himi

Цахилгаан цэнэг. Цэнэг хадгалагдах хууль. Кулоны хууль Хувыг ноосоор, шилийг арьсаар зүлгэхэд жижиг биетийг өөртөө татах чадвартай болдгийг эрт дээр үеэс мэддэг байсан бөгөөд үүнийг бие цахилгаанжих гэж ярьдаг. Цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлд биесийн оролцох чадварыг цахилгаан цэнэг гэдэг физик хэмжигдхүүнээр тодорхойлдог. Биесийг бүрдүүлж байгаа эгэл бөөмс цэнэгтэй байдаг болохоос бөөмгүй цэнэг байхгүй. Байгаль дээр эерэг, сөрөг хоёр төрлийн цахилгаан цэнэгтэй бөөмс байдаг. Электроны цэнэгийг сөрөг, протоны цэнэгийг эерэг гэж авдаг. Байгаль дээр оршдог бүхий л цахилгаан цэнэгийн дотроос электрон ба протоны цэнэг хамгийн бага хэмжээтэй нь бөгөөд үүнийг эгэл цэнэг гэнэ. Эгэл цэнэгийн хэмжээ ±1,6•10-19 кулон байна. Атомын цөмд байдаг эгэл бөөмийн нэгэн болох нейтрон цэнэггүй. Биеийн эерэг ба сөрөг цэнэгийн хэмжээ тэнцүү байвал тэр бие цахилгаан саармаг байна. Ерийн нөхцөлд атом доторх электрон протоны тоо тэнцүү учир атом саармаг байдаг. Биесийг бүрдүүлж байгаа атом сөрөг цэнэгтэй электрон, эерэг цэнэгтэй протоноос тогтдог учир ямарч биеийн цахилгаан цэнэг эгэл цэнэгийг бүхэл тоо дахин авсантай тэнцүү байдаг. Бие цахилгаанжихад түүнд угаас байсан эгэл эерэг, сөрөг цэнэгийн тоо тэнцүү биш болно. Хэрэв электроны тоо протоны тооноос илүү байвал уул бие сөрөгөөр цэнэгжинэ. Харин электорны тоо протоны тооноос дутуу болбол тэр бие эерэгээр цэнэгжинэ. Нэг биеийг нөгөөгөөр үрж цэнэглэхэд нэг нь эерэгээр нөгөө нь мөн тийм хэмжээтэй сөрөг цэнэгээр цэнэгждэг нь нэг биеийн алдсан цэнэгийг нөгөө бие бүгдийг нь авдагтай холбоотой. Цахилгаан цэнэг нэг биеэс нөгөө биед дамжих буюу нэг биеийн дотор шилжихээс биш устах юмуу шинээр бий болохгүй. Өөрөөр хэлбэл тусгаарлагдсан битүү систем дэх цахилгаан цэнэгийн алгебр нийлбэр тогтмол байна. q1+q2+…+qn=ⁿεΣqi=const Үүнийг цахилгаан цэнэг хадгалагдах хууль гэнэ. Цахилгаан цэнэгтэй биес өөр хоорондоо харилцан үйлчлэлцэнэ. Энэ үйлчлэлийг цахилгаан харилцан үйлчлэл гэнэ. Ижил цэнэгтэй биес түлхэлцэж, эсрэг цэнэгтэй нь таталцана. Цэнэгжсэн биес цахилгаан орноор дамжин харилцан үйлчлэлцдэг. Хэрэв цэнэгтэй хоёр биеийн хоорондох зай эдгээрийн шугаман хэмжээнээс олон дахин их байвал биеийн хэлбэр, хэмжээ эдгээрийн хоорондын цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлд төдий л нөлөөлөхгүй. Ийм биеийг цэгэн цэнэг гэнэ. Өөр хоорондоо r зайнд орших үл хөдлөх q1 ба q2 цэгэн цэнэгийн харилцан үйлчлэлийн хүч F нь эдгээр цэнэгийн үржвэртэй шууд, хоорондох зайн квадраттай урвуу хамааралтай. Үүнийг кулоны хууль гэнэ. Энд байгаа ε-ийг орчны харьцангуй диэлектрик нэвтрүүлэх чадвар гэж нэрлэх ба энэ нь уул орчин доторх цэнэгүүдийн харилцан үйлчлэлийн хүч вакуум доторхоос хэд дахин бага болохыг үзүүлдэг хэмжигдэхүүн бөгөөд бодис бүрт өөр өөр утгатай байдаг. Вакуумд ε=1. Иймд цэнэгтэй биесийн цахилгаан харилцан үйлчлэлийн хүчний хэмжээ эдгээрийн оршин байгаа орчны шинж чанараас хамаардаг. Кулоны хуулиар илэрхийлэгдэж байгаа үл хөдлөх цэгэн цэнэгүүдийн харилцан үйлчлэлийн хүчийг кулоны хүч гэнэ. Энэ хүч харилцан үйлчлэлцэж байгаа хоёр цэнэгийг холбосон шулууны дагуу чиглэнэ.

Хагас дамжуулагч чанартай дан бодис

Ийм бодис нэлээд олон байдгийн дотроос германи, селен, цахиурыг сонгодог материалд тооцдог.

Германи Газрын хөрсөнд 7*10-4% орчим германи байгаа юм. Энэ нь хар тугалганаас их байна гэсэн үг юм. Тэгэвч германи хүдэр хэлбэртэй дайралддаггүй ховор сарнимал элементийн нэг билээ. 7-8% германи агуулсан хүдэр зөвхөн Африк тивд нэг газар дайралдана. Германийг цайр, хартугалганы үйлдвэрийн хаягдал, түүнчлэн зарим нутгийн залуу хүрэн нүүрснээс гарган авч байна.

Манай орон хагас дамжуулагч материалаар нилээд баялаг байх нөхцөлтэй юм. Сүүлийн 10 жилд дэлхийн капиталист орнуудад металл германийн үйлдвэрлэл 1000 дахин өссөн нь уул материалын ач холбогдолыг харуулж байна. Германи болон зарим ховор элемент нь дэлхийн зах зээл дээр үнэтэй материалын тоонд орно. Германийн үнэ түүний цэвэрлэлтийн хэмжээ, гарган авах технологиос ихэд хамаарна. Моноталст хэлбэрт оруулсан германи бүр ч үнэтэй байна. Германийн дэлхийн зах зээлийн үнэ арваад шахам жилийн өмнө ямар байсныг авч үзье. 1 кг поликристалл германи 1955 онд 650 доллар, 1956 онд 445-475 доллар, 1957 онд 435 доллар байсан бол одоо 400 гаруй долларын үнэтэй байна. Хэрэв германийг моноталст байдалд оруулбал үнэ нь бүр ч их болдог. Жишээлэхэд АНУ-д үнийн байдал ямарыг харуулбал:

Хувийн эсэргүүцэл / ом.см / 1 кг материалын үнэ / доллар /

0.5-5 900

10-20 1000

20-30 1100

30-с дээш 1250

Германийн Е=0.75см, 700С орчмоос дээш температурт хувийн дамжуулалтай болж эхлэх ба 7000С температураас эхлэн хийн хэлбэрт орж дэгдэмхий чанартай болдог. Германи ба түүний хайлшуудаар хийх зүйлүүд нь: диод, транзистор, тоолуур зэрэг олон төрлийн багажууд хийнэ. Одоо дэлхий дээр жилд 100 тонн гаруй германи үйлдвэрлэн гаргаж байгаа бөгөөд нэг багажинд хамгийн ихдээ арваад миллиграмм германи орно гээд бодоход дээрх 100-т нь бага биш гэж болно. Германи бол олон чухал шинж чанараараа бусад хагас дамжуулагч бодисоос давуутай болохоор ийм өргөн хэрэглэгдэх болжээ.

