多原子体系电子的相互作用与稳定性ElectronInteractionand.ppt

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1、第二章第二章 物质结构基础物质结构基础 (Structure of Matter)原子间距离很大时,相互作用很小;距离减小时，斥力和引力以不同的函数形式增大。2-3-3 原子间距和空间排列原子间距和空间排列 (Interatomic Spacing and Forces)1.原子间的距离和作用原子间的距离和作用(Interatomic Separation and Interaction)（1）a，：平衡间距，合力F=0，能量U最低，结合能的负值；（2）a增大，F为引力，U增大；a减小，F为斥力，U大大增大。平衡间距平衡间距（Equilibrium Spacing）就是斥力和引力相等的距离。F

2、IGURE 2.8孤立原子（非键合）的半径范氏半径结合原子：原子间作用方式和作用力的不同，a，不同，半径不同(a)金属半径：金属键结合的原子距离的一半：a，/2(b)离子半径：a，=r+R-2.原子半径和离子半径原子半径和离子半径 (Atomic Radius and Ionic Radius)离子价影响离子半径离子价影响离子半径(c)共价半径：成键电子云的最大重叠（非球形，多用键长）单键、双键、三键温度影响半径温度影响半径3.配位数配位数 (Coordination Number)-CN：（影响半径）（影响半径）大部分工程材料具有多个原子组成的配位团配位数是一个原子具有的第一邻近（原子或离子

3、）数第一邻近（原子或离子）数（Number of nearest-neighbor atoms）H-1Mg为6Si或C为4影响因素共价共价，围绕一个原子的共价键数取决于原子的价电子数目卤族配位数为1；氧族为2。原子的有效堆积有效堆积，离子化合物具有较高配位数，最常见为6。元元 素素金金 属属 原原 子子离离 子子共共 价价 键键CN半径半径(nm)价价 CN半径半径(nm)键键 长长/2（nm）碳碳单单 键键双双 键键三三 键键00770065006硅硅4+64+400420038单单 键键0117氧氧2-82-62-40.0420.0380.444单单 键键 双双 键键0.0750.065氯

4、氯2-21-81-60.1400.1270.181单单 键键0099钠钠80.018751+60.097镁镁120.1612+60.066铝铝120.14313+63+40.0540.046铁铁8120.12410.1272+63+60.0740.064铜铜120.12781+60.0961键长键长(bonddistance):两相邻原子间达运动平衡时能量最小的距离金属键和离子键：无方向性，无键长，三维空间（集体效应）：体积和电荷共价键：有方向性(和饱和性)，键长为相连原子间的距离，共价半径之和同周期电荷大键长小同族由上到下键长增大2键能键能(bondenergy):1mol 物质结合键分裂放

5、出的能量,表示结合的强弱。化学键物理键（分子键）化学键中:共价键离子键金属键共价键中:叁键双键单键氢键范氏键 2-3-4 各种键性比较各种键性比较（Comparison among Various Bonds)键性表2-4 多原子体系电子的相互作用与稳定性多原子体系电子的相互作用与稳定性 （Electron Interaction and Stability of Polyatomic System)What is the Hybrid Orbital of atoms?What is the Molecular Orbital in compounds?What is the Fermi E

6、nergy Level in metals?What is the Energy Band Structures in solids?杂化轨道：原子不同轨道线性组合后的新原子轨道原子不同轨道线性组合后的新原子轨道杂化后，数目不变；空间分布、能级状态改变，有利成键杂化轨道与配位原子空间排列的方式2-4 多原子体系电子的相互作用与稳定性多原子体系电子的相互作用与稳定性 （ElectronInteractionandStabilityofPolyatomicSystem)2-4-1杂化轨道和分子轨道杂化轨道和分子轨道(Hybrid Orbital and Molecular Orbital)1杂化轨

7、道杂化轨道理论中心原子的杂化轨道中心原子的杂化轨道配位原子的空间排列配位原子的空间排列实实 例例spxspxpysp3直线形直线形平面三角形四面体形三方双锥形四方锥形八面体形五方双锥形CO2,XeF2BF3,SO3,SiH4,PF5,SOF4Sb(C6H5)5SF6,IF7组合成分子轨道分子轨道的条件（1）能量相近；（2）轨道最大重叠；（3）对称性匹配：符号相同，为成键轨道符号相反，为反键轨道2分子轨道分子轨道理论不同原子轨道原子轨道的线性组合轨道：通过键轴，无节面，以键轴为对称轴的对称轨道如：s-s,s-p，p-p三种分子轨道：（1）轨道和键键：由成键电子构成的共价键单电子键：成键轨道1个电

8、子，能量降低=EE1正常键：成键轨道2个电子，能量降低2三电子键：成键轨道2个电子，反键轨道1个电子，能量降低轨道：通过键轴，有一个（=0）节面如：py-py，pz-pz键：由成键电子构成的共价键（2）轨道和键轨道：通过键轴，有两个（=0）的节面键：由成键电子构成的共价键分子轨道电子排布与原子轨道填充三原则相同（3）轨道和键同核双原子分子的能级和电子排布同核双原子分子的能级和电子排布T=0K（基态ground state）时，最高的被电子充满能级能量为EF，以下能级全满，以上能级全空。2-4-2 费米能级费米能级 (Fermi energy Level)-金属金属费米分布费米分布(Fermi

9、distribution)：T0K时，某些电子受到激发，移到费米能级以上的能级，达到平衡的分布分布函数：某能级E被电子占据的几率只是温度的函数1）T=0，EEF：f（E）=1EEF：f（E）=02）T0，E=EF：f（E）=1/2填充的几率为一半3）T0（很低）EEF：1/2f（E）1EEF：0f（E）1/23费米能（量）：EFEF01（kBT/EF0）2/12T=0，EF=EF0。故EF0为T=0K时系统的费米能量T0，EFEF0。T升高，EF降低一般温度（包括室温左右）：EFEF0（kBT/EF0仅10-2量级）费米面即能量值为费米能的等能面（自由电子为球面）2-4-3 固体中的能带固体中

10、的能带 (Energy Band Structures in Solids)能级分裂能级分裂：n个同种原子接近时，相同的原子能级分裂(split)成n个能量不同的能级（分子轨道）能带能带(electron energy band)：许多原子聚集，由许多分子轨道组成的近乎连续的能级带带宽带宽：能带中最高能级与最低能级的能量差与原子数目无关，仅取决于原子间距，间距小，带宽大。内、外层电子的能量分布价带价带(Valence band)：价电子能级展宽成的能带(可满可不满)满带满带(Filled band)：添满电子的价带 空带空带(Empty band)：价电子能级以上的空能级展宽成的能带 导带导带(Conduction band)：0K时最低的可接受被激发电子的空带 禁带禁带(Band Gaps)：两分离能带间的能量间隔，又称为能隙（Eg）导导 体体：价带未填满；或满带与空带重叠。绝缘体绝缘体：满的价带与空的导带间的禁带宽，Eg5eV。半导体半导体：满的价带与空的导带间的禁带较小，Eg2eV。能带与材料的导电性：a.b.c.三种：aEg很小：热激活本征bEg较小：高价杂质N型cEg较小：低价杂质P型