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  • 缺陷美【晶体的缺陷美】

    分类:年度工作计划 时间:2019-04-09 本文已影响

      摘 要: 缺陷本是不足,是遗憾,但正是由于缺陷的存在,才有了能导电的固体电解质、半导体材料和优良性能的合金材料。本文通过晶体缺陷美的展示,让学生体会化学的美,从而激发学习化学的兴趣。
      关键词: 晶体 缺陷 固体电解质 半导体材料 掺杂合金
      美,让人感觉赏心悦目,美,让人感觉兴趣盎然。美的事物总是让人更易去接受,更愿去接近。化学中的美无处不在,化学史的美,化学仪器的美,形形色色物质的结构美……
      兴趣是最好的老师,因此,在化学教学中,老师如何更多地去发现美,如何引导学生更好地去感受美,对学生学习化学兴趣的培养有着重要的意义。在晶体结构的教学中,教师更多的是让学生感受晶体的完美,完美的晶体确实让人心仪,但实际的物质在结成晶体时往往都有美中不足的地方,实际的晶体总是存在着这样或那样的缺陷。那么,晶体的缺陷是如何形成的呢?缺陷就是不完美,又如何去挖掘晶体的缺陷美呢?
      一、晶体的缺陷
      晶体的缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷,点缺陷有填隙缺陷、杂质原子、空位等情况。例如:
      试题1:已知一种铁的氧化物FeO(富氧体)为氯化钠型晶体。由于晶体存在缺陷,x<1,测得其密度为5.71g?cm,测得其晶胞边长为4.28×10m。
      (1)FeO晶体中x= (保留2位有效数字)。
      (2)FeO中Fe和Fe个数比为 。
      试题点评:对于氯化钠型的FeO晶体,Fe与O的个数之比为1∶1,当晶体中的部分Fe因氧化而生成Fe时,造成正电荷的增多,在保证负电荷总数不变的情况下,根据电荷守恒,晶体中铁离子的总数将减少,使得化学式FeO中的x<1。根据晶体的密度和晶胞边长,可列示:
      5.71g?cm=,得M=67.38g?mol,所以,x=(67.38–16)/55.84=0.92。
      根据电荷守恒,当晶体中每2个Fe被氧化生成Fe时,晶体中将产生一个空位,因此,晶体中Fe与空位数之比为2∶1,在1mol FeO晶体中,空位的物质的量为(1-0.92)mol=0.08mol,Fe数为0.08mol×2=0.16mol,Fe数为0.92mol-0.16mol=0.76mol,晶体中Fe和Fe的个数之比为0.76∶0.16=19∶4。
      二、晶体的缺陷美
      晶体有缺陷,但若能善加利用,缺陷的晶体就能散发它的缺陷美。如能导电的固体电解质、半导体材料和特殊性能合金等,都是晶体缺陷的具体应用。
      1.能导电的固体电解质
      由于晶体中空位缺陷的存在,对不同晶体的导电率产生了各异的影响。因在电场的作用下,离子会通过空位而移动,从而提高了离子晶体的电导率。例如:
      试题2:设计出燃料电池使汽油氧化直接产生电流是世纪富有挑战性的课题之一。最近有人制造了一种燃料电池,一个电极通入空气,另一电极通入汽油蒸气,电池的电解质是掺杂了YO的ZrO晶体,它在高温下能传导O离子。以丁烷代表汽油,这个电池放电时发生的化学反应为:2CH+13O=8CO+10HO。回答如下问题。
      (1)这个电池的正极反应是 ,负极反应是 ,固体电解质里的O离子的移动方向是 。
      (2)人们追求燃料电池氧化汽油而不在内燃机里燃烧汽油产生动力的主要原因是: 。
      (3)汽油燃料电池最大的障碍是氧化反应不完全产生 堵塞电极的气体通道,有人估计,完全避免这种副反应至少还需10年时间,正是新一代化学家的历史使命。
      试题点评:由于ZrO晶体中部分+4价Zr被+3价Y替换,根据电荷守恒,O离子将产生缺位,在电场的作用下,O离子会通过空位而移动,从而导致了晶体的导电性。
      由于晶体的导电是O离子的定向移动造成的,因此该电池的正极反应为:13O+52e=26O,负极反应为:2CH+26O-52e=8CO+10HO。电池正极产生O,负极消耗O离子,故电解质里的O离子应向负极移动。
      由于汽油在内燃机里燃烧时能量利用率低,利用率只有10%左右,而当设计成燃料电池后,能量的利用率大致在30%左右,可大大提高汽油氧化时的能量利用率。但由于汽油不完全燃烧将产生碳,能堵塞电极的气体通道,这是汽油燃料电池的最大障碍。
      2.掺杂制半导体材料
      杂质对于晶体,特别是半导体材料电学性质的影响是十分显著的。如10亿个正常粒子中有6个杂质粒子存在就足以使半导体的电学性质发生显著的变化。因此,许多半导体原料(如硅、锗等,本身由于自由移动的电子很少,几乎不导电)在制成器件前都要掺杂,控制掺杂元素的种类和浓度,即可得到不同类型的、电阻率氛围各异的半导体材料。例如:
      试题3:在锗(或硅)材料的一端掺入少量某主族元素的单质,就变为P型(缺电子型或空穴型)半导体,另一端掺入少量另一主族元素的单质,就变成N型(电子型)半导体。在P型和N型半导体的交界面就形成PN结,在外接电场的作用下,电子就会产生定向的移动。PN结是构成各种半导体器件(如二极管、三极管等)的基础。试回答下列问题:
      (1)P型半导体掺入的是 族元素的单质,N型半导体掺入的是 族元素的单质。
      (2)PN结具 的特性,这也是由其构成的半导体器件的主要工作机理。
      试题点评:锗(或硅)是ⅣA族元素的单质,当掺入ⅢA族元素的单质成键后,得到物质还缺少一个电子(成为8电子稳定结构),产生缺电子的空穴,即为P型半导体;当掺入ⅤA族元素的单质成键后,得到物质就多出一个电子,产生多电子的电子型半导体,即为N型半导体。

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