Селен Селенээр шулуутгагч, фотоэсэргүүцэл, фотоэлемент ба фотомэдрэх чадвартай хальсууд хийнэ. Лабораториудад ихэд дэлгэрсэн хувьсах гүйдлийг шулуутгах багажуудын олонхи нь селен шулуутгагч байдаг. Селен бол судлагдаж гүйцээгүй байгаа материал юм. Селенийг цэвэрлэх, моноталст болгох аргууд мөн сайтар боловсроогүй байна. Ийм учраас селенийн техникт хэрэглэгдэх хэмжээ дээд цэгтээ хүрээгүй ажээ.

Хагас дамжуулагч нийлмэл бодисууд

Хагас дамжуулагч дан бодисууд олон талын үнэт шинж чанаруудтай болсон тэр нь орчин үеийн техникийн шаардлагыг бүрэн хангасан ч хараахан дутагдалтай байна. Ийм учраас шинжээч нар хагас дамжуулагч өөр бодисуудыг эрж хайхад хүрчээ. Цахиур, германи зэрэг хагас дамжуулагч элементүүд Менделеевийн үелэх системийн IV группд багтдаг. Гэтэл үелэх системийн III ба V группийн элементүүдийн хоорондоос үүсэх химийн нэгдлүүд талст торын байгуулалт ба химийн холбоосын байдлаараа IV группийн элементүүдтэй төстэй болохыг эрдэмтэд ажиглаж тэдгээр нэгдлүүд хагас дамжуулагч шинж чанартай байж болох юм гэсэн таамаглал хийжээ.

Үнэхээр 1950-аад оны үеэр Зөвлөлтийн ба бусад орны эрдэмтэд индийн антомонид буюу InSb гэдэг нэгдэл нь шинж чанарын хувьд германитай төстэй хагас дамжуулал болохыг нээжээ. Эндээс эх авч гагцхүү III ба V группээр зогсохгүй бусад олон төрлийн нэгдлүүд ч мөн хагас дамжуулагчуудыг ч үүсгэж чадна. Гагцхүү эдгээр нэгдлүүдийг гарган авах, цэвэрлэх асуудал төвөгтэй учир шийдэгдээгүй шахам байгаа юм. Одоо үед зөвхөн III ба V группийн элементүүдийн нэгдлийг судлаж практикт хэрэглэх болж байна. Энэ нэгдлүүдийг А III ба В V гэж тэмдэглэнэ.

Германи ба цахиурын нэг давуутай тал бол тэдгээрт гүн цэвэрлэгээ хийж бараг гажиггүй тортой талст болгож болдогт оршино. InSb нэгдэл цэврийн хувьд германи, цахиурт ойртон очжээ. Тиймээс ч энэ нэгдэл сайн судлагдаж техникт өргөн хэрэглэгдэх болсон юм. А III B Y нэгдлийн Е=0.17( InSb) 2.25 эв (GaP) хүрнэ. Эндээс харахад InSb –аар хийсэн багаж температур даахдаа том дутагдалтай нь илэрхий байна. A III B Y групп дотроос арсениц галли Ga As гэдэг нэгдлийг хамгийн ирээдүйтэй гэж үзэж судалгааг дэлхийн олон лаборатори , институтууд хийж байна. GaAs бол цахиурын адил их температурт хайлдаг атлаа цахиураас Е нь 1.5 дахин их, цэнэг, зөөгчийн хөдлөх чанар 3 дахин илүү юм. Тэгвэл GaAs багаж цахиураас их температур дааж чадахаас гадна өндөр давтамжийн багаж техникт ч хэрэглэж болно. GaAs ийм сайн чанартай авч дутагдал байдаг. P-тицийн GaAs –ийн үндсэн цэнэг зөөгчийн хөдлөх чадвар нь типийн германийхаас даруй 5 шахам дахин бага байдаг. Одоогийн байдлаар бүхий л талаараа германиас давуу хагас дамжуулагч материал гараагүй байна. Олон янзын хагас дамжуулагч бодисууд орчин үеийн техникийн шаардлагыг хамтын хүчээр хангаж байна гэж хэлж болно. Эцэст шингэн ба аморф хийгээд органик хагас дамжуулагчийн тухай цөөн үг бичье. Шингэн ба аморф биед харагдахуйц байгуулалтай кристалл тор байхгүй боловч тэдгээрийг бараг талст бүтэцтэй гэж үзэж түүндээ үндэслэн шингэн ба аморф хагас дамжуулагчийн онол зохиогджээ. Шингэн ба аморф биед жинхэнэ талстын адил атомуудын байршилд үелэгээр давтагдсан холын эрэмбэ байдаггүй боловч тэнд ойрын эрэмбэ хадгалагдаж байдаг. Ийм нөхцөлд байгаа зарим шингэн ба аморф бие талстад хагас дамжуулагч бодисын шинж чанарыг тодорхой хэмжээгээр агуулж байна. Иймэрхүү бодисыг шингэн ба аморф хагас дамжуулагч гэж нэрлэжээ. Олон тооны органик нэгдлүүд мөн хагас дамжуулагч шинжтэй ажээ. Жишээлэхэд цианин, хлорофил, фуксин зэрэг бодисыг дурдаж болно, синтезлэхдээ ба дулаан боловсруултыг тодорхой нөхцөлд хийвэл хагас дамжуулагч шинжтэй полимерыг гарган авч болдог. Зарим полимер бодис маш сайн механик шинж чанартай байдаг билээ. Тэгвэл хагас дамжуулагч полимерын тусламжтай гоц бэх бат, харимхай чанартай багаж хийх боломж нээгдэх юм.

Хольц ба кристалл торын гэмтлийн нөлөө

Эхлээд хагас дамжуулагчийн кристалл торын тухай цөөн зүйлийг дурдав. Металл бодис авч үзэхэд түүний дотор байх чөлөөт электроны тоо асар олон юм. Энд чөлөөт элетроны тоо атомын тоотой тэнцүү буюу түүнээс илүү байж болно. Нэг хос дөрвөлжин сантиметр металл дотор ойролцоогоор 1023 электрон байгаагаас металл доторхи электронуудын хоорондын үйлчэл нилээд хүчтэй байна. Эдгээр электронууд нийтдээ нийлж нэгэн ерөнхий систем үүсгэж уг системийн төлөв байдлаар метөллын механик. Оптик, соронзон ба цахилгааны эерэг шинж чанаруууд тодорхойлогдоно. Хагас дамжуулагч бодист бол чөлөөт электроны тоо атомынхаа тооноос олон мянга, сая дахин цөөхөн байх болохоор хоорондын зай нь атомуудын хоорондын зайнаас хэдэн арав, зуу дахин тавиу байдаг байна.

Энд цахилгаан дамжууллын гол шалтгаан болох электроны хөдөлгөөнд нөлөөлөх үндсэн нөхцөл нь их төлөв кристалл торын бүтцээр тодорхойлогдох ба электронуудын харилцан үйлчлэлийг анхаарахгүй байж ч болдог. Ингээд бодоход хагас дамжуулагч бодист чөлөөт электронуудын бүхэл системийн байдлыг үзэхээс гадна кристалл торын атомуудын дундуур хөдөлж байдаг электроны тус тусын төрх байдлыг ч ангилан ялгаж үзэх хэрэгтэй байдаг. Хагас дамжуулагчийн дулааны хөдөлгөөний дундаж энерги металлын чөлөөт электроны энергээс /5-10/ хэдэн зуу дахин бага байдаг. Байдал иймээс шалтгаалан хагас дамжуулагчийн доторхи электронуудын ойж сарних явдал атомын машстабын гэмтэл, гажгуудаас биш харин10-7-10-8 см хэмжээний том гажиг бүхий хэсгүүдээс үүсдэг байна. Хагас дамжуулагч доторхи электроны долгионы урт металлын электроны долгионы уртаас барагцаагаар 20 дахин илүү буюу 10-6 см хүрдэг учраас ийм байна. Хагас дамжуулагч дотор гол төлөв валент ба ион холбоонууд тохиолдоно. Хагас дамжуулагчийн шинж чанарууд нь түүний талст торын бүтэц, өөрөөр талст ямар сингонид хамаарах, симметр чанар зэргээс шууд хамаарна. Нэгэнт хагас дамжуулагчийн, тухайлбал цахилгаан дамжуулах чанар нь талстууд орсон атомуудын байр байдлаас хүчтэй хамаарах учир тэдгээрийн талст торын бүтцийг / торын параметрүүд, симметр чанар, кристаллографийн онцлог чиглэлүүд зэрэг / нягтлан тодорхойлохгүйгээр хагас дамжуулагчийг судалж болохгүй юм. Орчин үед талстын бүтцийг рентгонографи, электронографи, нейтронографи ба бусад аймгуудаар тодорхойлж байна. Хагас дамжуулагчийн шшнж чанарыг тодорхойлох чухал зүйлийн тоонд түүний талст торын ойрын ба алсын эрэмбэ гэдэг ойлголт орно. Талстад түүний кристаллографийн чиглэлүүдийн дагуу адил зай тутамд ижил атомууд тасралтгүй дахин дахин дайралдана. Иймэрхүү байрлалыг алсын эрэмбэ гэж нэрлэнэ. Алсын эрэмбийн дахин давтагдах зай буюу үе-хоёр, гурав, дөрвөн атомын үеийн хиртэй байна. Гэвч заримдаа арав буюу хэдэн арван үеийн зайтайгаар давтагдах нь ч байдаг.

