Ćw. 1 (prof. Marcin Pałys, poziom B piątek)

1. Jakie są formalne stopnie utlenienia (1pkt)
LiV2O5: Li +1; V +4,5; O -2
Na

0,2

TiO

2

:

+0,2 – 4 + x = 0

x = 3,8

2. Co to jest interkalacja?
Interkalacja – wprowadzanie do struktury krystalicznej obcych atomów lub cząsteczek (w sposób odwracalny)
Może zachodzić z fazy gazowej, ciekłej lub stałej
 Interkalowanie elektrochemiczne: materiał interkalowany jest katodą, pod wpływem przyłożonego napięcia
wprowadzamy do katody jony obcego pierwiastka z elektrolitu

3. Jaką barwę pochłonęła substancja jeśli jest niebieska? Uzasadnij.
Substancja o niebieskiej barwie pochłania pomarańczową barwę. Obserwowana przez nas barwa jest barwą
światła odbitego, która jest barwą dopełniającą względem barwy światła pochłoniętego.

5. Napisać reakcje interkalowania litem tlenku wanadu (V) mając do dyspozycji V

2

O

5

i LiI.

V

2

O

5

+ Li+  LiV

2

O

5

1) Jak są rozmieszone interkalowane związki w sieci krystalicznej ?
Wyróżniamy struktury: kanałowe, warstwowe, szkieletowe. Pod wpływem interkalacji struktura krystaliczna
materiału interkalowanego zmienia się nieznacznie, nawet jeśli osiągane są duże stężenia interkalatora.

Rys.10.5. Schemat budowy struktury materiałów interkalowanych: a) – kanałowa; b) –

warstwowa; c) - szkieletowa

Interkalacja warstwowa: typowe związki MeX

2

(gdzie Me - metal przejściowy i X - tlen, selen lub siarka)

2) Dlaczego metale mają metaliczny połysk ?
Połysk jest efektem obecności swobodnych elektronów w metalach; metale walencyjne są związane w metalach
bardzo słabo, wykazują znaczną ruchliwość; wynikające z tego własności: połysk, db przewodnictwo
elektryczne i cieplne.

3) czy izolator może dobrze przewodzić ? jeśli tak to w jakich warunkach? uzasadnij
Izolatory (dielektryki) w zwykłych warunkach nie przewodzą prądu elektrycznego. W kryształach nie
wykazujących wł. metalicznych pasma energetyczne nie zachodzą na siebie, lecz są oddzielone pasmami
wzbronionymi (zakres stanów energetycznych, których e- nie mogą przyjmować). Pasmo wzbronione jest
położone między pasmem podstawowym (niższym, całkowicie zajętym przez e-) oraz pasmem przewodnictwa
(puste pasmo).
Aby elektron przeskoczył z pasma podstawowego na pasmo przewodnictwa, musi być dostarczona energia
(rzędu 5-10 eV, energia co najmniej tak duża, jak szerokość pasma wzbronionego), np. poprzez:

 ogrzanie izolatora do bardzo wysokiej temperatury
 przyłożenie bardzo wysokich napięć

W półprzewodnikach pasmo wzbronione jest węższe (1-2 eV);

Elektron przenosząc się z pasma podstawowego na pasmo przewodnictwa, pozostawia w nim nieobsadzony
poziom energetyczny – dziurę elektronową.
Nośniki prądu elektrycznego: swobodne elektrony (metal), dziury elektronowe (izolatory, półprzewodniki)

4) Wyjaśnij co to jest przewodnictwo domieszkowe typu n na podstawie teorii pasmowej ciała stałego. Czy
szerokość pasma wzbronionego zmieni się w czasie domieszkowania półprzewodników samoistnych? Tak.

