Водородное соединение азота аммиак — вещество молекулярного строения. Его структурная формула
. В молекуле аммиака, как указано в , имеются три одинарные ковалентные полярные связи, образованные по обменному механизму. Электронная плотность смещена к атому азота, у которого имеется неподелённая пара . Поэтому молекула аммиака полярна и имеет конфигурацию тригональной пирамиды ().
Взаимное отталкивание атомов водорода приводит к увеличению валентного угла между направлениями ковалентных связей от 90° до 107°.
Строение молекулы аммиака. Форма пирамиды в молекуле аммиака и валентный угол 107° при её вершине объясняются образованием связей между гибридными орбиталями атома азота и атома водорода.
Согласно концепции гибридизации, в образовании ковалентных связей участвуют не исходные валентные три внешнего электронного уровня атома азота, а три из четырёх орбиталей, схема образования которых показана на рисунке 89.1(а–г).
Неподелённая электронная пара четвёртой гибридной орбитали обладает незначительной отталкивающей силой, что объясняет уменьшение валентного угла со 109,5° до 107. Расположение трёх ковалентных полярных связей под углом приводит к асимметричному распределению электронной плотности, то есть к полярности молекулы:
Физические свойства. Аммиак — бесцветный газ () с характерным резким запахом (запах нашатырного спирта). Он хорошо растворяется в воде: при в одном объёме воды растворяется около 700 объёмов аммиака (сравним: О2 — 0,03, SO2 — 40, НСl — 400 объёмов). Температура кипения аммиака довольно высокая и составляет . При небольшом давлении этот газ легко сжижается. Температура плавления — –7, ниже её аммиак существует в виде бесцветных кристаллов. Высокая температура кипения и растворимость в воде обусловлены наличием значительного межмолекулярного взаимодействия, то есть образованием водородных связей как между самими молекулами аммиака (в твёрдом и жидком состояниях), так и между молекулами воды и аммиака (в водном растворе) ().
Получение аммиака. Аммиак является одним из ключевых продуктов химической промышленности. Его мировое производство растёт вместе с глобальным спросом на удобрения и в настоящее время превышает тонн в год. В Республике Беларусь его производит ОАО «Гродно Азот» — более тонн в год.
В промышленности аммиак синтезируют из азота и водорода. Реакция экзотермическая и обратимая, катализатором служит железо, оптимальная температура синтеза — , давление — :
Для получения аммиака в лаборатории нагревают смесь двух твёрдых веществ — хлорида аммония NH4Cl и гидроксида кальция Са(ОН)2 ():
Химические свойства. Для аммиака характерны реакции, протекающие как без изменения степени окисления азота, так и окислительно-восстановительные. В первом случае основную роль играет неподелённая электронная пара атома азота. За счёт её образуются новые ковалентные связи по донорно-акцепторному механизму. С другой стороны, наличие атома азота в низшей степени окисления обусловливает реакции только с повышением степени окисления. Это означает, что аммиак проявляет свойства восстановителя.
I. Реакции без изменения степени окисления протекают, если аммиак взаимодействует с водой и кислотами. При этом аммиак проявляет основные свойства.
Растворение аммиака в воде приводит к образованию гидрата аммиака NH3 · H2O — слабого основания ().
Взаимодействие аммиака с кислотами:
II. Реакции с изменением степени окисления атома азота. Это реакции аммиака как восстановителя. Восстановительные свойства аммиак проявляет в реакциях с кислородом. Состав продуктов зависит от условий проведения реакции. В чистом кислороде и на воздухе он сгорает при нагревании (в смесях — взрывается) с образованием азота и воды, а в присутствии катализаторов (платины, оксидов железа(III) и хрома(III)) образуются оксид азота(II) и вода:
Реакция каталитического окисления аммиака важна как этап его переработки в азотную кислоту.
Реакции аммиака с кислотами позволяют получить разнообразные соли аммония.
