Scriptum

32 Ge 2 2 6 2 6
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑

33 As 2 2 6 2 6
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑
34 Se 2 2 6 2 6
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑
35 Br 2 2 6 2 6
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑
2 6
↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓
atický popis:
b) Prvky s plně obsazenými vrstvami kromě valenční
azenými dvěma posledními vrstvami
i třemi posledními vrstvami (lantanidy – prvky vzácných zemin)
1.2
9
u
• Ele
nční elektrony; je definována jako afinita atomu
ve stabilní molekule k elektronové dvojici, která tvoří kovalentní a
t ou vazbu
9 vyjádření relativní elektronegativity
36 Kr 2 2 6
Stručný schém
Cu: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
1
Typy prvků
a) Inertní plyny – maximální dovolený počet elektronů na všech kvantových vrstvách
c) Prvky s plně neobs
d) Prvky s plně neobsazeným
.3 Vazební síly
Ionizační energie
práce nutná na odtržení nejvolněji vázaného elektronu od atomu, resp. iontu
•
• Elektroafinita prvk
9 množství energie, které se uvolní, jestliže se připojí volný elektron k neutrálnímu
atomu
ktronegativita
9 míra síly, kterou atom váže své vale
obsaženého
ion ov
X
1. ionizační energie elektroafinita+
=
elektronegativita Li

16 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně


Tabulk

a 1.3 Elektronové nit ioni ní e gie a ektr gati a prv
ionizační energie (eV) elektronegativita
afi y , zač ner el one vit ků
protonové
a
ačka

elektronová
finita (eV)
+E
číslo
zn
prvku
a
1 2 3 4 5 6 7 8 1 1
5, 9
E+

aulingův
m
P
systé

1 H 0,7 13,6 14,3 2,42 2,1
2 He 0 24,6 54,5 24,6 4,17 -
3 Li 0,5 5,4 75,6 122,4 5,9 1,00 1,0
4 Be 0 9,3 18,2 153,9 217,7 9,3 1,58 1,5
5 B 0,3 8,3 25,1 37,9 259,3 340,1 8,6 1,46 2,0
6 C 1,1 11,3 24,4 47,9 64,5 392,0 489,8 12,4 2,10 2,5
7 N 0,2 14,5 29,6 47,4 77,5 97,9 551,9 666,8 14,7 2,49 3,0
8 O 1,5 9,113,6 35,1 54,9 77,4 113,9 138,1 73 871,1 5 15,1 2,56 3,
9 F 3,6 17,4 35,0 62,6 87,2 114,2 157,1 185,1 953,6 21,0 3,56 4,0
10 Ne 0 21,6 41,1 64,0 97,2 126,4 157,9 - - 21,6 3,66 -
11 Na 0,7 5,1 47,3 71,7 98,9 133,6 172,4 208,4 264,2 5,8 0,98 0,9
12 Mg 0 7,6 15,0 80,1 109,3

141,2 186,9 225,3 266,0 7,6 1,29 1,2
13 Al 0,4 6,0 18,8 28,4 120,0 153,8 190,4 241,9 285,1 6,4 1,08 1,5
14 Si 1,9 8,1 16,3 33,4 5,1 166,7 205,1 246,4 303,9 10,0 1,69 1,8
15 P 0,8 11,0 19,7 30,2 51,4 65,0 220,4 263,3 309,3 11,8 2,00 2,1
16 S 2,1 10,4 23,4 35,0 47,3 72,5 88,0 281,0 328,8 12,5 2,12 2,5
817 Cl 3, 13,0 3,8 9,9 3,5 7,8 6,7 14,3 48,32 3 5 6 9 1 3 16,8 85 2, 3,0
18 Ar 0 15,8 27,6 0,9 9,8 5,0 1,3 24,0 43,5 ,8 68
19 4,3 - - 0,8
20
4 5 7 9 1 1 15 2, -
K -
Ca - 6,2 - - 1,0
Kontrolní otázky:
Vyjděte ze vztahů mezi kvantovými čísly a sestavte do tabulky všechny možné k1) vantové
kladě Pauliho principu výlučnosti a pravidla maximální multiplicity určete
Kapitola shrnuje informace o stavbě atomů a přibližuje jeho modelové uspořádání. Dále
vysvětluje uložení elektronů v elektronovém obalu a naznačuje způsob určení elektronové
konfigurace atomu.
stavy odpovídající hlavnímu kvantovému číslu n = 4.
2) Na zá
elektronovou konfiguraci železa (protonové číslo 26) a niklu (protonové číslo 28).
3) Definujte pojmy ionizační energie a elektronegativita prvku.
Shrnutí:
Materiály a technická dokumentace, část Materiály v elektrotechnice 17

