5.2: ХІМ АТЛАС_2

Як це з'єднується: блок 2, лекції 10-20

Лекція 10: Форми молекул

Резюме

Ця лекція була присвячена моделі відштовхування електронної пари валентної оболонки (VSEPR). Ця модель дозволяє прогнозувати форми молекул — попередника для більш повного розуміння їх властивостей. VSEPR заснований на відштовхуванні електронів і дає найбільш стійкі структури як ті, які мінімізують ці відбиття. Щоб знайти представлення молекули VSEPR, виконайте наступні дії:

1. Написати структуру Льюїса
2. Класифікуйте кожну електронну пару як склеювання або незв'язування
3. Максимізувати поділ між доменами
4. Дайте більше місця для незв'язних доменів і склеювання доменів з більш високим порядком зв'язку

Сполучна пара (БП) електронів - це будь-які два електрони, які беруть участь в зв'язку. Подвійний зв'язок складається з 2 BP, а потрійний зв'язок складається з 3 BP. Одиночна пара (ЛП) електронів - це будь-які два електрони, які не є частиною зв'язку. Сила відштовхування між парами електронів, в порядку зростання, йде наступним чином: BP-BP, BP-LP, LP-LP. Також відштовхування одного БП менше, ніж у 2 Бп або 3 Бп.

Геометрії VSEPR безмежною хімією. Ліцензія: CC BY-SA. Цей вміст виключається з нашої ліцензії Creative Commons. Для отримання інформації див. https://ocw.mit.edu/fairuse.

Чому це важливо

Середня людина може розрізняти від 4 000 до 10 000 різних запахів. (Перш ніж ми схвильовані тим, наскільки це приголомшливо, врахуйте, що собака може пахнути від 10 до 100 тисяч разів краще, ніж людина!). Але що таке запах, з точки зору хімії? Смак і запах пов'язані між собою, і роздуми про те, що за ними йде корінням до стародавніх греків. Ніхто інший, як наш друг Демокріт (атомізм!) припускали, що смак речовини обумовлений формою його складових частинок. Він думав, що кислі частинки будуть гострими, оскільки вони відчували, що нападають на ваш рот, тоді як солодкі речі були зроблені з приємних м'яких форм. Хоча його міркування були досить простими, ідея про те, що смак і запах регулюються формою, була дивно передбачливою.

Швидко вперед 2500 років і ми тепер знаємо, що здатність до смаку і нюху працює через «рецепторні сайти» на мові і носі. Ось язик розбитий, показуючи рецептор сайт праворуч, і нижче, що є більшим видом рецептора сайту з різними частинами, позначені. Зверніть увагу, що сайт рецептора - це також те, що ми називаємо смаковим рецептором. Сигнали, які надходять з цього рецепторного ділянки в мозок через нервові волокна, визначають, що ви відчуваєте смак, причому сигнал глибоко залежить не тільки від складу самої молекули, але і від її форми.

Погляньте на дві молекули нижче: глюкозу, яка має солодкий смак, і хінін, який гіркий на смак. Їх хімія відрізняється, і спосіб зв'язку молекули з сенсорною клітиною має вирішальне значення, але те, як форма вписується в саму пору і впливає на орієнтацію молекули на сенсорній клітині, може бути однаково важливим. Якби ми не знали форми цих молекул, ми б виписали їх як прості 2D структури Льюїса, але саме ті 3D-фігури, які ви бачите на малюнку, які відрізняють їх смаки!

У випадку з молекулою карвону\(\mathrm{C}_{10}\mathrm{H}_{14}\mathrm{O}\), або, ми маємо ще більш яскравий приклад ролі форми на запах. Ця молекула утворює два дзеркальних зображення,\(\mathrm{R}\) позначені і\(\mathrm{S}\) на малюнку нижче. \(\mathrm{R}\)Форма пахне м'ятою, тоді як\(\mathrm{S}\) форма пахне кмином. Та ж точна хімія, різна форма, різний запах. Багато молекул можуть набувати двох подібних форм з дзеркальною симетрією, але це не те саме, і такі пари називаються енантіомерами. Насправді, поза молекулами енантіомери можуть бути чим завгодно. Ваші руки, наприклад, енантіомери. Якщо ви тримаєте їх обличчям один до одного, ви побачите, що вони мають дзеркальну симетрію, і якщо ви спробуєте обертати один навколо іншого, ви побачите, що ви не можете накладати їх. З цієї причини властивість мати дзеркальну симетрію, але не бути надзвичайною, називається рукодістю, або хиральністю. Той факт, що два енантіомери сприймаються як різні пахнуть, показує, що ці рецепторні клітини повинні містити хіральні групи, дозволяючи їм реагувати сильніше на один енантіомер, ніж на інший. Таким чином, як для молекули, що пахне, так і для молекул, які використовуються для паху, молекулярна форма тримає ключ!

Чому це працює

Настав час поговорити про ферменти. Це молекули, часто білки, складені в специфічний (і складний!) форми, які прискорюють хімічні реакції в організмі. Ферменти є абсолютно необхідними для багатьох найважливіших функцій нашого організму, включаючи дихання, травлення, м'язову та нервову функцію та багато іншого. У травленні роль молекули ферменту може прискорити необхідну реакцію в мільйон разів! Це дозволяє перетравлювати вечерю за години, а не тисячу років.

Ферменти працюють шляхом зв'язування з молекулами певним чином, і ви, можливо, вже здогадалися, що форма має вирішальне значення. Насправді, ще в 1894 році саме Нобелівський лауреат Еміль Фішер придумав модель «замок і ключ», щоб пояснити, як працюють ферменти. Ідея в цій моделі в значній мірі в тому, як це звучить: активна ділянка ферменту - це специфічна форма, і в нього впишеться тільки субстрат, як замок і ключ. Ось мультфільм, який проілюструє, як фермент ідеально вписується, через свою форму, в субстрат, надаючи субстрату силу, щоб реакції відбувалися швидше (також називається каталізом). Модель була оновлена протягом останніх 100 років, наприклад, щоб включити той факт, що сам субстрат і фермент є динамічними і можуть змінювати форму, коли вони взаємодіють, або що вплив навколишнього розчинника є важливим, але ключовою особливістю, що форма є вирішальною, залишається основоположним принципом. на які діють ферменти.

Як ви могли помітити, просто зайшовши в продуктовий магазин, є великий ринок нових продуктів з новими ферментами. У травленні бере участь так багато ферментів, як ліпази, які допомагають перетравлювати жири в кишкові. амілаза допомагає перетворити крохмалі на цукру. Мальтаза розбиває цукрову мальтозу на глюкозу (це, наприклад, в картоплі, макароні та пиві). Трипсин розщеплює білки на амінокислоти. Лактаза розщеплює лактозу, цукор в молоці, на глюкозу і галактозу, і далі і далі. Що виводить мене на ринок праці: тут, зокрема, харчова промисловість. Синтез і використання нових ферментів при приготуванні їжі спостерігали величезне зростання не тільки в травленні, але і в смаку і текстурі їжі, а також можливі економічні вигоди. Є багато робочих місць, пов'язаних з харчовою наукою (ознайомтеся з цією статтею на сторінках NatureJobs, який є класним сайтом, якщо ви його не бачили: https: //www.nature.com/naturejobs/science/articles/10.1038/nj7422 - 149a? WT.ecid = Природа Робота - 20121/106). Але робочі місця, пов'язані з ферментами, пов'язаними з їжею, також стосуються майбутнього самого людства. Як ми будемо годувати наше населення в майбутньому? Чи весь білок повинен бути рослинним? Або ми будемо їсти м'ясо комах? Або м'ясо, вирощене в лабораторії? Чи буде їжа надрукована на 3D-принтері, і чи будуть її обслуговувати роботи? Всі ці теми нещодавно отримали величезну кількість уваги, фінансування досліджень, призвело до стартапів, і великий інтерес з боку великих компаній, і все це заклинання робочих місць. Зокрема, роботи, пов'язані зі знаннями про ферменти, які врешті-решт функціонують лише через їх форми (VSEPR!).

Приклади проблем

1. Намалюйте структуру Льюїса\(\mathrm{H}_2 \mathrm{~N}-\mathrm{SH}\) та визначте геометрію VSEPR навколо (а) атома азоту та (б) атома сірки.

Відповідь

а) Геометрія навколо атома азоту: тригональна пірамідальна

б) Геометрія навколо атома сірки: зігнута

2. Визначте геометрію VSPER для кожного з наступних і передбачте, чи буде кожен з них полярним або неполярним

а)\(B F_3\)

Відповідь

\(B F_3\): Різниця в електронегативності N-F: полярні зв'язки. Тригональний планарний: диполі скасовують! неполярний

б)\(F O F\)

Відповідь

\(FOF\): Різниця в\(\mathrm{O}-\mathrm{F}\) електронегативності: дипольний момент: полярний

в)\(\mathrm{CCl}_4\)

Відповідь

\(\mathrm{CCl}_4\): Різниця в\(\mathrm{C}-\mathrm{Cl}\) електронегативності: дипольні моменти; тетраедрична структура: скасувати, так неполярно!

Лекція 11: Молекулярні орбіталі

Резюме

Молекулярна орбітальна теорія - це інструмент, який використовується для прогнозування форми та поведінки електронів, які поділяються між атомами. Дві або більше атомних орбіталів складаються разом, щоб створити лінійну комбінацію атомних орбіталів - метод LCAO - що дозволяє швидко характеризувати види зв'язків, що утворюються між двома атомами.

При додаванні атомних орбіталів вони можуть або конструктивно втручатися, утворюючи зв'язок, або можуть руйнівно втручатися, утворюючи антизв'язуючий стан. У молекулі стан зв'язку завжди нижчий за енергією, ніж відповідна атомна орбітальна, тоді як стан антитілінгу завжди вище. Молекулярні орбітальні\(\mathrm{MO}\) діаграми, або діаграми, є зручним інструментом візуалізації, щоб побачити, як електрони розподіляються між двома атомами: водень показаний праворуч як приклад.

Дві водневі\(1 \mathrm{~s}\) орбіталі об'єднуються, утворюючи\(\sigma_{1 s}\) зв'язок, який є нижчим за енергією і, отже, більш стабільним. Якби ми почали з гелію замість цього, було б чотири електрони, щоб розподілити: два утворювали б\(\sigma_{1 s}\) зв'язок, але інші два пішли б в\(\sigma_{1 s} *\) антизв'язуючий стан, ефективно скасуючи зв'язок.

Після розміщення електронів на\(\mathrm{MO}\) діаграмі можна обчислити порядок зв'язків:

\(B O=\dfrac{1}{2} \text { ( of } \mathrm{e}^{\prime} \text { in bonding orbitals }-\mathrm{e}^{\prime} \text { in anti-bonding orbitals) }\)

Сильніші облігації мають більш високі замовлення на облігації, і порядок облігацій повинен бути\(>0\) для того, щоб облігація взагалі існувала. Для нашого прикладу вище димер водню має\(\mathrm{BO}=1\), але димер гелію має\(\mathrm{BO}=0\). Це пояснює, чому водневий газ існує як\(\mathrm{H}_2\), але газ гелію складається з окремих атомів!

Якщо атом має p-орбіталі, а також s-орбіталі, можуть утворюватися додаткові зв'язки, звані зв'язками. Три p-орбітальні домени дають три види зв'язків, один\(\sigma\) і два:\(\sigma_{n p z}, \pi_{n p x}\), і\(\pi_{n p y}\), де\(\mathrm{n}\) відноситься до конкретного енергетичного рівня, що розглядається. Зверніть увагу, що\(\sigma\) зв'язки утворюють як для\(\mathrm{s}\) орбітального перекриття, так і для одного з\(\mathrm{p}\) орбітальних перекриттів: термін\(\sigma\) зв'язок означає, що зв'язок має циліндричну симетрію навколо осі зв'язку, що не стосується зв'язків. Anti-bonding\(\sigma^*\) і\(\pi^*\) стани також\(\mathrm{p}\) утворюються від -орбітальних\(\mathrm{MO}\) s Загальна\(\mathrm{MO}\) діаграма для\(\mathrm{p}\) -орбіталів показана ліворуч.

\(\mathrm{MO}\)s також можуть утворюватися з гетерогенних димерів: діють ті ж правила. Оскільки кожен з атомів має різні енергетичні рівні, пов'язані з його\(\mathrm{s}\) - і\(\mathrm{p}\) -орбіталями,\(\mathrm{MO}\) діаграма, утворена з використанням двох різних атомів, зазвичай перекошена, а зв'язки, які в результаті, є полярними ковалентними зв'язками. Атом, який є більш електронегативним, нижче за енергією. Це може бути корисно підрахувати кількість електронів на початкових атомних орбіталів і переконатися, що всі вони використовуються при заповненні\(\mathrm{MO}\) s Пам'ятайте, що якщо димер позитивно заряджений, він втратив електрон, і якщо він негативно заряджений, він отримав електрон: вони повинні бути враховані для, а також! Якщо один з атомів має більше електронів, ніж інший, як зв'язок між\(\mathrm{H}\) і\(\mathrm{Cl}\), надлишкові електрони утворюють незв'язні пари - так само, як і одинокі пари на діаграмах Льюїса, які ми малювали раніше. Якщо всі електрони на\(\mathrm{MO}\) діаграмі парні, то димер діамагнітний, але якщо є якісь електрони, залишені непарними, він парамагнітний. Для низькомолекулярних\(2 \mathrm{~s}\) димерів\(2 \mathrm{p}\) атомні орбіталі дуже близькі за енергією, і вони можуть взаємодіяти один з одним. Для димерів з меншим\(\mathrm{MW}\) ніж\(\mathrm{O}_2\),\(\pi_{2 p x, y}\) і\(\sigma_{2 p z}\) орбіталі перемикаються, і\(\pi_{2 p x, y}\) стани заповнюються першими.

Чому це важливо

Існує два способи відокремити макарони від окропу після того, як вона приготується. Один із способів - вилити суміш через друшляк або фільтр, щоб зберегти макарони з одного боку, пропускаючи киплячу воду. Інший - залишити його на плиті і дати всій воді закипіти. Кожен з цих методів поділу призводить до одного і того ж результату, але, як ви можете собі уявити, вони дуже різні. Я говорю не про те, як буде смакувати макарони (давайте проігноруємо цю частину), а про те, скільки енергії потрібно для виконання цього завдання поділу. Заливати через фільтр легко, швидко та ефективно, тоді як залишати горщик на плиті займе більше часу і вимагатиме набагато більше енергії.

Тепер зменшитися від макаронів до нано-пасти. Іншими словами, розмірна шкала молекул. Ми весь час відокремлюємо молекули одна від одної для найрізноманітніших промислових процесів. Насправді, якщо ми подивимось на споживання енергії в США, приблизно 1/3 його переходить у те, що смутно позначено «Промисловість». Але чи знаєте ви, що 40 відсотків цієї енергії для промисловості обслуговує лише один процес, розділяючи молекули? Причина того, що кількість настільки велика, полягає в тому, що ми використовуємо лише повільний та неефективний тепловий підхід, а не набагато ефективніший підхід до фільтра, щоб виконати розділення. Це колосальні 12 відсотків всієї енергії, що використовується в США, яка йде в кипіння однієї хімічної речовини від іншого.

Так чому ж ми не просто заливаємо ці хімічні речовини через нанофільтр, як це робимо з макаронами та друшляками? Якби ми перейшли з теплового поділу на фільтр, ми могли б заощадити до 90 відсотків цієї енергії! Причина, по якій ми цього не робимо, - це сам фільтр. Поточні фільтри ще не відповідають стандартам. З одного боку, у нас є фільтри, виготовлені з полімерів (матеріали, про які ми дізнаємося пізніше в семестрі), які можуть дуже добре відокремити найдрібніші молекули, але вони настільки делікатні, що їх не можна використовувати в суворих хімічних і термічних середовищах більшості промислових процесів. З іншого боку, у нас є фільтри, виготовлені з кераміки (матеріали з сильними іонними та/або ковалентними зв'язками), які є надзвичайно еластичними і можуть обробляти умови, але вони не можуть доходити до розмірів малих молекул, які потрібно розділити.