Соли аммония представляют собой твёрдые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. Их растворы являются сильными электролитами, диссоциирующими с образованием катиона аммония и аниона кислотного остатка:
Важнейшей особенностью солей аммония является взаимодействие со щелочами с выделением аммиака:
Взаимодействие солей аммония со щелочами при нагревании используют для обнаружения ионов аммония (качественная реакция на ион
Второй особенностью солей аммония является их термическая неустойчивость. Разложение каждой из солей аммония специфично. Так, широко используемые в качестве разрыхлителей для теста карбонат и гидрокарбонат аммония (пищевая добавка Е503) разлагаются уже при небольшом нагревании с образованием аммиака, углекислого газа и воды:
NH3 + СО2 + Н2О.
Хлорид аммония разлагается на аммиак и хлороводород:
NH3 + HCl.
Применение аммиака и солей аммония. Основная часть производимого аммиака идёт на производство удобрений (аммиачная селитра NH4NO3, сульфат аммония (NH4)2SO4, мочевина (NH2)2СO и др.) и азотной кислоты. Аммиак востребован в производстве соды, красителей, полимеров. Его используют в животноводстве для повышения содержания азота в кормах. Аммиачную воду ( водный раствор) применяют как жидкое удобрение. Нашатырный спирт (водный раствор аммиака с массовой долей ) используют в медицине. В быту нашатырный спирт применяют для выведения пятен с одежды, при чистке посуды, сантехники, ювелирных украшений, для мытья стёкол и хрусталя.
Не следует путать нашатырный спирт (NH3 ∙ H2O) с нашатырём — солью и минералом состава NH4Cl.
Нашатырь применяют в качестве удобрения на нейтральных и щелочных почвах, используют как флюс для удаления оксидной плёнки при пайке металлов, в гальванических элементах как компонент электролита (), карбонат и гидрокарбонат аммония используют в качестве разрыхлителей для теста при выпечке.
Аммиак NH3 проявляет свойства восстановителя в реакциях с кислородом и другими окислителями. Водный раствор аммиака является слабым основанием.
Аммиак получают в промышленности синтезом из водорода и азота, в лаборатории — из хлорида аммония и гашёной извести.
Важнейшие области применения аммиака — производство удобрений и азотной кислоты.
Соли аммония обнаруживают по выделению аммиака при нагревании их со щёлочью.
Вопросы, задания, задачи
1. Из приведённого ряда выпишите формулы:
2. Укажите агрегатное состояние аммиака при давлении в следующих температурных интервалах:
3. Определите относительную плотность аммиака по водороду и воздуху. По отношению к какому из указанных газов аммиак легче?
4. Нарисуйте схемы образования водородных связей:
Почему аммиак нельзя собирать методом вытеснения воды?
5. Перечислите условия синтеза аммиака в промышленности. Запишите уравнение этой реакции. Почему синтез ведут при высоком давлении?
6. Рассчитайте объём () аммиака, выделившегося в реакции хлорида аммония массой с достаточным количеством гидроксида кальция.
7. Определите химическую формулу соединения, в котором массовые доли азота, водорода, серы и кислорода соответственно равны , , , .
8. Составьте уравнения реакций согласно схеме:
9. В четыре пробирки с растворами солей добавили раствор гидроксида натрия.
В первой пробирке выпал белый осадок, в третьей — голубой. Во второй и четвёртой видимых изменений не наблюдали, поэтому их подогрели и к отверстиям поднесли влажную фенолфталеиновую бумагу. При этом бумага стала малиновой над четвёртой пробиркой. Назовите содержимое каждой пробирки, если для определения были предложены соли:
Напишите уравнения соответствующих реакций.
10. Молярная масса газовой смеси, состоящей из аммиака и водорода, равна 14 г/моль. Определите объёмную долю аммиака в смеси.