1.3 Výstavba molekul
Cíl:
Seznámení s přehledem a praktickými příklady chemických a fyzikálních vazeb mezi atomy.
• Vznik chemické sloučeniny - proces vedoucí k minimu energie, a tím zvýšení stability
soustavy atomů.
• Největší stabilitu mezi prvky mají inertní plyny; stabilita se projevuje v neslučitelnosti.
• Atomy jiných prvků mají snahu odevzdáním nebo přijetím elektronů dosáhnout
elektronové konfigurace nejbližšího vzácného plynu.
1.3.1 Chemické vazby
• Chemické vazby
1. vazba iontová (heteropolární, elektrovalentní)
2. vazba kovalentní (homopolární, atomová)
3. vazba kovová
• Přechodné vazby
9 Přechodné chemické vazby mezi typy (1,2), (1,3), (2,3)
9 V prvém přiblížení platí:
- vazba iontová vzniká při reakci prvků typu kov/nekov
- vazba kovalentní vzniká při reakci prvků typu nekov/nekov
- vazba kovová vzniká při reakci prvků typu kov/kov
A.Vazba iontová
• Vazba meziatomární povahy, vedoucí ke vzniku iontových krystalů, složených vždy
z různých atomů.
• Charakter - izolant (NaCl, MgO, KBr)
• Příklad: NaCl - chlorid sodný (izolant)
Obsazení orbitů elektrony:

neutrální atomy
Na: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
1
Cl: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
5
ionty
Na
+
: 1s
2
2s
2
2p
6

Cl
-
: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
odpovídající inertní plyn
Ne: 1s
2
2s
2
2p
6
Ar: 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p










18 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Sodík (kov) Chlor (plyn)

NaCl

Obr. 1.2 Iontová vazba Na - Cl
• Iontovou vazbou vzniká krystal
9 charakteristika: vysoká pevnost a bod tání
9 plastická deformace iontového krystalu není možná, krystaly jsou křehké
9 roztavením iontového krystalu nebo jeho rozpouštěním ve vodě vzniká elektrolyt
(vodič II. třídy) v důsledku zvýšení pohyblivosti iontů

Obr. 1.3 Struktura iontového krystalu NaCl
B. Vazba kovalentní
Elektronové konfigurace nejbližšího vzácného plynu se dosáhne společným sdílením
elektronového páru.
Formální zápis: elektron - tečka, dvojice elektronů - čárka
Př ad: krystal diamantu (izolant)
•
•
• íkl

čné sdílení elektronů u kovalentní vazby Obr.1.4 Spole





Materiály a technická dokumentace, část Materiály v elektrotechnice 19


C : C : C : C
. . . . . . . .
C : C C : C :
. . . . . . . .
C : C : C : C
. . . . . . ..
C : C : C : C

Obr.1.5 Struktura atomového krystalu diamantu

alentní vazby dochází pouze mezi takovými dvěma atomy, které obsahují
ným
ním oblaků jednotlivých atomů. Čím větší překrytí, tím pevnější vazba a větší
•
by mohou být pouze v určitých směrech a jejich počet je omezen,
říznačná směrovost a sytnost.
íce k atomu
zniká permanentní dipólový moment vazby. V molekule se
vektorově, molekula může být nepolární i
když obsahuje polární vazby.
a. Vaz
• pod atomů
ají překrytím různých orbitů
• ce;
•
9 elektronová konfigurace uhlíku (Z = 6)
C: 1s
2
2s
2
2p
2

