Aatomikooslused Molekulid ja kristallid (2)

Aatomikooslused
Molekulid ja kristallid
Klass: 12
Kuupäev: 9. aprill
Tallinn 2009
Tõrjutusprintsiip
Eri elemente eristab laenguarv Z:Z prootonit tuumas ja sama arv elektrone selle ümber elektronkattes parvlemas. Enamikus tuumades on olemas ka mingi kindel arv neutraalseid tuumaosakesi, neutroneid, kuid nendest ei sõltu, mis elemendile aatom kuulub ja aatomi omadusi mõjutavad nad nõrgalt. Positiivne tuum tõmbab neid kõiki endale võimalikult lähemale. Elektroni leiulaine on tema "koht" aatomis. Tuumale lähimale, põhiseisundile vastava leiulaine peakvantarv n = 1, edasi kihistuvad ergastatud kvantseisundid, mille n = 2, 3 jne. Elementide spektrite ning füüsikaliste ja keemiliste omaduste uurimine näitab, et laias laastus on selline alglähend mõistlik. Tuuma tõmbele alludes asuvad kõi Z elektronid tuumale lähimasse leiulainesse? Siis sarnaneks kõikide aatomite spektrid vesiniku spektrile.
Näide: Korjame kirsse koonilisse tuutusse. Esimene kirss langeb tuutu tiputeravikku, kus tema potentsiaalne energia Maa raskusväljas mgH1 on minimaalne. Seda on ka siis koguenergia, kui ta tippu veerenult paigale jääb. Järgmine kirss aga jääb ülespoole (mgH1 - mgH2 ), sest eelmine on ees. Makromaailmas ei saa kaks eset olla ühteaegu samas kohas. Kas see on aksioom , tõrjutusprintsiip, kehtib ka mikroosakestele? Selgub , et vähemalt elektronide puhul kehtib. Seda tuleb väljendada nii: samas aatomis ei saa olla kahte ühesuguste kvantarvudega (n, l, ml ja s) elektroni. Sellise seaduse sõnastas Šveitsi füüsik W. Pauli - Pauli keeluprintsiip.
Molekulidelt kristallidele
Kui keedusoola lahuses on hulgaliselt Na+ ja Cl- -ioone, on suur tõenäosus ioonide kohtumiseks ja järjest uute keemiliste sidemete tekkeks. Hakkab kasvama NaCl kristall . Olemuselt on see supermolekul, milles on hiidpulk koostisaatomeid või –ioone. Samuti võib jääpurikat meenutav suur monokristall hakata kasvama kõrgtemperatuuril sulatatud ainesse lastud jahutatava idukristalli külge. Kristallidest kuulsime mõnadgi juba X kl. soojusõpetuse kursuses. Meenutame sealõpitut ja täiendame seda pisut.
Kristallides on aatmoid / ioonid paigutatud kindlas korras, nad moodustavad ruumvõre. Nagu elektroni laineomadustest, nii ka kristallide mikrostruktuurist annavad veenvat tunnistust difraktsioonikatsed. Sõltub ju difraktsioon nii difrageeruvate lainete pikkusest kui ka võrekonstandist. Kui lainepikkus on teada, saab määrata võrekonstanti. Kristallides on aatomid paigutatud väga tihedalt, võrekonstant on vaid 10-10m ( 0,1 nm ) suurusjärgus. Seepärast tuleb kristallide difraktsioon-uuringust, elektronide või neutronite kimpe. Ainult siin on difrageerunud kimpude hälbed piisavad , et difraktsioonipilte eristada ja tõlgendada. Tänapäeval teevad tunnelmikrsoskoobid kristallivõre lausa silmnähtavaks.
Kristallide energiavöötmed – tsoonid
Kuna kristallis on aatomid tihedasti koos, mõjuvad nad üksteist tugevasti. Oodatavasti teiseneb siis ka energiatasemete pilt vabade aatomitega võrreldes. Spektrite, elektriliste jpt. Omaduste uurimine kinnitab seda oletust. Elektronkatte sisekihtide elektronide energiatasemed jäävad kristallis peaaegu muutumatuks, kuid väliselektonide tasemed paisutab aatomite elektriline vastastikmõju laiadeks, mitme elektronvoldi laiusteks energiavöötmeteks ehk energiatsoonideks.
Elektronide laineomaduste tõttu ei saa nad omandada energiaid, mis jäävad pilusse ∆E täidetud ja tühja tsooni vahel. Seepärast nimetatakse seda vahemikku keelutsooniks. Kuna hõivatud tsoon täitub kristalliaatomite väliskatte elektronide ehk valentselektronidega, nimetatakse valentsitsiooniks. Keelutsoonie järgnev täitmata tsoon kannab juhtivustsooni nime.
Kristallid elektriväljas – elektrivool kristallides; elektronid ja augud
Elektriõpetuses teame, et elektrivool on laengukandjate suunatud liikumine. Tahkistes on laengukandjateks elektronid. Suunatud liikumisse tõukab laengukandjaid elektrijõud, mis neile mõjub tahkisele rakendatud elektriväljas.
Metalli pooltäidetud tsoonis on külluses nii elektrone kui ka vabu alatsemeid – energia kasvuruumi. Seepärast ongi nad suurepärased elektrijuhid.
Dielektrikute tühjas juhtivustsoonis on „energiaruumi” avarasti, kuid seal puuduvad elektronid, mida väli võiks liikuma suunata. Valentsitsioonis on küll kõik alatasemed elektronidega täidetud, kuid väli ei saa neid kiirendada: puuduvad vabad alatasemed, mille elektrone kergitada. Nõnda nad ei juhigi voolu, on isolaatorid .
