Valência e estrutura cristalina

Valência: Os elétrons na camada mais externa, ou camada de valência, são conhecidos como valência elétrons. Esses elétrons de valência são responsáveis ​​pelas propriedades químicas dos elementos químicos. São esses elétrons que participam das reações químicas com outros elementos. Uma regra química simplificada aplicável a reações simples é que os átomos tentam formar uma camada externa completa de 8 elétrons (dois para a camada L). Os átomos podem doar alguns elétrons para expor uma camada completa subjacente. Os átomos podem aceitar alguns elétrons para completar a camada. Esses dois processos formam íons a partir de átomos. Os átomos podem até mesmo compartilhar elétrons entre os átomos na tentativa de completar a camada externa. Este processo forma ligações moleculares. Ou seja, os átomos se associam para formar uma molécula

Condutor

Por exemplo, os elementos do grupo I:Li, Na, K, Cu, Ag e Au têm um único elétron de valência. (Figura abaixo) Todos esses elementos têm propriedades químicas semelhantes. Esses átomos entregam prontamente um elétron para reagir com outros elementos. A capacidade de doar facilmente um elétron torna esses elementos excelentes condutores.



Elementos do grupo IA da tabela periódica:Li, Na e K, e elementos do grupo IB:Cu, Ag e Au têm um elétron na camada externa, ou valência, que é prontamente doada. Elétrons da camada interna:Para n =1, 2, 3, 4; 2n ² =2, 8, 18, 32.

Isolador

Elementos do grupo VIIA:Fl, Cl, Br e I têm 7 elétrons na camada externa. Esses elementos aceitam prontamente um elétron para preencher a camada externa com 8 elétrons completos. (Figura abaixo) Se esses elementos aceitarem um elétron, um íon negativo é formado a partir do átomo neutro. Esses elementos que não abrem mão de elétrons são isolantes.



Elementos VIIA do grupo da tabela periódica:F, Cl, Br e I com 7 elétrons de valência aceitam prontamente um elétron em reações com outros elementos.

Por exemplo, um átomo de Cl aceita um elétron de um átomo de Na para se tornar um Cl ^- íon conforme mostrado na Figura abaixo. Um íon é uma partícula carregada formada a partir de um átomo ao doar ou aceitar um elétron. À medida que o átomo de Na doa um elétron, ele se torna um íon Na +. É assim que os átomos de Na e Cl se combinam para formar NaCl, sal de cozinha, que na verdade é Na ⁺ Cl ^- , um par de íons. O Na ⁺ e Cl ^- carregando cargas opostas, atraiam um ao outro.



O átomo de sódio neutro doa um elétron ao átomo de cloro neutro, formando Na + e Cl - íons.

O cloreto de sódio cristaliza na estrutura cúbica mostrada na Figura abaixo. Este modelo não está em escala para mostrar a estrutura tridimensional. O Na ⁺ Cl ^- na verdade, os íons são empacotados de maneira semelhante a camadas de bolinhas de gude empilhadas. A estrutura de cristal cúbico facilmente desenhada ilustra que um cristal sólido pode conter partículas carregadas.

Elementos do grupo VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe possuem 8 elétrons na camada de valência. (Figura abaixo) Ou seja, a camada de valência está completa, o que significa que esses elementos não doam nem aceitam elétrons. Nem participam prontamente de reações químicas, uma vez que os elementos do grupo VIIIA não se combinam facilmente com outros elementos. Nos últimos anos, os químicos forçaram Xe e Kr a formar alguns compostos; no entanto, para o propósito de nossa discussão, isso não é aplicável. Esses elementos são bons isolantes elétricos e são gases em temperatura ambiente.



Os elementos do Grupo VIIIA:He, Ne, Ar, Kr, Xe são praticamente inativos, uma vez que a camada de valência está completa.

Semicondutores

Os elementos do grupo IVA:C, Si, Ge, tendo 4 elétrons na camada de valência, como mostrado na Figura abaixo, formam compostos ao compartilhar elétrons com outros elementos sem formar íons. Esta ligação de elétrons compartilhada é conhecida como ligação covalente . Observe que o átomo central (e os outros por extensão) completou sua camada de valência compartilhando elétrons. Observe que a figura é uma representação 2-d de ligação, que na verdade é 3-d. É neste grupo, IVA, que temos interesse pelas suas propriedades semicondutoras.



(a) Elementos do grupo IVA:C, Si, Ge tendo 4 elétrons na camada de valência, (b) completar a camada de valência compartilhando elétrons com outros elementos.

Estrutura de cristal: A maioria das substâncias inorgânicas forma seus átomos (ou íons) em uma matriz ordenada conhecida como cristal . As nuvens externas de elétrons de átomos interagem de maneira ordenada. Mesmo os metais são compostos de cristais no nível microscópico. Se uma amostra de metal recebe um polimento óptico, então é gravado com ácido, o microscópico microcristalino A estrutura é mostrada como na Figura abaixo. Também é possível comprar, a um custo considerável, espécimes de monocristal metálicos de fornecedores especializados. O polimento e gravação de tal espécime não revela nenhuma estrutura microcristalina. Praticamente todos os metais industriais são policristalinos. A maioria dos semicondutores modernos, por outro lado, são dispositivos de cristal único. Estamos principalmente interessados ​​em estruturas monocristalinas.



