鲍林规则和价键理论
1928年,鲍林根据当时已测定的晶体结构数据和晶格能公式所反映的关系,提出了判断离子化合物结构稳定性的规则──鲍林规则。
鲍林规则共包括五条规则:
鲍林第一规则:在离子晶体中,在正离子周围形成一个负离子多面体,正负离子之间的距离取决于离子半径之和,正离子的配位数取决于离子半径比。
鲍林第二规则:在一个稳定的离子晶体结构中,每一个负离子电荷数等于或近似等于相邻正离子分配给这个负离子的静电键强度的总和,其偏差≤1/4价。
鲍林第三规则:在一个配位结构中,共用棱,特别是共用面的存在会降低这个结构的稳定性。
其中高电价,低配位的正离子的这种效应更为明显。
鲍林第四规则:若晶体结构中含有一种以上的正离子,则高电价、低配位的多面体之间有尽可能彼此互不连接的趋势。
鲍林第五规则:在同一晶体中,组成不同的结构基元的数目趋向于最少。
鲍林(Pauling)规则是根据离子晶体的晶体化学原理,通过对一些较简单的离子晶体结构进行分析,总结归纳出的五条规则。
氧化物晶体及硅酸盐晶体大都含有一定成分的离子键,因此,在一定程度上可以根据鲍林规则来判断晶体结构的稳定性。
第一规则实际上是对晶体结构的直观描述,如NaCl晶体是由[NaCl6]八面体以共棱方式连接而成。
利用第二规则可以判断晶体是否稳定,同时也可以判断共用一个顶点的多面体的数目。
例如,在CaTiO3结构中,Ca2+、Ti4+、O2-离子的配位数分别为12、6、6。
O2-离子的配位多面体是[OCa4Ti2],则O2-离子的电荷数,与O2-离子的电价相等,故晶体结构是稳定的。
又如,一个[SiO4]四面体顶点的O2-离子还可以和另一个[SiO4]四面体相连接(2个配位多面体共用一个顶点),或者和另外3个[MgO6]八面体相连接(4个配位多面体共用一个顶点),这样可使O2-离子电价饱和。
第三规则又称为多面体共顶、共棱、共面规则。
两个配位多面体连接时,随着共用顶点数目的增加,中心阳离子之间距离缩短,库仑斥力增大,结构稳定性降低。
第四规则又称为不同配位多面体连接规则。
第五规则这个规则关注与晶体结构的周期性和对称性,如果组成不同的结构基元较多,每一种基元要形成各自的周期性、规则性,则它们之间会相互干扰,不利于形成晶体结构。
价键理论(valence-bond theory),是在鲍林规则的基础上发展起来的。
是一种获得分子薛定谔方程近似解的处理方法。
又称电子配对法。
主要描述分子中的共价键和共价结合,其核心思想是电子配对形成定域化学键。
其包含了共价键的形成、方向性和饱和性、共价键的键型。
电价规则是鲍林五个规则的核心。
它可表述为:在一个稳定的离子化合物结构中,每一负离子的电价等于或近似等于从邻近的离子至该负离子的各静电键强度的总和。
这一规则的物理基础在于如在结构中正电位较高位置安放电价较高的负离子时,给构会趋于稳定,而某一正离子至该负离子的静电键的强度,正是有关正离子在该处所引起正电位的量度。
近几年结合鲍林规则利用价键理论对晶体的结构及性质的研究有了突破行的进展。
就铌酸锂晶体而言,它是一种典型的非化学计量比多功能晶体材料。
之前,我们多是利用能量计算、实验分析讨论晶体的结构。
但是价键理论分析,引入化学势,通过键长、将强等的分析,不但使是我们假设的晶体结构具体话,也从化学键的角度讨论了晶体内部结构对晶体性能的影响。
所以鲍林规则和价键理论为材料的学特备是晶体学的研究提供了一个更方便的平台,促进了材料学研究突破性的进展。