材料设计与计算方法第二章 晶体的几何结构和分类 3
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北方工业大学机械与材料工程学院
离子性结合
离子晶体结合的特点：
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离子性结合
离子晶体结合的特点：
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离子性结合
离子晶体结合的特点：
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共价结合
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共价结合
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元素和化合物结合的规律性
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元素结合的规律性
碱金属族：Li ，Na，K，…… 碱土金属族：B，Mg，Ca，……. 过渡族金属：Fe，Cu，Zn，Ag，Au，…… 主族金属：Al，Ga，…… ➢ 这些元素负电性较低，对电子束缚较弱，
容易失去电子，因而在形成晶体时便采取 金属性结合。
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元素结合的规律性
Ⅶ主族原子只能形成一个共价键。因此， 它们靠共价键只能形成双原子分子，而后 通过范式力结合成晶体。
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元素结合的规律性
Ⅷ主族的惰性气体原子是满壳层结构。因 而它在低温下凝结成的晶体，只能完全依 靠微弱的范式作用把原子结合起来，形成 典型的范德瓦尔斯晶体。
范德瓦尔斯结合
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范德瓦尔斯结合
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混合结合
层状晶体，比如石墨。层内是共价结合，层间是范德瓦尔斯结合。
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原子的负电性
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原子的负电性
负电性较低的元素对电子束缚较弱，容易失去电子；负电性较高的元素对 电子束缚较强，获取电子的能力较强。
实际晶体的结合
可以兼有几种结合形式 可以具有两种结合之间的过渡性质
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离子性结合
靠离子键结合的晶体称为离子晶体或极性 晶体。最典型的离子晶体是碱金属元素Li， Na，K，Ru，Cs和卤族元素F，Cl，B、I之间 形成的化合物。
基本特点：以离子而不是原子为结合单元。 如NaCl晶体是以Na+和Cl+为单元结合成的晶 体。
共价结合
共价晶体结合的特点：
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共价结合
共价晶体结合的特点：
例如，在p态的价电子云具有哑铃的形状，因此便是在对称轴的方向上 形成共价价。
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共价结合
共价晶体结合的特点：
电子在杂化轨道能量比基态提高了， 也就是说轨道杂化需要一定的能量， 但形成共价键时能量的下降足以补偿 轨道杂化的能量。
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共价结合
共价晶体结合的特点：
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金属性结合
金属的特性，如导电性，导热性，金属光泽，都是和共有化电子可以在 整个晶体内自由运动相联系的。
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金属性结合
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金属性结合
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化合物结合的规律性
不同元素的组合形成合金或化合物晶体。 ➢ 不同的金属元素之间依靠金属性结合成合
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元素结合的规律性
Ⅳ主族元素：最典型的结构是金刚石结构。 C形成的金刚石，Si，Ge晶体也具有金刚石 结构。锡在13度以下的稳定相也具有金刚 石结构。
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元素结合的规律性
Ⅳ主族元素形成最典型的共价晶体。它们 按C、Si、Ge、Sn、Pb的顺序，负电性不断 减弱。负电性最强的金刚石具有最强的共 价键，它的典型的绝缘体。负电性最弱的 铅是金属。在中间的共价晶体硅和锗是典 型的半导体。13℃以下的是具有金刚石结 构的灰锡，是半导体； 13℃以上的是金属 性的白锡。
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元素结合的规律性
Ⅳ主族 C，Si，Ge，…… Ⅴ主族 N，P，As，Sb，…… Ⅵ主族 O，S，Se，Te…… Ⅶ主族 F，Cl，Br，…… ➢ 这些元素具有较强的负电性，它们束缚电
子比较牢固，获取电子的能力较强。这种 情况适于形成共价结合。 ➢ 成键符合8 － N定则，在晶体结构上有明显 的反映。
Leabharlann Baidu
元素结合的规律性
2019年7月德俄两国化学家共同宣布，在高 压下氮气会发生聚合得到高聚氮，晶体结 构如图所示
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元素结合的规律性
Ⅴ主族的As，Sb，Bi形成层状晶体：原子先 通过共价键结合成下图的层状结构。它包 括上下两层，每层的原子通过共价键与另 一层中的三个原子结合。
自己动手建一个
一个分子 一个晶体 一个点缺陷 一个表面 一个分子放到一个表面上
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作业：用MS做表面
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晶体的结合形式
固体结合的基本形式与固体材料的结构、 物理和化学性质有密切联系。
按照晶体间粒子的相互作用力，一般晶体 的结合，可以概括为离子性结合，共价结 合，金属性结合和分子性结合（即范德瓦 尔斯结合）。
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元素结合的规律性
Ⅴ主族元素只能形成三个共价键。由于通 常完全依靠每一个原子和三个近邻相结合 不可能形成一个三维晶格结构，因而Ⅴ族 元素的结合具有复杂的性质。
➢ N（-210度，雪花状固体）和P首先形成共 价结合的分子，再由范式力结构成晶体。
白磷 P4分子
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第二章 晶体的几何结构与分类
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第一性原理计算
¼ 读文献 ¼ 建结构 ¼ 计算 ¼ 写论文 ➢ 第一性原理计算（从头算法），只需要知
道结构就行。
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用MS建结构
回顾：导入一个结构
File/Import/Structures crystallography/
层状结构再通过微弱的范式力结合起来。
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元素结合的规律性