1. Для аммиака справедливы утверждения:
2. Азот проявляет степень окисления в соединениях:
3. Аммиак образуется в реакциях, схемы которых:
4. Уравнение качественной реакции на ион аммония:
5. Как основание аммиак реагирует с:
Строение молекулы аммиака и иона аммония. Донорно-акцепторная связь
Формула аммиака — NH3. Рассмотрим, как образуются ковалентные связи в молекуле аммиака. На внешнем электронном слое атома азота имеется три неспаренных электрона:
В атоме водорода — один неспаренный электрон:
Тогда схему образования ковалентных связей в молекуле аммиака можно представить следующим образом:
Из схемы видно, что три неспаренных электрона атома азота участвуют в образовании трёх ковалентных связей N—H. В то же время на внешнем слое атома азота остаётся электронная пара. Такая электронная пара называется неподелённой электронной парой. Структурная формула аммиака:
Благодаря наличию неподелённой электронной пары атом азота молекулы аммиака может образовать ещё одну ковалентную связь. Например, молекула аммиака способна присоединять катион водорода H+, образуя ион аммония:
Из рисунка 45.2 видно, что все четыре ковалентные связи N—H в ионе аммония одинаковы. Они образованы посредством общих электронных пар между атомами азота и водорода. Однако механизм образования этих связей различается. Три связи N—H образуются за счёт неспаренных электронов атомов азота и водорода (рис. 45.1). Такой способ образования ковалентной связи называется обменным. Четвёртая связь N—H в ионе аммония образуется за счёт неподелённой электронной пары атома азота и свободной орбитали катиона H+ (рис. 45.2). Такой способ образования ковалентной связи называется донорно-акцепторным. При этом атом азота, предоставляющий электронную пару, называется донором, а катион водорода, принимающий электронную пару на свою свободную орбиталь, — акцептором.
Вещества, способные присоединять катион водорода H+, являются основаниями. Следовательно, аммиак — основание. Оснóвные свойства аммиака проявляются в реакциях с кислотами. В этих реакциях образуются соли аммония:
Видно, что в реакции с HCl молекула NH3 присоединяет катион H+ и превращается в ион аммония NH4+. В ионе аммония атом азота образует четыре ковалентные связи N—H, поэтому валентность азота равна IV. В хлориде аммония кроме ковалентных связей N—H имеется ионная связь между катионом NH+ и анионом Cl–.
Аммиак проявляет оснóвные свойства не только при взаимодействии с кислотами, но и с водой. Так, при растворении аммиака в воде протекает обратимая реакция:
Видно, что при взаимодействии с водой молекула аммиака присоединяет катион водорода. При этом образуются ион аммония NH+ и гидроксид-ион OH–. Наличие ионов OH– обусловливает щелочную реакцию водных растворов аммиака.
Перейдём к рассмотрению строения органических азотсодержащих веществ — аминов.
Кристаллической решеткой алмаза ученые заинтересовались давно. Благодаря ее характеристикам, камень имеет особые свойства и ценность. Существуют аллотропные модификации, используемые в промышленности, электронике, медицине, космонавтике, авиации. В настоящее время развивается отрасль по созданию искусственных алмазов, но она требует больших затрат.
Строение кристалла и способ образования
Камень алмаз – кубическая аллотропная форма углерода, шестого элемента таблицы Менделеева. Образуется после сверхбыстрого охлаждения под действием сильного давления. Добывается в кимберлитовых трубках – вертикальных образованиях, возникших при прорыве магмы сквозь кору земли.
Под фразой «кристаллическая решетка алмаза» понимают пространственное расположение и соединения атомов углерода, обусловливающие твердость минерала.
По сути алмаз – это модификация углерода.
К какому типу относится кристаллическая решетка алмаза
Минерал имеет атомную кристаллическую решетку, т. е. в узлах расположены атомы углероды.
Особенности строения кристаллической решетки алмаза обусловливают его прочность, т. к. каждый атом находится в центре тетраэдра (треугольная или трехгранная пирамида) и связан ковалентными связями. При этом каждый атом плотно связан с четырьмя соседними атомами.
Минерал плохо или практически совсем не проводит электрический ток (диэлектрик). Это связано с тем, что между атомами одинаковое расстояние и нет свободных электронов.
Для алмаза характерна кубическая сингония, т. е. элементарная ячейка представлена в форме куба.
Строение кристаллической решетки алмаза:
Атомы, расположенные в центре граней – общие для двух ячеек. Атомы, расположенные на вершинах – общие для восьми ячеек. Между собой они соединены наиболее прочным подвидом ковалентной связи – сигма-связью.
Всего химики выделяют 4 типа связи атомов между собой:
Последний тип связи, формирующий кристаллическую решетку у алмаза, считается самым прочным.
