TEORIA BENZILOR: MODEL ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Teoria benzilor este una care definește structura electronică a solidului în ansamblu. Poate fi aplicat pe orice tip de solid, dar este în metale unde se reflectă cele mai mari succese ale sale. Conform acestei teorii, legătura metalică rezultă din atracția electrostatică dintre ionii încărcați pozitiv și electronii mobili din cristal.

Prin urmare, cristalul metalic are o "mare de electroni", care poate explica proprietățile sale fizice. Imaginea de mai jos ilustrează legătura metalică. Punctele violet ale electronilor sunt delocalizate într-o mare care înconjoară atomii de metal încărcați pozitiv.

„Marea de electroni” este formată din contribuțiile individuale ale fiecărui atom de metal. Aceste intrări sunt orbitale atomice. Structurile metalice sunt în general compacte; cu cât sunt mai compacte, cu atât interacțiunile dintre atomii lor sunt mai mari.

În consecință, orbitalele lor atomice se suprapun pentru a genera orbitale moleculare foarte înguste. Marea de electroni nu este atunci altceva decât un set mare de orbitale moleculare cu diferite game de energii. Gama acestor energii constituie ceea ce este cunoscut sub numele de benzi de energie.

Aceste benzi sunt prezente în orice regiuni ale cristalului, motiv pentru care este considerat ca un întreg, și de aici vine definiția acestei teorii.

Model de bandă energetică

Când orbitalul s al unui atom metalic interacționează cu cel al vecinului său (N = 2), se formează două orbitale moleculare: una de legătură (bandă verde) și alta de anti-legătură (banda roșie închisă).

Dacă N = 3, acum sunt formate trei orbitale moleculare, dintre care cea mijlocie (banda neagră) nu este legată. Dacă N = 4, patru orbitale sunt formate și cel cu cel mai mare caracter de legătură și cel cu cel mai mare caracter anti-legătură sunt în continuare separate.

Gama de energie disponibilă pentru orbitalii moleculari se lărgește pe măsură ce atomii de metal din cristal contribuie orbitalii lor. Aceasta duce, de asemenea, la o scădere a spațiului energetic dintre orbitali, până în punctul în care se condensează într-o bandă.

Această bandă compusă din s orbitalele are regiuni cu energie redusă (cele colorate verde și galben) și energie mare (cele colorate portocaliu și roșu). Extremele sale energetice au densitate redusă; cu toate acestea, în centru majoritatea orbitalelor moleculare sunt concentrate (bandă albă).

Aceasta înseamnă că electronii „circulă mai repede” prin centrul benzii decât prin capetele ei.

Nivelul Fermi

Conductivitatea electrică constă apoi în migrarea electronilor de la o bandă de valență la o bandă de conducere.

Dacă diferența de energie dintre ambele benzi este foarte mare, aveți un solid izolant (ca în cazul B). Pe de altă parte, dacă acest decalaj este relativ mic, solidul este un semiconductor (în cazul C).

Când temperatura crește, electronii din banda de valență dobândesc suficientă energie pentru a migra spre banda de conducere. Aceasta duce la un curent electric.

De fapt, aceasta este o calitate a solidelor sau a materialelor semiconductoare: la temperatura camerei sunt izolante, dar la temperaturi ridicate sunt conductoare.

Semiconductori intrinseci și extrinseci

Conductorii intrinseci sunt cei în care distanța de energie dintre banda de valență și banda de conducere este suficient de mică pentru ca energia termică să permită trecerea electronilor.

Pe de altă parte, conductorii extrinseci prezintă modificări în structurile lor electronice după doparea cu impurități, care le crește conductivitatea electrică. Această impuritate poate fi un alt metal sau un element nemetalic.

Dacă impuritatea are mai mulți electroni de valență, poate furniza o bandă donatoare care servește ca o punte pentru ca electronii din banda de valență să poată traversa banda de conducere. Aceste solide sunt semiconductoare de tip n. Aici numele n provine din „negativ”.

În imaginea superioară, banda donatoare este ilustrată în blocul albastru chiar sub banda de conducere (Tip n).

Pe de altă parte, dacă impuritatea are mai puțini electroni de valență, furnizează o bandă de acceptare, care reduce distanța de energie dintre banda de valență și banda de conducere.

Electronii migrează mai întâi spre această bandă, lăsând în urmă „găuri pozitive”, care se deplasează în direcția opusă.

Deoarece aceste găuri pozitive marchează trecerea electronilor, solidul sau materialul este un semiconductor de tip p.

Exemple de teorie a bandelor aplicate

- Explicați de ce metalele sunt strălucitoare: electronii lor în mișcare pot absorbi radiațiile într-o gamă largă de lungimi de undă atunci când se ridică la niveluri de energie mai mari. Ele emit apoi lumină, revenind la niveluri inferioare ale benzii de conducere.

- Siliciul cristalin este cel mai important material semiconductor. Dacă o porție de siliciu este dopată cu urme ale unui element de grup 13 (B, Al, Ga, In, Tl), acesta devine un semiconductor de tip p. Întrucât dacă este dopat cu un element din grupa 15 (N, P, As, Sb, Bi), acesta devine un semiconductor de tip n.

- Dioda care emite lumina (LED) este un semiconductor de bord. Ce înseamnă? Că materialul are ambele tipuri de semiconductori, atât n cât și p. Electronii migrează de la banda de conducere a semiconductorului n la banda de valență a semiconductorului de tip p.

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Learning, p 486-490.
2. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (Ediția a patra., Pp. 103-107, 633-635). Mc Graw Hill.
3. Nave CR (2016). Teoria trupei a solidelor. Preluat pe 28 aprilie 2018, de la: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
4. Steve Kornic. (2011). Trecerea de la obligațiuni la benzi din punctul de vedere al chimistului. Preluat pe 28 aprilie 2018, de pe: chembio.uoguelph.ca
5. Wikipedia. (2018). Semiconductor extrinsic. Preluat pe 28 aprilie 2018, de pe: en.wikipedia.org
6. Byju'S. (2018). Teoria benzilor pe metale. Preluat pe 28 aprilie 2018, de la: byjus.com