Valence et structure cristalline

Valence : Les électrons de la couche la plus externe, ou couche de valence, sont appelés valence électrons. Ces électrons de valence sont responsables des propriétés chimiques des éléments chimiques. Ce sont ces électrons qui participent aux réactions chimiques avec d'autres éléments. Une règle de chimie simplifiée applicable aux réactions simples est que les atomes essaient de former une couche externe complète de 8 électrons (deux pour la couche L). Les atomes peuvent céder quelques électrons pour exposer une coquille complète sous-jacente. Les atomes peuvent accepter quelques électrons pour compléter la coquille. Ces deux processus forment des ions à partir d'atomes. Les atomes peuvent même partager des électrons entre les atomes pour tenter de compléter la coque externe. Ce processus forme des liaisons moléculaires. C'est-à-dire que les atomes s'associent pour former une molécule

Chef d'orchestre

Par exemple, les éléments du groupe I :Li, Na, K, Cu, Ag et Au ont un seul électron de valence. (Figure ci-dessous) Ces éléments ont tous des propriétés chimiques similaires. Ces atomes cèdent facilement un électron pour réagir avec d'autres éléments. La capacité de donner facilement un électron fait de ces éléments d'excellents conducteurs.

Éléments du groupe IA du tableau périodique :Li, Na et K, et éléments du groupe IB :Cu, Ag et Au ont un électron dans la coquille externe, ou de valence, qui est facilement donné. Électrons de la couche interne :Pour n =1, 2, 3, 4 ; 2n ² =2, 8, 18, 32.

Isolateur

Éléments du groupe VIIA :Fl, Cl, Br et I ont tous 7 électrons dans la couche externe. Ces éléments acceptent facilement un électron pour remplir la coque externe avec 8 électrons complets. (Figure ci-dessous) Si ces éléments acceptent un électron, un ion négatif est formé à partir de l'atome neutre. Ces éléments qui ne cèdent pas d'électrons sont des isolants.

Éléments du groupe VIIA du tableau périodique :F, Cl, Br et I avec 7 électrons de valence acceptent facilement un électron dans les réactions avec d'autres éléments.

Par exemple, un atome Cl accepte un électron d'un atome Na pour devenir un Cl ^- comme le montre la figure ci-dessous. Un ion est une particule chargée formée à partir d'un atome en donnant ou en acceptant un électron. Comme l'atome de Na donne un électron, il devient un ion Na +. C'est ainsi que les atomes Na et Cl se combinent pour former NaCl, le sel de table, qui est en fait Na ⁺ Cl ^- , une paire d'ions. Le Na ⁺ et Cl ^- portant des charges opposées, s'attirent.

Un atome de sodium neutre donne un électron à un atome de chlore neutre formant Na + et Clé - ions.

Le chlorure de sodium cristallise dans la structure cubique illustrée à la figure ci-dessous. Ce modèle n'est pas à l'échelle pour montrer la structure tridimensionnelle. Le Na ⁺ Cl ^- les ions sont en fait entassés de la même manière que des couches de billes empilées. La structure cristalline cubique facilement dessinée illustre qu'un cristal solide peut contenir des particules chargées.

Éléments du groupe VIIIA :He, Ne, Ar, Kr, Xe ont tous 8 électrons dans la couche de valence. (Figure ci-dessous) C'est-à-dire que la couche de valence est complète, ce qui signifie que ces éléments ne donnent ni n'acceptent d'électrons. Ils ne participent pas non plus facilement aux réactions chimiques car les éléments du groupe VIIIA ne se combinent pas facilement avec d'autres éléments. Ces dernières années, les chimistes ont forcé Xe et Kr à former quelques composés, cependant, pour les besoins de notre discussion, cela n'est pas applicable. Ces éléments sont de bons isolants électriques et sont des gaz à température ambiante.

Éléments du groupe VIIIA :He, Ne, Ar, Kr, Xe sont en grande partie non réactifs puisque la coque de valence est complète.

Semi-conducteurs

Les éléments du groupe IVA :C, Si, Ge, ayant 4 électrons dans la couche de valence, comme le montre la figure ci-dessous, forment des composés en partageant des électrons avec d'autres éléments sans former d'ions. Cette liaison électronique partagée est connue sous le nom de liaison covalente . Notez que l'atome central (et les autres par extension) a complété sa couche de valence en partageant des électrons. Notez que la figure est une représentation en 2D de la liaison, qui est en fait en 3D. C'est à ce groupe, l'IVA, que nous nous intéressons pour ses propriétés semi-conductrices.

(a) Éléments du groupe IVA :C, Si, Ge ayant 4 électrons dans la couche de valence, (b) complète la couche de valence en partageant des électrons avec d'autres éléments.

Structure cristalline : La plupart des substances inorganiques forment leurs atomes (ou ions) dans un réseau ordonné connu sous le nom de cristal . Les nuages ​​électroniques externes d'atomes interagissent de manière ordonnée. Même les métaux sont composés de cristaux au niveau microscopique. Si un échantillon de métal est poli optiquement, puis gravé à l'acide, le microscopique microcristallin la structure montre comme dans la figure ci-dessous. Il est également possible d'acheter, à des frais considérables, des spécimens métalliques de monocristal auprès de fournisseurs spécialisés. Le polissage et la gravure d'un tel échantillon ne révèlent aucune structure microcristalline. Pratiquement tous les métaux industriels sont polycristallins. La plupart des semi-conducteurs modernes, en revanche, sont des dispositifs monocristallins. Nous nous intéressons principalement aux structures monocristallines.

