1、L/O/G/O 过滤净过滤净化水用铜锌铜锌合金的价键电键电子结构研结构研究郑艳玲 S09040683 指导教师：李世春内内容摘要 序言金属间属间化合物简简介EET理论简论简介净净化水用铜锌铜锌合金的价键电键电子结构计结构计算净净水后产产物的价键电键电子结构计结构计算结结果分析及讨论讨论结论结论第一章第一章 序言序言1、铜锌合金滤料净水技术的原理、铜锌合金滤料净水技术的原理及研究现状及研究现状2、未来发展趋势、未来发展趋势3、本文研究的内容、目的及意义、本文研究的内容、目的及意义2007年年2008年年2009年年1.1铜锌合金滤料净水技术的原理及研究现状铜锌合金滤料净水技术的原理及研究现状背景
2、背景全国废水排放总量年际变化全国废水排放总量年际变化556.8亿吨572亿吨589.2亿吨铜锌铜锌合金滤滤料净净化水处处理工艺艺不产产生二次污污染使用寿寿命长长高温温下仍有效经反冲洗经反冲洗后可循环后可循环使用使用 处处理水的费费用低廉市面上的市面上的KDF颗粒大小：颗粒大小：0.1452.00mm堆积密度：堆积密度：2.42.9g/cm3 除余氯、可溶性重金属除余氯、可溶性重金属颗粒大小：颗粒大小：0.1492.00mm堆积积密度：2.22.7g/cm3除铁铁和硫化氢氢 KDF净水原理净水原理铜锌原电池（丹尼尔电池）铜锌原电池（丹尼尔电池）平衡平衡标准电位（伏）标准电位（伏）+0.3370.
3、000-0.126-0.440-0.763-2.3702+CuCu2e+2H2H2e2+Pb2Pbe2+Fe2Fee2+Zn2Zne2+Mg2MgeKDF净水时的微观结构净水时的微观结构去除杂质时发生的化学反应去除杂质时发生的化学反应（1 1）除余氯）除余氯222ZnClZnCl22H OClHClOHCl222ZnHClOZnClH O（2 2）除重金属）除重金属3 23 2Cu/Zn+Pb(NO)Zn/Cu/Pb+Zn(NO)22Cu/Zn+HgClZn/Cu/Hg+ZnCl去除杂质时发生的化学反应去除杂质时发生的化学反应（3 3）除硫化氢）除硫化氢22CuH SCuSH 22222HOH
4、 O第一章第一章 序言序言1、铜锌合金滤料净水技术的原理、铜锌合金滤料净水技术的原理及研究现状及研究现状2、未来发展趋势、未来发展趋势3、本文研究的内容、目的及意义、本文研究的内容、目的及意义1.2 未来发展趋势未来发展趋势基于反冲洗技术的改进基于反冲洗技术的改进多元合金滤料开发（多元合金滤料开发（Cu-Zn-SiCu-Zn-Si等）等）超细型合金粉末材料的制备及应用超细型合金粉末材料的制备及应用321321第一章第一章 序言序言1、铜锌合金滤料净水技术的原理、铜锌合金滤料净水技术的原理及研究现状及研究现状2、未来发展趋势、未来发展趋势3、本文研究的内容、目的及意义、本文研究的内容、目的及意义
5、1.3 本文研究的内容、目的及意义本文研究的内容、目的及意义 KDF滤料得到广泛的应用，有以下几个原因：（1）是好的还原剂，（2）除水中的余氯，（3）除去多种重金属离子，（4）减少藻类和细菌的繁殖。但是，不管它有多少种优点，也不可能是没有缺点的，其净水效率很多情况下也是依赖于条件，而且这种滤料在使用多年后，仍然只是依赖于感觉和经验，对它的结构和性能的研究还太少，所以，在不了解一种材料的微观结构的背景下，在不了解一种材料的微观结构的背景下，期望能让它发挥出最好的净水效果也是非常困难期望能让它发挥出最好的净水效果也是非常困难的事情。的事情。在电子结构方面，采用余瑞璜的固体与分子经验电子理论的方法，
6、计算铜锌合金滤料及其净化水后产物的晶体电子结构，为为铜锌合金滤料净化水的技术及对合金滤料铜锌合金滤料净化水的技术及对合金滤料的研究提供理论依据，并在此理论和前人的研究提供理论依据，并在此理论和前人实验总结的基础上提出提高其净水效率的实验总结的基础上提出提高其净水效率的措施。措施。所以，理论的研究与实际使用的结合也必能给KDF未来的应用提供全新的形式。第二章第二章 金属间化合物简介金属间化合物简介 1、晶体学基础、晶体学基础 2、合金相结构、合金相结构2.1 晶体学基础晶体学基础 晶胞晶胞：7大晶系，14种布拉菲点阵 本文中所涉及到的晶系和布拉菲点阵结构有：面心立方、体心立方、密排六方等。32种