Жишээлэхэд, цахиурын карбид дотор түүний бүтцийн бүхэл элементүүд 243 атомын үе өнгөрсний дараа давтагддаг ажээ. Металлын дотор бол ижил атомууд 3-7 ангестрем /1А0=10-8/ дутамд давтагдан дайралдана. Уурагт бодист бүтцийн ижил элементийн дахин дайралдах зай 1000А0 орчим байдаг. Ер нь талстын бүтэц хичнээн зөв байгуулалтай болох дутам алсын эрэмб улам хүчтэй болдог. Идеал талстад л идеал /100%/ алсын эрэмб байж болно. Реал талстын туушид нь шувт үргэлжилсэн алсын эрэмбэ ховор тохиолдоно. Их төлөв нэг алсын эрэмбэ 1000 орчим атом хоорондын зай хэмжээтэй үргэлжлээд дуусч дараа нь дахин эхлэх жишээтэй. Алсын эрэмбийг ойлгохдоо заавал ижил атомуудын дахин давтагдахыг хэлэх бишээ. Талст дотор олон атомаас тогтсон бүтцийн элемент дахин давтагдаж болдог. Үүнийг мөн алсын эрэмбэ гэж ойлгох хэрэгтэй. Одоо ойрын эрэмбэ авч үзье. Талст бодисыг хайлахад эзлэхүүн нь ойролцоогоор 3% ихэсдэг. Яагаад вэ? Хатуу байдалд байдаг бөмбөгүүдийн нягт өрөлт хайлахад сийрнэ. Ойр орчимдоо эрэмбэтэй атал холдох тутам ямар ч эрэмбэ журамгүй болсон байрлалыг ойрын эрэмбэ гэнэ. Ойрын ба холын эрэмбэ талстын шинж чанарт хүчтэй нөлөөлдөг. Жишээлэхэд холын эрэмбэтэй бол талст хатуу төлөвт, холын эрэмбээ алдаж зөвхөн ойрын эрэмбэтэй болбол шингэн төлөвт ордог. Хагас дамжуулагч болисын атом хоорондын зай нь байрлах байдал атомуудын хоорондын харилцан үйлчлэх хүчний хэмжээ, чиглэлтэй шууд холбоотой. Үүнээс хагас дамжуулагчийн энергийн төвшний бүтэц, хаалттай зонын өргөн шалтгаална. Тэгвэл хагас дамжуулагчийн чөлөөт электрон ба “ нүхийн “ тоо ойрын эрэмбээр тодорхойлогдоно гэсэн хэрэг. Хагас дамжуулагч талст дотор хоосон зангилгаа үүсэх хольц атом орох нь түүний шинж чанарт хүчтэй нөлөө үзүүлнэ гэж дээр дурдсан билээ. Эдгээр дефект нь хааш хаашаа 5-10 торын үетэй тэнцүү газарт гажиг үүсгэнэ. Торын 10 үе гэдэг маань 1000 эгэл шоо хамаарна. Ийм ч учраас 0.1% хольц гэхэд талстын шинж чанарыг үндсээр өөрчлөхөд хүрэлцээтэй юм. Ингээд бодоход өчүүхэн төдий боловч хольц нь хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанарт хичнээн нөлөөтэй гэдэг нь тодорхой байна. Ийм учраас хагас дамжуулагч бодисыг маш цэвэр байдалтай гарган авах асуудал хичнээн учир холбогдолтойг хэлэх юун. Хэт цэвэр хагас дамжуулагч гарган авах явдал орчин үеийн аналитик химид урьд өмнө байгаагүй нарийн шаардлагыг тавих боллоо. Хагас дамжуулагчийн асар цэвэр талстыг гарган авах хэрэгт физикийн аргуудыг хэрэглэсэн явдал ихээхэн том амжилтанд хүргэлээ. Ийм аргын тоонд юуны өмнө зонын хайлалт орох болжээ.

Хольц ба кристалл торын гэмтлийн нөлөө

Эхлээд хагас дамжуулагчийн кристалл торын тухай цөөн зүйлийг дурдав. Металл бодис авч үзэхэд түүний дотор байх чөлөөт электроны тоо асар олон юм. Энд чөлөөт элетроны тоо атомын тоотой тэнцүү буюу түүнээс илүү байж болно. Нэг хос дөрвөлжин сантиметр металл дотор ойролцоогоор 1023 электрон байгаагаас металл доторхи электронуудын хоорондын үйлчэл нилээд хүчтэй байна. Эдгээр электронууд нийтдээ нийлж нэгэн ерөнхий систем үүсгэж уг системийн төлөв байдлаар метөллын механик. Оптик, соронзон ба цахилгааны эерэг шинж чанаруууд тодорхойлогдоно. Хагас дамжуулагч бодист бол чөлөөт электроны тоо атомынхаа тооноос олон мянга, сая дахин цөөхөн байх болохоор хоорондын зай нь атомуудын хоорондын зайнаас хэдэн арав, зуу дахин тавиу байдаг байна.

Энд цахилгаан дамжууллын гол шалтгаан болох электроны хөдөлгөөнд нөлөөлөх үндсэн нөхцөл нь их төлөв кристалл торын бүтцээр тодорхойлогдох ба электронуудын харилцан үйлчлэлийг анхаарахгүй байж ч болдог. Ингээд бодоход хагас дамжуулагч бодист чөлөөт электронуудын бүхэл системийн байдлыг үзэхээс гадна кристалл торын атомуудын дундуур хөдөлж байдаг электроны тус тусын төрх байдлыг ч ангилан ялгаж үзэх хэрэгтэй байдаг. Хагас дамжуулагчийн дулааны хөдөлгөөний дундаж энерги металлын чөлөөт электроны энергээс /5-10/ хэдэн зуу дахин бага байдаг. Байдал иймээс шалтгаалан хагас дамжуулагчийн доторхи электронуудын ойж сарних явдал атомын машстабын гэмтэл, гажгуудаас биш харин10-7-10-8 см хэмжээний том гажиг бүхий хэсгүүдээс үүсдэг байна. Хагас дамжуулагч доторхи электроны долгионы урт металлын электроны долгионы уртаас барагцаагаар 20 дахин илүү буюу 10-6 см хүрдэг учраас ийм байна. Хагас дамжуулагч дотор гол төлөв валент ба ион холбоонууд тохиолдоно. Хагас дамжуулагчийн шинж чанарууд нь түүний талст торын бүтэц, өөрөөр талст ямар сингонид хамаарах, симметр чанар зэргээс шууд хамаарна. Нэгэнт хагас дамжуулагчийн, тухайлбал цахилгаан дамжуулах чанар нь талстууд орсон атомуудын байр байдлаас хүчтэй хамаарах учир тэдгээрийн талст торын бүтцийг / торын параметрүүд, симметр чанар, кристаллографийн онцлог чиглэлүүд зэрэг / нягтлан тодорхойлохгүйгээр хагас дамжуулагчийг судалж болохгүй юм. Орчин үед талстын бүтцийг рентгонографи, электронографи, нейтронографи ба бусад аймгуудаар тодорхойлж байна. Хагас дамжуулагчийн шшнж чанарыг тодорхойлох чухал зүйлийн тоонд түүний талст торын ойрын ба алсын эрэмбэ гэдэг ойлголт орно. Талстад түүний кристаллографийн чиглэлүүдийн дагуу адил зай тутамд ижил атомууд тасралтгүй дахин дахин дайралдана. Иймэрхүү байрлалыг алсын эрэмбэ гэж нэрлэнэ. Алсын эрэмбийн дахин давтагдах зай буюу үе-хоёр, гурав, дөрвөн атомын үеийн хиртэй байна. Гэвч заримдаа арав буюу хэдэн арван үеийн зайтайгаар давтагдах нь ч байдаг.