(a) Échantillon de métal, (b) poli, (c) gravé à l'acide pour montrer la structure microcristalline.

De nombreux métaux sont mous et facilement déformés par les différentes techniques de travail des métaux. Les microcristaux sont déformés dans le travail des métaux. De plus, les électrons de valence sont libres de se déplacer dans le réseau cristallin et de cristal en cristal. Les électrons de valence n'appartiennent à aucun atome en particulier, mais à tous les atomes.

La structure cristalline rigide de la figure ci-dessous est composée d'un motif répétitif régulier d'ions Na positifs et d'ions Cl négatifs. Les atomes Na et Cl forment Na ⁺ et Cl ^- ions en transférant un électron de Na à Cl, sans électrons libres. Les électrons ne sont pas libres de se déplacer sur le réseau cristallin, une différence par rapport au métal. Les ions ne sont pas non plus libres. Les ions sont fixés en place dans la structure cristalline. Cependant, les ions sont libres de se déplacer si le cristal de NaCl est dissous dans l'eau. Cependant, le cristal n'existe plus. La structure régulière et répétitive a disparu. L'évaporation de l'eau dépose le Na ⁺ et Cl ^- ions sous forme de nouveaux cristaux car les ions de charge opposée s'attirent. Les matériaux ioniques forment des structures cristallines en raison de la forte attraction électrostatique des ions de charge opposée.

Cristal de NaCl ayant une str cubique Les semi-conducteurs du groupe 14 (anciennement partie du groupe IV) forment un motif de liaison tétraédrique utilisant les électrons orbitaux s et p autour de l'atome, partageant des liaisons de paires d'électrons avec quatre atomes adjacents. (Figure ci-dessous (a) ). Les éléments du groupe 14 ont quatre électrons externes :deux dans une orbitale s sphérique et deux dans des orbitales p. L'une des orbitales p est inoccupée. Les trois orbitales p s'hybrident avec l'orbitale s pour former quatre sp ³ orbitales moléculaires. Ces nuages ​​à quatre électrons se repoussent à un espacement tétraédrique équidistant autour de l'atome de Si, attirés par le noyau positif, comme le montre la figure ci-dessous.

Un électron orbital s et trois électrons p-orbital s'hybrident, formant quatre sp ³ orbitales moléculaires.

Chaque atome semi-conducteur, Si, Ge ou C (diamant) est chimiquement lié à quatre autres atomes par des liaisons covalentes , liaisons électroniques partagées. Deux électrons peuvent partager une orbitale si chacun a des nombres quantiques de spin opposés. Ainsi, un électron non apparié peut partager une orbitale avec un électron d'un autre atome. Cela correspond au chevauchement de la figure ci-dessous (a) des nuages ​​d'électrons, ou liaison. La figure ci-dessous (b) représente un quart du volume de la cellule unitaire de la structure cristalline du diamant illustrée dans la figure ci-dessous à l'origine. Les liaisons sont particulièrement fortes dans le diamant, diminuant en force en descendant du groupe IV au silicium et au germanium. Le silicium et le germanium forment tous deux des cristaux avec une structure en diamant.

(a) Liaison tétraédrique de l'atome de Si. (b) conduit à 1/4 de la maille cubique

Le diamant cellule unitaire est le bloc de construction de base en cristal. La figure ci-dessous montre quatre atomes (foncés) liés à quatre autres dans le volume de la cellule. Cela équivaut à placer l'un des éléments de la figure ci-dessus (b) à l'origine de la figure ci-dessous, puis à en placer trois autres sur des faces adjacentes pour remplir tout le cube. Six atomes tombent au milieu de chacune des six faces du cube, montrant deux liaisons. Les deux autres liaisons aux cubes adjacents ont été omises pour plus de clarté. Sur huit coins de cube, quatre atomes se lient à un atome dans le cube. Où sont liés les quatre autres atomes ? Les quatre autres se lient aux cubes adjacents du cristal. Gardez à l'esprit que même si les quatre atomes de coin ne montrent aucune liaison dans le cube, tous les atomes du cristal sont liés dans une molécule géante. Un cristal semi-conducteur est constitué de copies de cette cellule unitaire.

Si, Ge et C (losange) forment un cube entrelacé à faces centrées.

Le cristal est effectivement une molécule. Un atome se lie de manière covalente à quatre autres, qui à leur tour se lient à quatre autres, et ainsi de suite. Le réseau cristallin est relativement rigide et résiste à la déformation. Peu d'électrons se libèrent pour la conduction autour du cristal. Une propriété des semi-conducteurs est qu'une fois qu'un électron est libéré, un espace vide chargé positivement se développe, ce qui contribue également à la conduction.

RÉVISER

• Les atomes essaient de former une valence externe complète, une couche de 8 électrons (2 électrons pour la coque la plus interne). Les atomes peuvent donner quelques électrons pour exposer une coquille sous-jacente de 8, accepter quelques électrons pour compléter une coquille ou partager des électrons pour compléter une coquille.
• Les atomes forment souvent des réseaux ordonnés d'ions ou d'atomes dans une structure rigide appelée cristal.
• Un atome neutre peut former un ion positif en donnant un électron.
• Un atome neutre peut former un ion négatif en acceptant un électron
• Les semi-conducteurs du groupe IVA :C, Si, Ge cristallisent en une structure en diamant. Chaque atome du cristal fait partie d'une molécule géante, se liant à quatre autres atomes.
• La plupart des dispositifs semi-conducteurs sont fabriqués à partir de monocristaux.

FEUILLE DE TRAVAIL CONNEXE :

• Fiche de travail sur la conduction électrique dans les semi-conducteurs