Ⅵ主族原子只能形成两个共价键。因而依 靠共价键只能把原子联结成为一个链结构。
➢ S和Se 可以形成环状的分子，如左下图，S8， Se8环状结构，再依靠范式力结合成晶体。
➢ Se和Te原子可以依靠共价键形成螺旋状长链， 长链靠范式力平行排列成晶体，如右下图。
离子性结合
离子晶体结合的特点：
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离子性结合
离子晶体结合的特点：
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离子性结合
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共价结合
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元素和化合物结合的规律性
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元素结合的规律性
碱金属族：Li ，Na，K，…… 碱土金属族：B，Mg，Ca，……. 过渡族金属：Fe，Cu，Zn，Ag，Au，…… 主族金属：Al，Ga，…… ➢ 这些元素负电性较低，对电子束缚较弱，
容易失去电子，因而在形成晶体时便采取 金属性结合。
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元素结合的规律性
Ⅶ主族原子只能形成一个共价键。因此， 它们靠共价键只能形成双原子分子，而后 通过范式力结合成晶体。
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元素结合的规律性
Ⅷ主族的惰性气体原子是满壳层结构。因 而它在低温下凝结成的晶体，只能完全依 靠微弱的范式作用把原子结合起来，形成 典型的范德瓦尔斯晶体。
范德瓦尔斯结合
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范德瓦尔斯结合
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混合结合
层状晶体，比如石墨。层内是共价结合，层间是范德瓦尔斯结合。
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原子的负电性
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原子的负电性
负电性较低的元素对电子束缚较弱，容易失去电子；负电性较高的元素对 电子束缚较强，获取电子的能力较强。
实际晶体的结合
可以兼有几种结合形式 可以具有两种结合之间的过渡性质
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离子性结合
靠离子键结合的晶体称为离子晶体或极性 晶体。最典型的离子晶体是碱金属元素Li， Na，K，Ru，Cs和卤族元素F，Cl，B、I之间 形成的化合物。
基本特点：以离子而不是原子为结合单元。 如NaCl晶体是以Na+和Cl+为单元结合成的晶 体。
共价结合
共价晶体结合的特点：
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共价结合
共价晶体结合的特点：
例如，在p态的价电子云具有哑铃的形状，因此便是在对称轴的方向上 形成共价价。
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共价结合
共价晶体结合的特点：
电子在杂化轨道能量比基态提高了， 也就是说轨道杂化需要一定的能量， 但形成共价键时能量的下降足以补偿 轨道杂化的能量。
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共价结合
共价晶体结合的特点：
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金属性结合
金属的特性，如导电性，导热性，金属光泽，都是和共有化电子可以在 整个晶体内自由运动相联系的。
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金属性结合
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金属性结合
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化合物结合的规律性
不同元素的组合形成合金或化合物晶体。 ➢ 不同的金属元素之间依靠金属性结合成合
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元素结合的规律性
Ⅳ主族元素：最典型的结构是金刚石结构。 C形成的金刚石，Si，Ge晶体也具有金刚石 结构。锡在13度以下的稳定相也具有金刚 石结构。
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元素结合的规律性
Ⅳ主族元素形成最典型的共价晶体。它们 按C、Si、Ge、Sn、Pb的顺序，负电性不断 减弱。负电性最强的金刚石具有最强的共 价键，它的典型的绝缘体。负电性最弱的 铅是金属。在中间的共价晶体硅和锗是典 型的半导体。13℃以下的是具有金刚石结 构的灰锡，是半导体； 13℃以上的是金属 性的白锡。
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元素结合的规律性
Ⅳ主族 C，Si，Ge，…… Ⅴ主族 N，P，As，Sb，…… Ⅵ主族 O，S，Se，Te…… Ⅶ主族 F，Cl，Br，…… ➢ 这些元素具有较强的负电性，它们束缚电
子比较牢固，获取电子的能力较强。这种 情况适于形成共价结合。 ➢ 成键符合8 － N定则，在晶体结构上有明显 的反映。
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2019年7月德俄两国化学家共同宣布，在高 压下氮气会发生聚合得到高聚氮，晶体结 构如图所示
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元素结合的规律性
Ⅴ主族的As，Sb，Bi形成层状晶体：原子先 通过共价键结合成下图的层状结构。它包 括上下两层，每层的原子通过共价键与另 一层中的三个原子结合。
自己动手建一个
一个分子 一个晶体 一个点缺陷 一个表面 一个分子放到一个表面上
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晶体的结合形式
固体结合的基本形式与固体材料的结构、 物理和化学性质有密切联系。
按照晶体间粒子的相互作用力，一般晶体 的结合，可以概括为离子性结合，共价结 合，金属性结合和分子性结合（即范德瓦 尔斯结合）。
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元素结合的规律性
Ⅴ主族元素只能形成三个共价键。由于通 常完全依靠每一个原子和三个近邻相结合 不可能形成一个三维晶格结构，因而Ⅴ族 元素的结合具有复杂的性质。
➢ N（-210度，雪花状固体）和P首先形成共 价结合的分子，再由范式力结构成晶体。
白磷 P4分子
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第二章 晶体的几何结构与分类
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第一性原理计算
¼ 读文献 ¼ 建结构 ¼ 计算 ¼ 写论文 ➢ 第一性原理计算（从头算法），只需要知
道结构就行。
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层状结构再通过微弱的范式力结合起来。
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元素结合的规律性
Ⅵ主族原子只能形成两个共价键。因而依 靠共价键只能把原子联结成为一个链结构。
➢ S和Se 可以形成环状的分子，如左下图，S8， Se8环状结构，再依靠范式力结合成晶体。
➢ Se和Te原子可以依靠共价键形成螺旋状长链， 长链靠范式力平行排列成晶体，如右下图。