Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества»




Скачать 111.58 Kb.
НазваниеКурсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества»
Дата публикации19.04.2014
Размер111.58 Kb.
ТипКурсовой проект
uchebilka.ru > Физика > Курсовой проект
Реферат скачан с сайта allreferat.wow.ua


Строение и свойства вещества

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: расстояниямежду частицами (атомами, молекулами) соизмеримы с их размерами,потенциальная энергия частиц значительно превосходит кинетическую, частицынаходятся в тепловом колебательном движении. Твёрдые вещества делятся на аморфные и кристаллические. Таблица 1.1 Общая характеристика аморфных и кристаллических веществ|Аморфное состояние |Кристаллическое состояние ||(стеклообразное) | ||Ближний порядок расположения |Дальний порядок расположения частиц ||частиц |Анизотропность физических свойств || |Конкретная температура плавления и ||Изотропность физических свойств |кристаллизации ||Отсутствие конкретной точки |Термодинамическая устойчивость (малый ||плавления |запас внутренней энергии) ||Термодинамическая нестабильность |Обладают элементами симметрии ||(большой запас внутренней |Примеры: углерод (алмаз, графит), ||энергии) |твёрдые соли, металлы, сплавы. ||Текучесть | ||Примеры: органические полимеры – | ||стекло, вар, янтарь и т.д. | | Геометрическая форма кристалла – это следствие его внутреннегостроения, которое характеризуется определённым расположением частиц впространстве, 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 |Энергия, которая выделяется при образовании 1моль ||кристаллической |кристалла из микрочастиц (атомов, молекул, ионов), ||решётки, кДж/моль |находящихся в газообразном состоянии и удалённых || |друг от друга на расстояние, исключающее их || |взаимодействие ||2. Константа к.р. |Наименьшее расстояние между центрами 2-х частиц в ||(d,[Ao]) |кристалле, соединённых химической связью || |Число частиц, окружающих в пространстве центральную ||3.Координационное |частицу, связанных с ней химической связью ||число | | В зависимости от вида частиц, находящихся в узлах кристаллическойрешётки и типа связи между ними, кристаллы бывают различных типов (см.табл. 1.3). Таблица 1.3 Типы кристаллов и их свойства|Тип |Вид |Тип связи |Основные свойства |Примеры веществ ||кристалла|частиц в|между |кристаллов | ||(по типу |узлах |частицами | | ||хим. |к.р. | | | ||связи) | | | | ||Молекуляр|Неполярн|Межмолекул|Низкая |Твёрдые галогены, ||ные |ые или |ярные |теплопроводность и|СН4, Н2, СО2(кр.), || |полярные|силы; |электропроводимост|Н2О (кр), N2(кр.) || |молекулы|водородные|ь, низкая | || | |связи |химическая | || | | |прочность и темп. | || | | |плавл.; высокая | || | | |летучесть | ||Ковалентн|Атомы |Ковалентны|Высокая |Кристаллы простых и ||ые |одного |е связи |температура |сложных веществ ||(атомные)|или | |плавл., твёрдость |элементов 3-й и 4-й || |разных | |и механ. |групп главных подгр.|| |элементо| |Прочность; широкий| || |в | |диапазон |Салм, Si, Ge, Snc, || | | |электропроводности|SiC, AlN, BN и др. || | | |: от изоляторов | || | | |(алмаз) и | || | | |полупроводников | || | | |(Ge, Si) до | || | | |электронных | || | | |проводников (Sn) | ||Ионные |Простые |Ионная св.|Промежуточное |NaCl, CaF2, LiNO3, || |и сложн.|– |положение между |CaO и др. || |ионы |электроста|молекулярными и | || | |тическое |ковалентными | || | |взаимодейс|кристаллами; как | || | |твие |правило, хор. | || | | |растворимы в | || | | |полярн. расторит.;| || | | |диэлектрики | ||Металличе|Атомы и |Металличес|Ковки, пластичны; |Чистые металлы и ||ские |ионы |кая связь |высокие тепло- и |сплавы || |металлов| |электропроводимост| || | | |ь непрозрачность, | || | | |металич. блеск | | 1.2. Кристаллические проводники, полупроводники, изоляторы. Зонная теория кристаллов. Все известные кристаллические вещества по величине электропроводимостиподразделяются на три класса: проводники, диэлектрики (изоляторы),полупроводники (таблица 1.4). Таблица 1.4. Деление кристаллических веществ по величине электропроводимости|Класс |Электро| | ||кристалл|проводн|Общая характеристика |Примеры ||ич. |ость | | ||Вещества| | | ||Проводни| |Вещества с металлической |Fe, Al, Ag, Cu и ||ки 1-го | |кристаллической решёткой, |др. ||рода | |характеризующейся наличием | || | |“переносчиков тока” – | || | |свободно-перемещающихся электронов| ||Диэлектр| | |Салмаз, слюда, ||ики | | |органич. Полимеры,|| | |Вещества с атомной, молекулярной и|оксиды и др. || | |реже ионной решёткой, обладающие |Si, Ge, B, серое ||Полупров| |большой энергией связи между |олово и др. ||одники | |частицами | || | | | || | |Вещества с атомной или реже