Примеры решения задач

Пример 1. Какой тип кристаллической решетки характерен для твердого простого вещества, образованного элементом с порядковым номером 22?

Решение. По ПСЭ Д.И. Менделеева определяем элемент с данным порядковым номером и составляем его электронную формулу.

Титан .

Титан является d-элементом, на внешнем уровне содержит два электрона. Является типичным металлом. В кристалле титана между атомами, имеющими на внешнем валентном уровне два электрона, возникает металлическая связь. Энергия кристаллической решетки ниже энергии решетки ковалентных кристаллов, но значительно выше, чем у молекулярных кристаллов. Кристалл титана обладает высокой электро- и теплопроводностью, способен деформироваться без разрушения, обладает характерным металлическим блеском, имеет высокую механическую прочность и температуру плавления.

Пример 2. Чем отличается структура кристалла от структуры кристаллов и ? Какие виды связей существуют в кристаллах этих веществ? Как это влияет, а их свойства?

Решение. Электронная формула: .

– типичный металл, s-элемент, имеет на внешнем энергетическом уровне два валентных электрона. Образует металлическую кристаллическую структуру с выраженным металлическим типом связи. Обладает металлическим блеском, электро- и теплопроводностью, пластичен.

Электронная формула: , – типичный неметалл, р-эле­мент, на внешнем энергетическом уровне имеет только один неспаренный электрон, что недостаточно для образования прочных ковалентных кристаллов. Атомы фтора связаны ковалентной связью в двухатомные молекулы, которые образуют молекулярный кристалл за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Он непрочен, легко возгоняется, обладает низкой температурой плавления, изолятор.

При образовании кристалла между атомами и образуется ионная связь, поскольку разница в электроотрицательности между ними достаточно велика DОЭО = 3,3 (табл. 29). Это приводит к образованию ионного кристалла. Вещество растворимо в полярных растворителях. При обычных температурах является изолятором, при повышении температуры усиливаются точечные дефекты кристалла (за счет теплового движения ионы покидают узлы кристаллической решетки и переходят в междоузлия или на поверхность кристалла). Когда кристалл попадает в электрическое поле, наблюдается направленное перемещение ионов к вакансии, образованные ушедшим ионом. Тем самым обеспечивается ионная проводимость кристалла .

Пример 3. Охарактеризуйте полупроводниковые свойства кристалла . Как изменятся эти свойства при наличии примеси ?

Решение. Записываем электронную формулу кремния:
. Кремний является р-элементом, типичным неметаллом.

При возбуждении один 3s-электрон переходит на 3р-подуровень (на свободную 3р-орбиталь). У атома кремния появляется четыре неспаренных электрона. При образовании кристалла образуется четыре молекулярных орбитали. 2/3 молекулярных орбитали занимают валентные электроны (по два электрона на каждой молекулярной орбитали), образуя валентную зону. Свободные молекулярные орбитали образуют зону проводимости. Данные молекулярные орбитали обладают более высоким уровнем энергии. При передаче кристаллу энергии (теплового облучения), часть валентных электронов распаривается, покидает валентную зону, переходит в зону проводимости. На их месте образуется дырка. Когда кристалл помещают в электрическое поле, к аноду наблюдается дрейф электронов, к катоду.

Таким образом, кристалл – полупроводник, обладающий собственной электронно-дырочной проводимостью.

Если в кристалле присутствуют примеси атомов , электронная формула которого ([ ] 5d¹⁰6S²6p³), на внешнем энергетическом уровне находятся пять электронов.

В узле кристалла , где находится атом , появляется свободный электрон, не связанный ковалентной связью с четырьмя соседними атомами кремния. При передаче такому кристаллу небольшой энергии, этот электрон легко отщепляется от примесного атома и переходит из валентной зоны в зону проводимости, усиливая электронную проводимость кристалла кремния.

Примесные атомы висмута являются донорами. Происходит усиление примесной проводимости n-типа.