Строение и свойства вещества (165401)

Посмотреть архив целиком

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

(стеклообразное)

Кристаллическое состояние


Ближний порядок расположения частиц


Изотропность физических свойств

Отсутствие конкретной точки плавления

Термодинамическая нестабиль­ность (большой запас внутренней энергии)

Текучесть

Примеры: органические полимеры – стекло, вар, янтарь и т.д.

Дальний порядок расположения частиц

Анизотропность физических свойств

Конкретная температура плавления и кристаллизации

Термодинамическая устойчивость (малый запас внутренней энергии)

Обладают элементами симметрии

Примеры: 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/моль



2. 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 взаимодействие

Наименьшее расстояние между центрами 2-х частиц в кристалле, соединённых химической связью

Число 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 электронов


Вещества с атомной, молекулярной и реже ионной решёткой, обладающие большой энергией связи между частицами


Вещества 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; 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.


Случайные файлы

Файл
176247.rtf
128751.rtf
30376-1.rtf
183433.rtf
8757.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.