Отже, ми підійшли до наших молекулярних орбіталів, орбітального наповнення, і конкретного\(\mathrm{O}_2\) прикладу\(\mathrm{N}_2\) vs. Тому що одне з великих поділів, яке нам потрібно зробити в масивному масштабі, включає саме ці дві молекули. \(\mathrm{O}_2\)багато в повітрі (якщо ви не зайдете в закриту кімнату, запаліть свічку і почекайте 12 годин, як ми дізналися в лекції 2!) , але для багатьох застосувань нам потрібно\(\mathrm{O}_2\) в набагато вищих концентраціях, ніж його природний 21 відсоток у повітрі. Візьмемо для прикладу горіння: 78 відсотків\(\mathrm{N}_2\) у повітрі негативно впливає на процеси горіння, оскільки молекули азоту нагріваються під час реакції на дуже високі температури, що не тільки неефективно, але розпадається на токсичні гази оксиду азоту (\(\mathrm{NOx}\)). Збільшення кількості кисню та зменшення кількості азоту призводить до набагато більшої ефективності горіння, зниження шкідливих викидів та підвищення температури обробки. Ви, можливо, думаєте, що я говорю лише про переробку викопного палива, і так, це, безумовно, яскравий приклад нашого використання спалювання як суспільства, але отримання очищених\(\mathrm{O} 2\) молекул виходить далеко за межі, до застосування в медичній промисловості для очищення стічних вод до виробництва металу, щоб назвати лише кілька.

Відокремлення\(\mathrm{O}_2\) від\(\mathrm{N}_2\) користується настільки великим попитом у всьому світі, що воно виконується в кількості 31 мільярд кілограмів на рік. Оскільки поділ робиться неефективно за допомогою теплових процесів, в цьому випадку відбувається кріогенний, який охолоджує замість кипіння, але з тією ж метою використовується 47 тераБТу (британські теплові одиниці, або кількість теплової енергії, необхідної для підняття одного фунта води на один градус за Фаренгейтом) енергії на рік просто робити розлуку! Просто щоб було зрозуміло, це\(47,000,000,000,000\) Btu енергії, або якщо ви віддаєте перевагу\(13,774,340,298,094\) ват-годинам. Типове домогосподарство в США використовує близько 900 000 Ват-годин енергії на місяць, лише для довідки.

Як ми заощаджуємо до 90 відсотків масивної енергії, що використовується для відокремлення, переходячи\(\mathrm{O}_2\)\(\mathrm{N}_2\) від теплового поділу до підходу на основі фільтрів? Відповідь полягає в тих молекулярних орбіталів! Вони розповідають нам про зв'язок кожної молекули та взаємодію молекул з ще не винайдені фільтруючими матеріалами, які могли б поєднувати найкраще з обох світів від полімерних до керамічних матеріалів. \(\mathrm{MO}\)S,\(\mathrm{N}_2\) а\(\mathrm{O}_2\) також говорять нам, що ці молекули по-різному реагують на зовнішньо застосовані магнітні поля, що, в свою чергу, може бути корисним для підвищення ефективності поділу. Існує величезна можливість для нових фільтрів, які беруть ці дві найпоширеніші молекули в повітрі і поміщають їх в окремі відсіки, але все це має починатися з знання того, як поводяться електрони в молекулах. І це, звичайно, ми отримуємо з молекулярної орбітальної теорії.

Чому це працює

Проблема з енергією синтезу полягає в тому, що вона неконтрольована. Ще в 1950-х роках Дісней робив хороші фільми (захопити трохи попкорну і перевірити, «Наш друг Атом»), про те, як енергія дуже скоро буде, «занадто дешевою, щоб метр». 70 років потому, чому це не так? Fusion настільки привабливий на багатьох рівнях: на відміну від поділу, який є матеріалом сучасних ядерних реакторів, синтез не має радіоактивних відходів або побічних продуктів, причому єдиним результатом реакції синтезу є смішні кількості енергії та гелію. Фьюжн - це двигун зірок, тому ви знаєте, що ця енергія серйозна. Давайте розберемо це: пам'ятаєте порівняння акумулятора та бензину, яке я зробив у лекції 8? Приблизно, найкращі літій-іонні акумулятори сьогодні можуть зберігати близько\(1 \mathrm{MJ}\) енергії на\(\mathrm{kg}\). Бензин, навпаки, може зберігати\(45 \mathrm{MJ}\) за кг. Але давайте продовжувати йти. Вибуховий тротил зберігає навколо\(4160 \mathrm{MJ} / \mathrm{kg}\). Уран при використанні в ядерному поділі зберігає колосальні\(3,456,000 \mathrm{MJ}\)\(/ \mathrm{kg}\)! Ця неймовірна щільність енергії є вагомим аргументом для виробництва ядерної енергії і часто використовується. Але коли ми переходимо до злиття, коли ми переходимо до речей зірок, всі ці цифри відчувають себе крихітними. Щільність енергії палива для синтезу, що представляє собою поєднання тритію і дейтерію, неймовірна\(576,000,000\)\(\mathrm{MJ} / \mathrm{kg}\). І це паливо дуже рясне і дешеве. Саме тому сон про злиття ще живий навіть після 70 років спроб, а адже сьогодні відбувається величезне відродження енергії синтезу. Щоб отримати додаткову інформацію, вам не потрібно йти дуже далеко, перегляньте PSFC (Центр науки та синтезу плазми) прямо тут, у MIT. Або новий спін-аут MIT під назвою Співдружність Fusion Systems.

Якщо ядерний синтез стане реальністю (лише за 10 років, на думку деяких, але ми також чули, що з моменту фільму Діснея нам потрібно підходити з ретельним оптимізмом), одним з найважливіших інгредієнтів для його роботи будуть магніти. Багато і багато магнітів і дуже потужних. Це тому, що одним з найбільш ймовірних способів змусити синтез працювати є стримування масової енергії, що виділяється (яка, до речі, доходить до температури до 100 мільйонів градусів), полягає в обмеженні енергії за допомогою магнітних полів. Тепер у конструкціях термоядерних реакторів магнітні поля часто генеруються надпровідними котушками, тому вони відрізняються від наших непарних електронів на\(\mathrm{MO}\) діаграмі\(\mathrm{O}_2\). Але загальна думка про те, що матеріал може реагувати на зовнішнє магнітне поле, походить від його електронного наповнення, і чим більше електронів, які непарні, як у\(\mathrm{O}_2\) молекулі, тим більш чуйним він може бути.

Отже, які робочі місця пов'язані з розробкою нових магнітів? Ви можете піти працювати на запуск ядерного синтезу, як Commonwealth Fusion, або на великі операції з синтезу під керівництвом уряду, такі як програма ITER у Франції. Але так багато інших галузей промисловості потребують більш міцних, дешевших, легших магнітів, що ринок праці виходить далеко за рамки просто злиття. Ви можете шукати роботу в компаніях, які виробляють магніти (їх багато), або компанії, які переслідують нові ідеї для переробки магнітів (наприклад, Urban Mining Company), або як вчений у лабораторії США, що штовхає кордони магнітів (наприклад, Національна лабораторія високого магнітного поля Флориди, або одна в Лос-Аламосі), або у компаніях, які намагаються зробити магніти, які не покладаються на рідкісноземельні елементи (наприклад, Toyota, серед багатьох).

Додаткова практика

1. Розглянемо\(O_1 512\) і\(O_2^{+}\)

а) Намалюйте\(\mathrm{MO}\) схему кожної молекули.

б) Знайдіть порядок облігацій кожного.

в) Позначте кожен з них як парамагнітний або діамагнітний.

Відповідь

\(\mathrm{O}_2\)є парамагнітним, оскільки має непарні електрони.
\(\mathrm{O}_2^{+}\)також є парамагнітним, тому що має непарний електрон. Його порядок облігацій\(2.5\)

2. Намалюйте\(\mathrm{MO}\) схему\(\mathrm{HCl}\).

Відповідь

Лекція 12: Гібридизація на молекулярних орбіталах

Резюме

Якщо кілька атомних орбіталів всередині атома мають подібні енергетичні рівні, вони можуть гібридизуватися, поєднуючись, утворюючи рівні орбіталі, які мають нижчу середню енергію. Розглянемо метан\(\mathrm{CH} 4\), як приклад: атом вуглецю має два\(2\mathrm{s}\) електрони і два\(2\mathrm{p}\) електрона. \(2\mathrm{s}\)\(2\mathrm{p}\)Стани і гібридизуються, даючи чотири рівноенергетичні, непарні електрони, які готові зв'язуватися з атомами водню. У міру гібридизації чотири електрони вуглецю перерозподіляються таким чином, щоб бути максимально розставленими один від одного, знижуючи енергію системи і отримуючи найбільш стабільний стан: чотиригранну молекулу метану. Такий вид гібридизації називається\(\mathrm{sp}^3\), тому що один\(\mathrm{s}\) -орбітальний енергетичний рівень поєднується з трьома\(\mathrm{p}\) -орбітальними енергетичними рівнями.

Для випадку етану процес гібридизації трохи відрізняється, як показано тут (на цей раз як діаграма енергетичного рівня).\(\mathrm{C}_2\mathrm{H}_4\) Кожен вуглець утворює всього три зв'язку: дві з атомами водню, і одна з іншою вуглецевої. \(\mathrm{s}\)-орбітальний енергетичний рівень поєднується з двома\(\mathrm{p}\) -орбітальними енергетичними рівнями, утворюючи три рівні\(mathrm{sp}^2\) зв'язки; інші\(2\mathrm{p}\) електрони утворюють\(\pi\) зв'язок вищої енергії між двома атомами вуглецю і дають подвійний зв'язок між атомами вуглецю.

Наступною логічною молекулою молекули, яку слід розглянути, є ацетилен,\(\mathrm{C}_2\mathrm{H}_2\). У цьому випадку кожен вуглець пов'язаний лише з одним воднем, тому лише один\(2 \mathrm{p}\) енергетичний рівень гібридизується з рівнем\(2\mathrm{s}\) енергії, утворюючи\(\mathrm{sp}\) гібридизований зв'язок. Решта\(2\mathrm{p}\) орбіталі утворюють дві зв'язки, утворюючи потрійний зв'язок між атомами вуглецю.

Підсумовуючи, гібридизація відбувається для зниження загальної енергії системи: атомні орбіталі поєднуються між собою, утворюючи змішані стани з меншою середньою енергією. Знання гібридизації молекули еквівалентно знанню молекулярної форми: VSEPR дає геометричну назву, відповідну конкретній комбінації кутів зв'язку, що мінімізують загальну енергію системи.

Чому це важливо

Понад 3 мільярди людей на цій планеті живуть у водно-стресових регіонах. 1,8 мільярда людей п'ють фекально забруднену воду. 600 мільйонів людей кип'ятять воду, щоб очистити її. У місцях, де дефіцит води є серйозною проблемою, за деякими оцінками 70% всіх захворювань і 30% всіх смертей можна віднести до відсутності води або якості води. Прісна вода становить всього 2,5% всієї води на землі, але більше 2/3 цієї води зав'язані в льодовиках. Це означає, що тільки 1% всієї води на планеті є питною, а баланс цього дорогоцінного ресурсу набагато зашкалює.

Враховуючи рівень глобальної кризи, яким став доступ до прісної води, має великий сенс звернути нашу увагу на інші 97% води на планеті, морську воду в океанах. Проблема, звичайно, полягає в тому, що вона не питна (або корисна в більшості сільського господарства), якщо сіль не видалена. Хороша новина полягає в тому, що опріснення зростає з точки зору використання та встановленої потужності, але погана новина полягає в тому, що все ще коштує занадто дорого, щоб стати всюдисущою заміною грунтових вод.

Як ми можемо працювати над зниженням вартості та підвищенням ефективності опріснення? Перш за все, нам потрібно знати, що таке поточна розбивка витрат, і як ви можете бачити на круговій діаграмі на цьому зображенні, основна вартість опріснення полягає в енергії, необхідної для перекачування води через систему. Під «системою» я маю на увазі споруду попередньої обробки, де морська вода проходить через пісок, щоб відфільтрувати великі домішки (оболонки, гірські породи, водорості тощо), після чого фактична «опріснення» частини опріснення, де вода проходить через набір мембран (40 000 з них на заводі, показаному на малюнку), які видаляють сіль і дайте прісноводним проходити. Перекачування морської води через ці мембрани вимагає, безумовно, найбільшої частини споживання енергії заводу, тому поліпшення мембран і зробити їх більш енергоефективними має вирішальне значення. Насправді, це не тільки те, що мембрани, що використовуються сьогодні, є енергонеефективними, але це також те, що вони забруднюються (бактерії та інші органічні речовини ростуть на їх порах) і надзвичайно делікатні, тому їх не можна дуже добре очистити. Це означає, що більшу частину часу завод платить більш високі витрати на енергію, ніж потрібно (іноді в 2 або 3 рази!) тому що він повинен перекачувати воду через мембрани, які брудні та заблоковані і не можуть бути очищені. Тепер це те, що я називаю можливістю дизайну матеріалів! Зробіть кращу мембрану для етапу видалення солі опріснення та зробіть процес дешевшим. Ось як ми приходимо до нашої Чому це важливо і підключення до сьогоднішньої лекції.

Ми дізналися про сигма і pi зв'язки, які можуть утворюватися при гібридизації атомів вуглецю.\(\mathrm{AO}\)

У прикладах у класі ми мали вуглець, пов'язаний з воднем, а іноді і з самим собою. Якщо у нас є лише\(\mathrm{sp2}\) гібридизація, і у нас є лише\(\mathrm{C}\) атоми і немає\(\mathrm{H}\) атомів, то ми отримуємо дуже, дуже крутий матеріал: графен. Він пов'язаний разом у стільниковому решітковому аркуші (2D аркуші) з\(\mathrm{sp}^2\) зв'язками, і ці додаткові\(\mathrm{p}\) електрони утворюють pi зв'язки по всій площині, щоб дати йому величезний приріст стабільності. Це дуже крутий матеріал, і його ізоляція з графіту (що є просто стеками графена) отримала Нобелівську премію в 2010 році. (Вчені, які виявили графен, змогли відокремити його від шматка графіту, використовуючи лише прогону стрічки! Тому пам'ятайте, іноді все, що вам потрібно для Нобелівської премії - це олівець, свинець, стрічка та рішучість). Я не можу вдаватися до всіх деталей, чому графен крутий, але якщо ви шукаєте в Інтернеті, ви побачите відразу. Ще одним наслідком графену є те, що він запустив ціле поле «\(2 \mathrm{D}\)матеріалів», де дослідники зрозуміли, що в ці листи можуть бути зроблені стільки інших матеріалів, які мають товщину лише одного або декількох атомів. Тепер навіть можна зробити абсолютно нові стеки 3D-матеріалів шляхом змішування та узгодження\(2 \mathrm{D}\) аркушів (ознайомтеся, наприклад, на папері Гейма та Григор'євої, «Гетероструктури Ван дер Ваальса», Nature volume 499, сторінки 419-425 (25 липня 2013). До речі, Гейм був одним з двох вчених, які отримали Нобелівську премію за відкриття графена. Інший - Новосьолов, але Гейм трохи особливий, оскільки він єдина людина, яка коли-небудь вигравала як Нобелівську, так і Нобелівську премії, останній за левітацію жаб. Але я відволікся.

Справа в тому, що графен може бути просто кінцевою мембраною. Це всього 1 атом товщиною, тому з точки зору в'язких втрат його важко перемогти. Крім того, він набагато більш еластичний, ніж сучасні полімерні мембрани, тому його можна легко очистити. Не дивно, що графен розглядається як потенціал для опріснення з 2012 року, навіть людьми, яких ви, можливо, вже знаєте, наприклад, «Опріснення води через нанопористий графен» Коен-Танугі та Гроссман, Nanoletters том 12, сторінки 3602- 3608 (2012). Через свій величезний потенціал у опрісненні води, а також очищення та очищення води в цілому, існує багато дослідницьких груп і навіть вже ряд компаній, що працюють над комерціалізацією мембран на основі графена (наприклад, через розділення). Це все надзвичайно захоплююче, але це також можливо лише через гібридизацію, яка відбувається в атомах вуглецю, яка в поєднанні з цими pi зв'язками дозволяє їм приймати форму графена.

