ESTADO SÓLIDO lorainejacobs@utfpr.edu.br paginapessoal.utfpr.edu.br/lorainejacobs Profª. Loraine Jacobs
Ligações Metálicas Os metais são materiais formados por apenas um elemento e apresentam uma estrutura geométrica bem definida. Maleáveis, dúcteis, bons condutores de eletricidade e calor. Podem formar uma grande quantidade de ligas combinando-os com outros metais ou outros elementos da tabela periódica.
Ligações Metálicas Exemplos de Ligas Metálicas
Ligações Metálicas TEORIA DA NUVEM DE ELÉTRONS OU MAR DE ELÉTRONS Os átomos que perdem os elétrons se tornam cátions, mas eles podem logo receber elétrons e voltar a se tornar átomos neutros. Esse processo continua indefinidamente e, com isso, o metal se torna um aglomerado de átomos neutros e cátions mergulhados em uma nuvem ou mar de elétrons livres, essa nuvem que mantém os metais unidos, formando a ligação metálica.
Teoria da Nuvem ou Mar de Elétrons
Ligações Metálicas Os átomos dos metais se unem originando os denominados retículos ou reticulados cristalinos, que são redes ou grades nos quais cada átomo do metal está circundado por 8 a 12 outros átomos do mesmo elemento, sendo, portanto, as atrações iguais em todas as direções. Retículos mais comuns
Ligações Metálicas
Sólidos Metálicos Unidades que ocupam os pontos reticulares são íons positivos. Exemplo: metal sódio (íons Na + ocupam os pontos de um retículo cúbico) Cada Na + pode ser considerado como sendo o resultado da perda de um elétron por átomo de sódio, e os elétrons de todos os átomos de sódio formam uma nuvem gigante de elétrons que se espalha por todo o retículo. Estes elétrons não estão ligados a qualquer átomo, mas estão deslocalizados sobre o cristal, sendo chamados de elétrons livres. No sódio e em outros metais típicos existe um atração mútua entre os elétrons livres e os cátions estabiliza a estrutura e permite que sofra distorção sem esfarelar. Assim, o sódio e outros metais são moles e facilmente deformáveis.
Sólidos Metálicos Outros metais são duros ligação metálica complementada por ligações covalentes entre cátions adjacentes no retículo (Cr, W). Estas ligações covalentes tendem a manter estes íons presos no lugar, prevenindo assim deformação do retículo. PF varia consideravelmente devido às diferenças no grau da ligação covalente complementar. Os elétrons livres num metal são responsáveis por suas características condutividades elétrica e térmica.
Na Sn W Cr
Sólidos Metálicos Em princípio podemos imaginar uma molécula constituída de alguns elementos metálicos onde outros elementos do metal vão sendo adicionados para formar o metal. O que aconteceria com os orbitais moleculares? Como seriam os orbitais moleculares no limite da formação do metal? TEORIA DOS ORBITAIS MOLECULARES
Teoria dos Orbitais Moleculares Segundo a Teoria dos Orbitais Moleculares, a sobreposição de dois orbitais atômicos leva à formação de dois orbitais moleculares: um orbital molecular ligante, de menor energia, e um orbital molecular antiligante, de maior energia. Portanto: n OAs geram n Oms O segundo ponto importante é que o princípio da exclusão de Pauli implica em que cada OM pode ser ocupado por, no máximo, dois elétrons com seus spins emparelhados
Teoria dos Orbitais Moleculares ORBITAL LIGANTE ( + ) A energia do OM é menor que a energia dos OAs. O elétron que ocupa um orbital ligante tem uma probabilidade aumentada de ser encontrado na região internuclear, podendo interagir fortemente com ambos os núcleos. ORBITAL ANTILIGANTE ( - ) Quando a energia do OM é maior que a energia dos OAs temos um orbital antiligante. O elétron que ocupa um orbital antiligante tem uma probabilidade praticamente nula de ser encontrado na região internuclear.
Diagrama de Orbitais Moleculares Diagrama de níveis de energia para orbitais moleculares ligante e antiligante que podem ser obtidos a partir de dois orbitais s.
Sólidos Metálicos Como visualizar cada orbital sendo que, pertencendo ao mesmo elemento, as energias são muito próximas? Para os metais os orbitais moleculares serão considerados agrupados, chamando-se bandas. Orbitais ligantes Banda de Valência (BV) Orbitais antiligantes Banda de Condução (BC)
Sólidos Metálicos
Sólidos Metálicos Nível de Fermi Considerado o ZERO de energia para o estado sólido. Próximo a BV Bandgap Diferença de energia entre a BV e BC Energia necessária para que os elétrons pulem da BV para a BC
Sólidos e Condutibilidade Nível de Fermi Considerado o ZERO de energia para o estado sólido Banda de condução completa ou parcialmente cheia ou superposta Banda de condução vazia ~ 4 ev Banda de condução vazia > 4 ev Banda de valência completa Metais Banda de valência completa Semicondutores Banda de valência completa Isolantes
Isolantes Materiais nos quais não há facilidade de movimentação de cargas elétricas Banda de condução vazia > 4 ev Banda de valência completa Isolantes Ex: isopor, borracha, vidro
Semicondutores Podem ser classificados como defeitos puntuais (centros de impurezas) átomos, íons ou moléculas estranhos em pontos do retículo origina em alguns sólidos o fenômeno da semicondutividade. Um semicondutor é uma substância cuja condutividade elétrica aumenta como o aumento da temperatura.
Semicondutores Os semicondutores provocaram uma verdadeira revolução na tecnologia da eletrônica. Nenhum aparelho eletrônico atual, desde um simples relógio digital ao mais avançado dos computadores, seria possível sem os mesmos.
Semicondutores Metal normal aumento da temperatura: aumento na amplitude da vibração dos íons no cristal, limitando a liberdade de movimento dos elétrons deslocalizados condutividade do metal decresce. Metal semicondutor diminuição da temperatura: maioria dos elétrons ligados a átomos específicos fraco condutor de eletricidade. Metal semicondutor aumento da temperatura: Liberação de alguns elétrons que se movimentam aumento da condutividade elétrica (semicondutor intrínseco).
Semicondutores Formação de bandas separadas por Lacunas (Banda de Condução BC e Banda de Valênica BV ). Na temperatura 0 Kelvin BC totalmente vazia e a BV totalmente preenchida. Material sofre aquecimento elétrons saem da BV e passam para a BC.
Semicondutores
Semicondutores - Dopagem O fenômeno da semicondução pode ser provocado ou acentuado pela técnica da dopagem, isto é, adicionando traços de uma certa substância em outra. Exemplo: dopagem do Silício
Semicondutores - Dopagem Tipos de dopagem: Tipo N adição de impurezas doadoras (5 e - CV/ pentavalentes) formação e - livre (P, Sb, As, Bi) Formação de cristais de Si tipo N proporção de átomos de impureza: 1 parte em 10 milhões Adição de impurezas ocorrência de elétrons que não fazem parte da ligação covalente, possuindo maior liberdade para se movimentar.
Semicondutores - Dopagem Tipo P adição de impurezas aceitadoras (3 e - CV) formação de lacunas (B, Al, Ga, In, Tl) Formação de cristais de Si tipo P ausência de carga negativa se comporta como carga positiva (portador de carga) conduz corrente elétrica.
Semicondutores - Dopagem Tanto um cristal "P" quanto um cristal "N" se comportam como condutores, pois ambos possuem portadores de carga livre.