Жишээлэхэд, цахиурын карбид дотор түүний бүтцийн бүхэл элементүүд 243 атомын үе өнгөрсний дараа давтагддаг ажээ. Металлын дотор бол ижил атомууд 3-7 ангестрем /1А0=10-8/ дутамд давтагдан дайралдана. Уурагт бодист бүтцийн ижил элементийн дахин дайралдах зай 1000А0 орчим байдаг. Ер нь талстын бүтэц хичнээн зөв байгуулалтай болох дутам алсын эрэмб улам хүчтэй болдог. Идеал талстад л идеал /100%/ алсын эрэмб байж болно. Реал талстын туушид нь шувт үргэлжилсэн алсын эрэмбэ ховор тохиолдоно. Их төлөв нэг алсын эрэмбэ 1000 орчим атом хоорондын зай хэмжээтэй үргэлжлээд дуусч дараа нь дахин эхлэх жишээтэй. Алсын эрэмбийг ойлгохдоо заавал ижил атомуудын дахин давтагдахыг хэлэх бишээ. Талст дотор олон атомаас тогтсон бүтцийн элемент дахин давтагдаж болдог. Үүнийг мөн алсын эрэмбэ гэж ойлгох хэрэгтэй. Одоо ойрын эрэмбэ авч үзье. Талст бодисыг хайлахад эзлэхүүн нь ойролцоогоор 3% ихэсдэг. Яагаад вэ? Хатуу байдалд байдаг бөмбөгүүдийн нягт өрөлт хайлахад сийрнэ. Ойр орчимдоо эрэмбэтэй атал холдох тутам ямар ч эрэмбэ журамгүй болсон байрлалыг ойрын эрэмбэ гэнэ. Ойрын ба холын эрэмбэ талстын шинж чанарт хүчтэй нөлөөлдөг. Жишээлэхэд холын эрэмбэтэй бол талст хатуу төлөвт, холын эрэмбээ алдаж зөвхөн ойрын эрэмбэтэй болбол шингэн төлөвт ордог. Хагас дамжуулагч болисын атом хоорондын зай нь байрлах байдал атомуудын хоорондын харилцан үйлчлэх хүчний хэмжээ, чиглэлтэй шууд холбоотой. Үүнээс хагас дамжуулагчийн энергийн төвшний бүтэц, хаалттай зонын өргөн шалтгаална. Тэгвэл хагас дамжуулагчийн чөлөөт электрон ба “ нүхийн “ тоо ойрын эрэмбээр тодорхойлогдоно гэсэн хэрэг. Хагас дамжуулагч талст дотор хоосон зангилгаа үүсэх хольц атом орох нь түүний шинж чанарт хүчтэй нөлөө үзүүлнэ гэж дээр дурдсан билээ. Эдгээр дефект нь хааш хаашаа 5-10 торын үетэй тэнцүү газарт гажиг үүсгэнэ. Торын 10 үе гэдэг маань 1000 эгэл шоо хамаарна. Ийм ч учраас 0.1% хольц гэхэд талстын шинж чанарыг үндсээр өөрчлөхөд хүрэлцээтэй юм. Ингээд бодоход өчүүхэн төдий боловч хольц нь хагас дамжуулагчийн цахилгаан дамжуулах чанарт хичнээн нөлөөтэй гэдэг нь тодорхой байна. Ийм учраас хагас дамжуулагч бодисыг маш цэвэр байдалтай гарган авах асуудал хичнээн учир холбогдолтойг хэлэх юун. Хэт цэвэр хагас дамжуулагч гарган авах явдал орчин үеийн аналитик химид урьд өмнө байгаагүй нарийн шаардлагыг тавих боллоо. Хагас дамжуулагчийн асар цэвэр талстыг гарган авах хэрэгт физикийн аргуудыг хэрэглэсэн явдал ихээхэн том амжилтанд хүргэлээ. Ийм аргын тоонд юуны өмнө зонын хайлалт орох болжээ.

