Валентность и кристаллическая структура

Валентность: Электроны в самой внешней оболочке или валентной оболочке известны как валентность . электроны. Эти валентные электроны отвечают за химические свойства химических элементов. Именно эти электроны участвуют в химических реакциях с другими элементами. Излишне упрощенное правило химии, применимое к простым реакциям, состоит в том, что атомы пытаются сформировать полную внешнюю оболочку из 8 электронов (два для L-оболочки). Атомы могут отдать несколько электронов, чтобы обнажить основную целую оболочку. Атомы могут принять несколько электронов, чтобы завершить оболочку. Эти два процесса образуют ионы из атомов. Атомы могут даже разделять электроны между атомами в попытке завершить внешнюю оболочку. Этот процесс образует молекулярные связи. То есть атомы объединяются, образуя молекулу

Дирижер

Например, элементы группы I:Li, Na, K, Cu, Ag и Au имеют один валентный электрон. (Рисунок ниже) Все эти элементы имеют схожие химические свойства. Эти атомы легко отдают один электрон для реакции с другими элементами. Способность легко отдавать электрон делает эти элементы отличными проводниками.

Элементы группы IA периодической таблицы:Li, Na и K, и элементы группы IB:Cu, Ag и Au имеют один электрон во внешней, или валентной, оболочке, который легко передается. Электроны внутренней оболочки:для n =1, 2, 3, 4; 2n ² =2, 8, 18, 32.

Изолятор

Элементы группы VIIA:Fl, Cl, Br и I имеют 7 электронов на внешней оболочке. Эти элементы легко принимают электрон, чтобы заполнить внешнюю оболочку целыми 8 электронами. (Рисунок ниже) Если эти элементы действительно принимают электрон, отрицательный ион образуется из нейтрального атома. Эти элементы, которые не отдают электроны, являются изоляторами.

Элементы VIIA группы периодической таблицы:F, Cl, Br и I с 7 валентными электронами легко принимают электрон в реакции с другими элементами.

Например, атом Cl принимает электрон от атома Na, чтобы стать Cl ^- ion, как показано на рисунке ниже. ион представляет собой заряженную частицу, образованную атомом путем передачи или принятия электрона. Когда атом Na отдает электрон, он становится ионом Na +. Вот как атомы Na и Cl объединяются в NaCl, поваренную соль, которая на самом деле является Na ⁺ Cl ^- , пара ионов. На ⁺ и Cl ^- несущие противоположные заряды, притягиваются друг к другу.

Нейтральный атом натрия отдает электрон нейтральному атому хлора, образуя Na + и Cl - ионы.

Хлорид натрия кристаллизуется в кубической структуре, показанной на рисунке ниже. Эта модель не в масштабе, чтобы показать трехмерную структуру. На ⁺ Cl ^- ионы на самом деле упакованы подобно слоям уложенных стопкой мраморов. Легко нарисованная кубическая кристаллическая структура показывает, что твердый кристалл может содержать заряженные частицы.

Элементы группы VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe все имеют 8 электронов в валентной оболочке. (Рисунок ниже) То есть валентная оболочка завершена, что означает, что эти элементы не отдают и не принимают электроны. Они также не легко участвуют в химических реакциях, поскольку элементы группы VIIIA нелегко соединяются с другими элементами. В последние годы химики заставили Xe и Kr образовать несколько соединений, однако для целей нашего обсуждения это неприменимо. Эти элементы являются хорошими электрическими изоляторами и при комнатной температуре являются газами.

Элементы группы VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe в значительной степени инертны, поскольку валентная оболочка завершена.

Полупроводники

Элементы группы IVA:C, Si, Ge, имеющие 4 электрона в валентной оболочке, как показано на рисунке ниже, образуют соединения, разделяя электроны с другими элементами без образования ионов. Эта общая электронная связь известна как ковалентная связь . . Обратите внимание, что центральный атом (и другие, по сути,) завершил свою валентную оболочку за счет обмена электронами. Обратите внимание, что рисунок представляет собой 2-мерное представление соединения, которое на самом деле является 3-м. Именно эта группа, IVA, интересует нас своими полупроводниковыми свойствами.

(a) Элементы группы IVA:C, Si, Ge, имеющие 4 электрона в валентной оболочке, (b) завершают валентную оболочку, разделяя электроны с другими элементами.

Кристаллическая структура: Большинство неорганических веществ формируют свои атомы (или ионы) в упорядоченный массив, известный как кристалл . . Внешние электронные облака атомов взаимодействуют упорядоченным образом. Даже металлы на микроскопическом уровне состоят из кристаллов. Если металлический образец обработан оптической полировкой, а затем протравлен кислотой, микроскопический микрокристаллический структура показана на рисунке ниже. Также возможно закупить за значительные деньги образцы металлических монокристаллов у специализированных поставщиков. Полировка и травление такого образца не обнаруживают микрокристаллической структуры. Практически все промышленные металлы поликристаллические. С другой стороны, большинство современных полупроводников - это монокристаллические устройства. Нас в первую очередь интересуют монокристаллические структуры.

(а) образец металла, (б) отполированный, (в) протравленный кислотой, чтобы показать микрокристаллическую структуру.