Не все алмазы состоят исключительно из углерода. Иногда в составе встречаются посторонние примеси (кальций, алюминий, бор, магний, кремний, гранит, газы). Если примеси расположены поверхностно, то их можно удалить при огранке. Если же внутри камня, то такие алмазы не представляют ювелирной ценности и используются в промышленности.
Физические и химические свойства
Химическая формула минерала – C. Кристалл хорошо проводит тепло, но не проводит (или слабо проводит) электрический ток. Имеет хорошие преломляющие и отражающие свойства.
Плавится при температуре свыше 3700 градусов. Горит в сочетании с кислородом при температуре более 721 градуса. Устойчив к кислотам и щелочам.
Некоторые другие химические элементы имеют схожую с алмазом структуру, но несколько отличную молекулярную кристаллическую решетку. Различие – в расположении атомов.
У алмаза атомы углерода располагаются близко друг другу. А у других элементов с большей атомной массой – расстояние между атомами больше, что снижает их прочность.
Из аллотропных модификаций известны:
Аллотропные модификации способны к трансформации: под действием температуры 1800 градусов они преобразуются в графит.
Способы применения вещества
Обработанные и ограненные камни высокого качества – бриллианты с идеальной кристаллической решеткой и составом (без примесей и дефектов) – используют для производства ювелирных украшений. Это наиболее прибыльная сфера применения минерала.
Дефектные камни идут на другие нужды:
Получение искусственных минералов
В настоящее время разработаны методики получения алмаза из графита.
По HPHT методу, формирование искусственного камня достигается воздействием 3000-градусной температуры при давлении более 1000 Па и добавлением металлов. Это приводит к изменению ковалентных связей в кристаллической решетке и образованию пористых мутных камней.
Получить небольшие, но геометрически идеальные и прозрачные самоцветы, можно с помощью применения ударной волны (метод взрывного синтеза).
Но считается, что лучший способ получения искусственных самоцветов – это выращивание при температуре 1500 градусов. Но это затратный метод, как и создание алмазов с помощью ультразвука. Поэтому принято получать камни из паров метана. Метод основан на пленочном осаждении графита.
Технологии неуклонно развиваются, и возможно в скором будущем, ученые научатся синтезировать искусственные алмазы при минимальных затратах.
Может быть, вам известны еще какие-то особенности строения или получения алмазов? Поделитесь своими знаниями в комментариях. Делайте репост в соцсети.
Алмаз — камень, название которого с древнегреческого переводится «несокрушимый». Этот минерал действительно очень прочный. Используют алмазы в промышленных и декоративных целях, а некоторые наделяют их магическими свойствами.
Что такое алмаз
Это минерал, образованный при изменении пространственной структуры решетки углерода. То есть камень имеет органическое и минеральное происхождение одновременно. Кристаллы необработанного алмаза выглядят не так красиво, как бриллианты. Минерал шероховатый, не полностью прозрачный, часто имеет неправильную форму.
Не стоит путать минерал с бриллиантом. Бриллианты — это то, что получают после огранки алмаза. Подробнее о том, чем отличаются камни — читать тут.
У алмаза существует еще несколько названий — диамант, шамир, диамонд, карбонадо. Старорусским названием камня является адамант.
Минерал отличается чрезвычайной твердостью, но вместе с тем он хрупкий. Алмазы считают самыми красивыми драгоценными камнями, из-за этого они и самые дорогие. Это ценный материал для изготовления украшений, инструментов, различных деталей.
Разновидности и цветовая гамма
Различают природные алмазные кристаллы и синтетические. Первые образовались в земной коре под действием естественных процессов. Синтетические диаманты созданы человеком. Камни различают по цветовой гамме:
Цветные алмазы ценятся дороже обычных, так как встречаются реже.
Различают камни по весу:
По целям использования различают ювелирные и технические камни.
История и происхождение минерала
По предположениям ученых, возраст этого полезного ископаемого составляет от 100 млн до 2,5 млрд лет. Основная теория их происхождения — магматическая. На глубинах литосферы более 100 км под высоким давлением и действием большой температуры атомы углерода принимают форму кубов. Так образуется алмаз.