Металлын хими шинж Металлууд нь электроноо алдаж нэмэх цэнэгтэй ион болох онцлог шинжтэй учир дан металлууд химийн процесст анижруулагчийн үүрэг гүйцэтгэнэ. Металлуудын ангижруулагч чадлыг тэдгээрийн иончлох потенциалын хэмжигдэхүүнээр нь тодорхойлно. Иончлох потенциал багатай металлууд идэвхтэй ангижруулагч байдаг. Үелэх системийн үндсэн бүлгийн элементүүдийн дээрээсээ доошлоход тэдгээрийн атомуудын радиус нь ихэсдэг учир, иончлох потенциал нь буурах ба металлуудын ангижрагч чадал нь ихэснэ. Жишээ нь: II бүлгийн үндсэн бүлэгт металлуудын ангижруулагч шинж Be-Ba руу ихэснэ. Үелэх системийн нэг үе дэх элементүүд адил тооны электроны давхраатай байдаг. Гэвч зүүнээс баруун тийш болох тусам нэг элементээс нөгөө элементэд шилжихэд цөмийн цэнэгийн тоо ихсэж элетроны давхраануудын цөмд татагдах ньулам бүр хүчтэй болж атомуудын радиус нь багасна. Үүнээс шалтгаалж элементүүдийн иончлох потенциал нь ихсэж металлуудын ангижруулагч чадал буурна. Жишээ нь: III үед оршиж байгаа зэрэглээ 2 элемент натри ба магнийн электроны давхраануудын тоо адил (3 давхраа) байх боловч магнийн атомын цөмийн цэнэг ихэссэн, атомынх нь радиус (1.60А0) натрийн атомын радиусаас бага болсон зэргээс, магнийн электрон нь цөмдөө хүчтэй татагддаг. Үүнээс болж магнийн иончлох потенциал (7.76Эв) нь натрийн иончлох потенциалаас (5.1Эв) их байх тул магнийн ангижруулах идэвх нь натрийнхаас бага байна. Их үеүдийн тэгш дугаарт эгнээ дэх хажуугийн бүлгийн металлуудын ангижруулагч шинж аажмаар (эрс биш) буурдаг байна. Бараг бүх металлууд хүчилд исэлддэг байна. Металлуудын хүчлүүдтэй харилцан үйлчлэлцэх нь металлын идэвх хүчлийн шинж чанар концентрациас хамаарна. Металлыг хүчилтөрөгчгүй хүчлээр үйлчилэхэд исэлдүүлэгчийн үүргийг устөрөгчийн ион гүйцэтгэх бөгөөд гэхдээ зөвхөн потенциал нь хасах тэмдэгтэй металлуудыг исэлдүүлж чадна. Хэрэв металл хүчилтөрөгчит хүчилтэй харилцан үйлчлэлцвэл исэлдүүлэгчийн үүргийг устөрөгчийн ион буюу эсвэл хүчлийн үлдэгдлийн анион, устөрөгчийн ионы хамт гүйцэтгэнэ. Жишээ нь: металлыг азотын хүчлээр үйлчилэхэд анион-нитрат устөрөгчийн ионы хамт (NO3-+H+)исэлдүүлэгч болно. Цайр, хөнгөнцагаан гэх мэт зарим металлууд шүлтүүдтэй харилцан үйлчлэлцдэг бөгөөд урвалын дүнд маш сул хүчлийн давс үүсэж, устөрөгч ялгардаг. Жишээ нь: Цайрыг шүлтээр үйлчилэхэд цинкат гэж нэрлэгддэг цайрын хүчлийн давс үүсэж, устөрөгч ялгардаг. Zn+2NaOH=Na2ZnO2+H2 (натрийн цинкат) Ихэнх металлууд хүчилтөрөгчтэй нэгдэж исмэгүүдийг үүсгэдэг. Кали, кальци, магни гэх мэт тогтмол валенттай металлууд суурийн исмэг үүсгэдэг. Зөвхөн брилли, цайр ба хөнгөнцагаан нь суурийн ба хүчлийн исмэгүүдийн аль алины шинжийг хадгалсан амфотер исмэгүүд үүсгэдэг. Ийм исмэгүүд нь хүчил ба шүлттэй алинтай нь ч харилцан үйлчилж давс үүсгэдэг. Жишээ нь: Zn+2HCl=ZnCl2+H2O ZnO+2NaOH=Na2ZnO2+H2O Хувирах валенттай зарим металлууд янз бүрийн шинжтэй исмэгүүд үүсгэдэг, гэхдээ исмэгийн шинж нь металлын исэлдэлтийн байдлаас хамаарна. Доод исмэгүүд нь суурийн, дунд исмэгүүд нь амфотер ба дээд исмэгүүд нь хүчлийн исмэгийн шинжүүдтэй байна. Жишээ нь: хромын дутуу исэл CrO- суурийн исмэг, хромын исэл Cr2O3 амфотер исмэг, хромын ангидрид O2-O3-хүчлийн исмэг. Шүлтийн ба газрын шүлтийн металлуудын исмэгүүд устай шууд нэгдэж сууриудыг үүсгэдэг. Бусад металлын, суурийн ба амфотер шинжтэй, исмэгүүд устай шууд нэгддэггүй. Тэдгээрийн гидратуудыг дам аргаар гаргаж авдаг ба тэдгээр нь бараг усанд уусдаггүй болно. Зөвхөн суурийн шинжийг илэрхийлсэн металлын ислийн гидратуудаас гадна, бас суурь ба хүчлийн аль алины нь шинжийг үзүүлдэг. Ислийн гидратууд буюу амфолитууд гэнэ. Бүх алфолитүүд усанд муу уусдаг. Уусмал байдалтай амфолитүүд нь нэг зэрэг суурь ба хүчлийн маягаар диссоциацлагдана. nH++ROn-n (ROH)n R+n+nOH- Иймээс амфолитүүд нь хүчил ба шүлтийн алинд ч уусаж давс үүсгэдэг. Жишээ нь: цайрын ислийн гидратыг давсны хүчилд уусгахад хлорт цайр үүснэ. Zn(OH)2+2HCl=ZnCl2+2H2O буюу ионы хэлбэрээр Zn(OH)2+2H+ =Zn+2 +2H2O Хэрэв цайрын ислийн гидратыг шүлтэнд уусгавал цинкат үүснэ. Zn(OH)2+2NaOH=Na2 ZnO2+ 2H2O буюу ионы хэлбэрээр, Zn(OH)2+2OH- =ZnO2+2H2O

 Металлын физик шинж                                                                                              Бүх металл (мөнгөн уснаас бусад) хатуу, олонх нь хар саарал, мөнгөлөг цагаан өнгөтэй бөгөөд нягтаараа 5000кг/м3-ээс бага бол хөнгөн, их бол хүнд металл гэж 2 ангилагддаг. Жишээ нь: Хамгийн хөнгөн нь лити (530кг/м3), хүнд нь осми (22480кг/м3) болно. Мөн хайлах температурын хувьд 10060С-ээс дээш бол муу хайлдаг гэнэ. Жишээ нь: мөнгөн ус -380С-д шингэнд шилждэг, галли 300С-д, вольфрам 33900С-д хайлах жишээтэй. Түүнчлэн бүх металлыг хар металл, өнгөт металл гэж ангилдаг. Бүх металл химийн нэгдэлд валентийн электроноо амархан алдаж ангижруулагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд ванади, хром, манган зэрэг элементүүд олон төрлийн нэгдэлд харилцан адилгүй исэлдэхүйн хэмтэй байх боловч тэдгээр нь эерэг цэнэгтэй ион үүсгэдэг. Металлын физик, химийн шинж чанар тэдгээрийн атомын электронт бүтэц, талст оронт торын байгуулалттай нягт холбоотой. Металлын атомын радиус металл бишийн атомын радиусаас их байдаг тулд валентийн электроноо хялбархан алдаж ямагт эерэг ионд шилждэг. Иймээс ч металлын атомын иончлолын потенциал бага байдаг. Металл цахилгаан, дулааныг сайн дамжуулдагийн үндэс бол тэдний талст торын доторх чөлөөт электронтой холбоотой юм. Металлууд хатуу, шингэн ямар ч төлөв байдалд байсан тэдний электроны хөдөлгөөн электролит бодисын усан уусмал дахь ионы хөдөлгөөнөөс хэдэн 10 зуу дахин хурдан байдаг учир ийнхүү цахилгаан дулааныг сайн дамжуулдаг. Гэхдээ металлыг халаахад түүний ионы хэлбэлзэл электроны хөдөлгөөнд саад болдог учир цахилгаан дамжуулах чанар нь буурдаг. Хэрэв ямар нэг металлыг түүний хайлах температураас дээш температурт халаавал цахилгаан дамжуулах чанар нь бараг үгүй болж, харин температурыг нь бууруулахад дахин өсдөг. Зарим металл (Ga, In, Te, Ti, Sn,Nb, Ta) үнэмлэхүй тэг градуст дээд зэргийн цахилгаан дамжуулах чанартай байна. Учир нь энэ температурт металлын ионы дулааны хэлбэлзэл бараг байхгүй болж электроны хөдөлгөөн чөлөөтэй болдог учир цахилгаан дамжуулалт нь өсөж ирдэг. Одоогоор 20 гаруй металл 0.3-9.220С-д хэт дамжуулах чанартай болдог нь мэдэгдээд байна. Металлын атомын хэт дамжуулах чанар үеийн дэс дугаар буюу орбиталийн тоо ихсэх тутам өсдөг байна. Үелэх системийн I, II үеийн элементүүдэд хэт дамжуулах чанар бараг байдаггүй. Цахилгаан гүйдэл хамгийн сайн гүйдэг металл бол мөнгө юм. Цахилгаан дамжуулах чанараар нь металлуудыг доорх эгнээ болгодог. Ag, Ca, Cu, Cr, Al, Mg, Na, Ir, W, Be, Rn, Zn  

Идэвхжилийн энерги

Химийн урвал явагдсан байхын тулд урвалд орж байгаа бодисуудын молекул юмуу атом, ионууд хоорондоо мөргөлдөж, улмаар бүтэц байгуулал үүссэн байх ёстой. Гэтэл молекул нэг бүр химийн урвалд хүргэдэггүй байна. Харин мөргөлдсөн хэсгүүд хоорондоо ойртож, тэдний хооронд электроны шилжилт, хуваарилалт явагдаж химийн шинэ холбоо үүссэн үед л сая урвал явагддаг. Өөрөөр хэлбэл, мөргөлдөж байгаа хэсгүүд, электроны үүлсийнхээ харилцан түлхэлцэх хүчийг (энергийн саадыг) давж чадах тийм бэлтгэл энергитэй болсон үед л урвал сая явагдана гэсэн үг.

Урвалд орох чадвартай болсон ийм молекул, атом, ионыг идэвжсэн хэсгүүд, дээрх энергийн саадыг давж гарахад шаардагддаг энергийг идэвхжилийн энерги гэнэ. Мөн урвалд орж буй молекулуудын нь дундаж энергиэс дээш, тухайн урвалыг явуулахад гаднаас шаардлагатай байгаа тодорхой нэг хэмжээний энерги (кЖ*мол -1)-ийг идэвхжилийн энерги гэнэ.

