Valenz und Kristallstruktur

Wertigkeit: Die Elektronen in der äußersten Schale oder Valenzschale werden als Valenz bezeichnet Elektronen. Diese Valenzelektronen sind für die chemischen Eigenschaften der chemischen Elemente verantwortlich. Es sind diese Elektronen, die an chemischen Reaktionen mit anderen Elementen teilnehmen. Eine stark vereinfachte chemische Regel, die auf einfache Reaktionen anwendbar ist, lautet, dass Atome versuchen, eine vollständige äußere Hülle aus 8 Elektronen (zwei für die L-Schale) zu bilden. Atome können einige Elektronen abgeben, um eine darunterliegende vollständige Hülle freizulegen. Atome können einige Elektronen aufnehmen, um die Hülle zu vervollständigen. Diese beiden Prozesse bilden Ionen aus Atomen. Atome können sogar Elektronen unter Atomen teilen, um die äußere Hülle zu vervollständigen. Dieser Prozess bildet molekulare Bindungen. Das heißt, Atome assoziieren zu einem Molekül

Dirigent

Zum Beispiel Elemente der Gruppe I:Li, Na, K, Cu, Ag und Au haben ein einzelnes Valenzelektron. (Abbildung unten) Diese Elemente haben alle ähnliche chemische Eigenschaften. Diese Atome geben leicht ein Elektron ab, um mit anderen Elementen zu reagieren. Die Fähigkeit, leicht ein Elektron abzugeben, macht diese Elemente zu hervorragenden Leitern.

Elemente der Periodensystemgruppe IA:Li, Na und K und Elemente der Gruppe IB:Cu, Ag und Au haben ein Elektron in der äußeren oder Valenzschale, das leicht abgegeben wird. Elektronen der inneren Schale:Für n=1, 2, 3, 4; 2n ² =2, 8, 18, 32.

Isolator

Elemente der Gruppe VIIA:Fl, Cl, Br und I haben alle 7 Elektronen in der äußeren Schale. Diese Elemente nehmen leicht ein Elektron auf, um die äußere Hülle mit vollen 8 Elektronen aufzufüllen. (Abbildung unten) Wenn diese Elemente ein Elektron aufnehmen, wird aus dem neutralen Atom ein negatives Ion gebildet. Diese Elemente, die keine Elektronen abgeben, sind Isolatoren.

Elemente der Gruppe VIIA des Periodensystems:F, Cl, Br und I mit 7 Valenzelektronen nehmen bei Reaktionen mit anderen Elementen leicht ein Elektron an.

Zum Beispiel nimmt ein Cl-Atom ein Elektron von einem Na-Atom auf, um ein Cl ^- . zu werden Ionen wie in der Abbildung unten gezeigt. Eine ion ist ein geladenes Teilchen, das aus einem Atom gebildet wird, indem entweder ein Elektron abgegeben oder aufgenommen wird. Da das Na-Atom ein Elektron abgibt, wird es zu einem Na + -Ion. So verbinden sich Na- und Cl-Atome zu NaCl, Kochsalz, das eigentlich Na ⁺ . ist Cl ^- , ein Ionenpaar. Das Na ⁺ und Cl ^- entgegengesetzte Ladungen tragen, ziehen sich gegenseitig an.

Neutrales Natriumatom gibt ein Elektron an ein neutrales Chloratom ab und bildet Na + und Cl - Ionen.

Natriumchlorid kristallisiert in der in Abbildung unten gezeigten kubischen Struktur. Dieses Modell ist nicht maßstabsgetreu, um die dreidimensionale Struktur darzustellen. Das Na ⁺ Cl ^- Ionen sind tatsächlich ähnlich wie Schichten von gestapelten Murmeln verpackt. Die leicht zu ziehende kubische Kristallstruktur veranschaulicht, dass ein fester Kristall geladene Teilchen enthalten kann.

Elemente der Gruppe VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe haben alle 8 Elektronen in der Valenzschale. (Abbildung unten) Das heißt, die Valenzschale ist vollständig, was bedeutet, dass diese Elemente weder Elektronen abgeben noch aufnehmen. Sie nehmen auch nicht leicht an chemischen Reaktionen teil, da Elemente der Gruppe VIIIA nicht leicht mit anderen Elementen kombiniert werden können. In den letzten Jahren haben Chemiker Xe und Kr gezwungen, einige Verbindungen zu bilden, aber für unsere Diskussion ist dies nicht anwendbar. Diese Elemente sind gute elektrische Isolatoren und sind bei Raumtemperatur Gase.

