1

METALNA VEZA

• Svojstva metala:

velika električna i toplinska vodljivost

metalni sjaj

kovnost

termička emisija

fotoelektrični efekt

• Svojstva zahtijevaju prisutnost “slobodnih elektrona” u kristalnim rešetkama metala

� Teorija slobodnog elektrona

� Teorija elektronske vrpce

13.1 uvod

2

13.2 Teorija slobodnog elektrona

• 1928 Somerfeld - teorija slobodnog elektrona (teorija elektronskog plina)

• Elektroni elektronskog plina raspoređeni su u kvantnim nivoima

• ne mogu se SVI elektroni podignuti na više energijske nivoe

• Popunjavanje energijskih nivoa dirigira Paulijev princip zabrane.

• Elektroni imaju istu visinu "prepreke" za oslobođenje ( en. ionizacije)

• kinetička energija je pozitivna jer se "odupire" (mora savladati) utjecaj jezgre

13.2 Teorija slobodnog elektrona

• porastom L pada energija svakog novonastalog nivoa

• porastom n raste energija energija kvantnog nivoa

• nastaje vrpca energijskog nivoa

• atom alkalijskog metala 2s1

V0 energija ionizacije2

2

0 mv

VEu +−=EF energija najvišeg popunjenog nivoa

2

22

0 8mL

hnVEu +−=

3

13.2 Teorija slobodnog elektrona• U svakom energijskom nivou - po dva elektrona

• na sobnoj temperaturi su daleko od apsolutne 0 (0 K) stoga metali imaju mali

toplinski kapacitet

• Fermijev nivo - najviši popunjeni energijski nivo

• Elektroni u blizini Fermijeva nivoa lako se apsorpcijom energije pobude i nazivaju

se vodljivim elektronima

• Viša T - više sudara s pozitivnim jezgrama - manja vodljivost

T = 0 K T > 0 K poluvodič

• Kovalentna veza u krutim metalima naziva se metalna veza

• Metalni kristali se mogu razmatrati kao "supermolekule" koje sadrže

mnogo atoma na okupu.

• Oni se drže zajedno delokaliziranim molekulskim orbitalama koje čine

sve atomske orbitale u kristalu.

13.3 Teorija elektronske vrpce

4

• Iz određenog broja atomskih orbitala nastaje isti broj molekulskih orbitala

• Svaka od tih molekulskih orbitala može primiti po dva elektrona suprotnih

spinova

• elektroni se nalaze u energetskim stanjima koja su viša od one na datoj

temperaturi (zbog velikog broja elektrona), te povišenjem temperature

nemamo efekt izbacivanja elektrona u više energetske nivoe.

13.3 Teorija elektronske vrpce

13.3 Teorija elektronske vrpce: Primjer: Li (1s2 2s1)

5

13.3 Teorija elektronske vrpce: Primjer: Li (1s2 2s1)

• Polupopunjenu ili nepopunjenu vrpcu molekulnih orbitala zovemo provodljivavrpca

• djelimično popunjena vrpce se naziva valentnom vrpcom

• elektroni iz popunjene vrpce ne sudjeluju u vodljivosti (ne može ih se pobuditi jer nemaju "energijskog prostora" za podizanje ne više energetske nivoe)

Metale karakteriziraju elektronske vrpce koje nisu potpuno popunjene

• Može doći do preklapanja valentnih i vodljivih elektronskih vrpci - elektroni imaju još veću slobodu kretanja

• Preklapanjem vrpci dolazi do njihovog širenja.

•Orbitale većeg n jače se preklapaju pa takvi metali bolje provode električnustruju.

13.3 Teorija elektronske vrpce

6

preklapanje ovisi o razmaku između jezgri atoma-što je bliže to se nivoi više

preklapaju (veća gustoća-izraženiji metalni karakter)

13.3 Teorija elektronske vrpce • preklapanje valentnih i vodljivih elektronskih vrpci-elektroni imaju još veću

slobodu kretanja

13.3 Teorija elektronske vrpce • alotropske modifikacije tj. načini slaganja i povezivanja (što utječe na udaljenost

među atomima) mogu utjecati na metalni karakter tvari.

• Sn (sivi) - gustoća 5.75 g cm-3 je nemetal

• Sn (bijeli) - gustoća 7.28 g cm-3 je metal

• metalni karakter raste odozgo prema dolje u PSE zbog veće mogućnostipreklapanja orbitala

7

13.3 Teorija elektronske vrpce

1.valentni elektroni iz s i p orbitala (slabe veze)

• imaju malu kohezivnu energiju.

• mekani natrij (na sobnoj temeraturi ima čvrstoću maslaca). magneziju i aluminiju se

mehanička čvrstoća može povećati dodatkom drugih kovina (slitine legure).

2.valentni elektroni iz djelomično popunjenih d orbitala (čvrste veze)

• Prijelazne metale karakteriziraju djelimično popunjene d orbitale koje kovalentnim vezama

čvrsto vežu metalne ione u kristalnu rešetku. Kovine kao što su titanij, željezo, volfram i drugi

imaju izuzetnu mehaničku čvrstoću.

