量子力学 3.1-晶体结合类型

原子电离成正离子需要 能量；大部分原子吸收 电子成为负离子会释放 能量；正负离子结合成 晶 体 也 会 释 放 能 量 ； --释放的能量大于需要的 能量，是形成离子晶体 的能量条件。
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离子晶体的基本特征
典型离子晶体中，正负离子的电子都具有满壳层的结构：
吸引作用：离子间库仑作用---总效果为吸引性的（为什么？） 使其聚合。
•共价键的本质只有在量子力学的基础上才能解释。氢分子是靠共价键结 合的典型例子。我们以其为例简单讨论共价键的形成。
•设有两个孤立氢原子，分别为A、B，他们电子的基态波函数1s分别用
A和B表示。相应定态薛定谔方程：
H AA
2 2m
2
VA A
0A
H BB
2 2m
2
VB
B
0B
0为氢原子1s能级，V
这种相互作用一定包括吸引和排斥两种类型。吸引力使粒子 聚集一起，排斥力使粒子之间保持一定间距，维持固体形态。 两种作用并存，粒子处于平衡状态，从而结合形成稳定的晶体 结构。这种维系原子结合在一起的作用力或称为“键”。
粒子之间的作用力应全部归结于静电相互作用，磁力和万有 引力忽略不计。粒子间的吸引作用可以归结为异性电荷间的库 仑吸引力；而排斥作用可以归结为同性电荷之间的库仑斥力以 及由泡利原理引起的排斥力。
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根据键的特征，固体结合类型主要有以下几种：1. 金属 性结合；2. 共价结合；3. 离子性结合；4.范德瓦尔斯结合。 与结合力类型相对应，晶体可大致分为四种基本类型： 1. 金属晶体； 2. 共价晶体；3.离子晶体；4.分子晶体。
值得指出的是，以上这些类型之间的区分不是严格的， 某些固体的结合往往具有混合的特点或过渡的性质。
排斥作用：泡利排斥作用---当两个满壳层的离子相互接近以 致电子云发生显著重叠，会产生强烈的排斥作用 （要不要考虑同性离子间的排斥作用？）。
离子性结合要求正负离子相间排列，这在晶体结构上有明显 反映。NaCl和CsCl结构。此外，也导致离子晶体具有很小的 范性。
离子键属于强键，故结构稳定，熔点较高，硬度较大。由于 电子被离子紧紧束缚，而离子又不易离开格点位置，因而导电 性能差。
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I . 固体结合类型
------共价结合和共价晶体
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共价键（氢分子为例）
•共价结合是靠两个原子各贡献一个电子，形成共价键。这样一对为两个 原子所共有的自旋相反配对的电子结构称为共价键。
•这对自旋相反的电子在两原子核之间的区域会形成较大的电子云密度， 同时受到两个原子核较强的库仑吸引作用，这就是共价键产生的物理根 源。
为原子核的库仑势。 14
•当两个原子的距离rAB比较接近时，波函数出现重叠，每个1s 电子均为A和B原子所共有，每个电子哈密顿量为（忽略两电
子间相互作用）：
H
2 2m
2
VA
VB
•波函数发生重叠时，原子A的电子可以出现B态，原子B的
根据测不准原理xpħ ，电子的动能正比于p2x-2V-2/3，故动能正 比于n2/3，n为自由电子密度，V为体积。价电子如果束缚在一个原子周 围，运动范围V较小，动能是比较高的。当价电子的运动范围为整个晶 体时，动能显著降低。
同时，由于距离增大，价电子与原子实之间的势能相对于 自由原子时要高。但由于自由电子屏蔽作用的存在，势能的 升高相对于动能的降低要小，二者能量之差就是金属结合的 主要来源。
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金属晶体的抽象模型
Na+
Na+
源自文库
Na+
Na+
Na+
金属晶体可以看作带正电的原 子实浸在共有化电子形成的负电 子云内。
吸引作用：电子云与带正电的原子实之间的库仑吸引作用。
排斥作用：1. 当体积减小，电子密度n增加，动能增加。2. 当原子实相互接近到它们电子云发生重叠，产生强烈的排斥 作用。
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金属结合的特征直接决定金属的一些独有特性：
金属的一个重要特点是都具有很大的范性，可以经受相当大的范性形 变，这是金属广泛用作机械材料的一个重要原因。金属晶体对原子排 列的不规则性容忍度高。合金！
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I . 固体结合类型
-----离子性结合和离子晶体
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离子性结合的能量条件
离子晶体由正离子和负离子构成。离子性结合由电荷异号的 离子间的静电相互作用产生。最典型的离子晶体是碱金属与卤 族元素之间形成的化合物，如NaCl。
第三讲 固体的结合
固体结合类型
金属结合、共价结合、离子结合、范德瓦尔 斯结合、氢键、混合键
元素和化合物晶体结合的规律性 固体结合能
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固体构成
固体是由原子构成。但原子在形成固体时，其外层电子发生重 新分布。因此原子在晶体内的存在状态具有不同形式。据此可 将晶体分为以下类型：
分子堆垛起来的固体
原子或者原子团先构成分子，然后堆垛成固 体，分子结构不发生变化。分子可以是球形、 线形、链形、平面形，等等。
金属晶体具有高导电性、高导热性和金属光泽等特征，都是和共有化 电子可以在整个晶体内自由运动相联系的。
金属结合还有一个重要特征，就是对原子排列的具体形式没有特殊 要求。
金属结合是一个体积效应，而对原子的排列没有特殊要求，原子愈 紧密，库仑势能愈低，排斥能愈高，反之依然。很多金属为密堆积 结构---面心立方和六角密排结构，或者体心立方。金属还有以菱方 (铋、锑、汞)，正方(铟、β锡)，斜方(镓、a-铀)等结构形式存在的， 但它们并不常见。
CO2分子
原子堆垛起来的固体
原子基本保持原来状态，故固体可看作由原 子堆垛而成。但严格来说，原子的外电子发 生重排布，以与其它原子形成作用键。
金刚石晶体
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离子堆垛起来的固体
原子得或失电子形成离子，然后堆垛为固体。此时，分子的概念不明 显。如NaCl晶体。
NaCl晶体
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固体结合类型
固体可以看作原子、分子或离子堆垛而成。 其所以能以固体状态存在，是由于构成粒子 之间存在着相互作用力。
固体结合形式与其结构、物理和化学性质都有密切联系， 因此是研究固体材料性质的重要基础。
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I . 固体结合类型
------金属性结合和金属晶体
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金属原子易失去价电子，当结合为晶体时，价电子脱离原 子实的束缚而为所有原子共有，可以在整个晶体内运动。电 子“共有化”---金属性结合的基本特点。
电子为什么要“共有化（退局域化）”？：动能减小，量 子效应，金属结合力的主要来源。