Elemente der Gruppe VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe sind weitgehend unreaktiv, da die Valenzschale vollständig ist.

Halbleiter

Elemente der Gruppe IVA:C, Si, Ge mit 4 Elektronen in der Valenzschale, wie in der Abbildung unten gezeigt, bilden Verbindungen, indem sie Elektronen mit anderen Elementen teilen, ohne Ionen zu bilden. Diese gemeinsame Elektronenbindung ist als kovalente Bindung bekannt . Beachten Sie, dass das Zentralatom (und die anderen als Erweiterung) seine Valenzschale vervollständigt hat, indem es Elektronen teilt. Beachten Sie, dass die Figur eine 2-D-Darstellung der Bindung ist, die tatsächlich 3-D ist. Es ist diese Gruppe, IVA, an der wir wegen ihrer halbleitenden Eigenschaften interessiert sind.

(a) Elemente der Gruppe IVA:C, Si, Ge mit 4 Elektronen in der Valenzschale, (b) vervollständigen die Valenzschale, indem sie Elektronen mit anderen Elementen teilen.

Kristallstruktur: Die meisten anorganischen Substanzen formen ihre Atome (oder Ionen) zu einer geordneten Anordnung, die als Kristall bekannt ist . Die äußeren Elektronenwolken der Atome interagieren auf geordnete Weise. Sogar Metalle bestehen auf mikroskopischer Ebene aus Kristallen. Wenn eine Metallprobe optisch poliert und dann mit Säure geätzt wird, wird das mikroskopische mikrokristalline Struktur zeigt wie in der Abbildung unten. Es ist auch möglich, mit erheblichen Kosten metallische Einkristallproben von spezialisierten Lieferanten zu beziehen. Das Polieren und Ätzen einer solchen Probe offenbart keine mikrokristalline Struktur. Praktisch alle Industriemetalle sind polykristallin. Andererseits sind die meisten modernen Halbleiter einkristalline Bauelemente. Wir sind hauptsächlich an monokristallinen Strukturen interessiert.

(a) Metallprobe, (b) poliert, (c) säuregeätzt, um eine mikrokristalline Struktur zu zeigen.

Viele Metalle sind weich und durch die verschiedenen Metallbearbeitungstechniken leicht verformbar. Bei der Metallbearbeitung werden die Mikrokristalle verformt. Außerdem können sich die Valenzelektronen frei um das Kristallgitter und von Kristall zu Kristall bewegen. Die Valenzelektronen gehören nicht zu einem bestimmten Atom, sondern zu allen Atomen.

Die starre Kristallstruktur in Abbildung unten besteht aus einem sich regelmäßig wiederholenden Muster positiver Na-Ionen und negativer Cl-Ionen. Die Na- und Cl-Atome bilden Na ⁺ und Cl ^- Ionen durch Übertragung eines Elektrons von Na auf Cl, ohne freie Elektronen. Elektronen können sich im Kristallgitter nicht frei bewegen, ein Unterschied zu Metall. Die Ionen sind auch nicht frei. Ionen sind innerhalb der Kristallstruktur fixiert. Die Ionen können sich jedoch frei bewegen, wenn der NaCl-Kristall in Wasser gelöst wird. Der Kristall existiert jedoch nicht mehr. Die regelmäßige, sich wiederholende Struktur ist weg. Die Verdunstung des Wassers lagert das Na ⁺ . ab und Cl ^- Ionen in Form neuer Kristalle, da sich die entgegengesetzt geladenen Ionen anziehen. Ionische Materialien bilden aufgrund der starken elektrostatischen Anziehung der entgegengesetzt geladenen Ionen Kristallstrukturen.

NaCl-Kristall mit kubischer Strebe Halbleiter der Gruppe 14 (ehemals Teil der Gruppe IV) bilden ein tetraedrisches Bindungsmuster unter Verwendung der s- und p-Orbitalelektronen um das Atom herum und teilen sich Elektronenpaarbindungen zu vier benachbarten Atomen. (Abbildung unten (a) ). Elemente der Gruppe 14 haben vier äußere Elektronen:zwei in einem kugelförmigen s-Orbital und zwei in p-Orbitalen. Eines der p-Orbitale ist unbesetzt. Die drei p-Orbitale hybridisieren mit dem s-Orbital zu vier sp ³ Molekülorbitale. Diese Vier-Elektronen-Wolken stoßen sich gegenseitig in äquidistanten Tetraeder-Abständen um das Si-Atom ab, angezogen vom positiven Kern, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Ein s-Orbital- und drei p-Orbital-Elektronen hybridisieren und bilden vier sp ³ Molekülorbitale.