7、点群和空间群种点群和空间群 点群是晶体中所有点对称元素的一个集合。在宏观上点群表现为晶体外形的对称。第二章第二章 金属间化合物简介金属间化合物简介 1、晶体学基础、晶体学基础 2、合金相结构合金相结构2.2 合金相结构合金相结构第三章第三章 EET理论简介理论简介 1、理论中涉及的相关概念、理论中涉及的相关概念 2、理论的四个基本假设、理论的四个基本假设 3、键距差分析法、键距差分析法 1978 年，余瑞璜在能带理论、价键理论、电子浓度理论的基础上，针对现代固体物理，尤其是金属电子理论中的一些矛盾，提出“固体与分子经验电子理论”(EET)和计算电子结构的“键距差(BLD)法”。主要内容包括原子
8、状态假设、不连续状态杂化假设、键距假设、等效价电子假设。EET理论论的提出 EET是以确定晶体内各原子的状态为基础，描述晶体价电子结构的理论。若晶体结构的点阵参数已知 余氏理论能给出晶体中键络上的电子分布和原子所处的状态 用来计算晶体的结合能、熔点、高压相变和转变压强、合金相图等，都与实际符合得很好。EET理论简论简介3.1 理论中涉及的相关概念理论中涉及的相关概念 磁电子：用nm来表示，记为“”。是一种非组成共价键的原子，在价层中占据单轨道，如果原子间发生结合，它负责保持在原始原子内不被公有化。哑对电子：用nd表示，记为“”或“”。也是一种非组成键原子，只不过它在价层中时占据满轨道。不参与原
9、子间的结合，在原始原子内也不被公有化，但对其他原子的结合行为具有影响作用。mn 共价电子:用nc表示，记为“”。是参与成键的原子的提供的价电子，可以邻近单占据轨道上自旋方向相反的电子组合成对，它们配对后共同占据公有的原子轨道。晶格电子：用nl表示，记为“”，表示满轨道占据，或“”表示轨道单占据。不处于两原子组成的共价键上，也不在它们归属的原子内，而是存在于3个或者3个以上的原子所围成的空间里。单键半距：用R(1)表示。将两个相同的原子组成的共价单键（A-A或B-B）的键长的一半取为定值，成为原子A或者B的单键半距。总价电子数：用“nT”表示。共价电子数和晶格电子数的加和即总价电子数。杂阶：在某
10、种杂化状态下所能具有的各种不同的稳定杂化的原子杂化态 等效电子：用“”表示。指原子轨道上的部分电子，脱离轨道，以至于其对共价键键距的影响作用与更外层的s或p轨道上的电子影响作用相当，称这种对共价键键距的贡献等效于s、p电子的d电子为等效电子。等同键：用I表示。指在计算晶胞内由同一等效位置同一种元素的原子形成的等键距的共价键。第三章第三章 EET理论简介理论简介 1、理论中涉及的相关概念、理论中涉及的相关概念 2、理论的四个基本假设理论的四个基本假设 3、键距差分析法、键距差分析法3.2.1 关于晶体中原子状态的假设关于晶体中原子状态的假设 l晶体中的某个原子通常是由h和t态杂化而成，其中至少有
11、一个在基态或靠近基态的激发态，h态和t态各拥有不同的nT、nc、nl和R(1)。lEET理论中，由于h态和t态中s、p、d轨道上的成分是已知的，只要知道参与杂化的h态和t态的成分，对于确定杂化过程中的s、p、d轨道的成分就知道了。h态和t态的所有成分可根据所讨论的晶体的空间群资料，用键距差方法（即BLD，Bond length Difference）计算获得。3.2.2 关于不连续状态杂化的假设关于不连续状态杂化的假设 在某种特定情况下，状态杂化是不连续的。在EET中引入参数，若用Ch和Ct分别表示在h态和t态杂化过程中的成分，对于大部分结构来说：在h态，Ct=0，k=；在t态，Ct=1，k=
12、0 thCC1211kCtnmlnmlnmlnmlnmlnmlk 5353 式中l，m，n；l，m，n表示h态和t态中的s，p，d轨道上的电子数；的取值由s电子而定，s电子为nc，=1，s电子为nl，=0。如果h态上所有的价电子都由nl组成，由于l+m+n=0，上述公式不适用。此时，可用如下公式计算：nmlnmllnmlk533.2.3 关于键距的假设关于键距的假设 EET理论中将组成共价键的两个原子间的距离称为键距。nRRDvuvunlg11750.0250.02.2710.0700.0300.0600.0750.0250.0710.0MMMMMnnnnn或或3.2.4 关于等效电子的假定关