Чому це працює

Це важко, оскільки гібридизація в хімії - це те, що дозволяє взагалі існувати так багато молекул, і це впливає майже на всі сектори роботи, не кажучи вже про саме життя. Але оскільки ми розглянули графен у розділі «Чому це важливо», давайте будемо дотримуватися графену тут, у категорії зайнятості. Є компанії, що безпосередньо виробляють графен і інвестують багато $ в те, щоб зробити його дешевим, у великих масштабах та високої якості (тобто дуже мало дефектів, якщо це можливо), або з індивідуальними функціональними хімічними речовинами. Існують також різні версії графена, від чистого графена до оксиду графену до відновленого оксиду графена тощо. Супермаркет Graphene, ACS Material, або Graphenea - це приклади компаній, що виробляють графенові продукти, і всі вони мають вакансії для студентів, які знають про гібридизацію.

Але виробництво графену було широко охоплено великими компаніями. Toshiba інвестувала понад 50 мільйонів доларів у виробничі заводи для нових вуглецевих матеріалів, від графену до інших вуглецевих наноструктур, таких як вуглецеві нанотрубки та фулерени. Інші великі хімічні виробники приєдналися до клубу, як Cemtrex, Mitsubishi Chemical, Cabot або Aixtron, щоб назвати лише кілька прикладів. І це просто компанії, які думають про виготовлення графена, але тоді, якщо ми розширимося на ті, які використовують його для вдосконалення своїх технологій, список продовжується і продовжується. Особливо це стосується акумуляторних компаній, як великих, так і малих, де використання вуглецевих наноструктур sp2, таких як графен, має величезний потенціал. Програми, що включають каталіз та електроніку, також є фантастичними кандидатами на використання графена.

Додаткова практика

1. Подивіться на один вуглець в частині алмазної решітки нижче. Переконайте себе в тому, що будова може продовжувати рости назовні нескінченно в усіх напрямках.

а) Який формальний заряд на якомусь одному атомі вуглецю?

Відповідь

0, він утворює 4 облігації

б) Що таке гібридизація якогось одного зв'язку? Звідки ти знаєш?

Відповідь

\(\mathrm{C}\)утворює 4 сигма-зв'язки, тому він повинен мати 4 еквівалентні гібридизовані орбіталі: він повинен був використовувати всі три p-орбіталі та її\(\mathrm{s}\) -орбіталі:\(\mathrm{sp3}\)

в) Це резонансна структура? Звідки ти знаєш?

Відповідь

Ні - електрони утворюють сигма-зв'язки, тому немає іншої конфігурації електронів, дозволених

2. Подивіться на один атом вуглецю в частині молекули бакмінстерфулерену нижче (так, це логотип для нашого класу!)

а) Формальний заряд на будь-якому одному\(\mathrm{C}\) атомі дорівнює 0. Скільки сигми та пі зв'язків повинен утворюватися кожен вуглець?

Відповідь

Повинна бути подвійна зв'язок, пов'язана з кожним вуглецем, щоб він утворював 4 зв'язки і мав 0 формального заряду, тому кожен вуглець утворює 3 сигма-зв'язки та 1 pi зв'язок

б) Чи задоволений ВСПР? Чи це майже задоволено?

Відповідь

Кожна сигма-зв'язок повинна бути\(\mathrm{sp2}\) гібридизована, оскільки три зв'язки утворюються в цілому, і всі вони лежать в площині.

в) Що таке гібридизація якогось одного сигма-зв'язку? Звідки ти знаєш?

г) Це резонансна структура? Звідки ти знаєш?

Відповідь на c і d

Так - Існують різні конфігурації, при яких пі-зв'язки можуть бути виконані над всією молекулою фулерену, тому виникають резонанси. Крім того, ми робимо висновок, що\(\mathrm{p}\) -орбіталі, що утворюють пі-зв'язки, можуть або додавати, або віднімати, даючи делокалізовані електронні молекулярні орбіталі - вказуючи на резонанс

Лекція 13: Міжмолекулярні взаємодії

Резюме

Ця лекція була зосереджена на міжмолекулярних силах (IMF), які є взаємодіями між молекулами слабкішими, ніж іонні або ковалентні зв'язки, але які в більшому масштабі відіграють величезну роль у наданні матеріалам їх властивостей. Спочатку ми визначили диполь: пару зарядів, один позитивний і один негативний, розділені відстанню. Ми вже бачили диполі в цьому класі - ковалентний зв'язок, який передбачає різницю в електронегативності, наприклад, якщо один атом є електропозитивним, а інший електронегативний, утворює диполь. \(\mathrm{H} - \mathrm{Cl}\)Молекула - простий приклад, показаний тут, де стрілка на схемі вказує на більш електронегативний хлор, а\(\delta^+ / \delta^-\) вказують на надлишок позитивного/негативного заряду. Стрілка - напрямок диполя. Можливо, що молекула з полярними ковалентними зв'язками не мала чистого диполя, як показано\(\mathrm{CO}_2\) нижче. Це тому, що його два диполя скасовують. Вода має чистий диполь тільки в напрямку y.

Наявність сітчастого диполя означає, що диполі молекули відчують потяг до протилежних зарядів. Цей інший заряд може бути іоном, або іншим диполем. Перший називається іонно-дипольним взаємодією, а другий - дипольно-дипольним взаємодією. Це пам'ятки між молекулами, а не зв'язки всередині них.

Молекули без чистого диполя все ще можуть брати участь у міжмолекулярному зв'язку, оскільки навіть неполярні молекули можуть відчувати тимчасові диполі через коливання електронної хмари. Ці тимчасові диполі можуть відбуватися через взаємодію з оточуючими зарядами, і в цьому випадку їх називають індукованими диполями. Вони можуть взаємодіяти з іонами або постійними диполями або іншими індукованими диполями. Ці коливання в електронній хмарі також можуть бути наслідком температури. Коли ці тимчасові диполі взаємодіють один з одним, сили притягання називаються лондонськими силами розсіювання (LDF). Легше тимчасово деформувати електронні хмари одних молекул в порівнянні з іншими. Вони мають відмінності в поляризуемости. Наприклад, більші атоми є більш поляризуючими, ніж менші атоми через те, що їх зовнішні електрони менше впливають на ядерну тягу. Чим поляризаційніша молекула, тим сильніше її ЛДФ. LDF також залежить від площі поверхні молекули, оскільки більша площа поверхні означає більше електронної хмари, яку можна тимчасово спонукати до зсуву, що, в свою чергу, означає більш високий LDF. Нарешті, ми обговорили водневі зв'язки, які виникають, коли атом водню, приєднаний до високоелектронегативного елемента в молекулі (наприклад, азот, кисень або фтор), притягується до негативно зарядженої області, як одинока пара електронів.

Чому це важливо

https://www.americanscientist.org/article/how-gecko-toes-stick

Слабкі облігації насправді не всі такі слабкі, особливо коли їх багато. Гекон є прекрасним прикладом цього. Це чудова тварина, яка може ходити вгору і вниз по стінам і навіть по стелі, не порушуючи поту! Причина полягає в тому, що його пальці ніг покриті мікроскопічними волосками (званими «щетинками»), і кожен з них, в свою чергу, має сотні нанорозмірних гілок. Один палець гекон може мати цілих мільярд маленьких волосків! Ці волоски тримають ключ до його, здавалося б, магічних адгезивних здібностей, і причина їх так багато саме через те, що ми дізналися в цій лекції: слабкі взаємодії, такі як ван дер Ваальс, стають сильнішими з більшою площею поверхні. Мільярд маленьких нано-ниток на кожному пальці ноги дає нозі гекона цілу велику площу поверхні, особливо коли ці пасма лежать майже рівно проти будь-якої поверхні, на яку піднімається або прилипає гекон. Коли пасмо проходить паралельно поверхні, вона максимізує кількість пасма, яка може брати участь у залученні ван дер Ваальса з цією поверхнею. Коли пасмо більш перпендикулярна, сила різко знижується.

https://www.smh.com.au/technology/stanford-university-students-create-gecko-gloves-that-allow-humans-to-scale-glass-walls-20141226-12dx31.html

У цьому і криється секрет геккона, адже для нього недостатньо мати суперклейкий носок, але його також потрібно вміти чергувати суперклейкі і зовсім не клейові. Інакше вона прилипне до стіни і не зможе рухатися! Отже, Гекко чітко знає все про залежність тяжіння ван дер Ваальса від площі поверхні контакту, і кожен раз, коли він робить крок, він регулює адгезію пальця ноги, змінюючи кут його мільярди волосків.

Це важливо не тільки тому, що це така крута ілюстрація того, наскільки дивовижною може бути природа, але й через те, наскільки актуальними будуть вдосконалені оборотні клеї для широкого спектру застосувань. Так, це включає масштабування будівель, таких як Том Круз у «Місія нездійсненна 4», але це також вплине на райони, починаючи від передового виробництва до лікування ран. Просто подумайте про те, що це може означати, що стрічка в 1000 разів міцніша за поточну стрічку, і її можна застосовувати та видаляти тисячі разів без втрати липкості. Дослідники та компанії намагалися імітувати адгезивні здібності Гекко протягом десятиліть, і все ж ми не в місці, де ми можемо це зробити, хоча покращений контроль над хімією та наноструктурою матеріалів наближає нас, ніж будь-коли. Все зводиться до інженерного атракціону ван дер Ваальса.

Чому це працює

Останньою слабкою взаємодією, яку ми обговорювали в цьому розділі, була взаємодія водневого зв'язку. Цей зв'язок неймовірний у багатьох відношеннях, не останнім з яких є можливості працевлаштування, які вона надає. Водневий зв'язок є переважаючим (і часто домінуючим) у визначенні способу згортання та розгортання білків, а також у тому, як спіралі ДНК тримаються разом. Саме тому папір можливий, і причина, чому риба не замерзає взимку у ставку, щоб назвати лише кілька прикладів. Але приклад, на якому я хочу зосередитись на цьому Чому це використовує, - це поверхневі покриття. Спосіб взаємодії поверхні з водою може бути розроблений шляхом модифікації або способу, яким вода водень зв'язується з поверхнею, спосіб, яким вода водень зв'язується з собою, або обидва.

Покриття, що відштовхують воду, необхідні повсюдно, від збереження лобового скла автомобіля в чистоті, до виготовлення одягу, який залишається сухим під час дощу, до запобігання конденсації в турбін електростанції. Хімія, яка входить до цих покриттів, має ключ до контролю водневого зв'язку, і є багато компаній, зацікавлених наймати людей для роботи з такою хімією. Це варіюється від середніх матеріалів компаній, таких як NEI Corporation, яка робить «супергідрофобне» покриття під назвою Nanomyte, або UltraTech, що робить покриття, що утримує розлив, або Aculon, який зазначає на своєму веб-сайті: «Де є поверхня, яка має проблему, ми любимо думати, що ми можемо допомогти вирішити це. проблема,» великим компаніям, таким як DuPont, що робить спеціалізовані покриття для нафтової та газової промисловості, до невеликих стартапів, таких як DropWise, заснований нашим власним професором курсу 2 Кріпа Варанасі. Це лише кілька прикладів багатьох компаній, що будують продукцію навколо контролю водневих облігацій.

Додаткова практика

1. При\(\mathrm{T}=25^{\circ} \mathrm{C}, \mathrm{F}_2\) і\(\mathrm{Cl}_2\) є газами,\(\mathrm{Br}_2\) є рідиною, і\(\mathrm{I}_2\) є твердою речовиною. Це тому, що (виберіть один):

Взаємодії Лондона збільшуються з молекулярним розміром.
Б. дипольно-індуковані дипольні взаємодії збільшуються з молекулярним розміром.
C. дипольно-дипольні взаємодії збільшуються з молекулярним розміром.
D. поляризуваність збільшується з молекулярним розміром.
E. лондонські взаємодії збільшуються з молекулярним розміром, а поляризуваність збільшується з молекулярним розміром

Відповідь

Е

2. Виходячи з наступної інформації:

\(\mathrm{CF}_4\), Молекулярна вага\(87.99\), нормальна температура кипіння\(-182^{\circ} \mathrm{C}\)
\(\mathrm{CCl}_4\), молекулярна маса\(153.8\), нормальна температура кипіння\(-123^{\circ} \mathrm{C}\)

Міжмолекулярні сили тяжіння у вищезазначених речовин описуються тим, які з наступних (вибрати один):

А. гравітаційні сили

B. лондонські війська

C. іонно-дипольні сили

D. дипольно-дипольні сили (постійні диполі)

Е. сили відштовхування

Відповідь

Б

3. Акрилова кислота на фото нижче.

Яка домінуюча міжмолекулярна сила в розчині акрилової кислоти? (Крім того, що таке гібридизація навколо кожного атома?)

Відповідь

\(\mathrm{H}\)-склеювання (всі атоми\(\mathrm{sp2}\) крім того\(\mathrm{O} - \mathrm{H}\), що є\(\mathrm{sp3}\))

Лекція 14: Фази

Резюме

Атмосферний тиск - це сила на одиницю площі, що чиниться масою атмосфери на все, що вона обволікає, а інші гази, рідини та тверді речовини можуть чинити тиск подібним чином. У замкнутій системі рівновага розвивається, коли молекули перетворюються з однієї фази в іншу (як рідина в газ), і навпаки (газ назад в рідину). Тиск, який одна фаза чинить на іншу, сильно залежить від того, які міжмолекулярні сили присутні в системі. Сильні IMF призводять до низького тиску пари, тоді як слабкі IMF призводять до високого тиску пари.

Тиск пари матеріалу відрізняється від ваги газу; скоріше, це пов'язано з тим, наскільки ймовірно, що рідина або тверда речовина втратять молекули до газової фази. Якщо тиск пари вище атмосферного, ваги атмосфери недостатньо для уловлювання газу, який виділяється, і матеріал починає кипіти.

Поки що кипіння було повністю описано щодо тиску, але температура теж має значення! Тиск пари також сильно залежить від температури: при підвищенні температури тиск пари зростає в геометричній прогресії. Так як матеріал нагрівається, його тиск пари збільшується, поки не перевищить атмосферний тиск і він не почне кипіти. Наприклад, якщо ми починаємо з води при\(25 \mathrm{C}\), її тиск пари становить близько\(0.02\) атм. До моменту його досягнення\(100^{\circ} \mathrm{C}\) тиск пари збільшився в 50 -разів, щоб досягти\(1 \mathrm{~atm}\), і в цей момент він починає кипіти.

Раніше ми дізналися, що більш висока температура дає більш високу кінетичну енергію і більше молекулярного руху. Однак, коли матеріал знаходиться «при» певній температурі, не кожна молекула рухається приблизно однаково. Розподіл кінетичних енергій, пов'язаних із заданою температурою, може бути дуже широким, з довгими хвостами. Так температура використовується для опису середньої кінетичної енергії, але деякі молекули матимуть більше, а деякі матимуть менше. Рівняння Клаузіуса-Клапейрона дає експоненціальну залежність між тиском пари і температурою:

\(\ln (P)=-\Delta H_{v a p} / R T+C\)

Діаграма знаходиться у відкритому доступі. Джерело: Вікісховище.

де\(\Delta H_{\text {vap is }}\) - ентальпія випаровування, або енергія на моль, необхідна для перетворення рідкої молекули в молекулу газу. Існує прихована теплота або ентальпія, яка бере участь у всіх видах фазових змін:\(\Delta H_{v a p}\) для випаровування,\(\Delta H_{f u s}\) для плавлення та\(\Delta H_{\text {sub for }}\) сублімації. Ентальпія сублімації завжди більша, ніж ентальпія злиття, оскільки твердотільні атоми/молекули більш міцно пов'язані, ніж атоми/молекули рідини. Закон Гесса говорить нам, що будь-який шлях від однієї держави до іншої є дійсним шляхом, тому що загальна енергія, необхідна для зміни станів, буде сумою енергетичних відмінностей на шляху.

