Introduction to Chemistry

termen

• metalAny van een aantal chemische elementen in het periodiek systeem die een metaalbinding met andere metaalatomen vormen; meestal glanzend, enigszins buigbaar en hard, vaak een geleider van warmte en elektriciteit.
• moleculaire orbitaalhet kwantummechanische gedrag van een elektron in een molecuul dat de waarschijnlijkheid van de specifieke positie en energie van het elektron beschrijft; benaderd door een lineaire combinatie van atomaire orbitalen.
• voltagede hoeveelheid elektrostatische potentiaal tussen twee punten in de ruimte.

geleiders Versus isolatoren

een geleider is een materiaal dat beweegbare elektrische ladingen bevat. In metalen geleiders zoals koper of aluminium zijn de beweegbare geladen deeltjes elektronen. Positieve ladingen kunnen ook mobiel zijn, zoals de kationische elektrolyt (s) van een batterij of de mobiele protonen van de protongeleider van een brandstofcel. Isolatoren zijn niet-geleidende materialen met weinig mobiele ladingen; ze dragen slechts onbeduidende elektrische stromen.

bij het beschrijven van geleiders met behulp van het concept bandtheorie, is het het beste om zich te concentreren op geleiders die elektriciteit geleiden met behulp van mobiele elektronen. Volgens de bandtheorie is een geleider gewoon een materiaal dat zijn valentieband en geleidingsband overlapt, waardoor elektronen door het materiaal kunnen stromen met minimale spanning.

Bandtheorie

In de fysica van vaste stoffen beschrijft de bandstructuur van een vaste stof de energiebereiken, energiebanden genoemd, die een elektron in de vaste stof kan hebben (“toegestane banden”) en energiebereiken genaamd band gaps (“verboden banden”), die het mogelijk niet heeft. Bandtheorie modelleert het gedrag van elektronen in vaste stoffen door het bestaan van energiebanden te postuleren. Het gebruikt met succes de bandstructuur van een materiaal om vele fysische eigenschappen van vaste stoffen te verklaren. Banden kunnen ook worden gezien als de limiet van de moleculaire orbitale theorie.

de elektronen van een enkel geïsoleerd atoom bezetten atomaire orbitalen, die een discrete verzameling van energieniveaus vormen. Als meerdere atomen tot een molecuul worden samengevoegd, splitsen hun atomaire orbitalen zich in afzonderlijke moleculaire orbitalen, elk met een andere energie. Dit produceert een aantal moleculaire orbitalen evenredig aan het aantal valentie-elektronen. Wanneer een groot aantal atomen (1020 of meer) bij elkaar worden gebracht om een vaste stof te vormen, wordt het aantal orbitalen buitengewoon groot. Bijgevolg wordt het verschil in energie tussen hen zeer klein. Aldus, vormen de niveaus in vaste lichamen ononderbroken banden van energie eerder dan de discrete energieniveaus van de atomen in isolatie. Echter, sommige intervallen van energie bevatten geen orbitalen, vormen band hiaten. Dit concept wordt belangrijker in de context van halfgeleiders en isolatoren .

binnen een energieband kunnen energieniveaus om twee redenen als een bijna-continuüm worden beschouwd:

1. de scheiding tussen energieniveaus in een vaste stof is vergelijkbaar met de energie die elektronen voortdurend uitwisselen met fononen (atomaire trillingen).
2. deze scheiding is vergelijkbaar met de energieonzekerheid als gevolg van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg voor redelijk lange tijdsintervallen. Als gevolg hiervan is de scheiding tussen energieniveaus van geen belang.

geleiders

alle geleiders bevatten elektrische ladingen, die zich verplaatsen wanneer een elektrisch potentiaalverschil (gemeten in volt) wordt toegepast over afzonderlijke punten op het materiaal. Deze stroom van lading (gemeten in ampère) is wat wordt aangeduid als elektrische stroom. In de meeste materialen is de gelijkstroom evenredig met de spanning (zoals bepaald door de wet van Ohm), op voorwaarde dat de temperatuur constant blijft en het materiaal in dezelfde vorm en toestand blijft.

de meeste bekende geleiders zijn van metaal. Koper is het meest gebruikte materiaal voor elektrische bedrading . Zilver is de beste dirigent, maar het is duur. Omdat goud niet corrodeert, wordt het gebruikt voor hoogwaardige oppervlakte-tot-oppervlakte contacten. Er zijn echter ook veel niet-metalen geleiders, waaronder grafiet, oplossingen van zouten en alle plasma ‘ s. Er zijn zelfs geleidende polymeren.

thermische en elektrische geleidbaarheid gaan vaak samen. Bijvoorbeeld, de zee van elektronen zorgt ervoor dat de meeste metalen zowel als elektrische en thermische geleiders. Echter, sommige niet-metalen materialen zijn praktische elektrische geleiders zonder goede thermische geleiders.