13、于等效电子的假定 对于B族过渡金属元素即In、Ga、Tl来说，这些原子外层d电子有一部分会远离原子，导致它们对原子间的共价键影响减小，几乎等效于最外层s或p电子对共价键的影响作用。但这些等效的d原子对晶体结合能及其相角分布仍保留原来特性，只不过它们对共价键键能的作用有所不同。第三章第三章 EET理论简介理论简介 1、理论中涉及的相关概念、理论中涉及的相关概念 2、理论的四个基本假设、理论的四个基本假设 3、键距差分析法键距差分析法2122222221AB222zxCzyByxAczbyaxrrD AtsvutsnvunnnRRRRDDAlg1111 /1111lgtsvutsnvunARRRR
14、DDnnAKSMIIII InnjjcA,等同键数计算nm005.0nDnDnDuvuvuv键距差判据键距差方法给出的计算结果中，满足键判据的结果往往不止一个，即出现多重解问题，因此还需通过一些经验的方法来进一步确定选取何种原子状态。张瑞林给出了一些经验方法作参考，但本文所讨论的晶体价电子结构中，选取键距差最小的杂阶组合，即值最小的原子状态，因为这是理论键距和实验键距符合最好的。第四章第四章 净化水用铜锌合金净化水用铜锌合金的价键电子结构计算的价键电子结构计算 1、Cu（空间群（空间群No.225）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 2、Zn（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算
15、）的价键电子结构计算 3、CuZn（空间群（空间群No.221）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 4、CuZn3（空间群（空间群No.174）的价键电子结构计）的价键电子结构计 算算 4.1 Cu（空间群（空间群No.225）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 Cu的晶体结构资料：Cu的空间群为Fm3m（No.225），为面心立方结构。Cu是处于4a位置的原子，晶体学坐标为（0,0,0），金属Cu的实验晶格常数为0.36170nm。晶胞内原子等效位置及坐标参数如下表所示。AtomSiteX YZCu4a000Cu的晶胞结构图的晶胞结构图4.1 Cu（空间群（空间群No.225）的价键
16、电子结构计）的价键电子结构计算算aBondDna/nmIaA4a-Cu4a-Cu 0.2557612B4a-Cu4a-Cu 0.361706C4a-Cu4a-Cu 0.44299242122222221AB222zxCzyByxAczbyaxrrD4.1 Cu（空间群（空间群No.225）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算4.1 Cu（空间群（空间群No.225）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算键能的计算 在双原子分子中，键能是指将分子离解成为单个的原子时所需要的离解能。通常来自2个成键的原子在其强烈的相互作用区里所出现的已成键的价电子的集中。计算同种原子的共价键的键能，余氏给出了计
17、算公式：/()Eb f nD n35fg()/tTlllCn ()/tTmmm Cn()/tTnnn CnAtomlmnlmngb/KJ.nm.mol-1Cu1051060118.625Cu的乙种原子状态参数对于由两个不同的原子u和v形成的共价键键能计算，徐万东等推到出了其计算公式：/()EB F nD nuvBbbuvFff第四章第四章 净化水用铜锌合金净化水用铜锌合金的价键电子结构计算的价键电子结构计算 1、Cu（空间群（空间群No.225）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 2、Zn（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 3、CuZn（空间群（空间群No
18、.221）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 4、CuZn3（空间群（空间群No.174）的价键电子结构计）的价键电子结构计 算算 4.2 Zn（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 AtomSiteX YZZn2c1/32/31/4 晶体结构资料Zn的空间群为（No.194），为密排六方结构，c/a=1.86。金属Zn的实验晶格常数为a=0.26647nm,c=0.49469nm。单胞内原子等效位置及坐标参数如表所示 Zn的晶胞结构图的晶胞结构图4.2 Zn（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算aBondDna/nmIaAZnZ