Фазові діаграми корисно знати, що таке рівноважна фаза матеріалу при заданій температурі та тиску. Межі фаз називаються кривими співіснування: в цих точках одночасно існують дві фази. Якщо межа фази перетинається, відбудеться зміна фази. Фазові діаграми схожі на «карти» матеріалу.

Чому це важливо

Тепло є важливою формою передачі енергії для людини не тільки для підтримки температури тіла, але і для цілого ряду первинних і передових видів діяльності, від приготування їжі та стерилізації, до роботи двигунів і вироблення електроенергії. Контроль теплової енергії на благо людства сходить до доісторичних часів, а тепло залишається єдиною найціннішою енергетичною валютою нашого існування. Як показано на цьому малюнку, майже 90% всієї енергії, споживаної у всьому світі, або виробляється тепловою енергією, або споживається як теплова енергія в певний момент протягом циклу попиту та пропозиції. Тому дивно, навіть вражає, що на сьогоднішній день у нас немає життєздатних засобів для зберігання теплової енергії. На відміну від механічної енергії, де матеріал можна просто накачати потенційну енергетичну пагорб і утримувати там до необхідності, як у випадку з накачаною гідроенергією, або електричною енергією, де електрони можуть бути висунуті вгору по електрохімічному пагорбу і утримуватися там, як в акумуляторі, для випадку фононів - носіїв теплових енергія — такої стабільності немає. Натомість теплова енергія відкочується вниз по енергетичному пагорбу і не може бути зупинена. Тепло завжди розсіюється. Він протікає, і ми не можемо його стримувати незалежно від того, наскільки ми наполегливо працюємо над ізоляцією теплового резервуара.

Повільний витік теплової енергії з матеріалу, який гаряче, ніж його оточення, називається «розумним теплом». Зрештою, достатньо енергії буде передано навколишньому середовищу, щоб зробити його такою ж температурою, як навколишнє середовище. Насправді, якщо взяти клас термодинаміки, ви дізнаєтеся, що саме визначення температури - «те, що дорівнює, коли тепло перестає протікати між системами в тепловому контакті». Таким чином, один із способів накопичення теплової енергії - це нагріти щось, тоді щось витікає своє тепло з певною швидкістю в деяке середовище, поки його температура не буде такою ж, як температура навколишнього середовища. Зберігання та виділення розумного тепла використовується весь час, від нагрівального пакета, який ви мікрохвильовою піччю і покладіть на хвору шию до фокусування сонячного світла на бетонній плиті, як на сонячній тепловій електростанції, до старої ідеї нагрівання цілої гори для довгострокової генерації енергії, оскільки вона повільно охолоджується. (що останній ще не був випробуваний у випадку, якщо вам цікаво.. але це акуратна концепція!). Але будь то тепловий пакет чи гора, проблема з розумним теплом полягає в тому, що ви отримуєте те, що отримуєте, майже без контролю. Крім того, скільки ізоляції ви упаковуєте свій матеріал, є не так багато хороших способів уповільнити і взагалі немає способів зупинити потік тепла. Оскільки в такому режимі теплового зберігання ми нагріваємо щось до певної температури, і воно відразу ж починає охолоджуватися, також немає контролю над температурою, яку ви отримуєте з накопиченої енергії: вона постійно змінюється, коли охолоджується.

Ах, але насправді є спосіб «триматися» за теплову енергію, а потім випустити її назад як тепло, коли це необхідно, так само, як електрику в батареях. І це дає вам повний і повний контроль над температурою випуску. По суті, просте відро воску - це система зберігання тепла. Він працює, користуючись своєю фазовою зміною: коли віск плавиться, він змінюється від твердого до рідкого, і енергія, необхідна для здійснення цієї зміни фази, велика (це була б ентальпія злиття\(\Delta H_{f u s}\), як обговорювалося в лекції). Коли віск охолоджується назад, він знову стає твердим, і вся ця енергія зміни фази повертається назад після затвердіння. Матеріали, які використовуються так, де ентальпія однієї з її фазових змін використовується як спосіб зберігання та вивільнення теплової енергії, називаються «матеріалами фазової зміни» (PCM). Це трохи дивна назва, оскільки всі матеріали є матеріалами фазової зміни, але етикетка PCM застрягла як спосіб позначення тих, де ми намагаємося зробити щось корисне технологічно чи науково з енергією, що зберігається або виділяється зміною фази.

PCM використовуються в багатьох додатках, включаючи простий нагрівальний пакет (до якого я дістануся за мить), а також у високотемпературних додатках. Візьмемо для прикладу розплавлені солі, що використовуються на сонячних теплових електростанціях. Сонячне світло зосереджено на солі або суміші солей (наприклад, нітрату натрію та калію), яка розплавляє сіль у рідину протягом дня. Коли він остигає вночі, застигає сіль підтримує точну температуру при зміні фази протягом тривалого періоду часу (що добре для електростанції), поки вона повністю не замерзне назад у тверде тіло. Існує багато інших матеріалів PCM та багато інших застосувань матеріалів PCM, і знання фазової діаграми, щоб можна було набрати точно правильну температуру виділення червоного тепла sto - це перший крок до того, щоб зробити це можливим!

І дозвольте мені завершити це Чому це має значення ще одним вражаючим фактом. Я почав з пояснення, що 90% всієї енергії генерується/споживається як теплова енергія. Але масивні 60% тепла, що виробляється для живлення нашого світу, витрачається даремно! Ми могли б захопити і переробити більшу частину цієї енергії. Існує великий інтерес і дослідження в розробці нових PCM з більш високою щільністю зберігання (більш високі ентальпії злиття), що означає нові хімії. Можливість створення нового PCM, який володіє всіма ключовими бажаними показниками для даної програми, вимагає глибокого розуміння міжмолекулярних взаємодій в PCM, що, в свою чергу, призводить до його фазової діаграми.

Існує також захоплююча нова робота, спрямована на те, щоб PCM «спрацьовували», щоб вони залишалися застрягли в рідкому стані, поки не буде застосовано якийсь зовнішній тригер. Потім, коли спрацьовує, він затвердіє і випустить всю свою енергію зміни фази, готову до «заряджання» знову як тверде тіло. Це вже трапляється в деяких випадках, і воно користується тим явищем переохолодження, яке ми обговорювали в лекції. Наприклад, у упаковці тригідрату ацетату натрію (хімія показана тут) досить легко переохолоджувати, тому, коли матеріал нагрівається за температуру плавлення 58C, він стає рідиною, але його можна охолодити назад до кімнатної температури, не застигаючи відразу. Він залишається метастабільним у переохолодженому стані, поки якийсь тригер не буде застосований, як невелика зовнішня механічна сила (або кубик льоду теж зробить це). Цей тригер нагадує матеріалу, що він насправді хоче бути твердим тілом при цій температурі, іншими словами, він забезпечує місце зародження для твердої фази, а потім, оскільки це добре 30° C нижче температури плавлення, все це закінчується твердінням і видачею всієї енергії зміни фази (ентальпії синтезу). Існує великий інтерес і робота над розробкою нових способів тримати PCM переохолодженими, що, в свою чергу, може зробити зберігання теплової енергії набагато більше схожим на зберігання електричної енергії: запускається і розподіляється енергія на вимогу. Це, в свою чергу, революціонізує ландшафт енергоспоживання!

Чому це працює

Як діаграма може отримати вам роботу? Це простіше, ніж ви могли подумати! Багато компаній виготовляють і використовують матеріали (як, майже всі), а у використанні матеріалів багато компаній мають потреби. Це може означати розробку абсолютно нових матеріалів або це може означати незначне налаштування властивостей існуючих матеріалів. Але так чи інакше, відправним місцем для проектування будь-яких матеріалів є етапова схема матеріалу. І одне місце, де це починається, полягає в тому, щоб знати, як розрахувати фазові діаграми. Є компанії, в яких ви могли б працювати, що безпосередньо роблять і продають складне програмне забезпечення для обчислення фазових діаграм (наприклад, перевірити thermo-calc або factsage), а потім є тисячі компаній, які розміщують робочі місця, де знання про те, як використовувати таке програмне забезпечення потрібно.

Хочете розробити нові ракетні двигуни? Локхід має отвори, де потрібні глибокі знання термодинаміки. Або як щодо «інженера з термодинаміки» в United Launch Alliance (який також робить ракетні двигуни). Або якщо ви хочете зробити будівлі більш енергоефективними, ви можете приєднатися до PassiveLogic, яка працює над «розробкою технології управління наступним поколінням для майбутнього розумних міст» і в даний час шукає «термодинаміки та моделювання стажера». Або ви можете приєднатися до одного з спін-аутів MIT Course 3, Boston Metal, який працює над екологічним виробництвом металу і має поточне відкриття, яке вимагає, щоб заявники мали, «міцне розуміння термодинаміки/фазової рівноваги». Звичайно, цей список потрапляє в тисячі, оскільки в кінцевому підсумку будь-яка форма інженерії використовує матеріали, а форма використовуваних матеріалів базується на її фазовій діаграмі.

Додаткова практика

1. Оцініть наступні молекули в порядку зростання тиску пари:

i) Гексан	ii) Метанол	iii) ізооктан

Відповідь

Метанол має найменший тиск пари, оскільки його\(\mathrm{OH}\) група дозволяє йому зв'язуватися з іншими молекулами метанолу. Далі йде гексан, оскільки, хоча він не має можливостей зв'язку з воднем, він є більш лінійним, ніж ізооктан, тому може відчувати більші сили розсіювання Лондона. Ізооктан має найвищий тиск пари, оскільки він не має здатності до з'єднання водню і менш стековий, ніж гексан, тому він має менше сил дисперсії Лондона.

2. Три кубики льоду використовуються для охолодження соди при\(20 \mathrm{C}\). Сода має масу\(0.25 \mathrm{~kg}\). Лід знаходиться на,\(0 \mathrm{C}\) і кожен кубик льоду має масу\(6.0 \mathrm{~g}\). Знайдіть температуру, коли весь лід розтанув.

Відповідь

Кубики льоду знаходяться при температурі танення\(0 \mathrm{C}\). Тепло передає від соди до льоду. Танення льоду відбувається в два етапи: спочатку відбувається зміна фази і твердий лід при температурі танення перетворюється в рідку воду, потім температура цієї води підвищується. При таненні виходить вода при\(0 \mathrm{C}\), тому більше тепла передається від соди до води до тих пір, поки система вода плюс сода не досягне теплової рівноваги.

\[Q_{\text {ice }}=-Q_{\text {soda }} \nonumber\]

Тепло, що передається льоду, становить:

\[Q_{i c e}=m_{i c e} \times L_f+m_{i c e} \times c_W \times\left(T_f-20 C\right) \nonumber\]

Приведення всіх термінів, що беруть участь\(T_f\) на лівій стороні і всі інші терміни з правого боку, вирішуйте для невідомої кількості\(T_f\):

\[T_f=\dfrac{m_{\text {soda }} \times c_W \times 20 C-m_{i c e} \times L_f}{\left(m_{\text {soda }}+m_{i c e}\right) \times c_W} \nonumber\]

Отримане значення -\(13 \mathrm{C}\).

3. Уявіть собі речовину з наступними точками на фазовій діаграмі: потрійна точка в\(.5\) атм і\(-5^{\circ} \mathrm{C}\); нормальна температура плавлення при\(20^{\circ} \mathrm{C}\); нормальна температура кипіння при\(150^{\circ} \mathrm{C}\); і критична точка при\(5 \mathrm{~atm}\) і\(1000^{\circ} \mathrm{C}\). Лінія твердої рідини є «нормальною» (мається на увазі позитивний нахил).

а) Грубо намалюйте фазову діаграму, використовуючи одиниці атмосфери і Кельвіна.

Відповідь

1-тверда, 2-рідина, 3-газ, 4-надкритична рідина, точка\(\mathrm{O}\) -потрійна точка,\(\mathrm{C}\) -критична точка\(-78.5{ }^{\circ} \mathrm{C}\) (фаза сухого льоду змінюється від твердого до газового при\(-78.5{ }^{\circ} \mathrm{C}\))

б) Опишіть, що можна було б бачити при тиску і температурі вище 5 атм і\(1000^{\circ} \mathrm{C}\).

Відповідь

Можна було б побачити надкритичну рідину, наближаючись до точки, можна було б побачити, як меніск між рідиною і газом зникає.

в) Опишіть, що станеться з речовиною, коли вона почнеться в вакуумі при\(-15^{\circ} \mathrm{C}\) і повільно знаходиться під тиском.

Відповідь

Речовина почнеться як газ, і зі збільшенням тиску вона стискається і врешті-решт затвердіє без розрідження, оскільки температура нижче температури потрійної точки.

Лекція 15: Електронні смуги в твердих тілах

Резюме

Коли два атоми збираються разом, їх атомні орбіталі об'єднуються, утворюючи набір склеювальних і антизв'язуючих молекулярних орбіталів (\(\mathrm{MO}\)ів). Коли\(10^{24}\) атоми об'єднуються, утворюючи тверде тіло, їх атомні орбіталі об'єднуються, утворюючи безперервну смугу електронних станів. Смуги заповнені електронами: наскільки повні вони отримують, залежить від того, скільки електронів сприяє кожна складова і наскільки тісно розташовані в енергії смуги.

Наприклад, ось діаграма енергії діапазону для\(\mathrm{Na}\)\(\mathrm{Mg}\), і\(\mathrm{Al}\). Всі ці елементи мають повні\(1\mathrm{s}\)\(2\mathrm{s}\), і\(2 \mathrm{p}\) смуги: ці «смуги ядра» тому повністю заповнені електронами. \(\mathrm{Na}\)має один додатковий\(3 \mathrm{~s}^1\) валентний електрон, який\(1 / 8\) заповнює об'єднану\(3 \mathrm{~s} / 3 \mathrm{p}\) смугу. Аналогічно,\(\mathrm{Mg}\) має валентні електронні окупації\(3 \mathrm{~s}^2\) і\(\mathrm{Al}\) має\(3 \mathrm{~s}^2 3 \mathrm{p}^1\), які заповнюють\(3 \mathrm{~s} / 3 \mathrm{p}\) смугу ще більше.

Тут\(3 \mathrm{~s}\) і\(3 \mathrm{p}\) смуги показані як одна комбінована смуга: коли смуги дуже близькі за енергією, вони можуть перекриватися, і по суті об'єднуватися, утворюючи один безперервний набір станів. Коли існує енергетичний розрив між найбільш енергійними електронами, що живуть в одній смузі, і найменш енергійними електронами, що живуть у наступній смузі, утворюється заборона смуги, подібно до тих, що показані тут між\(1\mathrm{s}\)\(2\mathrm{s}\) і\(2\mathrm{s}\)\(2 \mathrm{p}\), і,\(2 \mathrm{p}\) і\(3 \mathrm{~s} / 3 \mathrm{p}\) смугами. Зверніть увагу, що термін забороняється для опису лише одного з цих діапазонних прогалин, як обговорюється нижче.

Знання заповнення смуги говорить нам багато про властивості твердої речовини. Якщо найвища енергетична смуга заповнена частково, матеріал є металом. Якщо найвища заповнена смуга повністю сповнена електронів, то між нею і наступною найвищою смугою є зазор: це заборона смуги матеріалу, і ці тверді тіла називаються напівпровідниками. У напівпровідниках найвища енергетична смуга, яка повністю заповнена електронами, називається валентною зоною, а наступна найвища незайнята смуга називається зоною провідності. Якщо зазор смуги дуже великий, скажімо\(>4\) або\(5 \mathrm{eV}\), то матеріал електроізоляційний.

Зазор в смузі має властивість, подібну до тієї, що в антитілінгу\(\mathrm{MO}\) або вузлах у вищих енергіях\(\mathrm{AO}\) s: а саме, всі енергії в межах зони заборонені, тому всі електрони повинні знаходитися в смузі, а не між ними. У межах смуги електрони можуть переміщатися: якщо немає зазору, а матеріал - метал, електронам легко вільно переміщатися, а провідність висока. Електронам важче рухатися в напівпровіднику, але електрон може отримати енергетичний приріст і перехід від однієї смуги до іншої; часто ці прискорення надходять від світла або тепла. Звичайно, потрібно менше енергії, щоб перетнути невеликий проміжок між двома станами, ніж великий: набагато більше шансів для теплової енергії (про\(0.025 \mathrm{eV}\) /атом при кімнатній температурі\(300\mathrm{K}\)) збуджувати електрон в смузі провідності напівпровідника,\(\mathrm{Si}\) подібного до діелектрика, як алмаз ( \(\mathrm{C}\)).

