Валентные электроны, кристаллические структуры и их роль в проводимости

Валентные электроны

Валентные электроны занимают внешнюю оболочку атома и определяют его химическое поведение. Именно эти электроны отвечают за образование ионов и ковалентных связей, что, в свою очередь, задаёт реакционную способность элемента и его способность проводить электричество.

Проводники

Элементы главной подгруппы I группы (Li, Na, K) и подгруппы IB (Cu, Ag, Au) имеют по одному валентному электрону. Поскольку этот электрон может быть отдан с минимальными затратами энергии, эти атомы легко формируют положительные ионы и создают металлические связи, обеспечивая высокую электрическую проводимость.

Диэлектрики

Элементы главной подгруппы VIIA (F, Cl, Br, I) и недавно открытый Fl содержат семь валентных электронов. Они легко принимают электрон, чтобы заполнить октет, образуя отрицательные ионы. Поскольку они не теряют электроны, эти атомы являются плохими проводниками и работают как изоляторы.

Когда Na отдаёт электрон Cl, образуются ионы Na⁺ и Cl⁻, которые притягиваются и формируют NaCl. Кристаллическая решётка NaCl имеет кубическую структуру, что иллюстрирует, как заряженные частицы упорядочиваются в решётку.

Элементы группы VIIIA (He, Ne, Ar, Kr, Xe) имеют полную валентную оболочку из восьми электронов. Их инертность мешает им отдавать или принимать электроны, что делает их отличными электрическими изоляторами и газами при комнатной температуре.

Полупроводники

Элементы группы IVA (C, Si, Ge) обладают четырьмя валентными электронами. Эти атомы делятся электронами с соседями, образуя ковалентные связи без образования ионов. Общая электронная сеть приводит к характерной алмазной решётке Si и Ge, тогда как углерод формирует алмаз.

Кристаллические структуры

Большинство неорганических материалов кристаллизуются в упорядоченные массивы — кристаллы. Даже металлы состоят из микрокристаллических зёрен; полированный металлический образец, травленный кислотой, раскрывает эти зёрна. Промышленные металлы обычно поликристалличны, в то время как высокопроизводительные полупроводники выращивают как монокристаллы для обеспечения равномерных электрических свойств.

В ионных кристаллах, таких как NaCl, решётка состоит из чередующихся ионов Na⁺ и Cl⁻, удерживаемых сильными электростатическими силами. Свободных электронов нет, поэтому ионные твёрдые тела плохо проводят электричество.

Полупроводниковые решётки, такие как Si и Ge, построены на тетраэдрической структуре. Каждый атом гибридизирует свою одну s- и три p-орбитали, образуя четыре sp³-орбитали, которые создают сильные ковалентные связи с четырьмя соседями. Эта тетраэдрическая геометрия формирует алмазную элементарную ячейку, повторяющуюся по всему кристаллу.

Получающаяся кристаллическая решётка очень жёстка. Хотя свободных электронов мало, движение одного электрона (или возникновение дырок — отсутствующих электронов) может генерировать значительную электрическую проводимость, что является признаком полупроводникового поведения.

Краткий обзор

• Атомы стремятся к полной внешней оболочке из 8 электронов; они могут отдавать, принимать или делиться электронами для этого.
• Атомы собираются в упорядоченные массивы — ионы или атомы — образуя кристаллические структуры.
• Нейтральные атомы становятся катионами при отдаче электрона или анионами при его принятии.
• Полупроводники группы IVA (C, Si, Ge) кристаллизуются в алмазную решётку, каждый атом ковалентно связан с четырьмя соседями.
• Высокопроизводительные полупроводниковые приборы изготавливают из монокристаллов.

Связанные материалы

• Рабочий лист: Электрическая проводимость в полупроводниках