Многие металлы мягкие и легко деформируются с помощью различных методов обработки. При металлообработке микрокристаллы деформируются. Кроме того, валентные электроны могут свободно перемещаться по кристаллической решетке и от кристалла к кристаллу. Валентные электроны принадлежат не какому-либо конкретному атому, а всем атомам.

Жесткая кристаллическая структура на рисунке ниже состоит из регулярно повторяющегося рисунка положительных ионов Na и отрицательных ионов Cl. Атомы Na и Cl образуют Na ⁺ и Cl ^- ионы, переводя электрон от Na к Cl без свободных электронов. Электроны не могут свободно перемещаться по кристаллической решетке - разница по сравнению с металлом. Ионы тоже не свободны. Ионы фиксируются в кристаллической структуре. Однако ионы могут свободно перемещаться, если кристалл NaCl растворен в воде. Однако кристалла больше не существует. Обычная, повторяющаяся структура исчезла. Испарение воды дает Na ⁺ и Cl ^- ионы в виде новых кристаллов, поскольку противоположно заряженные ионы притягиваются друг к другу. Ионные материалы образуют кристаллические структуры из-за сильного электростатического притяжения противоположно заряженных ионов.

Кристалл NaCl с кубической структурой Полупроводники в Группе 14 (ранее входившей в Группу IV) образуют тетраэдрическую структуру связи, используя s- и p-орбитальные электроны вокруг атома, разделяя пары электронных пар с четырьмя соседними атомами. (Рисунок ниже (а)). Элементы группы 14 имеют четыре внешних электрона:два на сферической s-орбитали и два на p-орбиталях. Одна из p-орбиталей не занята. Три p-орбитали гибридизуются с s-орбиталью, образуя четыре sp ³ молекулярные орбитали. Эти четырехэлектронные облака отталкиваются друг от друга на эквидистантном тетраэдрическом пространстве вокруг атома Si, притягиваясь положительным ядром, как показано на рисунке ниже.

Один s-орбитальный и три p-орбитальных электрона гибридизуются, образуя четыре sp ³ молекулярные орбитали.

Каждый атом полупроводника, Si, Ge или C (алмаз), химически связан с четырьмя другими атомами ковалентными связями , общие электронные связи. Два электрона могут иметь общую орбиталь, если каждый из них имеет противоположные спиновые квантовые числа. Таким образом, неспаренный электрон может делить орбиталь с электроном другого атома. Это соответствует перекрывающемуся рисунку ниже (а) электронных облаков или связи. Рисунок ниже (b) составляет одну четвертую объема элементарной ячейки кристаллической структуры алмаза, показанной на рисунке ниже, в начале координат. Связи особенно сильны в алмазе, прочность которого снижается в группе IV до кремния и германия. Кремний и германий образуют кристаллы со структурой алмаза.

(а) Тетраэдрическая связь атома Si. (б) приводит к 1/4 кубической элементарной ячейки

Ромбовидная элементарная ячейка является основным строительным блоком кристалла. На рисунке ниже показаны четыре атома (темные), связанные с четырьмя другими атомами в объеме ячейки. Это эквивалентно размещению одного из рисунков выше (b) в начале координат рисунка ниже, а затем размещения еще трех на соседних гранях, чтобы заполнить весь куб. Шесть атомов падают на середину каждой из шести граней куба, показывая две связи. Две другие связи с соседними кубами были опущены для ясности. Из восьми углов куба четыре атома связаны с атомом внутри куба. Где связаны другие четыре атома? Остальные четыре связаны с соседними кубиками кристалла. Имейте в виду, что хотя четыре угловых атома не показывают связей в кубе, все атомы внутри кристалла связаны в одну гигантскую молекулу. Полупроводниковый кристалл создается из копий этой элементарной ячейки.

Si, Ge и C (ромб) образуют чередующийся гранецентрированный куб.

Кристалл фактически представляет собой одну молекулу. Атом ковалентно связывается с четырьмя другими атомами, которые, в свою очередь, связываются с четырьмя другими и так далее. Кристаллическая решетка относительно жесткая, сопротивляясь деформации. Немногочисленные электроны освобождаются для проводимости вокруг кристалла. Свойство полупроводников состоит в том, что после освобождения электрона образуется положительно заряженное пустое пространство, которое также способствует проводимости.

ПРОСМОТР

• Атомы пытаются сформировать полную внешнюю валентную оболочку из 8 электронов (2 электрона для самой внутренней оболочки). Атомы могут отдать несколько электронов, чтобы обнажить нижележащую оболочку из 8, принять несколько электронов, чтобы завершить оболочку, или поделиться электронами, чтобы завершить оболочку.
• Атомы часто образуют упорядоченные массивы ионов или атомов в жесткой структуре, известной как кристалл.
• Нейтральный атом может образовывать положительный ион, отдавая электрон.
• Нейтральный атом может образовать отрицательный ион, приняв электрон.
• Полупроводники группы IVA:C, Si, Ge кристаллизуются в структуру алмаза. Каждый атом в кристалле является частью гигантской молекулы, связанной с четырьмя другими атомами.
• Большинство полупроводниковых приборов изготавливается из монокристаллов.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист "Электропроводность в полупроводниках"