Електрони також можуть збуджуватися в смузі провідності за допомогою світла: напівпровідники з енергією в діапазоні від приблизно\(1.5-3 \mathrm{eV}\) можуть збуджуватися видимим світлом (про\(400-800 \mathrm{~nm}\)). Якщо довжина хвилі фотона відповідає правильній енергії, щоб відповідати смузі, цей електрон може стрибати через заборонену енергетичну область. В цьому випадку він стрибає в смугу провідності і стає вільним для пересування! Маючи це на увазі, можна управляти потоком електронів через зазор - і провідність напівпровідника - світлом. Якщо смуговий проміжок більше, ніж видиме світло з найнижчою довжиною хвилі, матеріал не може поглинати фотони з вищою енергією, а матеріал прозорий у діапазоні видимого світла.

Чому це важливо

Світ, в якому ми живемо, використовує багато світла. І якщо ви цього не помітили, все більше і більше цього світла надходить від світлодіодів або світлодіодів. Незалежно від того, чи це ваш телефон, ноутбук, телевізор, автомобіль, холодильник, будинок, офіс чи вулиця, шанси на те, як він загоряється, є світлодіодами. І ті працюють, тому що вони напівпровідники. Як обговорювалося в лекції, напівпровідник утворюється, коли зв'язок в матеріалі разом з його структурним розташуванням призводить до утворення зонного зазору тільки потрібного розміру (кілька\(\mathrm{eV}\)). Від цього у нас відразу два відомих пристрою. По-перше, електрони в максимумі валентної зони (VBM) можуть збуджуватися світлом у мінімальній смузі провідності (CBM), де вони проводять, пристрій, інакше відомий як фотодетектор. По-друге, ми можемо мати протилежне: введіть електрони в CBM, і коли вони каскадуються вниз до VBM, випромінюються фотони, пристрій, інакше відомий як світлодіод.

У лекції 3 я використовував телебачення як тему «Чому це має значення» і згадав, що причиною того, що кольоровий телевізор зайняв так довго, щоб розвиватися, було те, що стабільні, недорогі, червоні люмінофори були проблемою. Для світлодіодів виявляється, це був і особливий колір, який затримував їх повсюдність, але в даному випадку він був синій, на більш високому кінці зазору. Для люмінофорів саме хімія мала ключ до винаходу нових молекул, які могли поглинати електрони і світити червоним кольором. Знову, через 50 років, саме хімія тримала ключ до розблокування нового матеріалу, в даному випадку напівпровідника, який міг приймати струм електронів і перетворювати їх у синє світло. Хитрість полягає в тому, щоб мати можливість спроектувати заборону смуги твердого тіла.

Перевірте цей графік забороненої зони проти постійної решітки, яка є мірою відстані між атомами в періодично повторюваному кристалі. Ми будемо копатися в кристалах через кілька тижнів, але поки ви можете вважати вісь x просто будь-якою структурною особливістю твердого тіла. Справа в тому, що існує сильна залежність, і як тільки ця залежність була відома і зрозуміла, то нові сплави можуть бути розроблені тільки з правильною хімією і, отже, структурою, щоб дати тільки правильний діапазон і, отже, колір.

Погляньте\(\mathrm{GaN}\) на сюжет і зверніть увагу, що його смуга пропускання просто занадто висока, якщо ми хочемо, щоб синій колір випромінювався як каскад електронів від його CBM до VBM. З іншого боку, інші матеріали, такі як InN, мають смуги пропусків, які набагато нижчі за енергією, ніж те, що потрібно для випромінювання синього кольору. Виявляється, легування різних матеріалів разом є одним з найефективніших способів «налаштувати заборону», і саме так вчені дісталися до синього кольору. Вони вже мали червоний і зелений, тому, як тільки вони отримали синій, вони змогли об'єднати їх усі разом, щоб отримати білі світлодіоди, які з тих пір повністю перейняли ринок.

Ідея цілеспрямовано модифікувати заборону матеріалу називається інженерною смугою, і вона є центральним елементом напівпровідникової революції. Він виходить далеко за межі світлодіодів, оскільки заборона є вирішальною властивістю лазерів, транзисторів, детекторів та багато іншого нашого електронного світу.

Чому це працює

Як знання смугової структури твердого може привести до роботи? Це може, насправді, бути найпростішим Чому це використовує розділ, щоб написати весь семестр! Напівпровідники настільки поширені в нашому світі, що практично неможливо рухатися, не взаємодіючи з ними. Вони є майже в будь-якому електронному пристрої. Вони настільки важливі, що деякі назвали б це віком напівпровідника. Закон Мура залежить від того, щоб зробити з них дрібніші пристрої щороку. Вони виробляють електрику від сонця. Вони забезпечують світло від електрики. Вони спілкуються за нас. Вони обчислюють для нас. Я міг би продовжувати.

Напівпровідникова промисловість є масовою, і в багатьох компаніях є багато робочих місць, і багато студентів MIT продовжують працювати в цій галузі. У напівпровідниковій промисловості так багато робочих місць, що є веб-сайт під назвою semiconductorjobs.com. І багато інших подібних сайтів. Ще цікавіше, що галузь більше не тільки про те, щоб зробити більш швидкі чіпи або спеціалізовані чіпи, як для бездротового зв'язку. Це стало набагато більшим через всі різні потреби в цих матеріалах і пристроях, від побутової електроніки до розумних автомобілів до Голлівуду до дослідження космосу до штучного інтелекту. Є робочі місця, пов'язані з усіма цими напрямками, як в традиційній напівпровідниковій промисловості (подумайте, Intel, AMD, Semtech, TI і ще десятки), але і в компаніях, що працюють над цими додатками (подумайте, Bosch, Toyota, Dreamworks, Microsoft, Google, і сотні, може бути і тисячі більше), а також компаніях робити і те, і інше, як Samsung.

Приклади проблем

1. Припустимо, ваш світлодіод виготовлений з кремнію, і ви хочете змусити його поглинати світло з більшою довжиною хвилі. Чи слід сплавувати його германієм або вуглецем? Поясніть свою відповідь.

Відповідь

Поглинати більш високу довжину хвилі = менший зазор смуги. Таким чином сплаву з\(\mathrm{Ge}\) так як більший атом = менший зазор.

2. Нижче наведено графік інтенсивності сонячного світла на поверхні Землі в залежності від довжини хвилі.

Обчисліть довжину хвилі забороненої зони кожного з цих відомих напівпровідників і позначте діапазон довжин хвиль світла, який може поглинути кожен напівпровідник. Як ви думаєте, який би зробив найгірший сонячний елемент? Виберіть один:

Відповідь

Використовуйте стару добру енергію для перетворення довжини хвилі:

\[E(e V)=\dfrac{1240}{\lambda(n m)} \nonumber\]

А.\(\mathrm{Si}\) (смуговий проміжок\(1.14 \mathrm{eV})=1088 \mathrm{~nm}=1.088\) мкм

B.\(\mathrm{Ge}\) (смуговий проміжок\(0.67 \mathrm{eV})=1851 \mathrm{~nm}=1.851\) мкм

С.\(\mathrm{GaAs}\) (смуговий проміжок\(1.39 \mathrm{eV})=892 \mathrm{~nm}=0.892\) мкм

D.\(\mathrm{InSb}\) (заборона смуги\(0.16 \mathrm{eV})=7750 \mathrm{~nm}=7.750\) мікрон

Кожен матеріал буде поглинати світло з довжинами хвиль коротше, ніж ця довжина хвилі діапазону (так що все зліва від цієї довжини хвилі на графіку).

Спектр поглинання InSb буде розширюватися далеко від сторони графіка (він поглинає ВСЕ) - але оскільки заборона InSb настільки мала, електрони, які він збуджує, не несуть дуже багато енергії (вони втрачають надлишок для нагрівання), тому це був би жахливий сонячний елемент.

А.\(\mathrm{Si}\) (заборона смуги\(1.14 \mathrm{eV}\))
B.\(\mathrm{Ge}\) (заборона зони\(0.67 \mathrm{eV})\)
C\(\mathrm{GaAs}\) (заборона смуги\(1.39 \mathrm{eV}\))
D.\(\mathrm{InSb}\) (заборона смуги\(0.16 \mathrm{eV}\))

3. У вас є три різні матеріали:\(\mathrm{AlP}\) (заборона смуги\(2.45 \mathrm{eV}\)),\(\mathrm{SiC}\) (заборона смуги\(3.0 \mathrm{eV}\)) та\(\mathrm{CdSe}\) (заборона смуги\(1.74 \mathrm{eV}\)). Які з наступних трьох геометричних композицій, ймовірно, будуть найбільш ефективними при перетворенні сонячного світла в електрику? Поясніть свою відповідь.

Відповідь

Вгорі ліворуч: всі довжини хвиль поглинаються і виділяється найменше теплової енергії.

Лекція 16: Напівпровідники та легування

Резюме

Напівпровідники мають таку назву, оскільки їх провідність електронів лежить десь між провідністю ізоляторів та металів. Зазор смуги напівпровідника, що означає простір між його зоною провідності та валентною зоною, більший, ніж у металу, але менший, ніж у ізолятора. Спочатку електрони пов'язані з решіткою (розташування атомів в твердому тілі) і не можуть проводити. Їх енергетичні стани знаходяться в межах валентної зони. Для того щоб електрони проводилися, вони повинні отримати достатню кількість енергії, щоб вийти з валентної зони і увійти в зону провідності, яка передбачає проходження забороненого енергетичного простору (заборонених енергетичних станів).

Два способи, за допомогою яких ці спочатку пов'язані електрони можуть досягти провідності, - це передача теплової енергії та через легування, що передбачає введення домішок (відносно невеликої кількості чужорідних атомів порівняно з кількістю атомів у решітці) для збільшення щільності носії заряду (електрони або дірки, відсутність електрона, який по суті діє як позитивний заряд). (Примітка: є третій спосіб, який ми обговорювали в останній лекції, штовхаючи електрони над проміжком за допомогою фотонів). Існує два види легування,\(\mathrm{p}\) -type і\(\mathrm{n}\) -type. \(\mathrm{P}\)-тип легування передбачає додавання домішок з меншою кількістю електронів, ніж атоми в нелегованої решітці (тобто алюміній, легований у кремній). \(\mathrm{P}\)-тип легування створює отвори. Наявність цих отворів дає можливість провідності в решітці і створення акцепторного енергетичного рівня.

\(\mathrm{N}\)-тип легування передбачає додавання домішок з більшою кількістю електронів, ніж атоми в нелегованої решітці (тобто фосфор, легований у кремній). \(\mathrm{N}\)-тип легування вводить додаткові електрони (негативні носії заряду). Ці електрони мають енергію, відповідну донорському рівню, і здатні проводити з набагато меншим додаванням енергії в порівнянні з електронами в валентній зоні.

Чому це важливо

Вся напівпровідникова промисловість побудована на способах\(\mathrm{Si}\) допінгу та інших напівпровідників з точною кількістю бажаних домішок, щоб зробити напівпровідники\(\mathrm{n}\)\(\mathrm{p}\) типу та типу, які потім потрапляють у мільярди в один чіп надзвичайно складним\(\mathrm{Ge}\)\(\mathrm{GaAs}\) домовленостей. Ось так був зроблений найперший транзистор, поставивши напівпровідник\(\mathrm{n}\) типу і\(\mathrm{p}\) -типу в контакт один з одним. Ви можете дізнатися все про найперший транзистор у багатьох великих ресурсах (як це коротке пояснення відео, наприклад, https://www.youtube.com/watch?v=JBtEckh3L9Q). Ось фотографія того самого першого транзистора, який не схожий на те, що ви бачите на комп'ютерному чіпі сьогодні, але це перший p-n перехід, і він відкрив двері до революції.

Щоб отримати невелику перспективу: У 2014 році було виготовлено 250 мільярдів мільярдів транзисторів, що становить 8 трильйонів транзисторів в секунду. Ось діаграма того, що ми називаємо законом Мура, який взагалі не є законом, а просто тим, що відбувається, коли багато неймовірно розумних вчених та інженерів працюють над чимось протягом 60 років.

Говорячи про розумні, як ми, як люди, робимо наші природні обчислення? Як комп'ютери, які ми створюємо, підкладаються до мізків, які ми використовуємо, щоб зробити їх? Розумієте, закон Мура виглядає і вражає, але це показник обчислювальної потужності, а не енергоспоживання. Тільки центри обробки даних в даний час становлять 3% глобальних\(\mathrm{CO}_2\) викидів, і за оцінками, протягом 10 років понад 20% всієї електроенергії буде споживатися ІТ. Велика частина цієї енергії йде в посилку струму через трильйони і трильйони напівпровідників\(\mathrm{p}\)\(\mathrm{n}\) типу і -типу.

Просто для задоволення давайте порівняємо потужність, споживану комп'ютером, який має еквівалентну кількість процесорів, як людський мозок. Типовий мозок дорослої людини має близько\(10^{11}\) нейронів або нервових клітин, кожен з яких з'єднаний приблизно з\(10,000\) іншими нейронами через з'єднувачі, які називаються синапсами, які є надмагістралями обробки інформації в мозку. Мозок має загальну кількість навколо\(10^{14}\) синапсів. З 1 транзистор еквівалентний приблизно\(10\) синапсам, ми можемо побудувати комп'ютер настільки потужний, як мозок, або, принаймні, з такою ж обчислювальною потужністю, з\(10^6\) комп'ютерними чіпами (кожен чіп упаковує\(10\) мільярд транзисторів). Це вимагатиме навколо\(10\mathrm{MW}\) влади. Це\(10,000,000\) Вт потужності, необхідні для запуску штучного мозку. Для порівняння, людський мозок працює приблизно на\(20\) Ватт!

Причина, по якій я роблю це порівняння в нашому Чому це має значення, полягає в тому, що\(\mathrm{p} - \mathrm{n}\) перехід і транзистор викликали дивовижну революцію, що охоплює багато порядків. Але нам все ще не вистачає ще 6 нулів на зменшення енергоспоживання, якщо ми коли-небудь хочемо спробувати відповідати мозку, для якого явно потрібна чергова революція.

Чому це працює

Оскільки я виховав людський мозок і порівняв його з комп'ютерними чіпами, давайте зосередимо цей розділ на інтерфейсі мозок-машина. Це, звичайно, було предметом багатьох науково-фантастичних фільмів (так, Матриця), але це також було в центрі уваги багатьох дослідницьких лабораторій та урядових програм протягом принаймні останніх 30 років. Це пов'язано з величезним потенціалом, що дозволяє інтерфейсу людина-мозок допомогти пацієнтам з широким спектром нейродегенеративних захворювань. І вся ця робота привела нас до досить захоплюючого часу в спробах об'єднати мозок з машинами, в яких формується багато нових комерційних суб'єктів.

Елон Маск, наприклад, запустив Neuralink кілька років тому. Це досить захоплююча компанія не тільки через свою початкову концепцію, але й тому, що вони залучили високоталановиті та міждисциплінарні команди вчених, лікарів та інженерів. Багатьом з людей, залучених до таких зусиль, потрібно буде знати про напівпровідниках і допінгу, і в цьому випадку серйозну проблему створення електроніки, яка є «дружньою для мозку» (подивіться на роботу професора Джона Роджерса, як приклад). Ряд компаній інвестували в цю область, як Boston Scientific, Abbot, Blackrock Microsystems, Cortec або NeuronExus, щоб назвати лише деякі. І урядові програми також нарощують зусилля, наприклад, через DARPA або Ініціативу NIH BRAIN.

Приклади проблем

1. Рівні легування в напівпровідниках зазвичай варіюються від\(10^{13} / \mathrm{cm}^3\) до\(10^{18} / \mathrm{cm}^3\), залежно від застосування. У деяких пристроях (наприклад, транзисторах) потрібно кілька матеріалів\(\mathrm{p}\) типу\(\mathrm{n}\) - і з різною концентрацією легування.