1s
2
2s
2
2px
1
2py
tím orbitu s a tří orbitů p, tzv. vazba hybridní typu sp
• Ke vzniku kov
nespárované elektrony s opačnými spiny.
vantové mechaniky dochází k vytvoření kovalentní vazby vzájem• Podle k
překrývá
energie vazby.
Důsledky:
9 Kovalentní vaz
proto je pro kovalentní vazbu p
9 Polarita kovalentní vazby
• K čisté kovalentní vazbě dochází pouze u atomů se stejnou elektronegativitou, tj. stejných
prvků. Při rozdílu elektronegativit je sdílená dvojice posunuta v
elektronegativnějšímu. V
jednotlivé dipólové momenty vazeb sčítají
ba dativní
typ kovalentní vazby,kdy sdílenou dvojici elektronů dodává pouze jeden z
• příklad:
polovodiče A
III
B
V
, resp. A
II
B
VI

InSb , GaAs
b. Hybridizace vazeb
• vazby vznik
vzniklé vazby energeticky výhodnější než vazby, které by vznikly bez hybridiza
všechny vazby jsou si energeticky rovnocenné a nelze je vzájemně rozlišit
příklad: uhlík (diamant)
1
→ 1s
2
2s
1
2px
1
2py
1
2pz
1

vazba vzniká překry
3
C. Vazba kovová
• Většina prvků (77 %) má kovový charakter s příznačnými vlastnostmi - tvárnost, vysoká
mechanická pevnost, vysoká elektrická a tepelná vodivost.
• Mechanismus vazby vytváření pohyblivých nestabilních dvojic elektronů s opačnými
spiny

20 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

•
é elektrony“) v silovém poli kationtů
Důsledky:
9 migrující elektronový plyn („společně sdílen
9 nejstabilnější bude taková struktura, při které každý atom bude obklopen největším
množstvím sousedních atomů

Obr.1.6 Struktura kovového krystalu - schematicky
1.3.2 Fyzikální vazby
valentní, van der
ny na elektrostatických silách působících mezi částmi molekul (molekula navenek
rostřednictvím indukovaných dipólů
c) vazba vodíkovým můstkem
9 u sloučenin, kde je atom vodíku vázán na silně elektronegativní prvek (C - H, O - H,
N - H) a na atomu tohoto prvku existuje volný elektronový pár
zby,
, že dvojice elektronů je umístěna blízko
druhého atomu
na konci molekuly je proton, který se váže se záporně nabitou částí sousední molekuly
ým můstkem se někdy uvádí jako druhá,vedlejší valence
však nejsou ekvivalentní. Hlavní - kovalentní vazba je
Kon
1) Uve te
2) íkladech naznačte vznik iontové a kovalentní vazby.
Shrnut
k azba mezi atomy a je uveden přehled a popis nejdůležitějších
che naznačen na praktických
příklad

• Fyzikální vazby - mezimolekulární vazby (vazby sekundární, ne
Waalsovy)
• Založe
elektricky neutrální)
• Typy:
a) vazba mezimolekulární
b) vazba p
9 elektron vodíku je součástí kovalentní va
9 značný rozdíl elektronegativit způsobí
9
9 příklad: voda - vytváří tetraedrickou strukturu; objem v tuhé fázi větší, než v kapalné
9 vazba vodíkovými můstky pevnější, než ostatní mezimolekulární vazby
Poznámka:
Mezimolekulární vazba vodíkov
vodíkového atomu.Obě vazby
energeticky mnohem silnější.
trolní otázky:
ď přehled chemických a fyzikálních vazeb.
Na praktických př
í:
V apitole je definován pojem v
mických a fyzikálních vazeb. Vznik vybraných vazeb je
ech.