19、n0.266476BZnZn0.291296CZnZn0.4946922122222221AB222zxCzyByxAczbyaxrrDZn（空间群No.194）的价电子结构 Zn原子还原后的状态参数 Atomlmnl m ngb/KJ.nm.mol-1Zn2220121014.10931Zn的原子状态参数第四章第四章 净化水用铜锌合金净化水用铜锌合金的价键电子结构计算的价键电子结构计算 1、Cu（空间群（空间群No.225）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 2、Zn（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 3、CuZn（空间群（空间群No.221）的价键电子
20、结构计算）的价键电子结构计算 4、CuZn3（空间群（空间群No.174）的价键电子结构计）的价键电子结构计 算算 4.3 CuZn（空间群（空间群No.221）的价键电子结构）的价键电子结构计算计算 晶体结构资料：CuZn的空间群为Pm3m（No.221），为体心立方结构，电子浓度e/a=3/2。Cu是处于1a位置的原子，晶体学坐标为（0,0,0），Zn是处于1b位置的原子，晶体学坐标为（1/2,1/2,1/2），金属间化合物CuZn的实验晶格常数为0.2959nm。单胞内原子等效位置及坐标参数如下表所示：AtomSiteX YZCu1a000Zn1b1/21/21/2CuZn的晶胞结构图的
21、晶胞结构图CuZn的键络分布aBondDna/nmIaA1a-Cu1b-Zn0.2562616B1b-Zn1b-Zn0.29596C1a-Cu1a-Cu0.29596D1a-Cu1a-Cu0.4184712E1a-Cu1b-Zn0.4906948CuZn的原子状态参数Atomlmnl m ngb/KJ.nm.mol-1Cu1050106018.62500Zn2220121014.10931CuZn的价电子结构计算结果第四章第四章 净化水用铜锌合金净化水用铜锌合金的价键电子结构计算的价键电子结构计算 1、Cu（空间群（空间群No.225）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 2、Zn（空间群（
22、空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 3、CuZn（空间群（空间群No.221）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 4、CuZn3（空间群（空间群No.174）的价键电子结构计）的价键电子结构计 算算 4.4 CuZn3（空间群（空间群No.174）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 晶体结构资料：CuZn3的空间群为P6（No.174），为密排六方结构，电子浓度e/a=7/4。其实验晶格常数a=b=0.4275nm，c=0.2590nm。其中，位于1d的Cu原子占满率为0.7，尚有30%的空缺。单胞内原子等效位置及坐标参数如下表所示：AtomSiteX YZZn
23、11a000Cu1d1/32/31/2Zn21f2/31/31/2CuZn3的晶胞结构图的晶胞结构图CuZn3的键络分布a aBondBondD Dnana/nm/nmI Ia aA A1f-Zn1f-Zn1d-Cu1d-Cu0.246570.246573 3B B1f-Zn1f-Zn1d-Cu1d-Cu0.247310.247311 1C C1a-Zn1a-Zn1a-Zn1a-Zn0.2590.2592 2D D1f-Zn1f-Zn1f-Zn1f-Zn0.2590.2592 2E E1d-Cu1d-Cu1d-Cu1d-Cu0.2590.2591 1F F1d-Cu1d-Cu1a-Zn1a-Z