ионной| || | |решёткой, обладающие более слабой | || | |энергией связи между частицами, | || | |чем изоляторы; с ростом | || | |температуры электропроводимость | || | |растет | | Различие в величине электропроводимости металлов, полупроводников идиэлектриков объясняет зонная теория строения твёрдого тела, основныеположения которой сводятся к следующему. При образовании кристалла изодиночных атомов происходит перекрытие атомных орбиталей (АО) близкихэнергий и образование молекулярных орбиталей (МО), число которых равнообщему числу перекрывающихся АО. С ростом числа взаимодействующих атомов в кристалле растет числоразрешённых молекулярных энергетических уровней, а энергетический порогмежду ними уменьшается. Образуется непрерывная энергетическая зона, вкоторой переход электронов с более низкого энергетического уровня на болеевысокий не требует больших затрат энергии. Заполнение электронами МО, составляющих непрерывную энергетическуюзону, происходит в порядке возрастания энергии, согласно принципу Паули. Вкристалле натрия при образовании N MO, только N/2 MO будут занятыэлектронами, т.к. у атома Na на каждой валентной 3S АО находится по 1электрону, а на каждой МО будет располагаться по 2е с противоположнымиспинами. Совокупность энергетических уровней, занятых валентными электронами,составляет валентную зону. Энергетические уровни, незаполненные электронами, составляют зонупроводимости. В кристаллах проводников валентная зона находится в непосредственнойблизости 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 легкоперейти на свободные энергетические уровни зоны проводимости, чтообеспечивает высокую проводимость металлов. У изоляторов зона проводимости отделена от валентной зоны большимэнергетическим барьером (>4эВ). Валентные электроны не могут попасть в зонупроводимости 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. Принизких температурах они проявляют свойства изоляторов. С повышениемтемпературы энергия валентных электронов возрастает и становитсядостаточной для преодоления запрещённой зоны. Происходит переносэлектрических 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 нихнаходится по 2 электрона (см. рис.2) Рис2. Собственная проводимость После получения кванта энергии связь между этой парой электроновнарушается и один электрон покидает валентную зону, переходя зонупроводимости. В валентной зоне на его месте остаётся вакансия (+)-дырка.При наложении внешнего электрического поля электроны, перешедшие в зонупроводимости, перемещаются к А(+), в валентной зоне электрон, находящийсярядом с дыркой (+), занимает её место, появляется новая дырка и т.д. Такимобразом, дрейф электрона к А(+) эквивалентен дрейфу дырки к К(-). Электропроводность, обусловленная одновременным участием впроводимости е и р, называется собственной или электронно-дырочнойпроводимостью (n – p) типа. Для каждого полупроводника собственнаяпроводимость наступит при разных величинах температур, которые тем выше,чем больше величина запрещённой зоны полупроводника. В настоящее времяизвестно 13 кристаллических модификаций простых веществ обладающихполупроводниковыми свойствами. Они находятся в главных подгруппах 3 – 7групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. 3-я группа – В; 6-я группа – S, Se, Te; 4-я группа – S, Si, Ge, Sn; 7-я группа – I. 5-я группа – P, As, Sb, Bi; В кристаллах простых веществ этих элементов ковалентный или близкий кнему характер химической связи. Ширина запрещённой зоны зависит отпрочности ковалентной связи и структурных особенностей кристаллическихрешёток полупроводника. К полупроводникам с узкой запрещённой зоной относятся Sn(серое), Р –чёрный, Те. Заметный перенос электронов в зону проводимости наблюдается ужеза счёт лучистой энергии. К полупроводникам с широкой запрещённой зоной относятся Bi, Si – дляосуществления проводимости требуется мощный тепловой импульс; для Салм. - (-облучение. Получить идеальный кристалл как естественным, так и искусственнымпутём практически невозможно. Кристаллы, как правило, имеют дефекты в видеструктурных нарушений или примесей атомов других элементов. Дефектыкристаллов приводят к усилению дырочной, электронной проводимости илипоявлению дополнительной ионной проводимости. Усиление примесной проводимости n-типа происходит, если в кристалле Geодин из атомов замещен атомом Р, на внешнем энергетическом уровне которогонаходится 5 валентных электронов, 4 из которых образуют ковалентные связи ссоседними атомами Ge, а один электрон находится на свободной орбитали уатома фосфора. При передаче кристаллу Ge небольшой энергии (4,4 кДж/моль)этот электрон легко отщепляется от примесного атома Р и проникает извалентной зоны через запрещённую зону в зону проводимости, т.