Харилцан үйлчлэлд орох яг тэр байрлалд буюу химийн холбоо нь өөрчлөгдөхөд бэлэн болсон анхны бүлэг молекул, атом, ионыг идэвхтэй комплекс гэдэг. Иймд химийн урвал, хувирал явагдаж уг систем, анхны энергит төлөв байрлал (∆Hа)-аас үүссэн бүтээгдэхүүний энергит төлөв байдал (∆Hб)-д шилжих явц бол завсрын идэвхт комплекс үүсэхэд харгалзсан, энергийн саад Есаад дамжин урвал явагддаг байна.

Идэвхт комплекс үүсэх үеийн идэвхжилийн энерги анхны молекулуудын холбоо бүрэн салж дан атом үүсэх үеийн иэвхжилийн энергиэс хамаагүй бага байдаг байна. Өөрөөр хэлбэл, химийн урвалын идэвхт комплекс үүсэж явагдах зам нь урвалд орж буй бодисуудын молекулийн холбоо бүрмөсөн салж урвал явагдах замыг бодвол энергийн хувьд хавьгүй хожоотой явагддагбайна.. Иймээс ихэнх урвал завсрын идэвхт комплекс үүсгэх замаар явагддаг. Ийнхүү идэвжилийн энерги бол нэг ёсны урвалд орж байгаа бодисуудыг идэвхт комплекс болгон хувиргахад шаардагдах энерги юм

Бодисын хатуу төлөв байдал

Хатуу бодисын хувьд түүний жижиг хэсгүүд болох молекул, атом, ионуудын хоорондох зай маш бага учир тэдгээрийн харилцан үйлчлэл их байна. Хатуу биетүүд тодорхой хэлбэр дүрс, эзлэхүүнтэй байх бөгөөд тэдгээрийн жижиг хэсгүүд бие биесээс тодорхой зайд оршино. Эдгээр жижиг хэсгүүд чөлөөтэй урсан шилжихгүй зөвхөн эзэлсэн байр орчим хэлбэлзэх хөдөлгөөнд оршино. Хатуу биетийн орших хэлбэрийг талст ба аморф төлөв байдал гэж 2 хуваана. Бодис талст төлөв байдалд оршихдоо түүний жижиг хэсгүүд орон зайд тодорхой дэс дараалалтайгаар байрлан талст торыг үүсгэнэ. Талст бодисуудын онцлог шинж бол тодорхой температурт хайлна.

Мөн шингэн байдлаас тодорхой температурт царцана. Аморф төлөв байдалд байгаа бодисын жижиг хэсгүүдийн байрлал тодорхой эрэмбэ дараалалтай биш, эмх замбараагүй байна. Нэг бодис аморф ба талст төлөв байдлын аль ч хэлбэрээр байж болно. Талст оронт тор Талст бодис бүрийн талстууд тодорхой хэлбэр дүрстэй байна. Натрийн хлоридын талст шоо дөрвөлжин, калийн сульфатын талст ромбо хэлбэртэй, кальцийн нитратын талст зөв найман талт байх жишээтэй. Талст оронт торыг бүрдүүлж байгаа жижиг хэсгийн байдлаас нь хамаарч түүнийг ионы, атомын, молекулын ба металл оронт тор гэж хуваадаг. Металл оронт тор Металлын талст оронт торын зангилаанууд дээр уг металлын ион ба цахилгаан саармаг атомууд ээлжлэн байрлаж, тэдгээрийн завсараар электронууд чөлөөтэй шилжин байрлана. Энэ чанар бүх металлуудад ерөнхий ижил байх учир тэд цөм гялтга, уян харимхай, цахилгаан дулаан дамжуулах чанараар төстэй байна. Шүлтийн металлууд ба төмөр, хром зэрэг бусад металлууд голдоо төвтэй шоо дөрвөлжин, магни, цайр зэрэг металлууд зургаан талт гонзгой дөрвөлжин хэлбэрийн талст оронт тор үүсгэн царцана.

Металлын холбоо Металл үүсэхэд түүний атомын валентын электронууд бүрхүүлээсээ салж, металлын ионуудын / эерэг цэнэгтэй/ хоорондуур хөдөлж байх чөлөөт электронууд болно. Иймээс металлын ионуудын хооронд электрон үүл, манан буй болох бөгөөд энэ нь металлын атомуудыг хооронд нь холбож “гагнах” шалтгаан болж өгнө. Ингэж металл холбоо чөлөөт электронуудын тусламжтайгаар үүсдэг ажээ. Металл доторх нэгэн чөлөөт электроныг авлаа гэхэд тэр электроныг тодорхой чөлөөт электронууд бүгд нэгэн зэрэг бүх атомдаа хамаарна гэж үздэг. Металл холбоо валентын холбооны адил чиглэсэн шинж байдал үгүй явдал үүнтэй холбоотой юм. Хэрэв металл тунгалаг бөгөөд атом, электроныг нь харж болдогсон бол түүний дотор юу харагдахыг төсөөлөн бичвэл: атом бүрийг ажиглавал тус бүрдээ цөмөө тойрсон битүү манантай (электрон бүрхүүлүүд) байна. Тэгвэл атомын цөмүүд харагдахгүй нь байна. Ийм битүү манангаар бүрхэгдсэн атомуудын хоорондуур ихээхэн сийрэг чөлөөт электрон манан бужигнан ажиглагдах юм. Үүнийг металлын электрон хий ч гэж хэлдэг.

Молекул физик

Термодинамик. Аливаа бодис атом молекулаас тогтдог ба атом нь химийн урвалаар үл хуваагдах элемэнтийн хамгийн жижиг хэсэг юм. Атомууд нэгдэж молекулуупыг үүсгэх ба өөр төрлийн атомууд нэгдэж химийн элемэнт нэгдлийг бий болгоно. Атомууд нь хоорондоо химийн холбоосоор холбогдсон бодисын химийн шинж чанарыг хадгалсан хамгийн жижиг хэсгийг молекул гэнэ.

Молекулууд нь үргэлжийн эмх замбараагүй хөдөлгөөнд оршин тасралтгүй харилцан үйлчлэлд орно. Ердийн нөхцөлд (1атм даралт 273, 15к tо-т) байгаа 1м3 эзэлхүүнтэй хийд 1025, шингэнд 1026, хатуу биед 21028 эрэмбийн молекул байна. 1961 оноос нүүрстөрөгч C12 изотопын масс 1/12г массын нэгж болгон авч массын атом нэгж (м.а.н) гэж нэрлэх болсон. 1м.а.н=1.6710-27кг

Жин хэмжүүрийн олон улсын хурлаас 1971 онд бодисын тоо хэмжээний нэгжээр СИ системд молийг авахаар тогтжээ. 0.012кг масстай бодисын тоо хэмжээг 1 моль гэнэ. 1моль бодис Nа=6.0231023 тооны молекул агуулдаг бөгөөд үүнийг Авогадрын тоо гэнэ. Ингэхээр ямар нэгэн моль бодис 6.0231023 тооны молекулыг агуулдаг байна. Тухайн m масстай бодисд байх молекулын тоог N=m Nа/ томъёогоор тодорхойлно. -молийн масс Nа -Авогадрынтоо m-бодисын масс N-молекулын тоо

Ердийн нөхцөлд 1 моль хий 22,410-3 м3 эзлэхүүнтэй учир түүний нэгж эзлэхүүнд n0 =2,681019 см-3 молекул байна. Үүнийг Ложимадын тоо гэнэ. Нэгж эзлэхүүнд ноогдох молекулын тоог түүний концентрац гээд “n”-р тэмдэглэнэ. n=N/V Иймд хийн концентрац даралт хоёрын хоорондын холбоо нь дараах байдалтай байна. n= Nа/

Молекулууд хоорондоо тасралтүй харилцан үйлчилснээс эдгээрийн хоорондын зай нь байнга өөрчлөгдөж байдаг. Молекулын хоорондох таталцлын хүч fта , түлхэлцлийн хүч fтү хоорондын зайнаас яаж хамаардгийг дараах зурагт үзүүлэв. r-молекулуудын хоорондын зай n- зэргийн илтгэгч бөгөөд таталцах тохиолдолд n=(9-15) F= fтү-fта гэсэн нийлбэр хүч ба молекулуудын харилцан үйлчлэлийн потенциал энерги Wn нь радиусаас хамаарах хамаарлыг харьцуулбал r0=3A0 d байх үед F=0 байна. Өөрөөр хэлбэл таталцлын ба түлхэлцлийн хүч тэнцэх үед таталцагч биеийн потенциал энерги хамгийн бага утгатай байна. Харин ro3Ao байх үед F0, ro3Ao үед F0 байна. Эндээс молекул хоорондын хаилцан үйлчлэлийн потенциал энерги молекулуудын хоорондын зайнаас хамаарах хамаарал r болох үед Wn=0 байна. Молекулууд нь тэнцүүтэй байх үед Wn нь хамийн бага утгатай байх бөгөөд ABC гэсэн мөрийн потенциал нүх гэнэ.

