1 Fizyka Ciała Stałego Ciała stałe można podzielić na:Amorficzne, brak uporządkowania, np.. szkła. Krystaliczne, o uporządkowanym ułożeniu atomów lub molekuł tworzącym sieć krystaliczną. + Sieć krystaliczna Baza Struktura krystaliczna

2 Struktura krystalicznaStruktura amorficzna quartz

3 Kryształy Występuje tu uporządkowane ułożenie atomów tworzących sieć krystaliczną. Mamy 14 typów sieci krystalicznych różniących się komórkami elementarnymi. Powierzchniowo centrowana. Kubiczna Objętościowo centrowana.

4 Typy trójwymiarowych sieci krystalicznychmonoclinic a  b  c  =  = 90o   90o cubic a = b = c  =  =  tetragonal a = b  c  =  =  = 90o

5 orthorhombic a  b  c  =  =  = 90o trigonal (rhombohedral) a = b = c  =  =   90o hexagonal a = b  c  =  = 90o;  = 120o triclinic a  b  c       90o

6 Wiązania chemiczne Typy: Wiązania jonowe Wiązania kowalencyjneWiązania metaliczne Wiązania Van der Wallsa

7 Wiązania jonowe  Struktura elektronowa atomu Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5Powstają gdy następuje transfer ładunku od jednego atomu do drugiego * Dwa atomy tworzą w ten sposób układ dwu jonów o przeciwnych znakach * Typowym przykładem jest tu kryształ NaCl powstający w wyniku transferu elektronu z sodu do chloru  Struktura elektronowa atomu Na 1s2 2s2 2p6 3s1  Struktura elektronowa atomu Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Na Cl + –

8 Struktura krystaliczna NaClKomórka elementarna powierzchniowo centrowana. Każdy jon Na+ jest otoczony przez 6 jonów Cl-. Analogicznie, każdy jon Cl- jest otoczony przez 6 jonów Na+. Energia potencjalna zawiera zarówno część przyciągającą jak i odpychającą: a jest stałą ( stała Madelunga), a jej wartość dla NaCl wynosi 1.75; m jest małą liczbą naturalną. Dla położenia równowagi ro pomiędzy jonami: U0 jest energią kohezji, czyli energią na jeden jon potrzebną do „usunięcia” go z kryształu

9 Chlorek sodu sieć powierzchniowo centrowana z 14 atomami Cl i 13 atomami Na (1 w centrum i 12 na krawędziach) w „komórce” Ilość atomów w komórce elementarnej : 1 Na w center i 12 x 1/4 Na na krawędziach = 4 Na 8 x 1/8 Cl w narożnikach i 6 x 1/2 Cl na powierzchniach = 4 Cl Na4Cl4 czyli NaCl

10 Chlorek cezu Każdy atom Cl otoczony jest 8 atomami CsKażdy atom Cs otoczony jest 8 atomami Cl

11 Potencjał odpychający  1/rmWiązania jonowe Potencjał odpychający  1/rm Przyciągający potencjał kulombowski  -1/r Energia całkowita

12 Własności kryształów jonowychDuża energia kohezji (2-4 eV/ atom). Powoduje wysoką temperaturę topnienia i wrzenia. Niskie przewodnictwo elektryczne. Brak swobodnych elektronów. Przeźroczyste dla światła widzialnego. Energia pomiędzy najbliższymi poziomami większa niż 3 eV. Rozpuszczalne w wodzie. Dipole elektryczne wody przyciągają jony.

13 Molekuła H2 Tworzenie wiązania kowalencyjnego w molekule H2 Elektron w jednym atomie przyciągany jest przez jądro drugiego. Wiązanie tworzy się poprzez uwspólnienie elektronów

14 Dwie możliwości dla wartości całkowitego spinu spinu S elektronów. Molekuła H2 - wiązanie kowalencyjne Dwie możliwości dla wartości całkowitego spinu spinu S elektronów. a) Ułożenie równoległe S = 1/2 + 1/2 = 1 b) Ułożenie antyrównoległe S = +1/2 + (-1/2) = 0

15 Molekuła H2 - wiązanie kowalencyjneJeżeli spiny są takie same (S =1), dwa elektrony nie mogą być w tym samym miejscu ( zakaz Pauliego) w tym samym stanie energetycznym. Rozkład prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w środku między atomami równa się zeru W rezultacie atomy będą się odpychać i nie wystąpi wiązanie. chmura elektronowa gęstość prawdopodobieństwa

16 Molekuła H2 - wiązanie kowalencyjnechmura elektronowa gęstość prawdopodobieństwa Dla spinów przeciwnych (S = 0), oba elektrony mogą być w tym samym miejscu ( ich funkcje falowe mogą się przekrywać) . Oba elektrony mogą przebywać pomiędzy atomami, następuje uwspólnienie elektronów.

17 molekuła H2 2s 1s Molekuła H2 - wiązanie kowalencyjnewiążące Antywiążące molekuła H2 2 elektrony wiążące 0 antywiążących

18 system energy (H2) energy(eV) R0 parallel spin antiparallel spin8 6 energy(eV) 4 parallel spin 2 -2 antiparallel spin -4 -6 R0 0.1 0.2 0.3 0.4 nuclear separation (nm) system energy (H2)

19 Częściowo jonowe wiązanie kowalencyjne

20 Hybrydyzacja orbitaliTetraedr 109.5° atom węgla C 2s 2p Hybrydyzacja 2s 2p Energia sp3 1-s orbital + 3-p orbitale = sp3

21 Sieć diamentu

22 Sieć blendy cynkowej (ZnS, GaAs)

23 Właściwości ciał o wiązaniach kowalencyjnychTworzone za pomocą silnych, zlokalizowanych wiązań. Duża energia kohezji większa niż dla kryształów jonowych (4-7 eV/atom). Wysoka temperatura topnienia i wrzenia. Niskie przewodnictwo elektryczne.