е. служитпереносчиком тока. В целом же кристалл Ge остаётся электронейтральным(рис.3). Примеси в кристаллах, атомы которых способны отдавать электроны,усиливая электронную проводимость, называются донорами. По отношению к Ge,Si – это р-элементы 5-й группы, а также Аu и ряд других элементов. а) б) =Ge====Ge====Ge= =Ge====Ge====Ge= =Ge====P=====Ge= =Ge====Al====Ge= =Ge====Ge====Ge= =Ge====Ge====Ge= Рис.3 Примесная проводимость: а) n-типа; б) р-типа Усиление примесной проводимости р-типа происходит, если в кристалле Geили Si один из атомов замещён атомом Al, на внешнем энергетическом уровнекоторого находится только 3 электрона, то при образовании 4-х ковалентныхсвязей с атомами Ge образуется дефицит одного электрона в каждом узлекристаллической решётки, содержащей атом Аl (рис.3). При передаче кристаллу небольшой энергии (до 5,5 кДж/моль), атом Alзахватывает электрон с соседней ковалентной связи, превращаясь в (-)заряженный ион. На месте захваченного электрона образуется (+) дырка. Если поместить кристалл в электрическое поле, (+) дырка становитсяносителем заряда, а электрическая нейтральность атома сохраняется. Примеси в кристаллах полупроводников, атомы которых способны усиливатьв них дырочную проводимость, называются акцепторами. Для кристаллов Ge и Si – это атомы р-элементов 3-й группы, а также Zn,Fe и Mn. Таким образом, варьируя природой и концентрациями примесей вполупроводниках, можно получить заданную электрическую проводимость и типпроводимости. Широкое применение полупроводников привело к созданию сложныхполупроводниковых систем на основе химических соединений, чаще всего,имеющих алмазоподобную кристаллическую решётку: AlP, InSb, Cu2O, Al2O3,PbS, Bi2S3, CdSe и др. Дефекты в реальных кристаллах могут возникать не только в результатепримесей атомов других элементов, но и теплового движения частиц,формирующих кристалл. При этом атомы, молекулы или ионы покидают свои местав узлах кристаллической решётки и переходят или в междоузлия или наповерхность кристалла, оставляя в решётке незаполненный узел – вакансию(см. рис 4). а) о о о О б) о о о о о о о о о о о О о о о о о о о о о о о о о о о Рис.4 усиление проводимости при наличии дефектов кристаллов: а) выход частиц из узла решётки на поверхность кристалла; б) выход частиц из узла решётки в междоузлие. Точечные дефекты в ионных кристаллах существенно влияют на ихпроводимость. Под действием электрического поля ближайший к вакансии ионпереходит на её место, в точке его прежнего местоположения создаётся новаявакансия, занимаемая в свою очередь соседним ионом. Подобные “перескоки”ионов реализуются с большой частотой, обеспечивая ионную проводимостькристалла. 1.5. Индивидуальное задание 1) Какие связи имеются в кристаллах, образованных элементами с порядковым номером 40, 2, 82? Какие свойства характерны для этих кристаллов? 2) Чем отличается структура кристаллов As и Zn от структуры кристалла Zn3As2? Какие свойства характерны для этих веществ в кристаллическом состоянии? 3) Охарактеризовать полупроводниковые свойства кристалла Вт. Как изменятся эти свойства, если кристалл содержит примеси: Zn; Sb. Вопрос №1 Порядковый 2 40 82 номер элемента Находим в Периодической Не Zr Рb Системе гелий цирконийсвинец Электронные конфигурации элементов: S n=1 (( S-элемент,типичный неметалл, тронной орбитали 2 электрона не обладает химической активностью - d-элемент, металл(на внешнем энергетическом уровне 2 электрона)четыре валентных электрона …. S p d n=4 (( (((((( (( n=5 (( – ввозбуждённом состоянии82Pb s pn=6 (( ((( — р-элемент, металл; на внешнем энергетическом уровне 4электрона; два – неспаренных; в возбуждённом состоянии – четыре неспаренныхэлектрона. В кристаллическом состоянии: Не – ковалентных связей не образует, так как энергетический уровеньполностью заполнен спаренными электронами. При образовании химическихсвязей в кристалле Не атомы связаны друг с другом слабыми Ван-дер-Ваальсовыми силами (силы межмолекулярного взаимодействия). Тип кристалла –молекулярный – с низкой механической прочностью, низкой температуройплавления, способностью к возгонке (низкая энергия связи),неэлектропроводен и нетеплопроводен (изолятор). Zr – в кристалле циркония небольшое число валентных электронов навнешнем уровне обусловливает металлической связи. Металлическаякристаллическая решётка циркония прочна, непрозрачна, образуетметаллический блеск, способна деформироваться без разрушения, обусловливаеттепло- и электропроводные свойства, высокую твёрдость и температуруплавления. Pb – четыре электрона на внешнем уровне при большом радиусе атомаобусловливает металлическую связь между атомами в