Materiály a technická dokumentace, část Materiály v elektrotechnice 21

1.4 ní tuhé látky
Cíl:
Vysvětl í krystalického stavu látek. Seznámení se stavbou krystalických látek,
přehledem krystalografických soustav včetně vztahů mezi mřížkovými parametry. Objasnění
pojmu ru ckých poruch.
1.4 hých látek
• Sta l
av
uspořádání částic v prostoru
9
řádání částic v prostoru
• Kry al
9 vět kovová skla)
z hlediska termodynamiky stabilnější
• Kry al
9 hla
-
pie vlastností
9
- lik různých krystalických forem
9 s
- al se snaží vyrovnat svůj povrch do hladkých rovin - v místě nerovností jsou
ích částic
9
9
lity, krystalová zrna), která mají vzájemně zcela
náhodně orientovanou krystalovou mříž
- vykazuje poruchy
•
spořádání částic (podchlazená kapalina, kapalina
stí
Krystalické a amorf
en amorfního a
po cha krystalové mříže a seznámení s přehledem krystalografi
.1 Struktura tu
vy átek v tuhém skupenství
9 krystalický st
- pravidelné
amorfní stav
- nepravidelné uspo
st ický a amorfní stav
šinou pouze rozdílné stavy téže látky (př.
9 krystalický stav
st ické látky
vní znaky krystalů
pravidelný geometrický tvar
- anizotro
- bod tavení
polymorfie
stejná látka může mít něko
rů t krystalu
kryst
nejvýhodnější podmínky pro připojování dalš
monokrystal
- krystalografický jedinec, v celém objemu shodná krystalová mříž
látka polykrystalická
- skládá se z řady krystalů, (krysta
9 reálný krystal
▪ chemického složení
▪ geometrického uspořádání
Amorfní látky
9 hlavní znaky amorfních látek
- naprosto nepravidelné u
iskozitou) s nekonečnou v
- izotropie vlastno

22 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

- schopnost přecházet z tuhého do kapalného skupenství bez přesně určené teploty
epelných, mechanických a dalších
vlastnostech
- příklady: anorganická skla
p
1 sifikace a str talů
A. Klasifikace krystalů p ké a f by
Částice, které svým prostorovým rozložením tvoří krystal, mohou být :
b) n
c) k
d) kladné a záporné ionty (NaCl)
e) m
• Che
pře kolika druhů vazeb v krystalu.
9
Tabulka 1.4 Klasifikace krystal ické vazby

tání
9 reálná amorfní látka (reálně nekrystalická látka)
- pouze určité přiblížení amorfnímu stavu
- vždy určitý stupeň pravidelnosti uspořádání částic na krátké vzdálenosti
- podíl krystalická/amorfní fáze rozhoduje o t
lasty
.4.2 Kla uktura krys
odle druhu chemic yzikální vaz
•
a) neutrální atomy stejného prvku (diamant)
eutrální atomy různých prvků (karbid Si)
ladné ionty (kovy)
olekuly (naftalen)
mické vazby mezi jednotlivými částmi mohou být rozmanité.
Vyskytují se jednak základní chemické vazby (iontová, kovalentní, kovová), vazby
chodného typu, vazby fyzikální i kombinace ně
Podle druhu vazby se rozlišují atomové, iontové, kovové a molekulové krystaly.
ů podle chem
krystaly vazba stavební prvky

iontové iontová ionty
atomové kovalentní atomy
kovové kovová kationty
molekulové van der Waalsova molekuly

9 Kry e druhy vazeb se
vazby a z toho
V p ěkterých krystalů dochází k rozdílnému zařazení (kupř. SiO
2
či Al
2
O
3

9
ů k uložení částic podle valenčních úhlů kovalentních vazeb
9 Princip nejtěsnejšího uspořádání:
staly s přechodným typem vazby nebo s několika vyskytujícími s
zařazují ke skupině, které se charakterem přechodného typu
vyplývajícími vlastnostmi více přibližují.
Poznámka:
řípadě n
bývají zařazovány buď jako iontové nebo atomové krystaly)
Při vzniku krystalu se u všech typů krystalů ukládají základní částice tak, aby energie
soustavy byla minimální. Toho lze dosáhnout:
1. u iontových, kovových a molekulových krystalů uložením částic podle principu
nejtěsnějšího uspořádání
2. u atomových krystal
Materiály a technická dokumentace, část Materiály v elektrotechnice 23