24、n0.278510.278518 8G G1a-Zn1a-Zn1f-Zn1f-Zn0.278510.278511212H H1f-Zn1f-Zn1d-Cu1d-Cu0.35760.35766 6I I1f-Zn1f-Zn1d-Cu1d-Cu0.358120.358123 3J J1a-Zn1a-Zn1a-Zn1a-Zn0.427490.427496 6K K1f-Zn1f-Zn1f-Zn1f-Zn0.427490.427496 6L L1d-Cu1d-Cu1d-Cu1d-Cu0.427490.427494 4M M1a-Zn1a-Zn1f-Zn1f-Zn0.460140.460141212N
25、N1d-Cu1d-Cu1a-Zn1a-Zn0.460140.460148 8O O1d-Cu1d-Cu1f-Zn1f-Zn0.493140.493141 1P P1f-Zn1f-Zn1d-Cu1d-Cu0.493890.493893 3Q Q1a-Zn1a-Zn1a-Zn1a-Zn0.499830.499831212R R1f-Zn1f-Zn1f-Zn1f-Zn0.499830.499831212S S1d-Cu1d-Cu1d-Cu1d-Cu0.499830.499838 8CuZn3还原后的原子状态参数还原后的原子状态参数Atomlmnl m ngb/KJ.nm.mol-1Cu1040007
26、018.62500Zn2220121014.10931CuZn3的价电子结构计算结果第五章第五章 过滤净化水用铜锌合金净水过滤净化水用铜锌合金净水后产物的价键电子结构计算后产物的价键电子结构计算 1、Cl2（空间群（空间群No.64）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 2、CuS（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 3、ZnCl2（空间群（空间群No.33）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 4、晶体结合能计算、晶体结合能计算 5.1 Cl2（空间群（空间群No.64）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 AtomSiteX YZCl8f00.130.
27、1 晶体结构资料Cl2的空间群为Cmca（No.64），通常以分子形式存在。其的实验晶格常数为a=0.629nm,b=0.45nm，c=0.821nm。单胞内原子等效位置及坐标参数如表所示单胞内原子等效位置及坐标参数如表所示 Cl2的晶胞结构图的晶胞结构图aBondDna/nmIaA8f-Cl8f-Cl0.196538B8f-Cl8f-Cl0.201628C8f-Cl8f-Cl0.24638D8f-Cl8f-Cl0.314516E8f-Cl8f-Cl0.333616F8f-Cl8f-Cl0.3708616G8f-Cl8f-Cl0.3708624H8f-Cl8f-Cl0.371288I8f-Cl
28、8f-Cl0.3735816J8f-Cl8f-Cl0.379388K8f-Cl8f-Cl0.386732L8f-Cl8f-Cl0.3994716 Cl原子还原后的状态参数 Atomlmnlmngb/KJ.nm.mol-1Cl0.267510.732580101010.653.7500Cl的原子状态参数关于计算晶体键能时关于计算晶体键能时Cl的的g和和b参数值的假定参数值的假定 Cl在元素周期表中的位置：第三周期，第VIIA族 g的假定：根据价键理论规定，对于4、5、6周期的元素，g的取值分别为1、1.35、1.70，但是S元素位于周期表的第3周期，我们根据经验理论，假定g的取值是递增规律，所以
29、对于第三周期元素的参数g取值为0.65，即在计算Cl的键能和结合能时，参数g取值为0.65.模型参数模型参数b的假定的假定 在经验电子理论中，除VIIA族及部分元素之外模型参数b值都有相应的规定，但是Cl属于VIIA族，所以下面根据已知的数据来猜测VII族元素Cl的值。根据EET理论，模型参数b的计算公式：其中，n=1,2,3,4,5,7或13；=2,1,0代入表中发现只有IIIA族及IVA族的元素符合公式，所以，假设VA族、VIA族和VIIA族的元素晶体的结合能公式中的值，计算公式取为 发现除元素误差在0.09%外，其余误差均控制在0.01%范围内，所以假定是合理的。观察表发现，每一族中的最
