清华版：《材料科学基础》课程电子教案（PPT课件）2-2 材料中的结合键

2-3结合键元素周期表及其性能的周期性变化元素周期表的意义表1-2元素的电负性（绝林）电子排列的周期性H2.10FBeBCN00.981.572.042553.043.443.98NaMgAlSiA元素性能的周期性变化aS0.931.311.611.902.192.583.16RSeTCrMnFeCoNiCuZnGtGeAsSeBr0.821.001.361.541.631.661.551.831.881.911.901.651.812.012.182.552.96SZrNbMoRbTeRuRbPdAgCdInSaSbTe10.820.951.221.332.162-282.201.931.691.781.962.052.66HfLaTaWReOIrPtAuHgTtP6BPoAt0.790.891.102-36元素电负性周期性变化2.202.282.542.002.042.332.02

2-3结合键 一、 元素周期表及其性能的周期性变化 1、 元素周期表的意义 电子排列的周期性 元素性能的周期性变化 元素电负性周期性变化

原子结合键1.2原子材料在凝聚态（液、固结合键态）下其原子之间形成的相互作用键。原子间只有距离十分接一次键二次键近时才能形成结合键。原子通过键紧密地结合在一起。结合键的强弱可用键能范德瓦金属键氢键离子键共价键的大小表示，一次键的尔斯键键能较二次键大得多

• 1.2 原子结合键 材料在凝聚态（液、固 态）下其原子之间形成 的相互作用键。 原子间只有距离十分接 近时才能形成结合键。 原子通过键紧密地结合 在一起。 结合键的强弱可用键能 的大小表示，一次键的 键能较二次键大得多。 原 子 结合键 一次键 二次键 离子键 共价键 金属键 氢 键 范德瓦 尔斯键

1.2原子的结合方式原子键合的本质从作用力角度：吸引力attractiveforceF排斥力repulsiveforceFR合力net forceFNFN=FA+FRFN=0平衡位置ro

1.2 原子的结合方式 原子键合的本质 吸引力attractive force FA 排斥力repulsive forceFR 合力 net forceFN FN = FA + FR FN = 0 平衡位置r0 从作用力角度：

从能量角度：吸引能(Attractiveenergy)E排斥能(Repulsiveenergy)E净能(Netpotential energy)EN净能ENE=Fdr="Fadr+"Frdr =EA+ER

从能量角度： 吸引能（Attractive energy）EA 排斥能（Repulsive energy）ER 净能 （Net potential energy）EN 净能 E N r r r E F dr F dr F dr E E N N A R A R    = = + = +   

Ieiuooeny平衡距离r。！AttractiveforceFA吸引力Equilibrium distance当F+FR=0时的原子间距Interatomicseparation原子间距Repulsive force FRspdey#当r=r时，排斥力NetforceFNE称为结合能(Bonding合力energy），将2个原子无限分离(a)所需能量。平衡距离下的作用Repulsiveenergy ER能。通常r~0.3nm（3A）排斥能eeo原子间距Interatomic separation rNet energy EN作用力为零的平衡距离onaemyIs净能o下能量达到最低值，系引力能Attractive energy EA统最稳定(b)

平衡距离r0 Equilibrium distance； 当 FA+ FR = 0 时的原子间距 当r = r0 时， E0称为结合能（Bonding energy），将2个原子无限分离 所需能量。平衡距离下的作用 能。通常r0  0.3nm (3Å) 作用力为零的平衡距离 下能量达到最低值，系 统最稳定

1.2原子的结合方式离子键电子转移强键共价键共用电子对(化学键）结合键金属离子通过正离子金属键和自由电子之间的引力而相互结合弱键分子键（范德华键）(物理键）

1.2 原子的结合方式 结 合 键 强键 弱键 (化学键） (物理键) 离子键 共价键 金属键 分子键 (范德华键) 电子转移 共用电子对 金属离子通过正离子 和自由电子之间的引 力而相互结合

A.金属键金属离子通过正离子和自由电子之间的Metallicbonding引力而相互结合电子海（electronsea）电子云（electroncloud）胶体（glue）；自由电子离子核心（ioncores），不具方向性：-键能：0.7eV/atomforHg8.8eV/atomforW金属特点：自由电子的存在使金属具有良好的导电性和导热性，良好的金属光泽：金属键无方向性，原子问发生相对位移时，金属键不受破坏，因而塑性好

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + A. 金属键 Metallic bonding 金属离子通过正离子和自由电子之间的 引力而相互结合 金属特点：自由电子的存在使金 属具有良好的导电性和导热性， 良好的金属光泽；金属键无方向 性，原子间发生相对位移时，金 属键不受破坏，因而塑性好。 自由电子 电子海（electron sea ） 电子云（electron cloud） 胶体（glue）； 离子核心（ion cores），不具方向性； 键能：0.7 eV/atom for Hg 8.8 eV/atom for W

二氧化钒的奇异相变coldMetalInsulator然而，二氧化钒这种材料却打破了该经典物理定律。清华-伯克利深圳学院（TBSI）首氧化钒具有一个著名的金属-绝缘体相变，其相变温席科学家之一的吴军桥最近发度比起其它多数金属-绝缘体相变材料的相变温度要现处于金属态的二氧化钒的电高，在室温以上，为67"C左右。在该温度以上，二氧子在导电时几乎不导热，打破化钒呈现金属性质，在该温度以下，其呈现绝缘体性了经典物理定律威德曼弗明兹定律（即金属导电性越好的金质。相变前后其对红外光可产生由透射向反射的可逆属，导热性也越好）

清华-伯克利深圳学院(TBSI） 首 席科学家之一的吴军桥最近发 现处于金属态的二氧化钒的电 子在导电时几乎不导热， 打破 了经典物理定律威德曼-弗朗兹 定律（即金属导电性越好的金 属，导热性也越好）

B.共价键原子间通过共用电子对形成的化学键Covalent bondingIIIA-VIIA同族元素和电负性相差不大的元素结合B, C, N, O, CI共用电子对Shared electronSharedelectronfromcarbanfrom.hydrogen电子Cl2CH4氯分子

原子间通过共用电子对形成的化学键 IIIA-VIIA同族元素和电负性相差不大的元素结合 共用电子对 Cl2 B, C, N, O, Cl B. 共价键 Covalent bonding CH4

碳原于·特点：材料强度高熔点高，脆性大。其导电性取决于共价键的强弱。图1-4金刚石的共价结合及其方向性·弱共价键的Sn是导例如diamond,Si,Ge,GaAs,InSb,SiC,H,C,F2,CH,H,O,体，Si是半导体，金方向性（directional）：刚石就是绝缘体。最多键数：8-N”，N一价电子数强（diamond）或弱（Bi）；高分子材料为典型例子

•特点：材料强度高， 熔点高，脆性大。其 导电性取决于共价键 的强弱。 •弱共价键的Sn是导 体，Si是半导体，金 刚石就是绝缘体。 例如：diamond, Si, Ge, GaAs, InSb, SiC, H2 , Cl2 , F2 , CH4 , H2O, 方向性（directional）； 最多键数：8-N’，N’—价电子数 強 (diamond) 或弱 (Bi)； 高分子材料为典型例子