Главная / Рефераты / Рефераты по химии
Реферат: Строение и свойства вещества
Notice: Undefined variable: ref_img in /home/area7ru/area7.ru/docs/referat.php on line 323
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. 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 Кристаллическое состояние
(стеклообразное)
Ближний порядок расположения Дальний порядок расположения частиц
частиц Анизотропность физических свойств
Конкретная температура плавления и
Изотропность физических свойств кристаллизации
Отсутствие конкретной точки Термодинамическая устойчивость (малый
плавления запас внутренней энергии)
Термодинамическая нестабильность Обладают элементами симметрии
(большой запас внутренней Примеры: углерод (алмаз, графит),
энергии) твёрдые соли, металлы, сплавы.
Текучесть
Примеры: органические полимеры –
стекло, вар, янтарь и т.д.
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 Энергия, которая выделяется при образовании 1моль
кристаллической кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов),
решётки, кДж/моль находящихся в газообразном состоянии и удалённых
друг от друга на расстояние, исключающее их
взаимодействие
2. Константа к.р. Наименьшее расстояние между центрами 2-х частиц в
(d,[Ao]) кристалле, соединённых химической связью
Число частиц, окружающих в пространстве центральную
3.Координационное частицу, связанных с ней химической связью
число
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 Вид Тип связи Основные свойства Примеры веществ
кристаллачастиц вмежду кристаллов
(по типу узлах частицами
хим. к.р.
связи)
МолекулярНеполярнМежмолекулНизкая Твёрдые галогены,
ные ые или ярные теплопроводность иСН4, Н2, СО2(кр.),
полярныесилы; электропроводимостН2О (кр), N2(кр.)
молекулыводородныеь, низкая
связи химическая
прочность и темп.
плавл.; высокая
летучесть
КовалентнАтомы КовалентныВысокая Кристаллы простых и
ые одного е связи температура сложных веществ
(атомные)или плавл., твёрдость элементов 3-й и 4-й
разных и механ. групп главных подгр.
элементо Прочность; широкий
в диапазон Салм, Si, Ge, Snc,
электропроводностиSiC, AlN, BN и др.
: от изоляторов
(алмаз) и
полупроводников
(Ge, Si) до
электронных
проводников (Sn)
Ионные Простые Ионная св.Промежуточное NaCl, CaF2, LiNO3,
и сложн.– положение между CaO и др.
ионы электростамолекулярными и
тическое ковалентными
взаимодейскристаллами; как
твие правило, хор.
растворимы в
полярн. расторит.;
диэлектрики
МеталличеАтомы и МеталличесКовки, пластичны; Чистые металлы и
ские ионы кая связь высокие тепло- и сплавы
металлов электропроводимост
ь непрозрачность,
металич. блеск
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 Электро
кристаллпроводнОбщая характеристика Примеры
ич. ость
Вещества
Проводни Вещества с металлической Fe, Al, Ag, Cu и
ки 1-го кристаллической решёткой, др.
рода характеризующейся наличием
“переносчиков тока” –
свободно-перемещающихся электронов
Диэлектр Салмаз, слюда,
ики органич. Полимеры,
Вещества с атомной, молекулярной иоксиды и др.
реже ионной решёткой, обладающие Si, Ge, B, серое
Полупров большой энергией связи между олово и др.
одники частицами
Вещества с атомной или реже ионной
решёткой, обладающие более слабой
энергией связи между частицами,
чем изоляторы; с ростом
температуры электропроводимость
растет
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; (((Е=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.
3-я группа – В; 6-я группа – S, Se, Te;
4-я группа – S, Si, Ge, Sn; 7-я группа – I.
5-я группа – P, As, Sb, Bi;
В кристаллах простых веществ этих элементов ковалентный или близкий к нему характер химической связи. Ширина запрещённой зоны зависит от прочности ковалентной связи и структурных особенностей кристаллических решёток полупроводника.
К полупроводникам с узкой запрещённой зоной относятся Sn(серое), Р – чёрный, Те. Заметный перенос электронов в зону проводимости наблюдается уже за счёт лучистой энергии.
К полупроводникам с широкой запрещённой зоной относятся Bi, Si – для осуществления проводимости требуется мощный тепловой импульс; для Салм. - (- облучение.
Получить идеальный кристалл как естественным, так и искусственным путём практически невозможно. Кристаллы, как правило, имеют дефекты в виде структурных нарушений или примесей атомов других элементов. Дефекты кристаллов приводят к усилению дырочной, электронной проводимости или появлению дополнительной ионной проводимости.
Усиление примесной проводимости n-типа происходит, если в кристалле Ge один из атомов замещен атомом Р, на внешнем энергетическом уровне которого находится 5 валентных электронов, 4 из которых образуют ковалентные связи с соседними атомами Ge, а один электрон находится на свободной орбитали у атома фосфора. При передаче кристаллу Ge небольшой энергии (4,4 кДж/моль) этот электрон легко отщепляется от примесного атома Р и проникает из валентной зоны через запрещённую зону в зону проводимости, т.е. служит переносчиком тока. В целом же кристалл Ge остаётся электронейтральным
(рис.3). Примеси в кристаллах, атомы которых способны отдавать электроны, усиливая электронную проводимость, называются донорами. По отношению к Ge,
Si – это р-элементы 5-й группы, а также Аu и ряд других элементов.
а) б)
=GeGeGe= =GeGeGe=
=GePGe= =GeAlGe=
=GeGeGe= =GeGeGe=
Рис.3 Примесная проводимость: а) n-типа; б) р-типа
Усиление примесной проводимости р-типа происходит, если в кристалле Ge или Si один из атомов замещён атомом Al, на внешнем энергетическом уровне которого находится только 3 электрона, то при образовании 4-х ковалентных связей с атомами Ge образуется дефицит одного электрона в каждом узле кристаллической решётки, содержащей атом Аl (рис.3).
При передаче кристаллу небольшой энергии (до 5,5 кДж/моль), атом Al захватывает электрон с соседней ковалентной связи, превращаясь в (-) заряженный ион. На месте захваченного электрона образуется (+) дырка.
Если поместить кристалл в электрическое поле, (+) дырка становится носителем заряда, а электрическая нейтральность атома сохраняется.
Примеси в кристаллах полупроводников, атомы которых способны усиливать в них дырочную проводимость, называются акцепторами.
Для кристаллов Ge и Si – это атомы р-элементов 3-й группы, а также Zn,
Fe и Mn. Таким образом, варьируя природой и концентрациями примесей в полупроводниках, можно получить заданную электрическую проводимость и тип проводимости. Широкое применение полупроводников привело к созданию сложных полупроводниковых систем на основе химических соединений, чаще всего, имеющих алмазоподобную кристаллическую решётку: AlP, InSb, Cu2O, Al2O3,
PbS, Bi2S3, CdSe и др.
Дефекты в реальных кристаллах могут возникать не только в результате примесей атомов других элементов, но и теплового движения частиц, формирующих кристалл. При этом атомы, молекулы или ионы покидают свои места в узлах кристаллической решётки и переходят или в междоузлия или на поверх...
ВНИМАНИЕ!
Текст просматриваемого вами реферата (доклада, курсовой) урезан на треть (33%)!
Чтобы просматривать этот и другие рефераты полностью, авторизуйтесь на сайте:
|
|
|
Добавлено: 2010.10.21
Просмотров: 1704
|
Notice: Undefined offset: 1 in /home/area7ru/area7.ru/docs/linkmanager/links.php on line 21
При использовании материалов сайта, активная ссылка на AREA7.RU обязательная! |
