1、3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论11. 1. 氢分子中的共价键氢分子中的共价键 氢原子：电子处于氢原子：电子处于 1s+- 氢分子：两个电子的氢分子：两个电子的 1s 轨道发生轨道发生交叠，不再处于氢原子的交叠，不再处于氢原子的 1s 分子轨道的波函数可选为原子波函数的线性分子轨道的波函数可选为原子波函数的线性组合，有两种组合方式对应形成两个能级，分别组合，有两种组合方式对应形成两个能级，分别称为称为反键态反键态3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论2 成键
2、态：两电子的自旋方向相成键态：两电子的自旋方向相反反 反键态：两电子的自旋方向相反键态：两电子的自旋方向相同同3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论3 成键态的电子绝大部分分布于两氢核之间，成键态的电子绝大部分分布于两氢核之间，每个电子都为两氢原子所共有，依靠两电子的每个电子都为两氢原子所共有，依靠两电子的负电把带正电荷的两氢核仅仅束缚在一起形成负电把带正电荷的两氢核仅仅束缚在一起形成稳定的稳定的共价键共价键 反键态的两电子各自分布在两氢核的两侧，反键态的两电子各自分布在两氢核的两侧，不能使两个氢原子结合在一起不能使两个氢原子结
3、合在一起3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论4 氢分子相对于分立中性氢原子的能量氢分子相对于分立中性氢原子的能量3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论52. 2. 共价键的饱和性和方向性共价键的饱和性和方向性 饱和性饱和性是指一个原子只能形成一定数目的是指一个原子只能形成一定数目的共价键共价键 例子例子 氮原子有氮原子有7个电子：个电子：1s2, 2s2, 2p3 3 个个 2p (px, py, pz) 电子电子自旋未配对，它们可以与自旋未配对，它们可以与其它
4、原子形成其它原子形成3个共价键个共价键3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论6 当两个氮原子沿着当两个氮原子沿着 z 轴方向靠近时，两个轴方向靠近时，两个 pz 电子相电子相互交叠，交叠后的原子对称地分布在两氮原子连线的周围，互交叠，交叠后的原子对称地分布在两氮原子连线的周围，形成的共价键常称为形成的共价键常称为 s 键键 两两 px 轨道交叠后的电子对称分布在轨道交叠后的电子对称分布在 yz 平面的两侧，平面的两侧，这样的共价键这样的共价键常常称为称为 p 键键；其它两；其它两 py 电子同样形成一电子同样形成一个个 p 键键
5、3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论7 价电子壳层如果价电子壳层如果不到半满不到半满，能形成共能形成共价键的数目与价电子相等价键的数目与价电子相等；当价电子壳层；当价电子壳层超过半满超过半满时，由泡利原理，部分电子必须时，由泡利原理，部分电子必须自旋相反配对，能形成共价键的数目少于自旋相反配对，能形成共价键的数目少于价电子数，对于价电子数，对于 IV-VII 族元素依靠共价族元素依靠共价键结合，共价键的数目满足键结合，共价键的数目满足 8-N 规则规则 饱和性饱和性3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量
6、晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论8 方向性方向性是指原子只在特定的方向上形成共是指原子只在特定的方向上形成共价键，一个原子在价电子波函数最大的方向上价键，一个原子在价电子波函数最大的方向上形成共价键形成共价键 例如例如 p 电子的波函数具有哑铃的形状，电子的波函数具有哑铃的形状，便是在对称轴方向上形成共价键便是在对称轴方向上形成共价键 由于共价键的方向由于共价键的方向性，原子在形成共价键性，原子在形成共价键时可以发生时可以发生轨道杂化轨道杂化3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论9 轨道杂化轨道杂化 碳原子有碳原子有6
7、个电子：个电子：1s2, 2s2, 2p2 ，共有，共有2个未配个未配对电子，但碳原子在与其它原子结合的过程中，对电子，但碳原子在与其它原子结合的过程中，1个个 2s 电子常被激发到电子常被激发到 2p 轨道，形成如下激发态轨道，形成如下激发态1s2s2p 1s2s2p 这样这样4个价电子全变成未配对的电子，一个碳个价电子全变成未配对的电子，一个碳原子便可以形成原子便可以形成4个共价键，也满足个共价键，也满足 8-N 规则规则3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论10 电子激发到高能态，单个碳原子的能电子激发到高能态，单个碳原子
8、的能量升高，但是可以使碳原子形成更多的共量升高，但是可以使碳原子形成更多的共价键，在和其它原子结合时降低的能量完价键，在和其它原子结合时降低的能量完全可以抵偿电子有全可以抵偿电子有 2s 能态激发到能态激发到 2p 能态能态时升高的能量时升高的能量3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论11 碳原子的碳原子的4个未配对电子：个未配对电子：2s, 2px, 2py, 2pz 碳原子与碳原子与4个氢原子形成加个氢原子形成加 CH4，碳原子，碳原子的的3个个 2p 轨道成相互垂直的哑铃状，而轨道成相互垂直的哑铃状，而 2s 轨道轨道和氢
9、原子的和氢原子的 1s 轨道则是球状轨道则是球状 因此因此3个个 2p 电子与氢的电子与氢的 1s 电子形成的价键电子形成的价键应相互垂直，而应相互垂直，而 2s 电子与氢的电子与氢的 1s 电子的价键电子的价键则可以在任何方位；但实验指出则可以在任何方位；但实验指出 CH4 的的4个共个共价键呈对称分布，为何？价键呈对称分布，为何？3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论12 理论上认为，理论上认为，4个未配对电子个未配对电子 2s, 2px, 2py, 2pz 轨道相互混合，重新组合成轨道相互混合，重新组合成4个新的未配对个新
10、的未配对的的 sp3 杂化轨道杂化轨道)(21)(21)(21)(21p2p2p2s24p2p2p2s23p2p2p2s22p2p2p2s21zyxzyxzyxzyx 这这4个杂化轨个杂化轨道分别沿四面体道分别沿四面体的的4个对称方向，个对称方向，与氢原子形成与氢原子形成4个个稳定的稳定的 s 键键3. .3 共价晶体共价晶体第第 3 章章 晶体结合与弹性常量晶体结合与弹性常量固体固体物理物理导论导论13 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