• Ovi elementi imaju el. konfiguraciju 4s23dx4p. Energetska barijera između 3d i 4p je vrlo mali i

dolazi do preklapanja orbitala kod većeg broja atoma (u metalnoj vezi)

13.4 Podjela metala

8

• razlika u Tt kako se ide s lijeva na desno u PSE

• teorija MO

• razlog je broj elektrona koji su dostupni za popunjavanje veznih i neveznih dijelova vrpci

• do 6 grupe (Cr, Mo, W) se popunjavaju vezni dio valentne vrpce, a tada se počinju popunjavati

protuvezni dio valentne vrpce

• kada se popunjava protuvezni dio valentne vrpce opada jakost metalne veze, pa i Tt

• broj nesparenih elektrona i Tt

13.5 Prijelazni metali - metalna veza i Tt

• Podjela na izolatore i poluvodiče ovisi o veličini razmaka između energijskih

razina valentne (popunjene) i provodljive ( prazne ili djelomično popunjene)

vrpce.

13.5 Poluvodiči i izolatori

9

• Si, Ge

• električna vodljivost ovisi o temperaturi - niska pri nižim temperaturama, a raste pri višim temperaturama

• Porastom temperature raste energija elektrona u valentnoj vrpci→ rasteprovodljivost uzrokovana toplinski pobuđenim elektronima→ unutrašnjipoluvodiči).

• I fotoni mogu pobuditi elektrone na prijelaz u vodljivu vrpcu→ fotovodljivostpoluvodiča.

13.6 Poluvodiči - unutarnji

• Vanjski poluvodiči (poluvodiči s nečistoćama) - njihova vodljivost ovisi o

maloj količini atoma stranih elemenata prisutnih u kristalnoj rešetki (1 na

1000000).

13.6 Poluvodiči - vanjski - n-tip

Si 3s2 3p2

As 4s2 4p3

Četiri valentna elektrona uključena su u veze a peti se

slobodno giba u kristalnoj rešetci silicija. On lako prelazi u

vodljivu vrpcu silicija.

Nečistoća s «viškom» elektrona u odnosu na «domaćina»

stvara usku vrpcu koja donira elektrone u provodljivu vrpcu i

povećava sposobnost poluvodiča da provodi električnu

struju.

Silicij postaje poluvodič n-vrste (n = negativan naboj

provoditelja struje).

10

13.6 Poluvodiči - vanjski - n-tip

Si 3s2 3p2

In 5s2 5p1

13.7 Poluvodiči - vanjski - p-tip

Tri valentna elektrona uključena su u veze sa Si a četvrtu vezu činie samo elektroni Si.

Nečistoća s «manjkom» elektrona u odnosu na «domaćina» stvori usku vrpcu koja prima

elektrone iz valentne vrpce.

In atom je negativno nabijen, a u valentnoj vrpci Si nastaju pozitivno nabijene šupljine.

Nastale šupljine u vrpci su mobilne jer u njih ulaze preostali elektroni, a silicij postaje poluvodič p-

vrste (p = pozitivan naboj provoditelja električne struje).

11

13.7 Poluvodiči - vanjski - p-tip

Uklanjanjem loptice u cijevi je ostala šupljina, šupljina je zatim popunjena sljedećom

lopticom, a šupljina se je pomakla desno. Proces se ponavlja do pomaka šupljine potpuno na

desni kraj cijevi

→ pokazuje smjer gibanja šupljine.

13.8 Poluvodiči - protok struje

12

• molekulske krutine (led)

• metalne krutine (Fe, Al)

• ionske krutine (NaCl)

• krutine s kovalentnom mrežom (dijamant)

13.9 Krute tvari

kvarc-kristal kvarc-amorfni

dvodimenzionalini prikaz kvarca (SiO2)

Si

O

grafit dijamant

13.9 Krute tvari

13

obično nisu vodljivevrlo tvrdevisokakovalentna

mreža

nevodljive krutine (vodljive otopine)

tvrde i krhkevisokaionska

vodljivirazličite tvrdoće; kovnivarirametalna

nisu vodljivemekana i krhkaniskamolekulska

el. vodljivostčvrstoća i krhkosttočka talištatip krutine

13.9 Krute tvari

• amorfne - nered (staklo)• kristalne - uređena struktura (od molekula, iona ili atoma) u 3D

• jedinična ćelija-najmanja jedinica kristala koja ponavljanjem u tri dimenzije čini kristalnu rešetku (tj. kristal)

13.10 Krute tvari - kristalne tvari

14

• 7 osnovnih jediničnih ćelija

13.10 Krute tvari - kristalne tvari

• jednostavna volumno centrirana plošno centrirana

8×1/8 =1 atom 8×1/8 + 1= 2 atoma 6×1/2 + 8×1/8 = 4 atoma

13.10 Krute tvari - kristalne tvari