кристалле. Металлическаякристаллическая решётка свинца пластична, непрозрачна, тёмно-серого цвета(металл), со средней (для металлов) температурой плавления, металл тепло- иэлектропроводен. Вопрос №2 As Zn Zn3As2As – мышьяк с конфигурацией внешних электронов ns np: s pn=4 (( ((( По “правилу октета” в кристалле у As координационное число 3 – каждыйатом образует 3 ковалентных связи от 3-х соседних атомов. Ковалентнаякристаллическая решётка отличается высокой температурой плавления,твёрдостью и механической прочностью; полупроводниковые свойства. Zn – металл, d-элемент с конфигурацией внешних электронов . Металлическая кристаллическая решётка характеризуетсяковкостью и пластичностью, непрозрачностью, тепло- и электропроводимостью.Кристаллы синеватого цвета с металлическим блеском. Zn3As2 – кристалл ковалентного типа с (ЭО связи Zn-As(0,2При обычных условиях Zn3As2 изолятор, но при повышении температурыпоявляются полупроводниковые свойства за счёт 2s электронов мышьяка,преодолевших запрещённую зону и перемещённых в зону проводимости. Малаяполярность связи придаёт соединению Zn3As2 специфические для ковалентныхсоединений свойства. Вопрос №3 В(тв) примеси Zn(тв) и Sb(тв) Распределение электронов по энергетическим уровням атома бора:5В ; n=2 (( ( s pв возбуждённом состоянии: n=2 ( (( - три неспаренных электрона – одиннеспаренный s-электрон переходит в р-орбиталь, образуется тетрагональнаякристаллическая структура с полупроводниковыми свойствами типа . Ширина запрещённой зоны 1,58 эВ ((150кДж/моль). Полупроводники проводят электрический ток тогда, когда частьэлектронов из валентной зоны приобретают достаточную энергию, чтобыпреодолеть запрещённую зону и перейти в зону проводимости. У бораэлектрический ток переносится электронами в зоне проводимости (феномен – сувеличением температуры электропроводимость возрастает, т.к. растётконцентрация носителей тока). В месте электронов, перешедших в зонупроводимости, образовались вакансии (дырки (+)), обеспечивающие дырочнуюпроводимость в валентной зоне. Примесь Zn: s p ; n=4 (( В возбуждённом состоянии у цинка два неспаренных (s- np-) электрона. Вузлах кристаллической решётки полупроводника, где находятся атомы цинка,наблюдается дефицит одного электрона при образовании ковалентных связей сбором. При возбуждении кристалла атом цинка захватывает недостающийэлектрон с соседней ковалентной связи, приобретая избыточный отрицательныйзаряд (–). В месте захваченного электрона образуется вакансия (+) дырка,обеспечивающая проводимость р-типа. Примесные атомы Zn являются акцепторамиэлектронов. Примесь Sbт: s p d ; n=5 (( ((( На внешнем энергетическом уровне находятся 5 электронов. Три из нихобразуют ковалентные связи с атомами бора в кристалле; при возбуждениикристалла два Sb-электрона могут перейти в зону проводимости, обеспечивэлектронную проводимость n-типа. Атомы сурьмы являются донорами. Числоэлектронов, увеличивающих электронную проводимость, возрастают сувеличением температуры: , где А – предэксионциальныймножитель, (Е – ширина запрещённой зоны, k – постоянная Больцмана; Т – температура в шкале Кельвина.Примеси, изменяющие концентрацию носителей тока в полупроводнике, должныбыть строго дозированы.-----------------------[pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic][pic]

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconКурсовой проект По дисциплине Инновационная деятельность На тему:...

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconЗадачи: Образовательные: • Изучить состав, строение, физические и...
...

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconКурсовой Проект. На тему: ‘ Проектирование Сетей’

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconКурсовой проект на тему «Сборка червячного редуктора»

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconКурсовой проект на тему: «Структурный анализ объекта»

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconКурсовой проект на тему: «Налоговое стимулирование лизинговых операций»

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconКурсовой проект на тему: «проектирование внутригородских почтовых сообщений»

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconКурсовой проект на тему: “Ответственность руководителя при прур”

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconКурсовой проект на тему: «становление правового государства в украине»

Курсовой проект на тему: «Строение и свойства вещества» iconТема урока: Углерод: строение и свойства
Цели урока: создать условия для становления знаний об особенностях строения атома углерода, закрепления знаний о зависимости свойств...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<