晶体中的结合键在线视频

同学们

这一节我们来学习

晶体中结合键的相关知识

通常原子 分子 离子之间的结合力

称为结合键

结合键的类型和强弱

是影响晶体特性的根本原因之一

通常结合键可以分为一次键和二次键

一次键也叫做化学键

它是通过电子的转移

或共享两原子的电子云以达到稳定结构

包括有离子键 金属键和共价键

二次键是通过氢键以及分子间范德瓦尔斯力

相结合的各种分子内和分子间作用力的总称

一次键的键强

要显著高于二次键

首先我们来看金属键

在化学元素周期表中

金属元素约占4/5

金属中原子大多以金属键相结合

金属原子的特点是半径比较大

最外层电子比较少

原子核对最外层电子的吸引力比较弱

当金属原子互相靠近

产生相互作用时

各金属原子容易失去最外层电子

而成为正离子

这些脱离的原子的电子

为相互结合的集体原子所共有

并在整个金属晶体中自由流动

被称为自由电子或离域电子

自由电子汇集成电子的海洋

这些公有化的电子

可称为电子气或电子云

失去电子的金属离子浸没在电子气之中

金属正离子与自由电子之间

产生强烈的静电相互作用

使得众多的金属原子结合成一个整体

因此金属键的实质就是

正离子与自由电子的静电作用

金属键的特点为无方向性

无固定的键能 无饱和性

金属材料具有良好的延展性

导电性和导热性

金属的延展性与金属键的无方向性密切相关

如图所示

当金属弯曲或变形时

只是改变了金属键的方向

以及原子的相对位置

由于金属键本身就没有固定的方向

因此在弯曲时不会破坏金属键

受热时通过电子的碰撞

及其与金属离子之间的碰撞

传递能量

因而金属是热的优良导体

在外电压的作用下

自由电子可定向移动

因而金属具有导电性

第二种化学键为离子键

1916年德国科学家科塞尔

提出了离子键的理论

离子键结合的本质为

失去电子的正离子与得到电子的负离子

依靠静电引力而结合在一起

例如钠原子失掉一个电子

成为一价正离子

氯原子得到一个电子称为一价负离子

钠离子与氯离子由于静电引力相互作用力而靠近

当它们接近到一定距离时

两者电子云会互相排斥

当排斥力和引力达到平衡时

正负离子处于相对稳定的位置上

形成氯化钠晶体

离子键不具有方向性

这是由于一个离子

可以与任何方向的电性不同的离子相互吸引

离子键也不具有饱和性

只要是正负离子之间

均会产生彼此的吸引

离子键形成的重要条件

就是元素之间电负性差值比较大

一般来说元素的电负性差越大

形成的离子键越强

需要注意的是化合物中不存在百分百的离子键

而一定有一定比例的共价键的比值

即使是氟化铯晶体中

也有部分共价键的特性

一般离子结合键比较强

结合能比较高

所以离子晶体大多具有

高熔点 高硬度

低的热膨胀系数

由于不具有自由电子

所以常态下离子晶体是不导电的

但在熔融状态下

可以依靠离子的定向运动来导电

第三种化学键为共价键

两个或多个原子共同使用它们的外层电子

在理想情况下达到电子饱和的状态

由此组成比较稳定的化学结构

像这样有几个相邻原子

通过共用电子并于共用电子之间

形成的一种强烈的作用

叫做共价键

其本质是原子轨道重叠后

高概率的出现在两个原子核之间的

电子与两个原子核之间的静电作用

共价键具有饱和性

在共价键的形成过程中

因为每个原子所能提供的

未成对电子数是一定的

一个原子的一个未成对电子

与其他原子的未成对电子配对之后

就不能再与另外的电子配对

因此每个原子能形成的共价键总数是一定的

从而使得共价键具有饱和性

共价键同时也具有方向性

除S轨道是球形的以外

其他原子轨道都是具有固定的延展方向

所以共价键在形成时轨道重叠也有固定的方向

从而使得共价键具有方向性

共价键的键强很大

以共价键结合的材料

其硬度较高

但延展性和导电性都很差

如图所示当弯曲硅棒时

如果硅原子永久性的改变彼此之间的相互位置

硅的键必定破坏

所以共价键材料的脆性较大

共价键化合物在熔融状态下不发生电离

因此高温下也不具有导电性

是常用的绝缘材料

这一点与离子晶体金属晶体均不相同

上面介绍的金属键 离子键 共价键

都是原子之间形成的化学键

下面我们来看分子键

分子键是一种分子间作用力

依靠范德瓦尔斯力

使分子或原子团连接在一起

分子间作用力来源有三种

第一种为极性分子的

永久偶极矩之间的相互作用

称之为取向力

第二种为一个极性分子

是另一个分子产生极化作用

从而产生诱导偶极矩

并相互吸引

称之为诱导力

第三种为分子中电子运动产生瞬间偶极矩

它使得临近分子瞬时极化

后者又反过来增强原来分子的瞬时偶极矩

称之为色散力

在极性不同的分子当中

这三种力的贡献不同

通常在极性较大分子中取向力的作用贡献最大

例如水分子中

取向力占比约百分之76.9

而在极性较弱的分子或非极性分子中

色散力占主导作用

例如氯化氢分子中

色散力占全部分子间作用力的百分之79.6

范德瓦尔斯键是次要的键合机制

键强较弱

而分子或原子团内部的原子之间

则由较强的共价键或离子键连接

例如将水加热到沸点

会破坏范德瓦尔斯键

从而使水变成蒸汽

但是要破坏氢和氧原子之间的共价键

则需要高得多的温度

范德瓦尔斯键可在很大程度上改变材料性质

既然聚合物通常具有共价键

则可以预料聚氯乙烯是很脆的

但是聚氯乙烯还有很多长的链状分子

在每个链状分子之内是共价键结合

但是链与链之间则是范德瓦尔斯键结合

因此只要在分子链彼此滑动时

使得范德瓦尔斯键发生破裂

就可以使聚氯乙烯产生很大的变形

由于分子键键能很低

所以分子晶体的熔点同样很低

在金属与合金中分子间作用力并不多

需要注意的是结合键往往具有多重性

在工程材料中

只有一种键合机制的材料并不多见

大多数的工程材料是以共价键

金属件 离子键三种混合机制方式所结合的

例如钢铁中常存在的渗碳体相为铁三碳

其中铁原子之间为纯粹的金属键结合

铁原子和碳原子之间

可能存在金属键和离子键

石墨晶体既有共价键

也存在金属键和范德瓦尔斯键

在石墨晶体中

每个碳原子它的三个价电子

与周围的三个原子相结合

这属于共价键

三个价电子差不多分布在同一平面上

使晶体呈层状

第四个价电子则较自由的在整个层内运动

具有金属键性质

而层与层之间则依靠范德瓦尔斯力结合

再比如氧化铝

氧化镁等金属氧化物陶瓷

以离子键为主

而氮化硅 碳化硅等碳化物氮化物以共价键为主

所以通常陶瓷材料

也是以两种或两种以上的键合机制进行结合的

虽然工程材料中可有不同的键合机制

但是毕竟存在主次之分

如金属材料以金属键为主

氧化物陶瓷以离子键为主

高分子材料以共价键为主

不同键结合的强弱是用结合键能来表达的

如图所示为不同结合键的键能和材料特性的总结

可见离子键能最高

共价键其次

金属键能第三

而范德瓦尔斯键最弱

因此反映在不同结合的材料上

材料的特性具有明显的差异

离子键 共价键材料的熔点高 硬度高

范德瓦尔斯键的熔点低

硬度也低

这节课我们就学习到这里