Typische Eigenschaften von Metallen

Transkript

1 Typische Eigenschaften von Metallen hohe elektrische Leitfähigkeit (nimmt mit steigender Temperatur ab) hohe Wärmeleitfähigkeit leichte Verformbarkeit metallischer Glanz

2 Elektronengas-Modell eines Metalls

3 Leitfähigkeiten und Widerstände einiger Elemente Leitfähigkeiten ( cm -1 ) und Widerstände (10-6 cm) Li 1.07 Be 3.08 R = U / I R = l / A = 1 / R = Widerstand U = Spannung I = Stromstärke l = Länge A = Querschnitt B* Na 3.25 Mg = spez. elektr. Widerstand = elektr. Leitfähigkeit Al K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga * 0 C

4 Widerstände zur Einteilung von Materialien Leiter Ha lbleiter Isolator ( cm) Kupfe r Eisen Germanium Silicium Glas Hartgummi Quarz metallisch leitfähige Polymere Metalle: S/m, Halbleiter: S/m, Isolatoren: S/m 1 Siemens = 1 /

5 Verformbarkeit von Metallen Verformung

6 Im Vergleich: Salze Bruch

7 Andere Eigenschaften von Metallen Härte Schmelz- und Siedepunkte Dissoziationsenergien... lassen sich nicht mit dem Elektronengasmodell erklären!

8 Das Wasserstoffmolekül, H 2 1s Energie 1s 1s 1s 1s 1s

9 Warum gibt es kein Diheliummolekül, He 2? Energie 1s 1s 1s 1s Bindende und antibindende Wechselwirkungen heben sich genau auf!

10 Das Dilithium-Molekül, Li 2 y _ x antisymmetrische Kombination (, -) Energie _ s 2s s 2s BO y symmetrische Kombination (, ) x

11 Das Energiebändermodell Li Li 2 Li 3 Li 4 Li 5 Li n

12 Welche Elektronenübergange sind möglich Spinumkehr nicht möglich evtl.spinumkehr nicht möglich

13 Das Energiebänder-Modell - Beryllium-Metall 2p 2p Leitungsband 2s 2s Valenzband 1s 1s n x Li Li n n x Be Be n

14 Bandbreite Energie Mg Na Leitungsband Valenzband 3p 3s 2p 2s wächst mit der Energie der Atomorbitale mit der KZ der Metallatome mit abnehmenden Abstand der Atome vollständig besetzte Bänder 1s Atom-Atom-Abstand [pm]

15 Besetzungsdichte Zahl der Zustände mit der Energie E besetzte Zustände unbesetzte Zustände Elektronenenergie E

16 Fermi-Energie Energie Leitungsband Fermi-Energie Valenzband

17 Temperaturabhängigkeit des Energiegehaltes Energie Elektronengas E F klassisches Gas 0 K Temperatur

18 Atomisierungsenthalpien Atomisierungsenthalpie [kj/mol] Ba K Rb Cs La Y Sr Ca Ta Hf Zr Ti Sc Nb V W Mo Tc Ru Cr Re Mn Fe Os Rh Co Ir Ni Pd Pt Ag Au Cu Zn Cd Hg Ga 4. Periode 5. Periode 6. Periode Ge In Sn Tl Pb As Sb Bi Ordnungszahl

19 Schmelzpunkte W Schmelzpunkt [ C] Ca Sr K Rb Cs Hf Zr Sc Y Ti La Ba Ta Mo Nb V Cr Re Tc Mn Os Ir Ru Rh Fe Co Ni Pt Pd Ag Cu Au Cd Hg Zn Tl 4. Periode 5. Periode 6. Periode Ge Pb In Sn Ga Sb As Bi Ordnungszahl

20 Metallatomradien Atomradius [pm] Rb K Cs Ba Sr 4. Periode 5. Periode 6. Periode Ca Sc La Y Zr Hf Ta Nb W Mo Re Os Tc Ti Ru Rh Ir V Cr Mn Fe Co Tl In Au Hg Cd Pt Pd Ag Zn Ga Ni Cu Pb Sn Ge Bi Sb As Ordnungszahl

21 Dichten Dichte [g/cm 3] Rb Cs K Ba 4. Periode 5. Periode 6. Periode Ca La Sr Y Sc Hf Zr Ti Ta Nb V W Mo Cr Os Ir Re Pt Ru Rh Pd Tc Co Ni Fe Mn Au Hg Tl Pb Ag Cd Bi In Cu Sn Sb Zn Ga As Ge Ordnungszahl

22 Energiebänder eines Isolators Leitungsband Bandlücke vollständig mit Elektronen besetztes Valenzband

23 Energiebänder des Diamanten 3n 2p- Atomorbitale unbesetztes Energieband aus 2n antibindenden - Molekülorbitalen 4n sp3- Hybridorbitale Bandlücke n 2s- Atomorbitale vollständig mit Elektronen besetztes Energieband aus 2n bindenden - Molekülorbitalen

24 Bandlückenbreite und Metallcharakter (Gruppe 14) Metallcharakter 6 C Si Ge Sn Pb E g E = 5.2 ev g E = 1.09 ev g E = 0.60 ev g E = 0.08 ev g E = 0 ev g Valenzband Leitungsband

25 Einteilung von Festkörpern in Abhängigkeit ihrer Bandlücke E [ev] g 5 Isolatoren Nichtleiter Photohalbleiter thermische Halbleiter Halbmetalle Metalle Halbleiter Leiter

26 Elektrische Leitung in Halbleitern - Eigenhalbleiter e e e n-leitung e e e p-leitung

27 Ausgewählte Beispiele von Eigenhalbleitern Festkörper Farbe E g [ev] wird leitfähig durch Titanoxid (TiO 2 ) farblos 3.1 UV-Licht Cadmiumsulfid (CdS) gelb 2.60 sichtbares Licht Quecksilbersulfid (HgS) rot 2.1 sichtbares Licht Cadmiumtellurid (CdTe) schwarz 1.6 thermische Anregung Galliumarsenid (GaAs) schwarz 1.43 thermische Anregung Silicium dunkelgrau-glänzend 1.09 thermische Anregung Germanium grauweiß-glänzend 0.60 thermische Anregung

28 Fremdhalbleiter p-leitung n-leitung In 0.11 ev As 0.04 ev Wechselwirkung Akzeptorniveau Elektronenabgabe Donatorniveau

29 Halbleiter - Einige Beispiele Art des Halbleiters III/V-Halbleiter II/VI-Halbleiter I/VII-Halbleiter Beispiele BN, AlN, AlP, GaN, GaP, GaAs, InSb ZnO, ZnS, CdS, CdSe, HgS, HgSe, HgTe CuCl, CuI, AgI, AuBr