Строение и свойства вещества (стр. 1 из 2)

Министерство путей сообщения

Российской Федерации

Дальневосточный Государственный Университет путей сообщения

КАФЕДРА

«Химия»

Курсовой проект

на тему:

«Строение и свойства вещества»

К.П. 1001. 1. 615

Выполнил: Глухих П.А.

Проверил: Рапопорт Т.В.

г. Хабаровск

1999

Цель занятия: изучить свойства веществ в твёрдом состоянии, рассмотреть типы кристаллических решёток, сущность явления проводимости.

1.1 Характеристика вещёства в твёрдом состоянии.

Твёрдые вещества характеризуются следующими показателями: расстояния между частицами (атомами, молекулами) соизмеримы с их размерами, потенциальная энергия частиц значительно превосходит кинетическую, частицы находятся в тепловом колебательном движении.

Твёрдые вещества делятся на аморфные и кристаллические.

Таблица 1.1

Общая характеристика аморфных и кристаллических веществ

Аморфное состояние (стеклообразное)	Кристаллическое состояние
Ближний порядок расположения частицИзотропность физических свойствОтсутствие конкретной точки плавленияТермодинамическая нестабильность (большой запас внутренней энергии)ТекучестьПримеры: органические полимеры – стекло, вар, янтарь и т.д.	Дальний порядок расположения частицАнизотропность физических свойствКонкретная температура плавления и кристаллизацииТермодинамическая устойчивость (малый запас внутренней энергии)Обладают элементами симметрииПримеры: углерод (алмаз, графит), твёрдые соли, металлы, сплавы.

Геометрическая форма кристалла – это следствие его внутреннего строения, которое характеризуется определённым расположением частиц в пространстве, обуславливающим структуру и свойства данного кристалла (пространственная кристаллическая решётка).

Основные параметры кристаллических решёток описаны в таблице 1.2

Таблица 1.2

Параметры кристаллической решётки (к.р.)

Параметры	Определения
1. Энергия кристаллической решётки, кДж/моль2. Константа к.р. (d,[Ao])3.Координационное число	Энергия, которая выделяется при образовании 1моль кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов), находящихся в газообразном состоянии и удалённых друг от друга на расстояние, исключающее их взаимодействиеНаименьшее расстояние между центрами 2-х частиц в кристалле, соединённых химической связьюЧисло частиц, окружающих в пространстве центральную частицу, связанных с ней химической связью

В зависимости от вида частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки и типа связи между ними, кристаллы бывают различных типов (см. табл. 1.3).

Таблица 1.3

Типы кристаллов и их свойства

Тип кристалла (по типу хим. связи)	Вид частиц в узлах к.р.	Тип связи между частицами	Основные свойства кристаллов	Примеры веществ
Молекулярные	Неполярные или полярные молекулы	Межмолекулярные силы; водородные связи	Низкая теплопроводность и электропроводимость, низкая химическая прочность и темп. плавл.; высокая летучесть	Твёрдые галогены, СН4, Н2, СО2(кр.), Н2О (кр), N2(кр.)
Ковалентные (атомные)	Атомы одного или разных элементов	Ковалентные связи	Высокая температура плавл., твёрдость и механ. Прочность; широкий диапазон электропроводности: от изоляторов (алмаз) и полупроводников (Ge, Si) до электронных проводников (Sn)	Кристаллы простых и сложных веществ элементов 3-й и 4-й групп главных подгр. Салм, Si, Ge, Snc, SiC, AlN, BN и др.
Ионные	Простые и сложн. ионы	Ионная св. – электростатическое взаимодействие	Промежуточное положение между молекулярными и ковалентными кристаллами; как правило, хор. растворимы в полярн. расторит.; диэлектрики	NaCl, CaF2, LiNO3, CaO и др.
Металлические	Атомы и ионы металлов	Металлическая связь	Ковки, пластичны; высокие тепло- и электропроводимость непрозрачность, металич. блеск	Чистые металлы и сплавы

1.2. Кристаллические проводники, полупроводники, изоляторы. Зонная теория кристаллов.

Все известные кристаллические вещества по величине электропроводимости подразделяются на три класса: проводники, диэлектрики (изоляторы), полупроводники (таблица 1.4).

