材料科学基础§1-2-结合键.ppt

1-2 结合键结合键Interatomic Bonding结合键：结合键：原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。原子结合成分子或固体的方式和结合力的大小。u结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。结合键决定了物质的一系列物理、化学、力学等性质。从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，从原则上讲，只要能从理论上正确地分析和计算结合键，就能预测物质的各项性质。就能预测物质的各项性质。u结合键的大小从本质上讲都起源于原子核和电子间的静结合键的大小从本质上讲都起源于原子核和电子间的静电交互作用力即库仑力。电交互作用力即库仑力。u不同的键对应着不同的电子分布方式，但都满足一个共不同的键对应着不同的电子分布方式，但都满足一个共同的条件，即键合后各原子的外层电子结构要成为稳定的同的条件，即键合后各原子的外层电子结构要成为稳定的结构，也就是隋性气体原子的外层结构，也就是隋性气体原子的外层“八电子层八电子层”结构（即结构（即ns2 np6 结构）。结构）。.结合键结合键Bonding物理键物理键Physical Bonding化学键化学键Chemical Bonding离子键离子键Ionic Bonding共价键共价键Covalent Bonding金属键金属键Metallic Bonding范德华键范德华键Van der Waals Bonding氢键氢键Hydrogen Bonding主价键主价键Primary Bonding次价键次价键Secondary Bonding.u正负离子通过静电引力（库仑引力正负离子通过静电引力（库仑引力Columbic Forces）而结合成离子化合物（或离子晶体而结合成离子化合物（或离子晶体Ionic Crystal），因此），因此,离子键又称极性键。离子键又称极性键。u离子化合物必须是电中性的，即正电荷数应等于负电荷离子化合物必须是电中性的，即正电荷数应等于负电荷数。离子化合物数。离子化合物 Ax By 对晶体结构的唯一限制是对晶体结构的唯一限制是 A 和和 B 的近邻数必须与化合比的近邻数必须与化合比x y成反比。这一限制也同时限制成反比。这一限制也同时限制了离子晶体的配位数（了离子晶体的配位数（Coordinative Number/CN）最高）最高为为 8。一、离子键（一、离子键（Ionic Bonding）多数盐类、碱类和金属氧化物多数盐类、碱类和金属氧化物实质：金属原子失去电子成为带正电的正离子，非金属实质：金属原子失去电子成为带正电的正离子，非金属原子得到电子成为带负电的负离子，两个异号离子间的原子得到电子成为带负电的负离子，两个异号离子间的静电吸引作用。静电吸引作用。.特点：特点：以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子以离子而不是以原子为结合单元，要求正负离子相间排列，且无方向性，无饱和性。相间排列，且无方向性，无饱和性。结合力较大结合力较大性质：性质：熔点和硬度均较高，熔点和硬度均较高，热膨胀系统小，热膨胀系统小，但脆性大。但脆性大。良好电绝缘体。良好电绝缘体。.二、共价键（二、共价键（Covalent Bonding）亚金属（亚金属（C、Si、Sn、Ge）、聚合物和无机非金属）、聚合物和无机非金属材料。材料。u实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电实质：由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对形成。子对形成。u特点：饱和性、配位数较小、方向性特点：饱和性、配位数较小、方向性在形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠，共在形成共价键时，为使电子云达到最大限度的重叠，共价键就有方向性，键的分布严格服从键的方向性。价键就有方向性，键的分布严格服从键的方向性。当一个电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子当一个电子和另一个电子配对以后就不再和第三个电子配对了，成键的公用电子对数目是一定的，这就是共价配对了，成键的公用电子对数目是一定的，这就是共价键的饱和性。键的饱和性。.金刚石结构金刚石结构共价晶体性能：共价晶体性能：强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低。和挥发性低。.金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。u实质：金属最外层电子数很少实质：金属最外层电子数很少（通常通常s、p 价电子价电子数少数少于于4），），即价电子（即价电子（valence electron）极易挣脱原子核之极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子（束缚而成为自由电子（Free electron），），形成电子云形成电子云（electron cloud）。u特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，容易形特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，容易形成低能量密堆结构。成低能量密堆结构。三、金属键（三、金属键（Metallic Bonding）.良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。不透明并呈现特有的金属光泽。