

范德瓦爾斯鍵沒有方向性和飽和性

比化學鍵的鍵能小1～2個數(shù)量級（液氮）Date27分子鍵名稱的由來

N2，O2，CO，Cl2，Br2和I2等由共價鍵結合而成的雙原子分子在低溫下聚集成所謂分子晶體，此時每個結點上有一個分子，相鄰結點上的分子之間就存在著范德瓦爾斯力。正是此種范氏力使分子結合成分子晶體。3/15/202428物理鍵分子鍵名稱的由來

碘晶體的結構

碘通過共價鍵結合成碘分子，而碘分子間通過分子鍵的結合形成分子晶體

3/15/202429物理鍵為什么在電中性的原子之間會出現(xiàn)靜電引力呢？

如果將核外電子的分布（或電子云的密度）看成是不隨時間改變的固定分布，那么電中性原子的正電荷中心和負電荷中心在任何時刻都應該重合，因而不可能對其他原子或電子有靜電引力。然而實際上核外電子是在不斷運動的（雖然我們不能指出它的運動軌道），因而電子云的密度隨時間而變。在每一瞬間，負電荷中心并不和正電荷中心重合，這樣就形成瞬時電偶極矩，產(chǎn)生瞬時電場。

瞬時電偶極矩產(chǎn)生示意圖

3/15/202430物理鍵圖分子鍵Date312、氫鍵

是一種特殊的分子間作用力。它是由氫原子同時與兩個電負性很大而原子半徑較小的原子（Ｏ，Ｆ，Ｎ等）相結合而產(chǎn)生的具有比范德瓦爾斯鍵大的鍵力，具有飽和性和方向性。

在HF，H2O，NH3等物質(zhì)中，分子都是通過極性共價鍵結合的，而分子之間則是通過氫鍵連接的。3/15/202432物理鍵水的結構示意圖

圖中實線代表氫和氧原子間的共價鍵。虛線為氫鍵。由于氫-氧原子間的共用電子對靠近氧原子而遠離氫原子，又由于氫原子除去一個共價電子外就剩下一個沒有任何核外電子作屏蔽的原子核（質(zhì)子），于是這個沒有屏蔽的氫原子核就會對相鄰水分子中的氧原子外層未共價電子有較強的靜電引力（庫侖引力），這個引力就是氫鍵。3/15/202433物理鍵冰的結構Date34形成氫鍵必須滿足的兩個條件

(1)分子中必須含氫

(2)另一個元素必須是顯著的非金屬元素（F，O和N分別是ⅦB，ⅥB和ⅤB族的第一個元素）。這樣才能形成極性分子，同時形成一個裸露的質(zhì)子。3/15/202435物理鍵四、各種結合鍵的特點比較

類

型

作用力來源

鍵合強弱

形成晶體的特點離子鍵

原子得、失電子后形成負、正離子，正負離子間的庫侖引力

強

無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導電

共價鍵

相鄰原子價電子各處于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫侖引力

最強

有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔點、高強度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、即使在熔態(tài)也不導電

金屬鍵

自由電子氣與正離子實之間的庫侖引力

較強

無方向性鍵、結構密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導熱、導電性

分子鍵

原子間瞬時電偶極矩的感應作用

最弱

無方向性鍵、結構密堆、高熔點、絕緣

氫鍵

氫原子核與極性