Таблица 1.4.

Деление кристаллических веществ по величине электропроводимости

Класс кристаллич. Вещества	Электропроводность	Общая характеристика	Примеры
Проводники 1-го рода Диэлектрики Полупроводники	Вещества с металлической кристаллической решёткой, характеризующейся наличием “переносчиков тока” – свободно-перемещающихся электроновВещества с атомной, молекулярной и реже ионной решёткой, обладающие большой энергией связи между частицамиВещества с атомной или реже ионной решёткой, обладающие более слабой энергией связи между частицами, чем изоляторы; с ростом температуры электропроводимость растет	Fe, Al, Ag, Cu и др.Салмаз, слюда, органич. Полимеры, оксиды и др.Si, Ge, B, серое олово и др.

Различие в величине электропроводимости металлов, полупроводников и диэлектриков объясняет зонная теория строения твёрдого тела, основные положения которой сводятся к следующему. При образовании кристалла из одиночных атомов происходит перекрытие атомных орбиталей (АО) близких энергий и образование молекулярных орбиталей (МО), число которых равно общему числу перекрывающихся АО.

С ростом числа взаимодействующих атомов в кристалле растет число разрешённых молекулярных энергетических уровней, а энергетический порог между ними уменьшается. Образуется непрерывная энергетическая зона, в которой переход электронов с более низкого энергетического уровня на более высокий не требует больших затрат энергии.

Заполнение электронами МО, составляющих непрерывную энергетическую зону, происходит в порядке возрастания энергии, согласно принципу Паули. В кристалле натрия при образовании N MO, только N/2 MO будут заняты электронами, т.к. у атома Na на каждой валентной 3S АО находится по 1 электрону, а на каждой МО будет располагаться по 2е с противоположными спинами.

Совокупность энергетических уровней, занятых валентными электронами, составляет валентную зону.

Энергетические уровни, незаполненные электронами, составляют зону проводимости.

В кристаллах проводников валентная зона находится в непосредственной близости от зоны проводимости и иногда перекрывается с ней. Е – энергетический барьер близок к нулю. (см. рис.1)

Рис1. Расположение энергетических зон в кристаллах:

- зона проводимости; - валентная зона; ¯DЕ=запрещенная зона

Электроны валентной зоны при их незначительном возбуждении могут легко перейти на свободные энергетические уровни зоны проводимости, что обеспечивает высокую проводимость металлов.

У изоляторов зона проводимости отделена от валентной зоны большим энергетическим барьером (>4эВ). Валентные электроны не могут попасть в зону проводимости даже при передаче им значительного кол-ва энергии, т.к. электроны не могут свободно перемещаться по всему объёму кристалла, проводимость в кристалле отсутствует.

Ширина запрещённой зоны проводников невелика – от 0.1 до 4эВ. При низких температурах они проявляют свойства изоляторов. С повышением температуры энергия валентных электронов возрастает и становится достаточной для преодоления запрещённой зоны. Происходит перенос электрических зарядов, полупроводник становится проводником.

1.3. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Дефекты реальных кристаллов.

К типичным собственным полупроводникам относятся В, Si, Ge, Te, Sn(серое)и др. на каждом энергетическом уровне валентной зоны у них находится по 2 электрона (см. рис.2)

Рис2. Собственная проводимость

После получения кванта энергии связь между этой парой электронов нарушается и один электрон покидает валентную зону, переходя зону проводимости. В валентной зоне на его месте остаётся вакансия (+)-дырка. При наложении внешнего электрического поля электроны, перешедшие в зону проводимости, перемещаются к А(+), в валентной зоне электрон, находящийся рядом с дыркой (+), занимает её место, появляется новая дырка и т.д. Таким образом, дрейф электрона к А(+) эквивалентен дрейфу дырки к К(-).

Электропроводность, обусловленная одновременным участием в проводимости е и р, называется собственной или электронно-дырочной проводимостью (n – p) типа. Для каждого полупроводника собственная проводимость наступит при разных величинах температур, которые тем выше, чем больше величина запрещённой зоны полупроводника. В настоящее время известно 13 кристаллических модификаций простых веществ обладающих полупроводниковыми свойствами. Они находятся в главных подгруппах 3 – 7 групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.