- nejpravděpodobnější a proto nejstálejší bývá obvykle to uložení iontů, atomů či
ice vyplňují co nejtěsněji prostor krystalu
la považují za tuhé koule; platí to zejména v případě

řížka prostorové centrovaná
těsnějšího
at pojmu
ice. Kupř.
yskytuje se nejčastěji jednoduchá krychlová mřížka
dinačním číslem 6 a prostorově centrovaná krychlová mřížka CsCl
B.
•
•
ato
tvrd
stra
• Dru odifikací C je grafit
rstevnatá struktura se spojením atomů uhlíku do šestiúhelníků
-10
C.
• ytují při vazbě dvou atomů o velkém rozdílu
elek o upiny periodické soustavy
odifikace ZnS - sfalerit a wurtzit
• ; v těchto krystalech se
9 vazba SiO, kterou lze považovat za
řemičitanech je každý atom křemíku spojen se 4 atomy
kyslíku, které jsou kolem centrálního atomu umístěny ve vrcholech čtyřstěnu - svoji
užívají atomy kyslíku ke kovalentní vazbě s dalším
é vazbě s atomem kovu
molekul, při němž tyto část
- stavební částice se zpravid
iontů, jejichž silové pole má kulovou souměrnost
- relativní objem krystalu vyplněný atomy
- podle teoretických výpočtů potvrzených experimentem dosahuje se v případě
stejných průměrů iontů nejtěsnějšího uspořádání dvěma způsoby:
a) uložením iontů v krychlové mřížce plošné centrované (74 %)
b) uložením iontů v nejhustší šesterečné mřížce (74 %)
- ostatní druhy struktur jsou méně těsné; krychlová m
(68 %)
9 V případě iontů, rozdílnýc polaritou a velikostí, vede princip nejh
uspořádání k jiným strukturám. V tomto případě je namístě použív
c, které jsou nejbližššími sousedy dané částkoordinačního čísla - počet části
při stejném počtu + a - iontů v
NaCl s koor
s koordinačním číslem 8.
Atomové krystaly
Ve svém typickém tvaru se vyskytují při vazbě stejných atomů
9 příklady: C (diamant ), Si, Ge
9 v krystalu je každý C, Si, Ge atom spojený se 4 svými sousedy, které jsou rozloženy
ve vrcholech čtyřstěnu s úhlem 109 28° mezi vazbami
V krystalu diamantu je energie každé vazby přibližně rovna energii jednoduché vazby C
mů v organických sloučeninách. Jde o vysokou energii, jejímž důsledkem je vysoká
ost, vysoká pevnost a vysoký - prakticky nedosažitelný bod tavení diamantu. Na druhé
ně je ovšem diamant křehký – při malém vzájemném posunutí atomů se kovalentní
vazby porušují.
hou krystalografickou m
9 příznačná je v
9 vzdálenost vrstev je 3,345.10 m
9 tři kovalentní vazby (šestiúhelníky); van der Waalsovy síly (mezi vrstvami)
9 významná elektronová vodivost
Iontové krystaly
Ve vés m typickém tvaru se vysk
- tedy prvků 1. a 7. sktr negativit
9 příklady: NaCl, dvě krystalické m
K iontovým krystalům se zpravidla řadí ještě krystaly křemičitanů
vyskytuje vazba iontová i kovalentní, pro vlastnosti krystalů je však rozhodující vazba
iontová
pro strukturu křemičitanů má hlavní význam
kovalentní, silné dipólovou; v k
druhou chemickou vazbu vy
atomem křemíku nebo k iontov

