高二物理竞赛晶体结合的基本类型.pptx

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1、第二章第二章 晶体的结合晶体的结合2.1 晶体结合的基本类型晶体结合的基本类型 正负离子的电子壳层饱和，电子云分布基本上球对称，正负离子的电子壳层饱和，电子云分布基本上球对称，满足球密堆积原则满足球密堆积原则一、离子晶体一、离子晶体典型晶体：典型晶体：NaCl、LiF等等结合能结合能 150 kcal/mol 共价结合的特征是具有共价结合的特征是具有方向性方向性和和饱和性饱和性。电子云分。电子云分布不是球对称的，布不是球对称的，不满足球密堆积原则。不满足球密堆积原则。二、共价晶体二、共价晶体 共价结合的键合能力相当强，共价晶体一般硬度高，共价结合的键合能力相当强，共价晶体一般硬度高，熔点高熔点

2、高 。 结合能：结合能：150 kcal/mol 典型晶体：金刚石、典型晶体：金刚石、SiC等等结合能：结合能： 50 kcal/mol三、金属晶体三、金属晶体 金属离子实的电子云分布基本上是球对称的，金属离子实的电子云分布基本上是球对称的，符合符合球密堆原则。球密堆原则。 金属晶体的最主要特征是有金属晶体的最主要特征是有共有化电子共有化电子，因而金属，因而金属具有具有高的导电性和导热性。高的导电性和导热性。典型晶体：典型晶体：Na、Cu等等 分子结合的特征：电子云的分布基本上是分子结合的特征：电子云的分布基本上是球对称球对称的，的，符合球密堆原则符合球密堆原则 。四、分子晶体四、分子晶体 V

3、an der Waals结合相当弱，熔点很低（结合相当弱，熔点很低（Kr: 117 K, Ar: 84 K）。）。结合能：结合能： 1 kcal/mol典型晶体：典型晶体：Ar、CH4等等 氢键晶体由氢原子与其他负电性较大的原子（如氢键晶体由氢原子与其他负电性较大的原子（如F、O等）或原子团结合而成。等）或原子团结合而成。五、氢键晶体五、氢键晶体 结合能：结合能： 10 kcal/mol典型晶体：典型晶体：H2O、HF、KH2PO4（KDP）等）等FFH+设晶体中任意两个粒子的相互作用能可表为：设晶体中任意两个粒子的相互作用能可表为：( )mnabu rrr2.2 晶体中粒子的相互作用晶体中粒

4、子的相互作用一、双粒子模型一、双粒子模型其中其中a、b、m、n均为大于零的常数，由实验确定。均为大于零的常数，由实验确定。若两粒子要稳定结合在一起，则必须满足若两粒子要稳定结合在一起，则必须满足 n m 。 吸引能吸引能排斥能排斥能设晶体中有设晶体中有N个粒子，晶体的总相互作用能为：个粒子，晶体的总相互作用能为：11ijjj 1j 1jj1222NNNmnNNabUuurri, jij j0jj2mmnnNabUrrrjjrr 对对立方晶体立方晶体，设，设 ，二、晶体的相互作用能二、晶体的相互作用能rj：第：第j个粒子到原点的距离个粒子到原点的距离r: 最近邻两粒子间距离最近邻两粒子间距离 m

5、nABU rrr j0j2mNaAj0j2nNbB其中其中 A、B、m、n待定，待定，00rdUdr由平衡条件由平衡条件00, , ,rA B m nUA B m n结合能结合能W ：设想将晶体拆分成无相互作用的单个原：设想将晶体拆分成无相互作用的单个原 子（离子或分子）时，外力所做的功。子（离子或分子）时，外力所做的功。 晶体的结合能晶体的结合能 W 0 0WU由热力学第一定律由热力学第一定律 dU=TdS pdV， 不考虑热效应不考虑热效应，即即 TdS = 0 （实际上只有当（实际上只有当T=0时才严格成立），有时才严格成立），有 dU = pdV dpKdVV定义：体积压缩模量（体变模

6、量）定义：体积压缩模量（体变模量）0202Vdpd UKVVdVdV（平衡时）（平衡时）dp为压强增量，为压强增量，-dV/V为相对体积压缩为相对体积压缩晶体体积：晶体体积：V = Nv v = N r3 若已知粒子相互作用的具体形式，还可确定几个待若已知粒子相互作用的具体形式，还可确定几个待定系数，这样即可将晶体相互作用能的表达式完全确定定系数，这样即可将晶体相互作用能的表达式完全确定下来。下来。N：晶体中粒子的总数：晶体中粒子的总数v：平均每个粒子所占的体积：平均每个粒子所占的体积 ：体积因子，与晶体结构有关：体积因子，与晶体结构有关 r：最近邻两粒子间距离：最近邻两粒子间距离02( )4nN qBU rrr jjrr 令令 ，r为最近邻两离子间的距离，有为最近邻两离子间的距离，有jj 0j Madelung常数，常数，只与晶体结构有关只与晶体结构有关j 0jnbBN待定待定u实验实验(10-18J/pair) u理论理论(10-18J/pair)NaCl-1.27-1.25NaBr-1.21-1.18KCl-1.15-1.13KBr-1.10-1.08RbCl-1.11-1.10RbBr-1.06-1.05