CENNI SULLA TEORIA DEGLI ORBITALI MOLECOLARI

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1 CENNI SULLA TEORIA DEGLI ORBITALI MOLECOLARI Gli orbitali molecolari si ottengono dalla combinazione lineare degli orbitali atomici. Il numero di orbitali molecolari è pari al numero degli orbitali atomici di partenza, la combinazione di due orbitali porterà alla formazione di un orbitale legante e di uno antilegante legante (somma degli orbitali atomici) Y = j(n,l,m,s) + j(n,l,m,s) Y * = j(n,l,m,s) - j(n,l,m,s) antilegante (differenza degli orbitali atomici)

2 Mescolando due orbitali 1s che hanno la stessa fase si ottiene un orbitale molecolare (MO) s 1s. Mescolando due orbitali 1s che hanno fase opposta si ottiene un MO s 1s *.

3 La combinazione di due orbitali atomici 1s di H forma due orbitali molecolari di H 2. Nell MO legante, s 1s, gli orbitali atomici si combinano in modo costruttivo portando ad un aumento di densità elettronica tra i due nuclei. Nel MO antilegante s 1s *, gli orbitali si combinano in modo distruttivo, si ha un nodo tra i due nuclei.

4 Orbitali molecolari O 2 Orbitali dell O 2p x p z p y s * 2pz p x * p y * p x p y Orbitali dell O 2p x p z p y s 2pz 2s s* s 2s 2s

5 Proprietà dei metalli Meccaniche Elettriche Termiche durezza, resistenza, duttilità opacità alla luce, lucentezza, effetto fotoelettrico elevata temperatura di fusione Caratteristiche di una struttura reticolare compatta. Le intense forze tra cationi ed il gas di elettroni giustificano le proprietà meccaniche e termiche. La facilità dello spostamento della nube di elettroni giustifica la conducibilità e gli ostacoli forniti dalle oscillazioni dei cationi sottoposti a riscaldamento giustifica la diminuzione di conducibilità con l'aumento della temperatura. L'opacità e la lucentezza si spiegano con la possibilità da parte degli elettroni di assorbire ed emettere fotoni di qualsiasi frequenza.

6 L'opacità e la lucentezza si spiegano con la possibilità da parte degli elettroni di assorbire ed emettere fotoni di qualsiasi frequenza. Poiché alla formazione dei legami metallici (e dei legami in generale) corrisponde una diminuzione di energia ed in particolare l'energia associata ad un orbitale molecolare è più bassa di quella associata al rispettivo orbitale atomico, nella formazione del solido molecolare si avrà una produzione di energia pari a quella utilizzata per ionizzare i singoli atomi. Per ciascun cristallo, con N livelli energetici, corrispondenti ad N orbitali uno per ogni elettrone di valenza degli stessi livelli, si formano delle bande.

7 Livelli energetici per il cristallo di Litio E 2 Bande sovrapposte E 1 Li E 1 E N E R G I A E E 2 Li 3 Li E 2 E 1 E 3 E 2 E 1 E 2 E 1 Bande adiacenti E n E 2 E n Li E Bande separate E 1 E 1

8 Poiché ogni orbitale può ospitare 2 elettroni, avremo N/2 orbitali a minore energia pieni nel caso di un solo elettrone di valenza (es.: Li). Fornendo una piccola energia, gli elettroni all'interno di ogni banda possono muoversi e quindi si ha conduzione elettrica. Nel caso di più elettroni di valenza, la conduzione dipende dall'energia delle bande adiacenti in quanto, in questo caso, queste possono ospitare gli elettroni "eccitati" (es.: bande 3s e 3p). Bande sovrapposte o adiacenti conduttore Bande distanziate da E : Per E compreso tra 10 e 30Kcal/mole semiconduttore es.: Ge(14kcal/mole), Si (30kcal/mole). Se E è grande non conduce es.: C, S

9 Il fenomeno della conduzione è legato alla presenza di bande parzialmente occupate oppure bande sature sovrapposte a bande di conduzione vuote: Banda di conduzione Banda di valenza Un isolante è caratterizzato da una banda di valenza satura distanziata dalla banda di conduzione. Es.: C (diamante) E = 120 Kcal/mole

10 In un semiconduttore l'energia tra le due bande è modesta e quindi fornendo energia come calore o irraggiando con fotoni, gli elettroni passano nella banda di conduzione. In questo caso quindi l'aumento di temperatura favorisce la conduzione (semiconduttori intrinsechi). Fenomeno del drogaggio Es.: Ga nel Si Drogaggio di tipo p Per aggiunta di piccole quantità (qualche unità su milione) di elementi del III e IV gruppo si aumenta l'effetto di conduzione.

11 L'introduzione di qualche atomo di Ga 4s 2, 4p 1 nel reticolo del Si 3s 2, 3p 2 provoca la presenza di bande di valenza vuote, con energia di poco superiore alle bande di valenza piene del silicio, lasciando buchi nella banda di valenza piena. Questi migrano in presenza di una d.d.p. verso il polo. In realtà gli elettroni vanno ad occupare i buchi lasciandone altri. e - e - e - Banda di conduzione livelli donatori e - e - e - e - Banda di valenza

12 Drogaggio di tipo n Es.: As nel Si L'introduzione di qualche atomo di As 4s 2, 4p 3 nel cristallo del Si 3s 2, 3p 2, a parità di orbitali di valenza aumenta il numero di elettroni. Si forma un livello donatore con energia vicina alla banda di conduzione. Banda di conduzione livelli donatori e - e - e - e - Banda di valenza La conduzione in questo caso è dovuta agli elettroni dell'arsenico che passano facilmente nella banda di conduzione.