Металлы, проводники и диэлектрики

Металлы, проводники и
диэлектрики
12 класс
Ионная связь
Рассмотрим образование ионной связи на
примере соединения хлорида натрия
Na + Cl → Na+ +Cl+ → Na+Clатом
атом
ион
ион
ионное соединение
Процесс превращения атомов в ионы изображены на
схеме:
Na +11
281
+ Cl+17
2 87
→ [+11
28
]+ [+17
]-
2 88
Ионная связь возникает между
сильными
металлами и сильными неметаллами
Ковалентная связь
В слове "ковалентная" приставка "ко-" означает
"совместное участие". А "валента" в переводе на
русский - сила, способность. В данном случае имеется в
виду способность атомов связываться с другими
атомами.
Металлическая связь
Совсем по-другому устроены металлические кристаллы.
Кусочек металлического натрия внешне сильно отличается от
поваренной соли.
Натрий - очень мягкий металл, легко режется ножом,
расплющивается молотком, его можно без труда расплавить в
чашечке на спиртовке.
В кристалле натрия каждый атом Na окружен восемью
другими такими же атомами
Каждый атом натрия в кристалле отдает в пространство
между атомами по одному валентному электрону,
превращаясь в ион натрия Na+.
Ионы в кристалле омываются "электронным морем" общих
электронов.
Это "электронное море" не позволяет металлическому
кристаллу распадаться.
Кристаллическая решетка
При таком расположении суммарная
потенциальная энергия атомов
оказывается минимальной
Отрицательно заряженный ион хлора
притягивает не только "свой" ион Na+, но и
другие ионы натрия вокруг себя. Это приводит
к тому, что около любого из ионов находится не
один ион с противоположным знаком, а
несколько. Фактически, около каждого иона
хлора располагается 6 ионов натрия, а около
каждого иона натрия - 6 ионов хлора.
Такая упорядоченная
упаковка ионов
называется ионным
кристаллом.
ЗОННАЯ ТЕОРИЯ
Зонная теория — раздел квантовой теории твердых тел,
описывающий движение электронов в кристаллах и
являющийся основой современной теории металлов,
полупроводников и диэлектриков.
Зонная теория твердых тел позволила с единой точки
зрения истолковать существование металлов,
диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в
их электрических свойствах,
во-первых, неодинаковым заполнением электронами
разрешенных зон,
во-вторых, шириной запрещенных зон.
В твердом теле, содержащем N взаимодействующих
атомов, возникает N близко расположенных друг от друга
энергетических уровней, которые образуют
энергетическую полосу (энергетическую зону).
Энергетические зоны
разделены
запрещенными зонами —
интервалами
запрещенных значений
энергии.
На каждом
энергетическом уровне
могут находиться два
электрона,обладающие
противоположно
направленными спинами.
Валентная зона — разрешенная зона энергий,
возникшая из тех уровней, на которых находятся
валентные электроны в основном состоянии атомов.
Свободная зона — зона возбужденных уровней энергии.
Зона проводимости — зона, валентные электроны
которой участвуют в создании тока проводимости.
1 – зона
проводимости,
2 – запрещенная
зона,
3 – заполненная
или валентная зона
Деление твердых тел на: а и б – проводники; в – диэлектрик; г –
полупроводник без примеси; Т=0 К;
1 – зона проводимости, 2 – запрещенная зона, 3 – заполненная или
валентная зона
МЕТАЛЛЫ
Тип А. Валентная зона заполнена полностью, но запрещенная зона между
валентной зоной и зоной проводимости отсутствует, то есть зоны перекрыты В
этом случае электроны беспрепятственно могут переходить из валентной зоны
в свободную зону проводимости. Такой кристалл будет хорошо проводить
электрический ток, и эго электропроводность слабо зависит от температуры.
Этот случай соответствует металлам, состоящим из двухвалентных атомов.
Тип Б. Валентная зона заполнена не полностью. При приложении к такому
кристаллу электрического поля, электроны получают от него энергию и могут
переходить на более высокие энергетические уровни в соответствующей зоне.
Валентная зона заполнена частично, и в ней переходы электронов будут
происходить беспрепятственно, что обеспечивает прохождение электрического
тока при любой температуре. Такие кристаллы относятся к проводникам, и
этот случай реализуется, например для одновалентных металлов типа натрия.
ДИЭЛЕКТРИКИ
Тип В. Валентная зона заполнена электронами полностью и
не перекрыта со свободной зоной проводимости.
Перемещение электронов под действием электрического поля
не может происходить, пока каким-либо способом не будет
переведена часть электронов из валентной зоны в зону
проводимости, преодолев запрещенную зону. Такие кристаллы
принято относить к диэлектрикам. Условно принято считать,
что кристаллы такого типа будут диэлектриками, если ширина
запрещенной зоны Ез=En - Ec > 2эВ.
ПОЛУПРОВОДНИКИ
Тип Г. Этот случай отличается от типа В только шириной
запрещенной зоны. Если ширина запрещенной зоны меньше
2 эВ, то при температурах порядка Т=300 К часть электронов
за счет теплового движения переходят в свободную зону
проводимости и под действием электрического поля могут
перемещаться в кристалле. Этот случай описывает
кристаллы, электропроводность которых повышается при
увеличении температуры. Такие кристаллы принято называть
полупроводниками.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