(a) Amostra de metal, (b) polido, (c) gravado com ácido para mostrar a estrutura microcristalina.

Muitos metais são macios e facilmente deformados pelas várias técnicas de usinagem. Os microcristais são deformados na usinagem. Além disso, os elétrons de valência são livres para se mover ao redor da rede cristalina e de um cristal para outro. Os elétrons de valência não pertencem a nenhum átomo em particular, mas a todos os átomos.

A estrutura de cristal rígida na Figura abaixo é composta por um padrão de repetição regular de íons Na positivos e íons Cl negativos. Os átomos de Na e Cl formam Na ⁺ e Cl ^- íons transferindo um elétron de Na para Cl, sem elétrons livres. Os elétrons não são livres para se mover na estrutura do cristal, uma diferença em comparação com o metal. Nem os íons são gratuitos. Os íons são fixados na estrutura do cristal. Porém, os íons são livres para se mover se o cristal de NaCl for dissolvido em água. No entanto, o cristal não existe mais. A estrutura regular e repetitiva se foi. A evaporação da água deposita o Na ⁺ e Cl ^- íons na forma de novos cristais conforme os íons de carga oposta se atraem. Os materiais iônicos formam estruturas cristalinas devido à forte atração eletrostática dos íons de carga oposta.



Cristal de NaCl com cadeia cúbica Semicondutores no Grupo 14 (anteriormente parte do Grupo IV) formam um padrão de ligação tetraédrica utilizando os elétrons orbitais sep em torno do átomo, compartilhando ligações de pares de elétrons com quatro átomos adjacentes. (Figura abaixo (a)). Os elementos do grupo 14 têm quatro elétrons externos:dois em um orbital s esférico e dois em orbitais p. Um dos orbitais p está desocupado. Os três orbitais p hibridizam com o orbital s para formar quatro sp ³ orbitais moleculares. Essas nuvens de quatro elétrons se repelem em um espaçamento tetraédrico equidistante em torno do átomo de Si, atraídas pelo núcleo positivo, conforme mostrado na Figura abaixo.



Um s-orbital e três elétrons p-orbitais hibridizam, formando quatro sp ³ orbitais moleculares.

Cada átomo semicondutor, Si, Ge ou C (diamante) está quimicamente ligado a quatro outros átomos por ligações covalentes , ligações eletrônicas compartilhadas. Dois elétrons podem compartilhar um orbital se cada um tiver números quânticos de spin opostos. Assim, um elétron desemparelhado pode compartilhar um orbital com um elétron de outro átomo. Isso corresponde à Figura sobreposta abaixo (a) das nuvens de elétrons, ou ligação. A figura abaixo (b) é um quarto do volume da célula unitária da estrutura do cristal de diamante mostrada na Figura abaixo na origem. As ligações são particularmente fortes no diamante, diminuindo em força indo para baixo do grupo IV ao silício e germânio. O silício e o germânio formam cristais com uma estrutura de diamante.



(a) Ligação tetraédrica do átomo de Si. (b) leva a 1/4 da célula unitária cúbica

O diamante célula unitária é o bloco de construção básico do cristal. A figura abaixo mostra quatro átomos (escuros) ligados a outros quatro dentro do volume da célula. Isso é equivalente a colocar um da Figura acima (b) na origem da Figura abaixo e, em seguida, colocar mais três nas faces adjacentes para preencher todo o cubo. Seis átomos caem no meio de cada uma das seis faces do cubo, mostrando duas ligações. As outras duas ligações a cubos adjacentes foram omitidas para maior clareza. Dos oito cantos do cubo, quatro átomos se ligam a um átomo dentro do cubo. Onde os outros quatro átomos estão ligados? Os outros quatro se ligam a cubos adjacentes do cristal. Lembre-se de que, embora quatro átomos de canto não mostrem ligações no cubo, todos os átomos dentro do cristal estão ligados em uma molécula gigante. Um cristal semicondutor é formado a partir de cópias dessa célula unitária.

Si, Ge e C (losango) formam um cubo intercalado com a face centrada.



O cristal é efetivamente uma molécula. Um átomo se liga covalente a quatro outros, que por sua vez se ligam a quatro outros, e assim por diante. A estrutura cristalina é relativamente rígida, resistindo à deformação. Poucos elétrons se libertam para a condução ao redor do cristal. Uma propriedade dos semicondutores é que, uma vez que um elétron é liberado, um espaço vazio com carga positiva se desenvolve, o que também contribui para a condução.

REVER

• Os átomos tentam formar uma camada externa completa, valência, uma camada de 8 elétrons (2 elétrons para a camada mais interna). Os átomos podem doar alguns elétrons para expor uma camada subjacente de 8, aceitar alguns elétrons para completar uma camada ou compartilhar elétrons para completar uma camada.
• Os átomos geralmente formam matrizes ordenadas de íons ou átomos em uma estrutura rígida conhecida como cristal.
• Um átomo neutro pode formar um íon positivo doando um elétron.
• Um átomo neutro pode formar um íon negativo ao aceitar um elétron
• Os semicondutores do grupo IVA:C, Si, Ge cristalizam em uma estrutura de diamante. Cada átomo no cristal é parte de uma molécula gigante, ligada a quatro outros átomos.
• A maioria dos dispositivos semicondutores é fabricada a partir de cristais únicos.

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