24 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

9 pro kře ch plošných nebo
D. Ko
•
jen
tů; vazba elektrony
•
ká směs drobných krystalů různých kovových prvků
9 pronikají atomy jednoho kovu do
ří
a o
s atomy vtěsnanými
b
9 malého průměru,
měru atomu základního kovu; v některých případech
i mřížka
nahrazenými atomy musí být příslušné průměry atomů přibližně
e vzniku pnutí v krystalu
E.
• t e molekuly
9 vy přitažlivé síly, resp. vazba vodíkovým můstkem
9 u mnohem menší než chemické vazební síly,
9 jí malou tvrdost, nízký bod tavení
9
-
- i vody)
)
F. Smíšené typy krystalů
• mi typy krystalů -
o až dvourozměrných struktur do
1.4.3
A. Ma
•
• K
• Základní prvky sym
9 řed soum
mičitany je charakteristické vytváření velkých lineární
prostorových komplexů
vové krystaly
Vyskytují se při vazbě stejných nebo různých atomů kovových prvků (ve valenčné vrstvě
málo slabě vázaných elektronů)
9 mříž kladných ion
9 vlastnosti odpovídající struktuře
- elektrická a tepelná vodivost
- tvárnost
U kovových slitin se může vytvořit
9 mechanic
tuhý roztok (směsný krystal); v tomto případě
m žky druhého kovu:
. d mezimřížkového prostoru
- tuhý roztok
. do uzlových bodů (záměna)
- tuhý roztok s atomy nahrazenými (substitučními roztoky)
v tuhých roztocích s vtěsnanými atomy musí být rozpuštěný prvek
zpravidla menší než 63% roz
těchto roztoků se může porušit
9 v tuhých roztocích s
stejné, aby nedošlo k
Molekulové krystaly
U ěchto krystalů tvoří základní částic
vazba: van der Waalso
fyzikální vazební síly jso
krystaly vykazu
příklady
krystaly inertních plynů při nízkých teplotách
led (zde mají velký význam vodíkové můstky mezi molekulam
- naftalen C
10
H
8
(patří mezi aromatické uhlovodíky
v reálných látkách se vyskytují i přechodné typy mezi výše uvedený
zpravidla jde o struktury vzniklé spojením jedn
trojrozměrných pomocí van der Waalsových nebo iontových vazeb
Geometrický popis krystalů
kroskopický pohled
Krystaly - typ tuhých (pevných) látek, přirozeně ohraničených rovnými plochami.
lasifikace krystalů podle geometrického tvaru vychází z prvků symetrie.
etrie krystalů
st ěrnosti
Materiály a technická dokumentace, část Materiály v elektrotechnice 25

9

vojčetné, trojčetné, čtyřčetné a šestičetné osy
• ti obsahuje krychle:
tředu, rovin souměrnosti rotačních os vedou ke 30 krystalogickým
včetně zcela asymetrického. Ve skutečnosti existuje
í. Zbývající dvě oddělení možno získat zavedením
do 7 krystalografických soustav,
ystémy
mi a, b, c
řadnými osami α, ß, γ
• ř ůže mít jistou strukturu a ve skutečnosti často představuje
• rystalů na
• Detaily stavby krystalové mřížky lze zjistit pomocí rentgenových, elektronových a
neutronových difrakčních metod.
B. Mikroskopický pohled
• Elementární krystalová buňka
9 objemově nejmenší rovnoběžnostěn, ze kterého je možno sestavit krystalovou mříž
krystalových buněk
zaplnění částicemi (předpoklad: částice ve tvaru
ychlová mřížka – 52 %
rovina souměrnosti
9 rotační osa
9 otočením o úhel 360/n přechází krystal do polohy souhlasné s výchozí - číslo n
může dosáhnout pouze hodnot 1, 2, 3, 4 a 6, tj. vedle osy indentické (n = 1)
existují pouze d
Největší počet prvků souměrnos
9 1 střed
9 9 rovin ( 3 rovnoběžně se stěnami, 6 rovnoběžně s diagonálami
9 3 os (3 čtyřčetné, 4 trojčetné, 6 dvojčetných)
• Možné kombinace s
oddělení (tříd),
32 krystalografických oddělen
dalšího o prvku souměrnosti - inverzní osy; n-četná