\(\mathrm{Si}\)має щільність\(2.328 \mathrm{~g} / \mathrm{cm}^3\). Яке відношення\(\mathrm{Si}\) атомів до легуючих атомів при\(10^{13} / \mathrm{cm}^3\) легуванні і\(10^{18} / \mathrm{cm}^3\) легуванні?

Відповідь

Щоб знайти співвідношення між\(\mathrm{Si}\) атомами і легуючими атомами, нам потрібно знайти кількість\(\mathrm{Si}\) атомів на кубічну\(\mathrm{cm}\). Це проста проблема стехіометрії:

\[\dfrac{2.328 \mathrm{gSi}}{1 \mathrm{~cm}^3 \mathrm{Si}} \times \dfrac{1 \mathrm{molSi}}{28 \mathrm{gSi}} \times \dfrac{6.022 \times 10^{23} \text { atomsSi }}{1 \mathrm{molSi}}=\dfrac{5 \times 10^{22} \text { atomsSi }}{\mathrm{cm}^3} \nonumber\]

Тепер візьмемо відношення\(\mathrm{Si}\) атомів до легуючих атомів, отримуючи:

а)\(5 \times 10^{22}: 10^{13}=5,000,000,000: 1\)

б)\(5 \times 10^{22}: 10^{18}=50,000: 1\)

а)\(10^{13} / \mathrm{cm}^3\)

б)\(10^{18} / \mathrm{cm}^3\)

2. Ти\(\mathrm{Ge}\) дуркуєш\(2.43 \mathrm{mg} \mathrm{Mg}\).

а. що це за допінг? Які носії заряду вводяться?

Відповідь

\(\mathrm{p}\)-тип легування; введені отвори

б. скільки перевізників дає кожне заміщення?

Відповідь

кожне заміщення дає 2 носії

c Обчислити кількість носіїв заряду, створених шляхом додавання\(2.43 \mathrm{mg} \mathrm{Mg}\).

Відповідь

\ begin {вирівняний}
2.43\ mathrm {мг}\ раз 10^ {-3}\ frac {\ mathrm {g}} {\ mathrm {mg}}\ раз\ mathrm {~mol}} {24.3\ mathrm {~g}} =10^ {-4}\ mathrm {~mol}\
\ text {2 носії на підстановку:} 2\ раз 10^ {-4}\ mathrm {~моль}\ текст {отвори}\\
2\ раз 10^ {-4}\ разів 6.602\ раз 10^ {23} =1.32\ раз 10^ {20}\ текст {отвори}
\ кінець {вирівняний}

d Скільки ви\(\mathrm{Ge}\) повинні почати з, якщо ви хочете щільність носія заряду\(1016 / \mathrm{cm} 3\)?

Відповідь

\ begin {вирівняний}
10^ {16}\ текст {носії}/\ mathrm {см} ^3=1.32\ раз\ розрив {10^ {20}} {x}\
x = 1.32\ раз 10^4\ mathrm {~см} ^3\ mathrm {Ge}
\ кінець {вирівняний}

3. Для\(13 \mathrm{~cm} 3\) з\(\mathrm{Si}\), обчислити кількість міліграмів\(\mathrm{B}\) атомів, необхідних для того, щоб мати\(3.091^* 10\) 17 носіїв/\(\mathrm{cm}^3\). Припустимо, що дофікуюча тільки заміщення включає в себе\(\mathrm{Si}\).

Відповідь

\(\mathrm{p}\)-тип: носії - це отвори

\(13 \mathrm{~cm}^3 \times \dfrac{3.091 \times 10^{17 \text { carriers }}}{1 \mathrm{~cm}^3} \times \dfrac{1 \text { atom }}{1 \text { carrier }} \times \dfrac{1 \mathrm{~mol}}{6.022 \times 10^{23} \text { atoms }} \times \dfrac{10.81 \mathrm{~g}}{1 \mathrm{~mol}} \times \dfrac{1000 \mathrm{mg}}{1 \mathrm{~g}}=0.0721 \mathrm{mg}\)

Лекція 17: Металеві зв'язки та властивості металів

Резюме

Метали утворюються з атомів, які мають частково заповнені електронні смуги: валентні електрони нещільно пов'язані, утворюючи море електронів по всьому твердому тілу. Вивільнені валентні електрони можуть вільно переміщатися навколо нерухомих катіонів: вони поділяються всіма атомами в твердому тілі, а не закріплені на одному конкретному атомі. Зв'язки, що утворюються між атомами металів, називаються металевими зв'язками. На відміну від іонних або ковалентних зв'язків, де електрони, що беруть участь у зв'язку, тісно пов'язані з іонами, металеві зв'язки не належать до того чи іншого іона.

Метали характеризуються високою електропровідністю, високою теплопровідністю, високою теплоємністю, пластичністю, блиском. Кожне з цих властивостей можна співвіднести з електронною структурою і картиною моря електронів.

Оскільки електронні смуги в металах перекриваються - немає смугового розриву - електрони можуть вільно переміщатися через тісно розташовані енергетичні стани. Якщо електрон на поверхні збурено, енергія легко переноситься через тверде тіло: модель Друда для провідності пов'язує дрейф електронів до прикладного поля, що дає провідність. Вільні електрони також можуть вібрувати, тому тверді метали можуть ефективно передавати теплову енергію або тепло. Теплопровідність металів прямо пропорційна електропровідності через закон Відеманна-Франца. Властивості металів також можна контролювати за допомогою легування. Наприклад, бронза - це металевий сплав з співвідношенням 4:1\(\mathrm{Cu}\) і\(\mathrm{Sn}\) в співвідношенні 4:1. Хоча наявність\(\mathrm{Sn}\) знижує загальну провідність до 10% чистої міді, бронза набагато більш стійка до корозії. Латунь - це металевий сплав з співвідношенням 2:1\(\mathrm{Cu}\) і\(\mathrm{Zn}\) в співвідношенні 2:1. Хоча провідність становить 28% чистої міді, латунь набагато ковкіша, ніж чиста мідь.

Більшість металів поділяють дві механічні властивості: ковкість і пластичність. Обидва є мірою того, наскільки матеріал може деформуватися, не руйнуючись. Ковкі матеріали можна сильно стискати, не руйнуючись, тоді як ковкі метали можуть сильно розтягуватися, не руйнуючись. Висока ковкість і пластичність дозволяють металевим твердим тілам бути втягнуті в дроти або забиватися в складні форми. Наприклад, платиновий стрижень діаметром 1 см і довжиною 10 см можна втягнути в\(\equiv 2777 \mathrm{km}\) дріт, просто потягнувши. Дивно, але ці механічні властивості можна безпосередньо співвіднести з електронною структурою. Оскільки тверде тіло деформується і іони рухаються навколо, море електронів може легко переміщатися, дозволяючи атомам переставлятися, не розриваючи достатньої кількості зв'язків, щоб призвести до руйнування.

Періодичні тенденції міцності металевих зв'язків безпосередньо пов'язані з електронною структурою. Металеві зв'язки, як правило, найслабші для елементів з майже порожніми (\(\mathrm{Cs}\)) або майже повними (\(\mathrm{Hg}\)) валентними підоболонками, і найсильніші для елементів з напівзаповненими валентними оболонками (\(\mathrm{W}\)). Коли валентна зона наполовину заповнена електронами, співвідношення зв'язкових орбіталів: антизв'язуючих орбіталів максимізується. \(\mathrm{MO}\)Теоретично атомні орбіталі об'єднуються, утворюючи зв'язкові та антизв'язуючі стани. На смуговому малюнку нижня частина валентної зони представляє характер\(100 \%\) зв'язку, а верхня частина смуги -\(100 \%\) антизв'язуючий характер. Тому напівзаповнені валентні зв'язки дають найміцніші металеві зв'язки. Для перехідних металів атомні орбіталі настільки близькі за енергією, що часто перекриваються, створюючи широкі енергетичні смуги з загальними характеристиками. Метали в групах 6-9, швидше за все, мають\(\approx\) напівзаповнені валентні зони, тому металеві зв'язки, які вони утворюють, найміцніші.

Чому це важливо

Корозія металів найгірша. Глобальна вартість корозії оцінюється в 2,5 трильйона доларів. Так, трильйон! Це еквівалентно 3,4% світового ВВП у 2013 році. Ми мало думаємо про корозію в нашому повсякденному житті. Ми думаємо про це як іржавіння спиць велосипедного колеса або якихось старої на вигляд шестерень. Але якщо труба досить роз'їдає, вона може тріснути. Якщо човен досить роз'їдає, вона може потонути. Це вкрай серйозні проблеми, які передбачають не тільки різку втрату грошей, але і серйозний ризик безпеки і потенційну втрату життя. Якщо заглибитися в тему корозії, ви виявите, що багато галузей промисловості прийняли те, що вони називають, «системи управління корозії». Це дійсно означає, що вони усвідомлюють, що це велика проблема, і вони збираються спробувати зробити щось з цим. Але що вони можуть зробити? Відповідь на це питання, звичайно ж, хімія. А завдяки хімії щорічно економлять 500 мільярдів доларів, запобігаючи або принаймні різко уповільнюючи корозії. Набагато більше роботи потрібно зробити.

Автомобільна промисловість є чудовим прикладом галузі, яка перейшла від мінімального контролю корозії в 1970-х роках, коли термін служби автомобіля, як правило, встановлювався корозією кузова та рами, до сучасного контролю корозії за допомогою передових технологій фарбування/покриття та використання корозії- стійкі матеріали. У цьому розділі я згадав про використання легування як способу зробити метали більш пружними, на прикладі бронзи, яка є міддю з тире олова. Саме так розробляються антикорозійні покриття і вони можуть бути у вигляді фарб або додаткових шарів металевих сплавів або обробки існуючих металевих поверхонь. Великі конструкційні метали, такі як ті, що використовуються в мостах або вітрових турбін, часто обробляються покриттями на основі цинку та алюмінію для забезпечення довгострокового запобігання корозії, тоді як багато сталевих та залізних кріплень покриті тонким шаром кадмію для блокування поглинання водню, що може призвести до розтріскування під напругою. Нікель-хромові та кобальт-хромові сплави часто використовуються як покриття для запобігання корозії, оскільки вони мають дуже низький рівень пористості, що робить їх надзвичайно стійкими до вологи, що, в свою чергу, гальмує іржавіння. Оксидна кераміка, як глинозем (які пам'ятаю, ми вже обговорювали, коли ми говорили про іонні зв'язки!) може зробити відмінні і міцні покриття.

Хімія корозії є дуже активною і надзвичайно важливою областю досліджень, і більш глибоке розуміння хімії того, як це відбувається, а також як хімія може бути використана для її запобігання, являє собою постійний величезний виклик і величезні можливості.

Чому це працює

Як метал може зробити роботу? Давайте розглянемо приклад, який є великою частиною нашого майбутнього, і насправді дійсно круто: 3D-друк. З металів. За кілька коротких років 3D-друк металів перейшов від концепції до бахроми до майже мейнстріму. Багато компаній тепер можуть друкувати металеві деталі 3D, і багато інновацій все ще відбуваються в цих компаніях. Яких людей ці компанії наймають? Ті, хто знає про електронне море, звичайно!

У цьому просторі є багато компаній, включаючи одну з наших власних, спін-аут на базі MIT під назвою Desktop Metal, який утворився в 2017 році. Одним із захоплюючих аспектів 3D-друку на металі є те, що немає жодного стандарту, принаймні ще немає. Так багато різних компаній працюють над просуванням кордонів різних технологій, від Desktop Metal, який використовує те, що вони називають пов'язаним металевим осадженням, до концепції лазера, який спікає метали лазером і тепер належить GE, до Arcam (також зараз належить GE) який використовує електронний промінь, щоб розплавити метал, щоб Xact Metal, який використовує щось під назвою Powder Bed Fusion, до ExOne, який використовує те, що називається сполучним струменем, до Vader Systems, який використовує магнітні поля, до Cytosurge який вимагає нанометрової роздільної здатності, до багатьох інших компаній і багато інших підходів до процесу друку. Усі ці підходи вимагають постійного розвитку нових хімій («чорнила») та нових способів маніпулювання ними у спеціально підібрані, складні форми та форми з високою роздільною здатністю.

Приклади проблем

1. Метали проти напівпровідників

а) Чому метали кращі електричні провідники, ніж напівпровідники?

Відповідь

Метали не мають забороненої зони, тому їх електрони можуть вільно проводити, породжуючи ефект «моря електронів»

б) Як часто леговані напівпровідники досягають рівнів електропровідності металів?

Відповідь

Легування в напівпровідниках ніколи не буває достатнім для досягнення рівнів провідності металів. Це пов'язано з тим, що концентрація легуючих речовин (домішок, які вносять електрони або дірки в сипучий матеріал) надзвичайно мала і недостатньо для зміни смугової структури матеріалу.

2. Чому срібло (\(\mathrm{Ag}\)) більш електропровідне, ніж платина (\(\mathrm{Pt}\))?

Відповідь

\(\mathrm{Ag}\)є більш електропровідним, ніж\(\mathrm{Pt}\) через атомний радіус - збільшений розмір атома призводить до збільшення атомного інтервалу, що збільшує рух електронів.

3. Оцініть наступні метали в порядку збільшення міцності металевого зв'язку та поясніть свої міркування:

А.\( \mathrm{Co}\)

Б.\(\mathrm{Cd}\)

С.\(\mathrm{W}\)

Д.\(\mathrm{Ni}\)

Відповідь

Металеві зв'язки, як правило, слабкі для елементів, які мають майже порожні або майже повні валентні оболонки. Вони найсильніші для тих, у кого наполовину заповнені валентні оболонки. Тому

найслабші:\(\mathrm{Cd}, \mathrm{Ni}, \mathrm{Co}\), найсильніші:\(\mathrm{W}\)

Лекція 18: Ідеальне тверде тіло: Кристали

Резюме

Кристалічні тверді речовини мають дальній порядок: розташування зв'язків відіграє важливу роль у визначенні властивостей кристалів. Кожен кристал має одиничну клітинку, повторювану одиницю, подібну до штампа, яку можна викласти в візерунок. Часто існує багато одиничних комірок, які можуть бути обрані для даного кристала; прийнято вибирати найменшу одиничну комірку, яка містить всю необхідну інформацію. На малюнку (a), (b) та (c) усі показують дійсні одиничні комірки та те, як вони розміщуються, але (d) не є дійсним, оскільки, коли плитка, вона не охоплює весь простір: є прогалини. У 3D-просторі одиничні клітини, що складаються з різних атомних композицій, дають інформацію про кристалічні тверді речовини. Одинична клітина також дає інформацію про те, як атоми пакують разом. Фракція упаковки - це міра того, скільки 2D площі одиничної комірки заповнюється атомами:

Фракція упаковки = (площа, зайнята атомами)/(загальна площа доступна)

У 3D-просторі є лише 7 окремих одиничних комірок, які можуть заповнити весь простір без порожнеч. Браве придумав, як розташувати атоми в одиничні клітини, виявляється, всього 14 унікальних решіток Браве. У 3.091 ми зосередимося на кубічних одиничних комірках, які мають всі сторони однакової довжини і всі кути = 90 градусів. Є три різних кубічних одиничних комірки.

У верхньому рядку вказується положення центрів атомів для кожної з кубічних решіток. Далі атоми показані як заповнюють максимальну кількість об'єму: це допомагає візуалізувати, скільки атомів знаходиться в кожній одиничній клітині. Нарешті, кожна з одиничних комірок показана в контексті більшого перерізу кристала. Кілька ключових показників допомагають визначити макроскопічні властивості кристала, включаючи фракцію атомної упаковки (APF) та координаційне число. Фракція атомної упаковки обчислюється в 3D просторі:

APF= (атоми в одиничній клітині) * (обсяг атома)/(об'єм одиничної клітини)

Обсяг атома можна наблизити як обсяг твердої сфери:\(V=4 / 3 * \pi * r^3\). Для кожної з кубічних решіток радіус відповідної жорсткої сфери може бути пов'язаний з постійною решітки (шириною одиничної осередку). Нарешті, координаційне число, або кількість найближчих сусідів, дає інформацію про те, скільки атомів доступно для формування зв'язків. Число атомів в одиничній клітині - це сума частин атомів, поділених між сусідніми одиничними клітинами. Наприклад, кубічна (BCC) одинична клітина, орієнтована на тіло, має повний атом у центрі, а також атом у кожному куті, який розподіляється порівну між 8 клітинами. Отже, загальна кількість атомів в одиничній клітині BCC становить 8* 1/8+1 = 2 атоми/одинична клітина.

