固体物理--晶体结合与弹性常量 33 共价晶体.ppt

3.3 共价晶体 第 3 章 晶体结合与弹性常量 固体物理导论 1. 氢分子中的共价键　 氢原子：电子处于 1s 能级 + - 氢分子：两个电子的 1s 轨道发生交叠，不再处于氢原子的 1s 能级 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，分别称为成键态能级和反键态能级 成键态：两电子的自旋方向相反 反键态：两电子的自旋方向相同 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，依靠两电子的负电把带正电荷的两氢核仅仅束缚在一起形成稳定的共价键 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 氢分子相对于分立中性氢原子的能量 2. 共价键的饱和性和方向性　 饱和性是指一个原子只能形成一定数目的共价键 例子 氮原子有7个电子：1s2, 2s2, 2p3 3 个 2p (px, py, pz) 电子自旋未配对，它们可以与其它原子形成3个共价键 当两个氮原子沿着 z 轴方向靠近时，两个 pz 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，形成的共价键常称为 s 键 两 px 轨道交叠后的电子对称分布在 yz 平面的两侧，这样的共价键常称为 p 键；其它两 py 电子同样形成一个 p 键 价电子壳层如果不到半满，能形成共价键的数目与价电子相等；当价电子壳层超过半满时，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价电子数，对于 IV-VII 族元素依靠共价键结合，共价键的数目满足 8-N 规则 饱和性 方向性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形成共价键 例如 p 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 由于共价键的方向性，原子在形成共价键时可以发生轨道杂化 轨道杂化 碳原子有6个电子：1s2, 2s2, 2p2 ，共有2个未配对电子，但碳原子在与其它原子结合的过程中，1个 2s 电子常被激发到 2p 轨道，形成如下激发态 1s 2s 2p 1s 2s 2p 这样4个价电子全变成未配对的电子，一个碳原子便可以形成4个共价键，也满足 8-N 规则 电子激发到高能态，单个碳原子的能量升高，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全可以抵偿电子有 2s 能态激发到 2p 能态时升高的能量 碳原子的4个未配对电子：2s, 2px, 2py, 2pz 碳原子与4个氢原子形成加 CH4，碳原子的3个 2p 轨道成相互垂直的哑铃状，而 2s 轨道和氢原子的 1s 轨道则是球状 因此3个 2p 电子与氢的 1s 电子形成的价键应相互垂直，而 2s 电子与氢的 1s 电子的价键则可以在任何方位；但实验指出 CH4 的4个共价键呈对称分布，为何？ 理论上认为，4个未配对电子 2s, 2px, 2py, 2pz 轨道相互混合，重新组合成4个新的未配对的 sp3 杂化轨道 这4个杂化轨道分别沿四面体的4个对称方向，与氢原子形成4个稳定的 s 键