Молекул бие биеээ түлхэх таталцах үед эдгээрийн хөдөлгөөний хурдны чиглэл хэмжээ тасралтгүй өөрчлөгдөх ба түүний хурд нь бодисынхоо температураас хамаарна. υ. Мөн олон тооны молекулын хөдөлөөний дундаж хэмжигдэхүүнийг тодорхой загвар болгон авч шаардлагын шинж чанартай процесс макро системийн шинж чанар хөдөлгөөний онцлог түүнд явагдах зүй тогтлыг судална. Ийм зүй тогтлыг статик зүй тогтол гэнэ. Ийм статик зүй тогтлыг тодорхойлогч нэг физик хэмжигдэхүүн нь молекулын хөдөлгөөний υ д /дундаж хурд/ юм. N тооны молекул агуулсан бодисын молекулуудын дундаж хурдыг молекул тус бүрийн хурдны нийлбэрийг молекулын тоонд харьцуулан тодорхойлно. υ = (υ 1+ υ 2+…+ υ N)/N Квадратын дундаж хурдыг υ = (υ 12+ υ 22+…+ υ N2)/N гэж тодорхойлно.

Металл, хөндийрүүлэгч /диэлектрик/ хагас дамжуулагч бодисын учир

Нэг валенттай атомуудаас тогтсон бодис авъя. Жишээлэхэд Na: Натрийн атомын хамгийн гадна талын бүрхүүлд нэг электрон байдаг. Натрийн N атомаас тогтсон талстын гадна талын зонд N электрон сууна. Гэтэл энэ зоныг дүүргэхэд дахиад N электрон хэрэгтэй билээ. Энд Паулийн зарчим ёсоор 2N электрон байж болно. Иймээс энэхүү зонын доторхи энергийн төвшнүүдийн дөнгөж хагас нь бөглөгдөж болохоор дүүрэн биш байна. Ийм зоныг үндсэндээ бодисын дамжууллын зон гэж нэрлэдэг.

Дамжууллын зон нь дүүрэн биш байхаас гадна огт хоосон ч байж болно. Дамжууллын зон бол бодисын цахилгаан дамжуулах явдалд гол үүргийг гүйцэтгэх бөгөөд ийм учраас ч ингэж нэрлэнэ. Холбож байгаа орбитал болон сийрэгжүүлж байгаа орбиталуудын хооронд энергийн ялгаа өчүүхэн учраас N электронууд нь 2N төвшнүүдийн алин дээр ч хялбархан очиж чадна. Зарим электрон гаднын шалтгаанаар хурдаа ихэсгэн энергийн талаар дээд төвшинд очиж байхад зарим нь дээд төвшнөөс доош орох мэтээр замбараагүй хөдөлж, шилжиж байна. Орбиталын дотор олон тооны сул төвшнүүд байгаа болохоор электроны хөдөлгөөн энэ тэр зүгтээ адил боломжтой болж энгийн нөхцөлд энд электроны зүгширсэн / нэгэн тийш давуутай / хөдөлгөөн байхгүй учраас цахилгаан гүйдэл үүсэхгүй байна. Хэрэв ийм талстыг гаднын цахилгаан оронд оруулбал дамжууллын орбиталын доторхи электронуудын хөдөлгөөн, тодорхой нэгэн чиглэлд явагдаж өгнө. Дамжууллын орбиталын доторхи электронуудын туйлширсан энэ хөдөлгөөн бол шинж чанарын хувьд хоосон /ваакуум/ дотор цахилгаан орны нөлөөгөөр электронуудын хөдлөх хөдөлгөөнтэй төстэй байна. Дурдсантай адил тохиолдолд бүх металл бодисуудад байдаг. Ийм ч учраас металлууд цахилгаан дамжуулахдаа сайн байдаг

Металлын байгальд орших нь

Металлууд байгальд ихэвчлэн нэгдлийн байдалтай оршдог бөгөөд цөөн тооны үнэт металл (алт, мөнгө) аранжин байдлаар тохиолддог. Метөллын байгалийн нэгдлийг хүдэр гэдэг бөгөөд энэ нь хэдэн төрөл ангид хуваагддаг.

1. Сульфид байдлаар тохиолдох хүдэр: FeS2-төмрийн колчедан (пирит), PbS-хартугалганы гялтгана, ZnS-цайрын хуурмаг гэх мэт.

2. Оксид хэлбэрийн хүдрүүд: Fe3O4-соронзон гүр, Al2O3*2H2O- боксит гэх мэт

3. Карбонат: CaCO3-шохойн чулуу гэх мэт

4. Хлорид: NaCl-хоолны давс, KCl*MgCl2-карналлит гэх мэт

5. Сульфат: Na2B4O7*10H2O-тунсаа, CuSO4*5H2O-зэсийн байван, Na2SO4*10H2O-мираблит гэх мэт

Металлыг гарган авах арга

Хүдрээс металлыг гарган авахын өмнө төрөл бүрийн аргаар түүнийг ашиггүй (шавар, чулууны) хольцоос цэвэрлэдэг. Үүнийг хүдэр баяжуулах гэнэ. Хүдэр бол үйлдвэрийн аргаар уул металлыг гарган авахад тохирсон эрдэс агуулсан уулын чулуулаг юм. Жишээ нь: алт, цагаан алт зэргийг баяжуулахдаа хүдрийг усаар угаах буюу эсвэл ямар нэгэн бодист уусган эцэст нь тунгаан баяжуулдаг. Хүдрийг баяжуулдаг олон арга байдаг. Үүнд: усаар угаах, цахилгаан болон соронзон орны туслалцаатайгаар ялгах, хүнд хөнгөнөөр нь ангилах, хөрвүүлэх зэрэг аргуудыг голлон хэрэглэдэг. Хүдрийн баяжмалаас металл гарган авах үйлдвэрийн аргыг металлурги гэнэ.

Металлургийн хэд хэдэн арга бий:

1. Пирометаллурги бол дулааны аргаар маш өндөр температурт хүдрийг хайлж цааш нь шат дараалан химийн урвал явуулан цэвэр металл гаргадаг арга юм. Энд төмрийн хүдрийг хайлуулах байшин зуухны аргыг хамааруулж болно.

2. Карботермийн арга. Үүнд нүүрс буюу нүүрсний оксидоор хүдрийг ангижруулдаг. Жишээ нь: зэс /1/-ийн оксидыг нүүрстэй хольж өндөр температурт шатаахад ангижрах процесс явагдан цэвэр зэс, нүүрсний оксид үүсдэг.

Cu2O+C=2Cu+CO

Энэ аргаар цэвэр металл гарган авахын тулд сульфидүүдийг эхлээд тусгай зууханд шатааж металлын оксид болгон хувиргаад эцэст нь түүнийгээ ангижруулах процесст оруулдаг.