Чому це важливо

Давайте повернемося до застосування напівпровідників, про які я згадав кілька лекцій тому, але не заглиблювався. Йдеться про використання світлової енергії для збудження електронів над забороною, і той факт, що це означає, що ви можете використовувати світло як форму електрики з потрібними матеріалами. Це називається сонячним елементом, або фотоелектричним пристроєм. Ось енергія, яку ми отримуємо на планеті Земля від Сонця. Ми побачили цей сюжет, коли ми навели приклад молекули озону як ключову причину, чому ми не отримуємо багато УФ на планеті (оскільки озон поглинає його високо в атмосфері). Цього разу я використовую сюжет, щоб показати, що інтенсивність не тільки сильно залежить від довжини хвилі світла, але значна частина енергії, яку ми отримуємо, надходить або у видимій, або в інфрачервоній частині спектра. Наївно, ви можете подумати, що найкращий сонячний елемент просто поглине все; мовою наших лекцій про заборону та напівпровідникові, це означає, що він мав би дуже малу смугу, оскільки чим менший проміжок, тим менша енергія фотона може бути для збудження електрона над розривом. У сонячній батареї, як тільки електрон збуджується над зазором, цей негативний заряд потім витягується з пристрою з зони провідності, тоді як позитивний отвір витягується з валентної зони. Ці витягнуті заряди потім можуть працювати (наприклад, заряджати телефон).

Ах, але чи було це тільки так просто! Завдання полягає в тому, що як тільки електрон збуджується, він дуже швидко «термалізується» вниз до нижньої частини смуги провідності. Це процес, який відбувається так швидко, що ми можемо зробити дуже мало з цим (хоча існує активна область досліджень для вилучення «гарячих електронів» з матеріалів, перш ніж вони зможуть термізуватися, але на даний момент немає робочих пристроїв). Ця термізація означає, що кількість енергії, яку може мати електрон, коли він готовий до роботи, незалежно від того, наскільки високим за енергією був фотон, який його збудив, дорівнює енергії забороненої зони. Це показано тут, на цій енергетичній діаграмі, як синя химерна лінія. Фотон цієї синьої енергії буде поглинений матеріалом, і збуджений електрон не втратить жодної енергії, оскільки він не піднімався вище, ніж смуга пропускання. Але якщо світло більш високої частоти поглинається, як та фіолетова замалка, то фотон все одно створює збуджений електрон у матеріалі, хоча будь-яка надлишкова енергія над забороною втрачається, оскільки електрон швидко падає до мінімуму смуги провідності, перш ніж його можна буде витягти.

З іншого боку, якщо фотон, який надходить, має енергію нижче, ніж смуга пропускання, скажіть, що на діаграмі зелена замалка, то вона взагалі не буде поглинена (немає станів, щоб збуджуватися). І ось чому розуміння хімії сонячних елементів так важливо, оскільки у нас є конкуруючі драйвери: чим менше зазор, тим більше цей спектр може бути поглинутий, але чим менше енергії електрон повинен робити роботу і тим більше енергії втрачається на термізацію, тоді як чим вище розрив, тим більше енергії електрон має в цьому CBM, але менше фотонів може бути поглинається. Це тому, що, як ми дізналися, напівпровідник може поглинати лише світло, рівне або більше за енергією до його заборони. Цей компроміс означає, що існує оптимальна смуга пропускання для сонячної батареї, виготовленої з одного матеріалу, і цей оптимальний зазор становить близько 1,3\(\mathrm{eV}\). Це досить близько до заборони кремнію, яка становить 1,1\(\mathrm{eV}\).

Так, але це тільки в тому випадку, якщо у нас є ідеальний кристал! Насправді кремній може мати набагато меншу пропускну здатність, залежно від того, наскільки він хороший кристал. Якщо у нього є дефекти (це перебої в решітці і слідкуйте за оновленнями, ця тема скоро!) , тоді заборона може піти вниз, причому межа полягає в тому, що кремній може навіть стати металевим, якщо кристалічність занадто сильно переплутається. Це пояснює частину причини, чому кремній був дорогим, а також повинен йти на скло, на відміну від пластикових підкладок: а саме тому, що кремнієвий сонячний елемент повинен бути дуже товстим (100 мікрон).

Правда в тому, що кремній - страшний поглинач світла. Правильно, матеріал сонячних батарей, який домінує на\(> 85\%\) світовому ринку, жахливо робить одну з найважливіших речей, які йому потрібно зробити: поглинати сонячне світло. Кремній все ще здатний поглинати, звичайно, але це просто неефективно, тому його просто потрібно зробити дуже товстим, щоб захопити все світло. Порівняйте це з іншими матеріалами, які можуть ефективно поглинати світло, як молекула барвника, яка може поглинати всю енергію сонця в 1000x тонші шари. Товщина кремнію є подвійною хиткістю: по-перше, це означає, що сонячний елемент крихкий, не може згинатися і повинен йти на скло, що робить весь пристрій важким, і 2) це означає, що збуджені заряди мають набагато більшу відстань, щоб подорожувати в матеріалі, перш ніж вони зможуть досягти електрода і бути витягнуті для роботи. А це означає високу вартість, оскільки це багато матеріалу, який потрібно зробити максимально кристалічним. Це можна (майже) зробити, але це складно, дорого, і вимагає величезних заводів виготовлення. Але отримання цієї якості, що кристалічність на великих відстанях (так, мікрони дуже великі відстані для електрона або атома!) , варто тому, що кристалічність тримає ключ до властивостей напівпровідника. У цьому випадку це електронний транспорт, про який ми говоримо, і чим більш впорядкована і кристалічна решітка, тим краще для зарядів рухатися.

Чому це працює

Оскільки ця лекція стосується кристалічності, давайте подивимося на можливості працевлаштування у виробництві кристалів. Це правда, що ви можете викопати скелі з землі, і вони, можливо, вже мають кристалічний порядок в них, як внутрішня частина цієї породи, показана тут. Але більшу частину часу ці кристали марні для технологій, оскільки вони містять всілякі орієнтації, які переплутані разом, вони часто мають багато дефектів у них, а також зазвичай вони не чисті елементи, а скоріше мінерали, що містять елемент інтересу разом з домішками (як кисень). Отже, питання: як зробити якомога чистішим кристал з одного елемента? Візьмемо для прикладу кремній.

Ось цифра всіх кроків, які потрібно зробити, щоб перетворити пісок на кристалічний кремній. Як бачите, їх дуже багато, і багато хто передбачає високі температури або хімічне змішування. Багато компаній працюють на різних етапах цього графіка. Наприклад, отримання від піску до «металургійного класу кремнію» - це те, що багато менших компаній роблять, як Міссісіпі кремній, Elkem, або Silicon Materials, Inc., щоб назвати лише деякі. Це часто компанії з кількома сотнями співробітників, тому вони можуть не мати великої кількості оголошень про роботу, але є багато компаній, тому якщо ви глибоко занурюєтеся в повний ландшафт виробників кремнію, ви, ймовірно, знайдете деякі хороші можливості.

Після того, як компанія зробила кремній досить високої чистоти, вони можуть потім сформувати його в злиток. Це також вимагає подальшого очищення, а також знову високих температур. Більшість компаній, які виробляють злитки високої чистоти, в даний час базуються в Китаї, хоча є й інші, розкидані по всьому світу, в тому числі в таких місцях, як Японія, Німеччина та Корея. І як тільки є злиток, його можна нарізати на вафлі, які потім можна зробити в пристрої. Тут у нас є багато великих компаній, що спеціалізуються на цьому процесі, таких як Applied Materials або Lam Research, серед багатьох інших.

Приклади проблем

1. Обчисліть атомну фракцію упаковки (\(\mathrm{APF}\)) простої кубічної одиничної комірки.

Відповідь

Обсяг одиничної комірки\(=a^3=8 r^3\) (тому що решітка постійна,\(\mathrm{a}=2 \mathrm{r}\))

Обсяг одного атома\(=r^3\)

атомів у простій кубічній одиничній клітині\(=1\)

Решітка постійна,\(\mathrm{a}=2 \mathrm{r}\)

\(\mathrm{APF}=(\)обсяг одного атома)/(об'єм одиничної клітини)\(\mathrm{x}\) (кількість атомів в клітині)

\[\dfrac{\frac{4}{3} \pi r^3}{8 r^3} \times 1=\dfrac{\pi}{6}=52.4 \% \nonumber\]

2. Яка з трьох кубічних структур, на вашу думку, частіше утворюється при високому тиску? Чому?

Відповідь

FCC є більш імовірним, ніж BCC, що є більш імовірним, ніж SC. Більш висока фракція упаковки означає, що атоми ближче один до одного

3. \(\mathrm{CsCl}\)утворює взаємопроникаючу решітку SC, яка виглядає як решітка ОЦК, але з 2 різними типами атомів. Для цієї проблеми ми будемо використовувати решітку BCC і припустимо, що\(\mathrm{Cl}-\) іони знаходяться по кутах.

а) Скільки кожного типу атома знаходиться в одиничній клітині?

Відповідь

\(1 \mathrm{Cl}-\)іон і\(1 \mathrm{Cs}+\) іон

б) Що таке постійна решітки, а (довжина однієї сторони одиничної осередку), в перерахунку на атомні радіуси\(r_{C s}\) і\(r_{C l}\)? Що таке значення a in\(\AA\)?

Відповідь

Закрити упакований напрямок = діагональ тіла

\ почати {зібраний}
\ sqrt {3} a=2 r_ {C s} +2 r_ {C l}\
\ sqrt {3} a=2 (2.38 А) +2 (1,00 А) =3.90 А
\ кінець {зібраний}

Лекція 19: Нарізка кристала: літаки Міллера

Резюме

Кристалічна решітка - це карта, яка вказує на те, наскільки однакові точки розташовані в просторі. В останній лекції ми розмістили по одному атому на кожному місці решітки, і звідти ми могли обчислити атомну фракцію упаковки. Однак на місцях решітки можна було розмістити все, що завгодно, доки одне і те ж саме ставиться на кожному майданчику решітки. Решітка - «як» повторити; «що» повторювати називається основою. Одинична клітина служить способом думати про те, де ми знаходимося в кристалі.

Для точок у решітці використовуються\((\mathrm{h}, \mathrm{k}, \mathrm{l})\) декартові координати: умовно вони масштабуються константою решітки. Напрямок всередині кристала описується вектором: ці вектори завжди починаються з початку, тому напрямки повністю описуються кінцевою точкою вектора, яка лежить на грані одиничної комірки. Позначення дещо відрізняються для кристалографічних векторів: кінцеві точки масштабуються так, щоб усі були цілими числами, і вони укладені дужками без пробілів, [\(\mathrm{hkl}\)]. Наприклад, вектор від\((0,0,0)\) до на\((1 / 2,1,0)\) діаграмі - це кристалографічний напрямок [120]. Це позначення називається індекси Міллера. Негативний напрямок позначається за допомогою перекриття: вектор від\((0,0,0)\) до\((-1,0,0)\) записується як\([\overline{1} 00]\). У кубічній системі всі напрямки з однаковим набором індексів Міллера еквівалентні, незалежно від порядку: їх можна згрупувати в сімейства напрямків: вони вказуються кутовими дужками,\(\langle h k l\rangle .\)

Індекси Міллера також можуть бути використані для опису кристалографічних площин, які можна визначити, виконавши 4 етапи:

1. Зчитуйте точки, в яких площина перехоплює осі в перерахунку на частку одиничної довжини комірки

2. Візьміть взаємні перехоплення

3. Ділимо на найбільший спільний коефіцієнт, щоб отримати ціле значення

4. Вкласти в дужки, без коми (\(\mathrm{hkl}\))

Наприклад, ця площина перехоплює\(x\) -вісь в\(x=1\),\(y\) -вісь в,\(y=1\) і вона ніколи не перетинає\(z\) -вісь, тому\(z\) перехоплення є\(z=\infty\). Взаємні ці значення становлять 1,1, і 0, таким чином, площина (110).

Сімейство площин у кубічній системі містить усі площини з однаковим набором індексів Міллера, але в будь-якому порядку. Сімейства площин позначаються фігурними дужками,\(\{h k l\}\).

Щільність упаковки в заданій площині розраховується як

Плоска щільність упаковки = (атоми в площині)/(площа площини) [атоми/площа]

Зверніть увагу, що плоска щільність упаковки не така ж, як плоска фракція упаковки, яка є безрозмірною! Нарешті, відстань між площинами, описане тим же набором індексів Міллера\(\mathrm{d}\), може бути визначено через постійну решітки, а:

\(d=\dfrac{a}{\sqrt{\left(h^2+k^2+l^2\right)}}\)

Чому це важливо

Однією з ключових властивостей, яка залежить від щільності в площині, є енергія розщеплення кристала. Це виявляється надзвичайно важливим, оскільки розщеплення - це якраз те, що це звучить: різання, або іншими словами, ламання. Якщо кристал може бути розщеплений в певному кристалографічному напрямку легше, ніж інший, то це напрямок, в якому кристал зламається найлегше. Насправді, саме тому кристали так часто «грановані», навіть коли вони просто викопані прямо з землі. Чому це важливо на сьогодні не про те, як виглядає кристал, а про те, як він ламається. Ця плоска щільність упаковки може сказати нам, яка площина піддається деформації, нанесеної на кристал, і, отже, як кристал деформується під напругою.

Погляньте на кристал, який витягують тут, на цьому малюнку, перед тим, як буде застосовано розтягнення та після цього. Зверніть увагу, що коли він розтягується, він має ті нахилені форми диска. Це тому, що він розривається вздовж площин Міллера, які мають найнижчу щільність упаковки, оскільки вони найбільш слабо пов'язані. Це не тільки інформує нас про те, коли кристалічний матеріал зламається, але це дає нам картину атомного масштабу того, як він ламається і яку форму він приймає, коли він ламається. Тепер багато твердих речовин можуть не мати великих відмінностей у енергії, необхідної для розриву різних площин Міллера, тому цей тип явища може не відбуватися, коли він знаходиться під напругою розтягування. Для багатьох металів зв'язки не настільки спрямовані, і матеріал може просто легко деформуватися через це море електронів, що вміщує розтягнення (пам'ятаєте, що провід малюнок приклад з лекції 16?). Потім є інший кінець спектра, де матеріал настільки анізотропний, що в одному напрямку плоска щільність і тип зв'язку абсолютно різні, ніж в інших напрямках. Графіт (на фото тут) - прекрасний тому приклад.

Тонкі довгі дроти теж можуть бути зроблені з графіту. Фактично, вуглецеві волокна, як їх називають, сьогодні складають ринок 1.7 млрд доларів, і це ринок, який стає сильним. Якби ми могли просто знизити вартість приблизно в 10 разів або близько того, то вуглецеві волокна зможуть конкурувати з такими матеріалами, як сталь за вартістю, будучи міцнішими, легшими та більш стійкими. Для порівняння, сьогоднішні вуглецеві волокна в 10 разів міцніші за сталь, будучи в 5 разів легше! Якщо вартість вуглецевих волокон може бути знижена, то ми б замінили все, що могли б ними, тому що вони просто такі хороші. Вуглецеві волокна не є графітом, але вони схожі на графіт, в тому сенсі, що вони мають великі\(\mathrm{sp}^2\) скріплені площини вуглецю, які вирівняні між собою. Але для того, щоб надати йому додаткову міцність, або площини начебто зім'яті, або вони пов'язані один з одним через ковалентні зв'язки. У будь-якому випадку, це здатність розробляти хімію літаків Міллера, яка робить все різниця.