不透明并呈现特有的金属光泽。良好的塑性变形能力，好的强韧性。良好的塑性变形能力，好的强韧性。金属键材料特点：金属键材料特点：.四四.范德华键（范德华键（Van der Waals Bonding)范德华键：材料中分子间存在的一种弱的作用力。范德华键：材料中分子间存在的一种弱的作用力。共价键分子共价键分子极性分子：共价电子对偏于某一成键电子极性分子：共价电子对偏于某一成键电子非极性分子：共价电子对位于成价电子中间非极性分子：共价电子对位于成价电子中间极性分子极性分子=偶极子（偶极子（Dipoles）永久偶极子永久偶极子诱导偶极子诱导偶极子.u静电力静电力(electrostatic force)：u诱导力诱导力(induction force)：u色散力色散力(dispersive force)：实质：实质：+-+-偶极子偶极子偶极子偶极子电偶极矩电偶极矩感应作用感应作用偶极子偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子诱导偶极子.甲烷结构示意图甲烷结构示意图特点：特点：范德华键是一种次价键，没有方向性和饱和性范德华键是一种次价键，没有方向性和饱和性,它比化学键的键能它比化学键的键能小小1-2个数量级，远不如化学键牢固，个数量级，远不如化学键牢固，但能很大程度改变材料性质。但能很大程度改变材料性质。u由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低。u因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。u在高分子材料中总的范德华键超过化学键的作用，故在去除所有的范德在高分子材料中总的范德华键超过化学键的作用，故在去除所有的范德华键作用前化学键早已断裂了，所以高分子往往没有气态，只有固态和液华键作用前化学键早已断裂了，所以高分子往往没有气态，只有固态和液态。态。.在在 HF、H2O、NH3 等物质中，原子都是通过极性共价等物质中，原子都是通过极性共价键结合的，键结合的，氢原子中唯一的电子被其它原子所共有，裸露原氢原子中唯一的电子被其它原子所共有，裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引形成氢桥。子核将与近邻分子的负端相互吸引形成氢桥。使分子之间通使分子之间通过氢键连接。下面以水为例加以说明。过氢键连接。下面以水为例加以说明。五、氢键五、氢键(Hydrogen Bonding)氢和氧原子间形成共价键，氢和氧原子间形成共价键，由于氢由于氢-氧原子间的共用电子对靠氧原子间的共用电子对靠近氧原子而远离氢原子，使氢原近氧原子而远离氢原子，使氢原子剩下一个没有任何核外电子作子剩下一个没有任何核外电子作屏蔽的原子核（质子），于是这屏蔽的原子核（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邻水分子中的氧原子外层未共价电子有较强的静电引力，这个引电子有较强的静电引力，这个引力就是氢键。力就是氢键。固体分子状态固体分子状态.六、各种结合键的特点比较六、各种结合键的特点比较 离子键、共价键和金属键都涉及到原子外离子键、共价键和金属键都涉及到原子外层电子的重新分布，这些电子在键合后不再仅层电子的重新分布，这些电子在键合后不再仅仅属于原来的原子，因此，这几种键都称为化仅属于原来的原子，因此，这几种键都称为化学键。学键。在形成分子键和氢键时，原子的外层电子在形成分子键和氢键时，原子的外层电子分布没有变化，或变化极小，它们仍属于原来分布没有变化，或变化极小，它们仍属于原来的原子。因此，分子键和氢键就称为物理键。的原子。因此，分子键和氢键就称为物理键。一般说来，化学键最强，氢键和分子键较一般说来，化学键最强，氢键和分子键较弱。弱。.类类 型型 作用力来源作用力来源键合键合强弱强弱 形成晶体的特点形成晶体的特点 离子键离子键 原子得、失电子后形成负、原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑正离子，正负离子间的库仑引力引力 强强 无方向性键、高配位数、高熔无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、塑点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离性较差、固态不导电、熔态离子导电子导电 共价键共价键 相邻原子价电子各处于相反相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库的自旋状态，原子核间的库仑引力仑引力 强强有方向性键、低配位数、高熔有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态系数、塑性较差、即使在熔态也不导电也不导电 金属键金属键 自由电子气与正离子实之间自由电子气与正离子实之间的库仑引力的库仑引力 较强较强无方向性键、结构密堆、配位无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性好的导热导电性 分子键分子键 原子间瞬时电偶极矩的感应原子间瞬时电偶极矩的感应作用作用 较弱较弱无方向性键、结构密堆、高熔无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘点、绝缘氢键氢键 氢原子核与极性分子间的库氢原子核与极性分子间的库仑引力仑引力 弱弱有方向性和饱和性有方向性和饱和性.价键四面体价键四面体.金属键金属键分子键和共价键分子键和共价键离子键、共价键离子键、共价键多种结合键多种结合键.Thanks.此课件下载可自行编辑修改，供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！