Jedes Halbleiteratom, Si, Ge oder C (Diamant) ist durch kovalente Bindungen mit vier anderen Atomen chemisch verbunden , gemeinsame Elektronenbindungen. Zwei Elektronen können sich ein Orbital teilen, wenn jedes entgegengesetzte Spinquantenzahlen hat. So kann ein ungepaartes Elektron ein Orbital mit einem Elektron eines anderen Atoms teilen. Dies entspricht der überlappenden Abbildung unten (a) der Elektronenwolken oder Bindung. Die Abbildung unten (b) ist ein Viertel des Volumens der Elementarzelle mit Diamantkristallstruktur, die in Abbildung unten am Ursprung gezeigt ist. Die Bindungen sind bei Diamant besonders stark, wobei ihre Stärke abnimmt, wenn sie Gruppe IV zu Silizium und Germanium hinabgeht. Silizium und Germanium bilden beide Kristalle mit Diamantstruktur.

(a) Tetraederbindung des Si-Atoms. (b) führt zu 1/4 der kubischen Elementarzelle

Die Raute Elementarzelle ist der grundlegende Kristallbaustein. Die Abbildung unten zeigt vier Atome (dunkel), die mit vier anderen innerhalb des Zellvolumens verbunden sind. Dies entspricht dem Platzieren einer der Abbildungen oben (b) am Ursprung in Abbildung unten und dann der Platzierung von drei weiteren auf benachbarten Flächen, um den ganzen Würfel zu füllen. Sechs Atome fallen in die Mitte jeder der sechs Würfelflächen und zeigen zwei Bindungen. Die anderen beiden Bindungen an benachbarte Würfel wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Von acht Würfelecken binden vier Atome an ein Atom innerhalb des Würfels. Wo sind die anderen vier Atome gebunden? Die anderen vier binden an benachbarte Würfel des Kristalls. Denken Sie daran, dass, obwohl vier Eckatome im Würfel keine Bindungen aufweisen, alle Atome innerhalb des Kristalls in einem riesigen Molekül verbunden sind. Aus Kopien dieser Elementarzelle wird ein Halbleiterkristall aufgebaut.

Si, Ge und C (Diamant) bilden einen verschachtelten, flächenzentrierten Würfel.

Der Kristall ist effektiv ein Molekül. Ein Atom bindet kovalent an vier andere, die wiederum an vier andere binden und so weiter. Das Kristallgitter ist relativ steif und widersteht einer Verformung. Wenige Elektronen befreien sich für die Leitung um den Kristall. Eine Eigenschaft von Halbleitern besteht darin, dass bei der Freisetzung eines Elektrons ein positiv geladener leerer Raum entsteht, der ebenfalls zur Leitung beiträgt.

REZENSION

• Atome versuchen, eine vollständige äußere Valenz zu bilden, eine Schale aus 8-Elektronen (2-Elektronen für die innerste Schale). Atome können einige Elektronen abgeben, um eine darunterliegende Schale von 8 freizulegen, einige Elektronen aufnehmen, um eine Schale zu vervollständigen, oder Elektronen teilen, um eine Schale zu vervollständigen.
• Atome bilden oft geordnete Anordnungen von Ionen oder Atomen in einer starren Struktur, die als Kristall bekannt ist.
• Ein neutrales Atom kann durch Abgabe eines Elektrons ein positives Ion bilden.
• Ein neutrales Atom kann ein negatives Ion bilden, indem es ein Elektron aufnimmt
• Die Gruppe IVA-Halbleiter:C, Si, Ge kristallisieren zu einer Diamantstruktur. Jedes Atom im Kristall ist Teil eines riesigen Moleküls, das mit vier anderen Atomen verbunden ist.
• Die meisten Halbleiterbauelemente werden aus Einkristallen hergestellt.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Elektrische Leitung in Halbleitern Arbeitsblatt