Introduzione alla Chimica

Termini

• Metalloqualsiasi di un certo numero di elementi chimici nella tavola periodica che formano un legame metallico con altri atomi di metallo; generalmente lucido, un po ‘ malleabile e duro, spesso un conduttore di calore ed elettricità.
• orbita molecolareil comportamento meccanico quantistico di un elettrone in una molecola che descrive la probabilità della particolare posizione e dell’energia dell’elettrone; approssimato da una combinazione lineare di orbitali atomici.
• tensionEla quantità di potenziale elettrostatico tra due punti nello spazio.

Conduttori contro isolanti

Un conduttore è un materiale che contiene cariche elettriche mobili. Nei conduttori metallici come rame o alluminio, le particelle cariche mobili sono elettroni. Le cariche positive possono anche essere mobili, come gli elettroliti cationici di una batteria o i protoni mobili del conduttore protonico di una cella a combustibile. Gli isolanti sono materiali non conduttori con poche cariche mobili; trasportano solo correnti elettriche insignificanti.

Nel descrivere i conduttori usando il concetto di teoria delle bande, è meglio concentrarsi sui conduttori che conducono l’elettricità usando elettroni mobili. Secondo la teoria delle bande, un conduttore è semplicemente un materiale che ha la sua banda di valenza e la banda di conduzione sovrapposte, consentendo agli elettroni di fluire attraverso il materiale con una minima tensione applicata.

Teoria delle bande

Nella fisica dello stato solido, la struttura delle bande di un solido descrive quelle gamme di energia, chiamate bande di energia, che un elettrone all’interno del solido può avere (“bande consentite”) e gamme di energia chiamate lacune di banda (“bande proibite”), che potrebbe non avere. La teoria delle bande modella il comportamento degli elettroni nei solidi postulando l’esistenza di bande energetiche. Utilizza con successo la struttura della banda di un materiale per spiegare molte proprietà fisiche dei solidi. Le bande possono anche essere viste come il limite su larga scala della teoria degli orbitali molecolari.

Gli elettroni di un singolo atomo isolato occupano orbitali atomici, che formano un insieme discreto di livelli di energia. Se diversi atomi sono riuniti in una molecola, i loro orbitali atomici si dividono in orbitali molecolari separati, ognuno con un’energia diversa. Questo produce un numero di orbitali molecolari proporzionali al numero di elettroni di valenza. Quando un gran numero di atomi (1020 o più) sono riuniti per formare un solido, il numero di orbitali diventa estremamente grande. Di conseguenza, la differenza di energia tra loro diventa molto piccola. Pertanto, nei solidi i livelli formano bande continue di energia piuttosto che i livelli di energia discreti degli atomi isolati. Tuttavia, alcuni intervalli di energia non contengono orbitali, formando lacune di banda. Questo concetto diventa più importante nel contesto dei semiconduttori e degli isolanti .

All’interno di una banda di energia, i livelli di energia possono essere considerati come un continuum vicino per due motivi:

1. La separazione tra i livelli di energia in un solido è paragonabile all’energia che gli elettroni scambiano costantemente con i fononi (vibrazioni atomiche).
2. Questa separazione è paragonabile all’incertezza energetica dovuta al principio di indeterminazione di Heisenberg per intervalli di tempo ragionevolmente lunghi. Di conseguenza, la separazione tra i livelli di energia non ha alcuna conseguenza.

Conduttori

Tutti i conduttori contengono cariche elettriche, che si muovono quando una differenza di potenziale elettrico (misurata in volt) viene applicata attraverso punti separati sul materiale. Questo flusso di carica (misurato in ampere) è ciò che viene indicato come corrente elettrica. Nella maggior parte dei materiali, la corrente continua è proporzionale alla tensione (come determinato dalla legge di Ohm), a condizione che la temperatura rimane costante e il materiale rimane nella stessa forma e stato.

I conduttori più familiari sono metallici. Il rame è il materiale più comune utilizzato per il cablaggio elettrico . L’argento è il miglior conduttore, ma è costoso. Poiché l’oro non si corrode, viene utilizzato per contatti superficie-superficie di alta qualità. Tuttavia, ci sono anche molti conduttori non metallici, tra cui grafite, soluzioni di sali e tutti i plasmi. Ci sono anche polimeri conduttivi.

Conducibilità termica ed elettrica vanno spesso insieme. Ad esempio, il mare di elettroni fa sì che la maggior parte dei metalli agisca sia come conduttori elettrici che termici. Tuttavia, alcuni materiali non metallici sono pratici conduttori elettrici senza essere buoni conduttori termici.