2ZnS+3O2=2ZnO+2SO2 ZnO+C=Zn+CO

3. Гидрометаллурги бол хүдэрт байгаа металлуудыг янз бүрийн урвалж ашиглан усан уусмалд шилжүүлээд түүнээсээ электролизоор дан металл гарган авдаг арга юм. Алтны хүдрээс цэвэр алт гаргах цианидын арга бол гидрометаллургийн арга юм. Түүнээс гадна олон тооны металл байгальд давс, эрдэс байдалтай оршдог. Ийм хүдрийг маш өндөр температурт хайлуулан түүнд тусгай бодис (флюс) нэмж, доторх хэрэггүй хольцтой нь нэгдүүлэн дараа нь түүнээс салган шаар болгон гадагшлуулдаг. Хэрэв хайлмал хүдэрт хэрэггүй хоосон чулуулаг, их хэмжээний элс шороо байвал нэмэлт бодисоор шохойн чулууг ашиглах ба хэрэв шохой нь их байвал элс хэрэглэх бөгөөд энэ хоёр тохиолдолд шаар нь кальцийн силикат цахиурын оксидод шилждэг. Ашиггүй хольцоос урьдчилан салгасан хүдрийг (конц) баяжмал гэнэ. Хүдрээс металлыг салгахад металл нь нүүрс ба түүний оксидоор ангижрах боломжгүй үед устөрөгч, цахиур, магни, хөнгөнцагаан зэрэг хүчтэй ангижруулах чанартай янз бүрийн металл хэрэглэхийг металлотермийн арга гэнэ. Тухайлбал: хөнгөнцагааныг ангижруулагчаар авбал түүнийг алюминотерми гэнэ.

Жишээ нь: хромыг алюминотермийн аргаар гарган авдаг.

Cr2O3+2Al=Al2O3+2Cr

Дээд зэргийн цэвэр металл гарган авах Дээрх аргууд дээд зэргийн цэвэр металл гаргахад дутагдалтай юм. Шинжлэх ухаан-техникийн дэвшлийн эрин үед дээд зэргийн цэвэр металл гарган авах шаардлага тавигдаж байна. Зууны буюу мянганы хувийн өчүүхэн хольц нь металлын химийн болон механик шинж чанар, хайлах, буцлах температур зэрэгт асар их өөрчлөлт өгдөг. Халуун цөмийн урвалын техник болон хагас дамжуулагчийн үйлдвэрлэлд хэрэглэдэг металлын дотор 10-8-10-10% хольц орвол гологдолд ордог.

Дээд зэргийн цэвэр металл гаргах хэдэн арга байдаг.

1. Дулааны задаргааны арга: Уул үйлдвэрлэж буй металлын карбонил, иодид мэт дэгдэмхий нэгдлүүдийг гарган авч, өндөр температурт дулааны задралд оруулж дээд зэргийн цэвэр металл гаргадаг. Жишээ нь: металл титаныг цэвэр иодтой 9000С-д халаахад дөрвөн иодид титаны дэгдэмхий нэгдэл үүсдэг:

Ti+2I2=TiI4

Мөн цагаан алтан реакторт цэвэр титан утсыг иодтой халаахад TiI4 гэдэг дэгдэмхий нэгдэл үүсэж тэр нь 14000С-д дулааны задралд ордог.

2I2+Tiхольц TiI4уур 2I2уур +Tiхатуу (цэвэр) Дулааны задралын аргаар титан, циркони, хром зэрэг өндөр температурт хайлдаг металлуудыг гарган авдаг. 2. Дээд зэргийн цэвэр металлыг гарган авах орчин үеийн хамгийн шалгарсан аргын нэг бол бүсчлэн хайлуулах арга юм. Цэвэрлэх гэж буй дээжийг тусгай бэлтгэсэн жижиг завинд хийж инертийн хийгээр дүүргэсэн кварц хоолойд байрлуулдаг. Жижиг завинд үүссэн цувимлыг дагууд нь өндөр давтамж бүхий генератораар тэжээсэн халаагч цахилгаан ороомогоор бүсчилэн халаадаг. Бүсчлэн байрлуулсан цахилгаан халаагуурын орчинд дээж нь хайлж, хольц нь цувимлын нэг захаас нөгөө үзүүр уруу шилжин гадагшлах ба халаагуур цахилгаан ороомгийн ард цэвэр металл талстжиж гардаг. Энэ явцыг хэдэнтээ давтан явуулснаар дээд зэргийн цэвэр металл гарган авсан төмөр, молибден, вольфрам мэтийн дан талстуудын хөвсгөр чанар нь бүрэн арилж, асар их бат бэх уян хатан чанартай болдог байна.

Металл ба электрон

Металлын дулаан, цахилгааныг сайн дамжуулах уян хатан, давтагдах чанартай зэрэг олон үндсэн шинжүүд нь металл доторх чөлөөт электрон, металл холбоонд талст торын байгуулалтаар бүрэн тайлбарлагдана. Гялгар өнгийг металл бус гялгар бодистой хэн ч андуурахгүй ялгаж чаддаг. Энэ нь металлууд доторх чөлөөт электронууд гэрлийг сарниулах явдалтай холбоотой юм. Металл талстын 1 см3 эзлэхүүн дотор барагцаалбал 1025 тооны чөлөөт электронууд оршино. Эдгээр үй олон электронууд металлын энэ тэр атомд хувилан ноогдох биш харин бүх атомуудад нийтэд нь хамаарна. Атомын электронууд мөн тодорхой төлөвүүдэд, өөрөөр талстын доторх энергийн төвшнүүдээр хувиарлагдан байршина. Паулийн зарчим ёсоор талстын энергийн нэг төвшинд хоёроос илүү электрон байж үл болно.

Эндээс үзэхэд талст дотор хичнээн олон төлөв, энергийн төвшнүүд байгаа нь илхэн байна. Тодорхой нөхцлийн үед зарим энергийн төвшнүүд суусан электронуудгүй буюу дутуу байж болно. Ийм төвшнүүдийг хоосон, түүнчлэн дутуу дүүрсэн төвшнүүд гэнэ. Ер нь энгийн нөхцөлд электронууд давхраан дотроо аль болох нам энергийн төвшнүүдийг эзэмшин суухыг эрмэлздэг. Ялангуяа температур абсолъют тэг байх үед электронууд хамгийн нам төвшнүүдийг юуны өмнө эзлэн авна. Гэтэл Паулийн зарчим ёсоор нэг төвшинд албаар байрлах хэрэгтэй. Тэгвэл абсолъют тэг байлаа ч гэсэн бүх электронууд тодорхой хэмжээний энергитэй байх ёстой гэсэн чухал дүгнэлт Паулийн зарчмаас аяндаа гарч ирнэ. Биеийг халаахад бүх электронуудын энерги нэмэгдэхгүй гагцхүү их энергитэй буюу дээд талын төвшнүүдэд орших электронууд л нэмэлт энерги авч чадна. Ийм электронууд бол чухамдаа металлд байх чөлөөт электронууд ажээ. Металл бус талст бодисын электронууд атомтайгаа нягт холбоотой бөгөөд хир бараг халаахад электронуудыг атомаасаа салдаггүй байна. Ийм электронуудыг холбогдсон электронууд гэнэ. Холбогдсон электронуудыг атомаас нь салган чөлөөт электрон болгоход бэрхтэй бодисуудыг хөндийрүүлэгч / диэлектрик/ гэж хэлж болно. Металлд гадны цахилгаан орноор үйлчлэхэд түүн доторх чөлөөт электронуудын хөдөлгөөн зүгширч нэг тийш хөдлөнө. Цэнэгүүдийн зүгширсэн хөдөлгөөн гэдэг нь цахилгаан гүйдэл мөн. Ингэхлээр яагаад чөлөөт электронт металлууд гүйдэл сайн дамжуулдагийн учир тодорхой байна. Тэгвэл чөлөөт электронт металл, холбогдсон электронт диэлектрикикуудаас өөр төрлийн бодис байж болох уу? Өөрийн физик шинж чанараараа металл ба хөндийрүүлэгч бодисын дундын байр эзлэх бодисууд байдаг бөгөөд эдгээрийг хагас дамжуулагчууд гэнэ.