Mida kõrgem on pooljuhi temperatuur, seda enam elektrone paisatakse juhtivustsooni ja rohkem auke jääb valentsitsooni. Juhtivus kasvab soojenedes järsult, ja pooljuhte saab kasutada tundlike temperatuuritajurite – termotakisite ehk termistoridena.
Lisandjuhtivus, doonorid ja aksteptorid
Pooljuhi juhtivust saab tunduvalt tõsta, viies kristalli selle kasvatamise käigus väheke sobivaid lisandeid. Kuid näiteks neljavalentse germaaniumi kristallise kasvatada viievalentse arseeni aatomeid, jääb üks elektron keemiliste sidemete moodustamisel ülearuseks ja vabaneb juhtivuselektronina. Niiviisi saadakse valdavalt elektronjuhtivusega pooljuht – n-pooljuht. Elektrone lisand on doonor .
Lisalugemist
Vesinik
Tal on kaks stabiilset isotoopi massiarvudega 1 ja 2. Erinevalt muudest elementidest on keemilised ja füüsikalised erinevused vesiniku isotoopide vahel suhteliselt suured. Seetõttu on neil erinimetused ja mitteametlikud, ent laialdaselt kasutatavad erisümbolid. Isotoopi massiarvuga 1 nimetatakse prootiumiks ja keemiline sümbol H käib eriti selle isotoobi kohta. Isotoopi massiarvuga 2 nimetatakse deuteeriumiks, mille keemiline sümbol 2H (mitteametlikult D).
Vesinikul on ka radioaktiivne isotoop massiarvuga 3 ja poolestusajaga 12,3 aastat. Selle nimetus on triitium ja sümbol 3H (mitteametlikult T). (Erinimetused ja -sümbolid on ka isotoopidel, mis kuuluvad radioaktiivsetesse ridadesse.)
Prootiumi aatomi tuum on prooton , mis on elementaarosake . Deuteeriumi aatomi tuum on deuteron, mis koosneb ühest prootonist ja ühest neutronist. Triitiumi aatomi tuum on triiton , mis koosneb ühest prootonist ja kahest neutronist.
Prootium
Prootium on universumis, tähtedes ja hiidplaneetides kõige tavalisem elemendi isotoop.
Sisaldus maakoores on massi järgi väike (0,87%), aatomite arvu järgi suur (17%). Vesinik on leviku poolest Maal 9. kohal, universumis kõige levinum element.
Deuteerium
Deuteeriumi leidub maailmameres keskmiselt üks 2H aatom 6400 H aatomi kohta ehk umbes 0,156 ‰. Lihtainena esineb deuteerium äärmiselt väikestes kogudes. See on omadustelt diprootiumi H2 sarnane gaas valemiga 2H2 või D2. Deuteeriumi levinuim ühend universumis on ühend tavalise 1H aatomiga ehk 2H 1H või DH.
Triitium
Looduses esineb triitiumi väga väikestes kogustes . Ta tekib enamasti atmosfääri ülakihtides kosmilise kiirguse mõju tõttu atmosfääris leiduvatele gaasidele. Levinuim triitiumi tekke mehhanism toimib, kui lämmastiku molekulid on avatud kosmilisele neutronivoole. Saades juurde ühe neutroni, laguneb lämmastiku tuum süsiniku ja triitiumi tuumaks. Triitiumi lühike poolestusaeg (12,32 aastat) ei võimalda looduslike varude kogunemist
Vesinik moodustab kaheaatomilised lihtaine molekulid.
Füüsikalised omadused
Tavatingimustel on ta värvitu gaas, väikseima molekulmassiga kõigist gaasidest. Temperatuuril 20 kelvinit kondenseerub kahest prootiumiaatomist koosneva molekuliga diprootium (H2) vedelikuks, mis tahkub temperatuuril 14 kelvinit. Vesiniku molekuli energiatasemed olenevad sellest, kas tuumade spinnid on samasuunalised või erisuunalised. Erineva spinnide jaotusega olekute vaheline üleminek on aeglane.
Keemilised omadused
Kuumutamisel reageerib vesinik paljude ainetega. Reaktsioon hapnikuga eraldab soojust, mistõttu vesinik õhus või hapnikus põleb ja ta segud hapnikuga või õhuga süütamisel plahvatavad. Vesiniku tähtsaimaks ühendiks on vesi.
Inimese organism vesinikku lihtainest ei omasta, sest ta on inimorganismis biokeemiliselt inertne.
Toime inimesele ja ohud
Suures kontsentratsioonis sisse hingatuna on vesinik lämmatav; vesinikku sisaldavad gaasisegud, milles on piisavalt hapnikku, on tervisele ohutud .
Muidugi kaasneb vesinikuga suur tule- ja plahvatusoht .
Deuteeriumi ühendid on imetajatele, sealhulgas inimestele mürgised: umbes 15 protsendi vee asendamine raske veega (2H2O) tekitab rottidel tervisehäireid ja 25...30 % asendamine on surmav. Väikestes kogustes (paar grammi inimese puhul, enam-vähem võrdne raske vee loomulikku sisaldusega kehas) kasutatakse deuteeriumi meditsiinis ainevahetuse jälgimiseks.
Triitium on ohtlik oma radioaktiivsuse tõttu. Väikese energia (maksimaalselt 18 keV) tõttu ei läbi 3H beetakiirgus nahka, aga ühendites omastatuna on triitium ohtlik.