晶体结构结合力和结合能

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Prof. Y.X. Li
类
作用力来源
型
离子 原子得、失电子后形 键 成负、正离子，正负
离子间的库仑引力
共价 相邻原子价电子各处 键 于相反的自旋状态，
原子核间的库仑引力
金属 自由电子气与正离子 键 实之间的库仑引力
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2.2.2 晶体的结合力与结合能
（1）结合力的一般性质 两原子的相互作用势能u
（r）的曲线如图2.11所示。
f (r) = - du(r) dr
两原子间的平衡距离 r0用如下公式求得：
du(r ) =0
小的原子（OC、oNva、leFn等t ）相结合所形成的键。
Semiconductors
氢键具有饱和性和方向性
Polymers
虽然按结合力的性质分成以上5种晶体类 型M。et但all对ic 大多数晶体来说，结合S力ec的on性da质ry 是 属于Me综ta合ls 性的。复Io合nic材料中更Ce为ra复mi杂cs 。an如d g层lasses 状硅酸盐矿物、石墨等。
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
铷37 锶38 钇39 锆40 铌41 钼42 锝43 钌44 铑45 钯46 银47 镉48 铟49 锡50 锑51 碲52 碘53 氙54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
分子 原子间瞬时电偶极矩 键 的感应作用
键合 强弱 最强
强
较强 较弱
形成晶体的特点
无方向性键、高配位数、高 熔点、高强度、低膨胀系数、 塑性较差、固态不导电、熔 态离子导电
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
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
无方向性键、结构密堆、低 熔点、绝缘
氢键 氢原子核与极性分子 弱 有方向性和饱和性
间的库仑引力School of materials Science and engineering
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（2）晶体中离子键、共价键比例的估算
离子键（%）＝1-
exp[-
1 4 (XA -
X B )2 ]
分子力
德拜力（Debye force）或诱导作用力：发 生在极性分子与非极性分子之间；
伦敦力（London force）或分散作用力 （色散力）：发性在非极性分子与 非极性分子之间。
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氢键：指氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较
La 铯55 钡56
Cs Ba
铪72 钽73 钨74 铼75 锇76 铱77 铂78 金79 汞80 铊81 铅82 铋83 钋84 砹85 氡86 Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn钫87 Fr镭8Fra bibliotek RaAc
La 镧 57 铈 58 镨 59 钕 60 钷 61 钐 62 铕 63 钆 64 铽 65 镝 66 钬 67 铒 68 铥 69 镱 70 镥 71
式中：XA、XB为A、B元素的电负性值。如： SiO2离子键成分约45%，有的书中说47%。
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电负性高
IA
氢1
电负性低
O
氦2
H IIA 锂3 铍4
元素周期表
He IIIA IVA VA VIA VIIA 硼 5 碳 6 氮 7 氧 8 氟 9 氖10
金属键：失去最外层电子（价电子）的原子实和自由 电子组成的电子云之间的静电库仑力而产生的 结合。无方向性与饱和性。
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范德华键（分子键）：通过“分子力”而产生的键合。 葛生力（Keesen force）或定向作用力： 发生在极性分子与极性分子间；
2.2 晶体中质点的结合力与结合能
2.2.1 晶体中质点间的结合力
（1）晶体中键 的类型
化学键： （主价键 或强键力）
离子键（ionic bond） 共价键（covalent
bond） 金属键（metallic
bond）。
范德华键（Van der Waal
物理键：
bond）
（次价键 氢键（hydrogen bond）。
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
Ac 锕 89 钍 90 镤 91 铀 92 镎 93 钚 94 镅 95 锔 96 锫 97 锎 98 锿 99 镄100钔101锘102铹103
Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
dr r0
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有效引力最大时，两原子间的距离rm由下式确定：
df (r)
d 2u(r )
=-
=0
dr rm
或弱键力）
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离子键：正、负离子依靠静电库仑力而产生的键合。 离子键的特点是没有方向性和饱和性。
共价键：原子之间通过共用电子对或通过电子云重叠 而产生的键合。共价键的特点是具有方向性、 饱和性。
Li Be
Periodic Table of Elements
B C N O F Ne
钠11 镁12
铝13 硅14 磷15 硫16 氯17 氩18
Na Mg IIIB IVB VB VIB VIIB
VIII
IB IIB Al Si P S Cl Ar
钾19 钙20 钪21 钛22 钒23 铬24 锰25 铁26 钴27 镍28 铜29 锌30 镓31 锗32 砷33 硒34 溴35 氪36