Przewodnictwo samoistne: stężenia swobodnych elektronów i dziur elektronowych są sobie równe;
np. w sieci przestrzennej krzemu; im temperatura jest wyższa, tym większa szansa na zerwanie wiązania i
przeniesienie jednego e- na sąsiedni atom krzemu – tworzy się dziura elektronowa; elektron może się teraz
poruszać w krysztale pod wpływem przyłożonego napięcia; zmienia się położenie dziury elektronowej.

Półprzewodnik typu n (półprzewodnik elektronowy, negative): swobodne e- stanowią nośniki prądu
zwiększające przewodnictwo; wprowadzamy do sieci krzemu atom zawierający więcej e- walencyjnych, np. As
– 5 e-, w porównaniu z 4 e- Si, piąty e- pozostaje niezwiązany i potrzebuje niewielkiej energii, aby stać się e-
swobodnym. As stanowi centrum donorowe, poziomy energetyczne e- nadmiarowych leżą w górnej części
pasma wzbronionego.

Półprzewodnik typu p (półprzewodnik dziurowy, positive): wzrost liczby dziur elektronowych,
zwiększających przewodnictwo materiału; np. wprowadzenie atomu B (3 e-) do sieci krzemu; atom B stanowi
centrum akceptorowe, poziomy energetyczne centrum akceptorowego, na które są przyjmowane e- z pasma
podstawowego, są położone u dołu pasma wzbronionego.

5) napisz reakcje interkalowania WO

3

wodorem. Substratami są : WO

3

, HCl, Zn

H

+

+ Zn  H + Zn

+

WO

3

+ xH  HxWO

3

xH

+

+ xZn + WO

3

 HxWO

3

+ xZn

+

2. Dlaczego w metalach mamy pasma a nie poziomy energetyczne?
Atomy wchodzące w skład przestrzennej sieci metalicznej oddziałują między sobą, powodując rozszczepienie
poziomów energetycznych obecnych w wolnych atomach na pasma energetyczne. Jeśli sieć złożona jest z N
atomów I grupy (1 elektron walencyjny), to wszystkie elektrony opisane są przez N orbitali cząsteczkowych.
Każdemu z nich odpowiada inny poziom energetyczny. Wraz ze wzrostem liczby orbitali, maleją odległości
między poziomami energetycznymi, ostatecznie tworząc ciągłe pasmo stanów energetycznych.

7) Ciało było żółte, a jest niebieskie, jak zmieniła się długość fali absorbowanej (czy zwiększyła sie czy
zmniejszyła)
Ciało żółte pochłania barwę indygo (415-440 nm), zaś ciało niebieskie – barwę pomarańczową (610-650 nm).
Długość fali pochłanianej wzrosła.

2. Mamy dwa półprzewodniki pomarańczowy i fioletowy. Który z nich będzie prawdopodobnie lepiej
przewodził prąd i dlaczego.
Pomarańczowy pochłania barwę niebieską, a fioletowy zieloną. Fioletowy pochłania zakres światła o niższej
energii, więc prawdopodobnie pasmo wzbronione jest węższe lub występują w nim poziomy donorowe lub
akceptorowe pochodzące od atomów domieszkujących materiał, jedno i drugie prowadzi do spadku oporności i
wzrostu przewodnictwa prądu przez materiał.

5. Uzgodnić reakcję redoks Br- + SO

4

- + (H+) ----- > Br2 + SO3-+ H

2

0

Napisać reakcje połówkowe.

2Br- - 2e-  Br

2

SO

4

- + 2e- + 2H+  SO

3

- + H

2

O

2Br- + SO

4

- + 2H+  Br

2

+ SO

3

- + H

2

O

7.12.2012, piątek, poziom B
1) Jaka jest różnica między interkalowaniem a domieszkowaniem
2) Opisz mechanizm przewodzenia prądu w półprzewodnikach typu p
3) Dlaczego w ciałach stałych mówimy o pasmach a nie poziomach energetycznych
4) Jaką barwę pochłania ciało czerwone, uzasadnij
5) Podaj stopnie formalne wszystkich atomów: Li0,3V2O5, H0,6WO3, Na0,2TiO2