Download - 11-Metalna Veza _ Kristalne Tvari
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