30、大值都不大于上一族中的最大值，而且第一个元素都不是该族中的最大值，所以更证明了假定氯Cl的模型参数=3.75，=2，=0合理.Cl2（空间群No.64）的价电子结构 第五章第五章 过滤净化水用铜锌合金净水过滤净化水用铜锌合金净水后产物的价键电子结构计算后产物的价键电子结构计算 1、Cl2（空间群（空间群No.64）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 2、CuS（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 3、ZnCl2（空间群（空间群No.33）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 4、晶体结合能计算、晶体结合能计算 5.2 CuS（空间群（空间群No.194）的
31、价键电子结构计算）的价键电子结构计算 晶体结构资料:CuS的空间群为P63/mmc（No.194），为CuS型结构。其的实验晶格常数有3种：1、a1=b1=0.37917(8)nm,c1=1.6342(3)nm2、a2=b2=0.37938(5)nm,c2=1.63410(10)nm3、a3=b3=0.378813(1)nm,c3=1.633307(8)nmCuS晶体单胞内原子等效位置及坐标参数如表所示晶体单胞内原子等效位置及坐标参数如表所示:AtomSiteX YZa1=b1=0.37917(8)nm,c1=1.6342(3)nmS12c0.33330.66670.25Cu12d0.3333
32、0.66670.75S24e000.0611(8)Cu24f0.33330.66670.1072(2)a2=b2=0.37938(5)nm,c2=1.63410(10)nmS12c0.33330.66670.25Cu12d0.66670.33330.25S24e000.06337(15)Cu24f0.33330.66670.10733(9)a3=b3=0.378813(1)nm,c3=1.633307(8)nmS12c000.06329(12)Cu12d0.66670.33330.25S24e0.33330.66670.25Cu24f0.33330.66670.10737(4)CuS的晶胞结构
33、图的晶胞结构图 CuS晶胞还原后的状态参数 Atomlmnl mngb/KJ.nm.mol-1Cu1330007018.62500S110102010.653.7500CuS（空间群No.194）的价电子结构 第五章第五章 过滤净化水用铜锌合金净水过滤净化水用铜锌合金净水后产物的价键电子结构计算后产物的价键电子结构计算 1、Cl2（空间群（空间群No.64）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 2、CuS（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 3、ZnCl2（空间群（空间群No.33）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 4、晶体结合能计算、晶体结合能计算 5
34、.3 ZnCl2（空间群（空间群No.33）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 晶体结构资料:ZnCl2的空间群为Pna21（No.33），为ZnCl2型结构。其实验晶格常数a=0.6443(2),b=0.7693(4)nm,c=0.6125(4)nm.ZnCl2晶体单胞内原子等效位置及坐标参数如表所示:AtomSiteX YZZn14a0.0818(3)0.1251(2)0.375Cl14a0.0702(6)0.1223(11)0.0041(5)Cl14a0.0841(6)006332(11)-0.0062(6)ZnCl2的晶胞结构图的晶胞结构图 ZnCl2晶胞还原后的状态参数 Atom
