IL LEGAME METALLICO

Circa il 75 % degli elementi

B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po, At

Bassa energia di ionizzazione e scarsa affinità elettronica

(Riflette la luce)

Ferro

Bassa energia di ionizzazione: facilità di estrazione degli e-

molecola gigante

Esagonale compatta (n.c. 12), cubica a facce centrate (n.c. 12), cubica a corpo centrato (n.c. 8).

Ne consegue che:

- Il legame tra un atomo e ciascuno dei suoi vicini non può essere considerato un legame covalente

localizzato vero e proprio (determinato dalla condivisione di una coppia elettronica), perché non

ci sarebbe un numero sufficiente di elettroni per formare legami di questo tipo;

- Gli elettroni di valenza non sono localizzati tra definite coppie di atomi , ma sono delocalizzati,

cioè uniformemente distribuiti fra tutti gli atomi del reticolo.

TEORIA DELLE BANDE

+ ++ +

++

++ +

+

Reticolo di cationi in un mare di elettroni

Teoria delle bande (fisico svizzero Felix Bloch)

Applicando l’equazione di Schrodinger ad una quantità di atomi metallici tendente a infinito, si ottiene una successione di livelli energetici orbitalici (approssimazione del legame forte): i livelli più bassi contengono elettroni e sono definiti bande di valenza, quelli a energia maggiore sono vuoti e rappresentano le bande di conduzione

Insieme infinito di orbitali molecolari: banda continua di livelli energetici

Numero di atomi di Na che formano il cristallo

N ≈ 1023

Formazione delle bande di energia in un cristallo di Na metallico.

La distribuzione degli e- nelle bande avviene cominciando dai livelli energetici più bassi (principio di esclusione di Pauli)

r0: distanza interatomica del reticolo cristallino del Na

Il modello a bande descrive le proprietà di conduttori o di isolanti dei solidi cristallini

(anche Cu, Ag, Au)

Bande di conduzione

• Gli e- sotto l’influenza di un campo elettrico si possono spostare nelle bande di conduzione generando quindi una corrente elettrica.

• All’aumentare della temperatura si osserva una diminuzione della conducibilità elettrica in quanto aumentano le vibrazioni degli atomi attorno alle loro posizioni di equilibrio, vibrazioni che disturbano il movimento degli elettroni.

• Lucentezza dei metalli: gli e-, avendo a disposizione un gran numero di livelli energetici, possono assorbire facilmente radiazioni luminose di tutte le frequenze, passando a livelli energetici superiori; successivamente riemettono la luce assorbita ricadendo a livelli energetici più bassi.

Schema semplificato di bande elettroniche di un semiconduttore. In teoria i livelli energetici possibili sono infiniti ma ad alti valori l'elettrone viene espulso. Le bande hanno ampiezza differente in

relazione agli orbitali atomici da cui derivano.

Diamante

Conducibilità elettrica trascurabile ma elevata conducibilità termica. L’energia termica non è trasmessa dagli elettroni ma dalle vibrazioni delle particelle.

Per gli elementi Sn e Pb (sempre del IV gruppo) il Gap energetico è ancora più piccolo, infatti le due bande si sovrappongono, presentando proprietà di

conduttori.

E

diamante silicio germanio stagno piombo

ISOLANTESEMICONDUTTORI

CONDUTTORI

h E

Campo elettrico

A differenza dei metalli, nei semiconduttori intrinseci la conducibilità elettrica aumenta con l’aumentare della temperatura, perché aumenta il numero di e- che per eccitazione termica vengono promossi dalla banda di

valenza a quella di conduzione.

Semiconduttori estrinseci (o drogati)

Si

Elementi del III gruppo (B, Al, Ga, In e Tl)

Elementi del V gruppo (P, As, Sb e Bi)

Esempio: Si + Ga (formazione di un solido sostituzionale)

Ga: 3 elettroni di valenza

Si: 4 elettroni di valenzaAd uno dei legami Ga-Si

manca un elettrone

Banda di conduzione

Banda di valenza

1.1 eV0.1 eV

Livello accettore

e- e- e- e-

In presenza di un campo elettrico si ha un movimento di cariche negative dalla banda di valenza ai livelli accettori, creando delle lacune positive nella

banda di valenza : SENICONDUTTORI ESTRINSECI DI TIPO p.

Esempio: Si + As

As: 5 elettroni di valenza

Si: 4 elettroni di valenzaPer uno dei legami As-Si

c’è un elettrone in eccesso

Banda di conduzione

Banda di valenza

1.1 eV

0.1 eVLivello donatore

e- e- e- e-

In presenza di un campo elettrico si ha un movimento di cariche negative nella banda di conduzione: SEMICONDUTTORI ESTRINSECI DI TIPO n

Determinano le proprietà chimiche e fisiche delle specie chimiche (quindi lo stato di aggregazione)

L’atomo di H fa da ponte tra due atomi

Struttura tetraedrica notevolmente aperta e quindi a densità

minore di quella dell’acqua allo stato liquido