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2 3 3 interatomic spacing and forces 1 interatomic separation and interaction n.
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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。 PowerPoint Presentation
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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。

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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。

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  1. 2-3-3 原子间距和空间排列 (Interatomic Spacing and Forces) 1. 原子间的距离和作用(Interatomic Separation and Interaction) 平衡间距(Equilibrium Spacing)就是斥力和引力相等的距离。 (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。 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. FIGURE 2.8

  3. 2 . 原子半径和离子半径 (Atomic Radius and Ionic Radius) 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-

  4. 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

  5. 3. 配位数 (Coordination Number)-CN: (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)数 (Number of nearest-neighbor atoms) H-1 Mg为6 Si或C为4 影响因素 ①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。 ②原子的有效堆积,离子化合物具有较高配位数,最常见为6。

  6. 元 素 金 属 原 子 离 子 共 价 键 CN 半径(nm) 价 CN 半径 (nm) 键 长/ 2 (nm) 碳 单 键 双 键 三 键 0.077 0.065 0.06 硅 4+ 6 4+ 4 0.042 0.038 单 键 0.117 氧 2- 8 2- 6 2- 4 0.042 0.038 0.444 单 键 双 键 0.075 0.065 氯 2- 2 1- 8 1- 6 0.140 0.127 0.181 单 键 0.099 钠 8 0.01875 1+ 6 0.097 镁 12 0.161 2+ 6 0.066 铝 12 0.1431 3+ 6 3+ 4 0.054 0.046 铁 8 12 0.1241 0.127 2+ 6 3+ 6 0.074 0.064 铜 12 0.1278 1+ 6 0.096

  7. 2-3-4 各种键性比较(Comparison among Various Bonds) 1 键长(bond distance): 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(bond energy): 1mol 物质结合键分裂放出的能量, 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 键性表

  8. 2-4 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 Energy Level in metals? • What is the Energy Band Structures in solids?

  9. 2-4 多原子体系电子的相互作用与稳定性(Electron Interaction and Stability of Polyatomic System) 2-4-1杂化轨道和分子轨道(Hybrid Orbital and Molecular Orbital)1.杂化轨道理论 杂化轨道: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

  10. 中心原子的杂化轨道 配位原子的空间排列 实 例 spx spxpy sp3 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, XeF2 BF3, SO3, SiH4, PF5, SOF4 Sb(C6H5)5 SF6, IF7

  11. 2.分子轨道理论 不同原子轨道的线性组合 组合成分子轨道的条件 (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

  12. 三种分子轨道: (1)σ轨道和σ键 σ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

  13. σ键:由成键σ电子构成的共价键 单电子σ键:成键轨道1个电子,能量降低β=|Eφ-Eφ1| 正常σ键: 成键轨道2个电子,能量降低2β 三电子σ键:成键轨道2个电子,反键轨道1 个电子,能量降低β

  14. (2)π轨道和π键 π轨道:通过键轴,有一个(ψ= 0)节面 如: py - py,pz - pz π键:由成键π电子构成的共价键

  15. (3)δ轨道和δ键 δ轨道:通过键轴, 有两个(ψ= 0)的节面 δ键:由成键δ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

  16. 同核双原子分子的能级和电子排布

  17. 2-4-2 费米能级 (Fermi energy Level)---金属 费米分布(Fermi distribution): T>0 K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 T= 0 K(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。

  18. 1)T=0,E<EF: f(E)=1 E>EF: f(E)=0 2) T≠0,E=EF: f(E)=1/2 填充的几率为一半 3) T≠0(很低)E<EF: 1/2<f(E)<1 E>EF: 0<f(E)<1/2

  19. 费米面 即能量值为费米能的等能面 (自由电子为球面) 3.费米能(量): EF≈EF0[1-π(kBT/ EF0)2 / 12] T=0,EF= EF0。故EF0为T=0 K时系统的费米能量 T>0,EF<EF0。 T升高,EF降低 一般温度(包括室温左右):EF≈EF0(kBT/ EF0仅10-2量级)

  20. 2-4-3 固体中的能带 (Energy Band Structures in Solids) 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 (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: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。

  21. 内、外层电子的能量分布

  22. 价带(Valence band):价电子能级展宽成的能带 (可满可不满) • 满带(Filled band):添满电子的价带 • 空带(Empty band):价电子能级以上的空能级展宽成的能带 • 导带(Conduction band):0 K时最低的可接受被激发电子的空带 • 禁带(Band Gaps):两分离能带间的能量间隔,又称为能隙(ΔEg)

  23. 三种:a.ΔEg很小:热激活 本征 b.ΔEg较小:高价杂质 N型 c.ΔEg较小:低价杂质 P型 a. b. c. 能带与材料的导电性: 导 体:价带未填满;或满带与空带重叠。 绝缘体:满的价带与空的导带间的禁带宽, ΔEg>5 eV 。 半导体:满的价带与空的导带间的禁带较小,ΔEg<2 eV 。