35、lmnlmngb/KJ.nm.mol-1Zn2220121014.1093Cl0.267510.732580101010.653.7500ZnCl2（空间群No.33）的价电子结构 第五章第五章 过滤净化水用铜锌合金净水过滤净化水用铜锌合金净水后产物的价键电子结构计算后产物的价键电子结构计算 1、Cl2（空间群（空间群No.64）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 2、CuS（空间群（空间群No.194）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 3、ZnCl2（空间群（空间群No.33）的价键电子结构计算）的价键电子结构计算 4、晶体结合能计算晶体结合能计算 5.4 晶体结合能的计算晶体结合
36、能的计算 1mol原子结合为稳定的晶体时所释放的能量就是晶体的结合能，它是表征原子相互之间作用力强弱的物理量。普遍的计算元素晶体结合能的公式（单质）如下：等效键距：晶格电子的成键能力：徐万东和陈舜林的结合能修正公式（化合物）：徐万东和陈舜林的结合能修正公式（化合物）：/()/()cuvEIbfnD nNN11111()/()uuvvuuvvuvNbnfNbnfDNN33()()/()duudvvuuuvvvuvNba mCWNba mCWNN1()/()DID nI112/Tfnn3()/dhhdttWCnCnmz其中，由公式计算出来本文中所有涉及的晶体的理论结合由公式计算出来本文中所有涉及的
37、晶体的理论结合能值能值 ，及与实验值的偏差如下表，及与实验值的偏差如下表l目前所研究的理论计算结合能的方法主要应用于碱金属和碱土金属结合能的计算，而对过渡族金属的结合能计算还有待研究。l目前对实验结合能的测定主要集中在金属单质上，而对化合物的结合能实验测定较少。第六章第六章 结果分析及讨论结果分析及讨论 1、价电子结构与材料性能之间的关系、价电子结构与材料性能之间的关系 2、KDF55（CuZn）净化水中）净化水中Cl2的价电子结构的价电子结构分析分析 3、KDF85（CuZn3）净化水中）净化水中H2S的价电子结的价电子结构分析构分析 4、价键电子理论与化学反应生成焓变的关系、价键电子理论与
38、化学反应生成焓变的关系 滤料净水前各相的最强键价电子数、键能及滤料净水前各相的最强键价电子数、键能及晶体结合能等参数晶体结合能等参数 滤料净水后各相的最强键价电子数、键能及滤料净水后各相的最强键价电子数、键能及晶体结合能等参数晶体结合能等参数 6.1 价电子结构与材料性能之间的关系价电子结构与材料性能之间的关系 Zn比Cu要活泼，Zn特别容易与非金属发生反应，所以在自然界条件下，Zn多以化合物形式存在；化合物的原子间结合力更强，键能更强，在自然界中更稳定；我们使用铜锌合金而不用金属单质铜或锌来净化水的原因：(1)合金的共价电子数（nA）更高，强度更大,(2)铜锌合金的稳定性（N）要远远大于它的
39、金属单质的稳定性6.2 KDF55(CuZn)去除去除Cl2的价电子结构分析的价电子结构分析 我们可以把CuZnCuZn去除去除ClCl2 2的过程看做是的过程看做是CuZnCuZn腐蚀的腐蚀的过程过程，这种腐蚀以脱Zn腐蚀为主，因为金属Cu的电位要比Zn的电位高，而且在水溶液中游离的Cl2的还原反应使得金属被钝化，所以Cu做阴极，Zn做阳极，钝化后的Cu阴极不溶解，留在滤料表面。CuZnCuZn在去除水中的在去除水中的Cl2Cl2后，得到产物后，得到产物ZnCl2ZnCl2，反应是把化合物中Cu-Zn共价键能的状态转化为Zn-Cl离子键能的状态，Zn2+比单质Zn更加稳定，同样，Cl-也比C
40、l2更加稳定，这也说明了化学反应都是化学反应都是朝向化学能更低的状态发生。朝向化学能更低的状态发生。ZnCl2遇水即溶，都是以离子的形式存在以离子的形式存在，在水中Cl2是以离子平衡的方式存在以离子平衡的方式存在，计算知，ZnCl2的键能更低。6.3KDF85(CuZn3)净化净化H2S的价电子结构分析的价电子结构分析 KDF85(主要成分CuZn3)去除水中H2S的化学方程式为：Cu+H2S=CuS+H2，可以发现此反应中主要是Cu反应，而Zn不参与反应，这是因为Cu与H2S反应生成的CuSCuS是一种既不溶于水又不溶于稀酸的沉淀是一种既不溶于水又不溶于稀酸的沉淀，而如果Zn与H2S反应生成