Чому це працює

Давайте продовжимо працювати з концепцією вуглецевих волокон з розділу «Чому це має значення» вище. Як я вже згадував, вуглецеві волокна можуть повністю революціонізувати конструкційні матеріали та зробити так багато аспектів нашого життя легшими, сильнішими та ефективнішими. Але багато роботи ще належить зробити над самими волокнами, щоб знизити їх вартість, а також інтегрувати їх в інші продукти, від тканин до пластмас до бетону до металу. Дуже багато компаній роблять надзвичайно цікаву роботу, пов'язану з цими проблемами. І так, все починається з твердого розуміння тих площин Міллера і кристалографічних напрямків.

Hexcel має річний дохід понад 2B доларів, а їх флагманський продукт - вуглецеве волокно та композити. Зверніть увагу, що як їх ім'я, так і логотип - це все про ці шестикутники в графіті! Hexcel також круто, тому що на своєму веб-сайті вони безпосередньо перераховують можливості стажування студентів. Ще однією компанією в цьому просторі є Solvay, яка виробляє тисячі продуктів, багато з яких включають кришталеві площини графіту. Там Toray, з його витоками гоночних автомобілів, який перераховує вуглецеві волокна як один із своїх 5 основних підприємств, і є Nippon Steel, яка має цілу дочірню компанію, присвячену Granoc, легкій тканині або пряжі, виготовленої з вуглецевих волокон. Його власна хімія вуглецевого волокна, обіцяють вони, - «обертаючи майбутнє».

Приклади проблем

1. Дайте індекси Міллера затіненої площини:

Відповідь

2. Намалюйте наступне у комірці кубічної одиниці:

а) (\(\bar{2}10\))

Відповідь

б) [\(1\bar{2}1\)]

Відповідь

Лекція 20: Рентгенівська генерація

Резюме

Атоми занадто малі, щоб бачити видимим світлом, але рентгенівські промені мають лише правильний діапазон довжин хвиль для зображення в атомному масштабі. Вільгельм Ронтген вперше виявив рентгенівські промені, спостерігаючи електрони, що вражають металеву мішень в електронно-променевій трубці. Електрони випромінювалися з нагрітої нитки і спрямовувалися електричним полем всередині трубки на дуже високі швидкості. Коли високошвидкісні електрони вражають атоми металів, генеруються два види рентгенівських променів. Безперервне рентгенівське випромінювання викликається відхиленням вхідного електрона, коли він взаємодіє з атомом-мішенню металу: як випливає з назви, дозволені довжини хвиль для Bremsstrahlung (що перекладається як «гальмівне випромінювання») є безперервним спектром вище нижньої межі. Нижня межа на довжині хвилі (верхня межа енергії) встановлюється енергією вхідного електрона, тому що енергія випромінюваного рентгенівського випромінювання не може бути більшою.

Другий тип рентгенівського випромінювання, який може генеруватися, - це твір електронної структури атомів-мішеней металу. Коли електрон високої енергії падає на атом металу, він може вибити електрон у внутрішньому ядрі атома-мішені, дозволяючи електрону ядра вищої енергії каскадувати вниз. Якщо електрон каскадує вниз від рівня\(n=1\) енергії\(n=2\) до рівня енергії, фотон, який випромінюється, називається альфа-фотоном. Ці рентгенівські промені дискретні: вони відбуваються на одній довжині хвилі, що відповідає різниці рівнів енергії.

Кристалографи використовують дещо інші позначення енергетичних рівнів всередині атома: основний стан (\(n=1\)) називається\(\mathrm{K}\) оболонкою,\(n=2\) є\(\mathrm{L}\) оболонкою і\(n=3\) є\(\mathrm{M}\) оболонкою. Використовуючи це позначення, фотон, який випромінюється через процес падіння електрона від\(n=2\) до,\(n=1\) називається\(\mathrm{K}\) -альфа-фотоном. Різниця енергій між електронами внутрішньої оболонки величезна- саме тому фотони, які випромінюються, є рентгенівськими променями.

Більш важкі елементи мають більші відмінності між рівнями енергії, тому довжина хвилі\(\mathrm{K}\) -альфа менше. Тому можна визначити, з якого виду атома випромінювався рентген, просто знаючи довжину хвилі: ці рентгенівські промені називаються характерними рентгенівськими променями.

У цьому сюжеті Brehmsstrahlung і характерні рентгенівські промені показані разом, як вони будуть виміряні. Перші два піки - це лінії\(\mathrm{K}\) -бета (M до K) та\(\mathrm{K}\) -alpha (L до K), оскільки вони відповідають найбільшим енергетичним переходам всередині атома. Потім йдуть лінії\(\mathrm{L}\) -бета (N до L) і\(\mathrm{L}\) -альфа (M до L), які є набагато меншими енергетичними розривами. Інтенсивність можна змінювати, змінюючи кількість електронів, які падають на ціль. Нижня межа довжина хвилі Brehmsstrahlung може бути змінена шляхом регулювання кінетичної енергії падаючих електронів, хоча це взагалі не змінить розташування характерних рентгенівських піків. Єдиний спосіб зрушити характерні рентгенівські промені - це змінити цільовий метал, який використовується для генерації рентгенівських променів. Якщо енергія падаючих рентгенівських променів занадто низька, хоча, ніяких характерних рентгенівських променів не з'явилося б: падаючі електрони повинні мати достатньо енергії, щоб вибити електрон ядра, щоб запустити каскад.

Чому це важливо

Відкриття рентгенівських променів та подальша здатність повністю контролювати, яку довжину хвилі генерується рентгенівського випромінювання, мали настільки великий вплив на сучасне життя, що дуже важко вибрати лише один приклад для Why This Matters. Але я думаю, оскільки мені доводиться вибирати, я можу також повернутися до коренів самого Ронтгена і одного з найперших способів, яким він використовував свої нові промені. Це було б сфотографувати його дружину! Точніше, її рука - це перший рентгенівський знімок, коли-небудь зроблений і він почав революцію (Чорне коло на другому пальці зліва - це її кільце, до речі).

Ключова річ у рентгенівських променях, які відразу помітив Ронтген, полягає в тому, що вони здатні проходити крізь м'які тканини тіла, такі як шкіра та плоть, але вони поглинаються більш щільним матеріалом, як кістка. Це означає, що якщо ви світите рентгенівськими променями на частину тіла, кістки всередині відкидають тіні, які можна захопити за допомогою фотопластинки. Це був неймовірний прогрес для медицини, оскільки вперше лікар міг побачити всередині живого пацієнта, не розрізаючи пацієнта. Одними з найбільш ранніх користувачів рентгенівських променів в медицині були військові лікарі, які могли використовувати їх для оптимізації видалення куль у пораненого солдата. Коли лікарі побачили, наскільки вони можуть бути корисними, рентгенівські промені стали центральними для діагностики, і до 1930-х років вони привели до спеціалізованої галузі радіології.

Рентгенівські промені в даний час використовуються не тільки в багатьох аспектах медицини, але технологія рентгенівської візуалізації продовжує різко вдосконалюватися. Окрім покращеного контрасту в зображеннях, один зовсім недавній прорив застосовує методи, спочатку розроблені для Великого адронного колайдера в Женеві, який все ще є найбільшим у світі прискорювачем частинок довжиною 27 км. Завдяки поєднанню вдосконалених жалюзі, камер та програмного забезпечення можливий абсолютно новий тип рентгенівської візуалізації з 3D та кольоровими зображеннями. Погляньте на цей самий перший рентгенівський знімок зубів, зроблений в 1896 році з 9-хвилинним часом впливу (!). Тепер подивіться на сучасний рентгенівський знімок зубів поруч з ним. Це неймовірне поліпшення, і тим більше, коли ви розумієте, що зображення праворуч повністю 3D і стоматолог може обертати його навколо, щоб побачити всі кути.

Чому це працює

Існує багато генерації рентгенівських променів, що відбувається у світі, і приклад медичної візуалізації, який я дав вище в «Чому це важливо», - це лише одна його частина. Наприклад, рентгенівські промені також використовуються як сканери в аеропортах, або як способи контролю якості багатьох промислових деталей, або для аналізу деградації цінних картин, або в області, яка зараз називається «рентгенівська астрономія», щоб назвати лише кілька прикладів. Рентген також використовують не тільки для того, щоб побачити таку хворобу, як рак, але і для його лікування («променева терапія»). Тільки медичний ринок для рентгенівських променів повинен перевищити $16.5B у всьому світі до 2025 року. І все це використовує для рентгенівських заклинань завдань.

Є багато компаній там, які роблять рентгенівське обладнання. Наприклад, Siemens продає 6 різних типів «цифрового рентгенівського обладнання», але це лише одна категорія - вони також мають роботизований рентгенівський апарат, а також два типи комп'ютерних сканерів (так, вони також використовують рентгенівські промені) та рентгеноскопічний апарат, який використовує рентгенівські промені для дослідження руху. І це тільки одна компанія! Siemens - дуже велика компанія, дочірня компанія «Siemens Healthineers» виробляє цей тип обладнання. 41% їхньої робочої сили в США, що налічує 13 тисяч людей, займається науково-дослідною, інженерною, ІТ-підтримкою або технічною підтримкою. І є багато інших: Philips, GE Healthcare, Hitachi Healthcare America, Medtronic, Samsung Медичні пристрої, Eizo, Xoran Technologies, і United Imaging, Canon Medical Systems, і я все ще тільки починаю. Всі ці компанії продають широкий спектр рентгенівського обладнання, і всі вони конкурують один з одним для клієнтів, а це означає, що вони постійно намагаються вдосконалити свої технології та диференціювати те, що вони продають від своїх конкурентів. І поза цими великими компаніями є багато дрібних компаній, які прагнуть впровадити інновації в цій галузі. Наприклад, компанія MARS Bioimaging, що базується в Новій Зеландії, комерціалізує технологію 3D кольорового рентгенівського випромінювання, яка вийшла з адронного колайдера.

І це тільки сторона обладнання. Є також всі компанії, що працюють над новим програмним забезпеченням для аналізу зображень, створених усім цим рентгенівським обладнанням. Наприклад, є багато стартапів, які застосовують ШІ для аналізу даних рентгенівського зображення, і в деяких випадках AI показав, що він працює краще, ніж лікарі людини!

Приклади проблем

1. Подивіться на рентгенівський спектр нижче. Ви можете бачити,\(\lambda_{\kappa \beta}\) що нижче, ніж\(\lambda_{\kappa \alpha}\). А як щодо\(\lambda_{\Lambda \alpha}\)? Намалюйте цей пік на спектрі.

Відповідь

\ begin {вирівняний}
E_ {\ каппа\ альфа} &=13.3 (6-1) ^2\ ліворуч (\ dfrac {1} {1 ^ 2} -\ dfrac {1} {2^2}\ праворуч) =255\ mathrm {eV}\
&L_\ альфа: n_i = 3; n_f=3+1=4\\
&L_\ альфа: n_i = 3; n_f = 3+1=4\\
E_ {L\ альфа} &=13,6 (6-7.4) ^2\ ліворуч (\ dfrac {1} {2 ^ 2} -\ dfrac {1} {3 ^ 2}\ праворуч) =3.7\ mathrm {eV}\\
&\ quad\ quad\ quad E_ {\ каппа\ альфа} >E_ {L\ альфа}\\
&\ quad\ quad\ lambda_ {\ каппа\ альфа} <\ lambda_ {L\ альфа}
\ кінець {вирівняний}

2. Яка довжина хвилі\(\kappa_\alpha \mathrm{x}\) -променів, що виробляються джерелом міді?

Відповідь

\ почати {зібраний}
E=\ dfrac {h c} {\ лямбда} =-13.6 (Z-1) ^2\ ліворуч (\ dfrac {1} {n_f^2} -\ dfrac {1} {n_i^2}\ праворуч)\\
Z=29, n_f=1, n_i = 2\ лямбда = 1.54 А
\ кінець {зібрався}

Подальше читання

Лекція 10: Форми молекул

• Додаткове читання та практика VSEPR:

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_ Хімія/Карта%3_Хімія__Центральна_Наука_ (Коричневий_ет_ін.) /09. _Молекулярна_Геометрія_ і_Бондінг_Теорії/ 9,2% 3a_Всепр_модель

• Детальніше про молекулярні форми та лікарські засоби (не перевірені):

https://www.pearsonhighered.com/ blbmw13einfo/assets/pdf/blbmw-ch09.pdf

 

Лекція 11: Молекулярні орбіталі

• Відео розбиває молекулярну орбітальну теорію:

https://www.youtube.com/watch?v=P21OjJ9lDcs

• Класний інструмент для візуалізації молекулярних орбіталей води:

http://www.bcbp.gu.se/~orjan/qc/h2o/ index.html

 

Лекція 12: Гібридизація на молекулярних орбіталах

• Більш детальне читання по гібридизації:

https://opentextbc.ca/chemistry/chapter/8-2-hybrid-atomic-orbital

 

Лекція 13: Міжмолекулярні взаємодії

• Огляд внутрішньо-та міжмолекулярних взаємодій:

https://www.khanacademy.org/test-prep/ mcat/хімічні процеси/ковалентні зв'язки/а/внутрішньомолекулярні і-міжмолекулярні сили

• Водневі зв'язки - необхідні для життя:

https://www.cbsnews.com/news/nature-up-close-water-and-life-as-we-know

• Як гекони дотримуються Der Waals:

https://www.sciencemag.org/news/2002/08/how-geckos-stick-der-waals

 

Лекція 14: Фазові діаграми

• Трасування фазової діаграми:

http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch14/ phase.php

• Детальніше про зміни фази, включаючи інтерактивний приклад точки кипіння:

https://courses.lumenlearning. com/безмежна хімія/глава/фазові зміни/

• Про термодинаміку темперування шоколаду:

https://acselementsofchocolate.typepad. com/elements_of_chocolate/TEMPERINGCHOCOLATE.html

 

Лекція 15: Електронні смуги в твердих тілах

• Детальніше про теорії смуг:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/band.html

• Детальніше про напівпровідникові матеріали:

https://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junctions/semiconductor-materia

• Посібник Брітні Спірс з фізики напівпровідників (один з найкращих веб-сайтів в Інтернеті):

http://britneyspears.ac/lasers.htm

 

Лекція 16: Напівпровідники та легування

• Огляд допінгу:

https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/Book% 3a_Університет_Фізика_ (OpenStax) /мапа%3a_Університет_Фізика_III_-__оптика_і_сучас_ Фізика_ (OpenStax)/9% 3a_Конденсирована_Маттер_Фізика/ 9,6% 3a_Напівпровідники_і_допінг

• Поза 3.091- P-N переходи:

https://www.pveducation.org/pvcdrom/welcome-to-pvcdrom/ pn-з'єднання

• Як працюють світлодіоди:

https://electronics.howstuffworks.com/led.htm

 

Лекція 17: Металеві зв'язки та властивості металів

• Огляд металевих властивостей:

https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/bonding-in-metals-the

• Занурення глибше в металеве з'єднання:

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_ і_теоретична_хімія_підручник_карти/Додатково_модулі_ (Фізична і_теоретична_ хімія) /Хіміка_скріплення/Основи_оф_хіміка_склеювання/Металевий_склеювання

• Як метали видобуваються із землі:

https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/z3v9msg/ ревізія/1

 

Лекція 18: Ідеальне тверде тіло: кристали

• Огляд кристалів SC, BCC та FCC:

https://www.youtube.com/watch?v=_h-Xv9nsJLc

• Детальніше про одиничних осередках і пакувальних решітках:

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_ Хімія/Карта%3A_Молекулярний_підход_ (Tro)/12% 3a_тверди_і_сучасні_матеріали/ 12,3% 3a_одиниця_клітини_і_основні_структури

 

Лекція 19: Нарізка кристала: літаки Міллера

• Покроковий Міллер:

https://www.youtube.com/watch?v=9-us_oENGoM

• Поза 3.091 — кристалографія та взаємний простір:

https://www.youtube.com/watch?v=DFFU39A3fPY

 

Лекція 20: Рентгенівська генерація

• Детальніше про генерацію рентгенівських променів:

http://xrayweb.chem.ou.edu/notes/xray.html

• Рентген в медичній візуалізації:

https://www.hopkinsmedicine.org/health/treatment-tests-and-therapies/ рентгенівські промені