41、的ZnSZnS是一种不溶于水，是一种不溶于水，但溶于稀酸的沉淀但溶于稀酸的沉淀，因为含有H2S的水溶液是呈现弱酸性的，所以两种金属同时存在时，生成沉淀也就是更稳定的化合物的金属首先反应，即CuCu先先反应，反应，ZnZn暂时被钝化而不反应。暂时被钝化而不反应。6.4价键电子理论与化学反应生成焓变的关系价键电子理论与化学反应生成焓变的关系 焓变就是化学反应过程中反应物的化学键断裂以焓变就是化学反应过程中反应物的化学键断裂以及生成物的化学键形成之间的能量差值及生成物的化学键形成之间的能量差值 理论上用键能估算生成焓切实可行，但实际上，在分子中除了有成键的原子之间存在相互作用力之外，有时非键合原子之
42、间的作用力也不能忽略；另外，我们只是单纯依靠键能数据估算，也较难反映其同素异构体解体时的情况差别。但是，在一些情况下，尤其是仅仅涉及到由共价健所形成的物质的气相反应时，由键能数据估算，虽粗略，却简便可行。miedema理论理论 A+BAmBn H=m/(m+n)EA+n/(m+n)EB-ECu 注意注意:我们所计算的我们所计算的Cl2是指固态是指固态Cl2的结的结合能，只是为了表中的比较，在计算合能，只是为了表中的比较，在计算ZnCl2的生成焓时，需要使用气体分子中的生成焓时，需要使用气体分子中Cl-Cl原原子间的结合能，所以从理化手册查询到其子间的结合能，所以从理化手册查询到其结合能值为结合
43、能值为242KJ.mol-1 第七章第七章 结论结论（1）在晶体中，共价电子数越大，晶体的成键能力越强，结合能越大，晶体的硬度越高，熔点越高，晶体越稳定，越不容易发生化学反应。（2）根据键能计算结果，键能按照由大到小的顺序排列为：CuZn3CuCuSCuZnCl2ZnZnCl2，金属间化合物CuZn和CuZn3的键能相较于其单质来说均比较大，说明化合物的稳定性要大于单质的稳定性。离子间化合物ZnCl2晶体的键能要小于其组成元素晶体的键能，因为ZnCl2通常是以离子的形式存在，所以其离解能更小。（3）根据结合能计算结果，结合能按照由大到小的顺序排列为Cl2CuCuZnCuSCuZn3ZnZnCl
44、2，Cl2的结合能最大是因为我们考虑的是理想情况，为纯分子状态，所以很难分解，其余单质与化合物的结合能值与键能值略有差别，但总体上有一定联系性。（4）我们使用铜锌合金而不用金属单质铜或锌来净化水的原因有二，一是合金强度更高，键与键之间的结合力更强，Zn原子的溶入更是增强了Cu基体的强度，起到了很好的固溶强化的作用；二化合物结构的原子价态更能适应外界条件的变化，化合物相的稳定性更强，抵抗外界变形的能力就越强。（5）KDF55（CuZn）去除水中Cl2的过程可以看做是CuZn腐蚀的过程，这种腐蚀以脱Zn腐蚀为主，在水溶液中游离的Cl2的还原反应使得金属Cu被钝化而不溶解，留在滤料表面。由计算的键能
45、值知，净水产物ZnCl2的最强键键能EA=9，Cl2的EA=15，验证了化学反应都是朝向化学能更低的状态进行的原理。（6）KDF85(CuZn3)去除水中H2S的反应可以看做是因Cu与H2S反应生成不溶于水与稀酸的沉淀的优先反应。另外，之所以用CuZn3而不是用CuZn去除H2S的原因可以从结合能数据中得知，CuS的结合能数据大于CuZn3而小于CuZn，说明CuZn是比CuS更稳定的化合物，如果利用CuZn来去除H2S则反应不会进行，达不到净水效果。（7）由生成焓值H可知，CuZn去除Cl2的反应释放热量81KJ.mol-1，CuZn3去除H2S的反应需吸收热量121KJ.mol-1，生成化
46、合物CuZn需放出20KJ.mol-1的能量，而生成化合物CuZn3则需要吸收4KJ.mol-1的能量，但是，查找文献可知，金属与酸发生的置换反应属于放热反应，而计算出的CuZn3去除H2S的反应是吸热反应，由此可见，利用EET理论计算出的结合能值来估算化合物的生成焓不是在所有条件下都适用，还有待于进一步的研究。（8）鉴于上述所做工作及前人关于铜锌合金滤料净化水工艺的实验研究，笔者认为可从以下几个方面来提高合金滤料的净水效果：一是添加其他的金属或非金属元素如Ni等，充当催化剂的作用，加快其反应速度；二是把铜锌合金滤料颗粒粒径制得更小或直接做成粉末状，以增加其比表面积即与待处理水溶液的接触面，增加反应速率；三是因为KDF的成本较其他净水介质要高，可以把铜锌合金滤料和其他的净水介质同时使用，互补优劣，以节省成本。L/O/G/O 谢谢谢谢！深度水深度水处处理技理技术术活性炭技术术1预氧预氧化和深度氧氧化技术术2膜技术术及矿矿化31.1铜锌铜锌合金合金滤滤料料净净水技水技术术的原理及的原理及研研究究现状现状