На поверхность земли природный алмаз выходит через вулканические трубки — кимберлитовые, лампроитовые. Также считают, что камень образуется в результате столкновения с землей крупных метеоритов.
В России первый алмаз был найден в Пермской губернии в 1829 г. Нашел его крепостной Павел Попов, мальчик четырнадцати лет. Он промывал золото на Крестовоздвиженском золотом прииске и в лотке обнаружил драгоценный камень.
Затем мальчик привел на это место экспедицию немецкого ученого Александра Гумбольдта. За 28 лет здесь был найден 141 камень общей массой 60 карат.
В 1897 г камень обнаружили возле сибирского городка Енисейска, тоже при промывании золотоносного песка. Размер его был очень маленький, поэтому финансы на дальнейшую разработку месторождения не выделили.
Алмазы встречаются редко, но распространены во всем мире, кроме Антарктиды. Ранее драгоценность добывали из рассыпных месторождений. В 19 веке были открыты кимберлитовые трубки, в которых изначально образуются алмазы.
Промышленный объем добычи алмазов связан именно с вулканическими трубками. Самые крупные месторождения такого типа расположены в Африке, Австралии, России, Канаде.
Самые первые алмазные месторождения находились в Индии. К концу 19 века они оказались почти полностью истощены. В 1727 году месторождения были обнаружены в Бразилии.
С 1867 года алмазы добывают в Южной Африке, найдены они были возле города Кимберли. Отсюда получил название тип месторождения — кимберлитовая трубка.
Крупнейшее месторождение здесь называлось «Большая дыра». К концу 19 века тут трудилось около 50 тысяч старателей, которые раскопали месторождение практически вручную.
За 43 года в «Большой дыре» было добыто почти три тонны алмазов, это 14,5 миллионов карат. Во время раскопок было вынуто 22 млн тонн грунта.
К 2006 году в мире нашли общей сложностью 176 млн карат алмазов. После этого уровень добычи пошел на спад, так как запасы алмазов быстро уменьшаются. Восполнение же их идет очень медленно, это практически невозобновляемый ресурс.
В 2015 году было добыто 127 млн карат минерала на сумму почти 14 млрд долларов. Лидерами по добыче драгоценности стали три страны:
70 % мировой добычи драгоценных камней контролируют три компании — АЛРОСА, De Beers, Rio Tinto.
Крупнейшие месторождения в Якутии обнаружили в 1950 году. Геолог Лариса Попугаева обнаружила первую кимберлитовую трубку за пределами Африки. Сейчас крупные месторождения есть в Красновишерском районе Пермского края, в Архангельской области.
Единственное в мире алмазное месторождение метаморфогенного типа, то есть не связанное с действием вулканов, находится в Казахстане.
Добыча алмазной руды изначально велась шлиховым опробованием — как золото. Песок разгребали лопатой и промывали водой в специальных лотках. Сейчас существует два способа добычи — шахтный и карьерный.
Смотрите интересное подробное видео о том, как добывают драгоценный минерал:
Обработка и огранка
Неограненный диамант не так красив, и ценится ниже, поэтому его обрабатывают — ограняют. Обработка драгоценности очень сложна, потому что тверже алмаза нет ни одного вещества. Для придания камню правильной формы применяют чугунные диски, покрытые алмазной пылью.
Существует три типа огранки:
Красота диаманта лучше всего раскрывается при круглой огранке. Работа над одним кристаллом занимает от 3-5 дней до нескольких месяцев. Это зависит от его размера. Без огранки оставляют кристаллы для технических целей.
Смотрите в видео как пилят и обрабатывают минерал:
Как отличить алмаз от подделки в домашних условиях
Определить подлинность алмаза можно с помощью нескольких приемов:
Достоверное определение подлинности проводят с помощью сложных химических реакций в специальных лабораториях. Наиболее похож на алмаз искусственно выращенный камень — фианит (см. отличия фианита от алмаза).
Свойства и применение алмазов
Камень относят к самородным элементам, то есть образовашимся в природе без участия человека. По классификации минералов алмаз является полиморфом углерода. Несмотря на высокую стоимость, минерал используется во многих отраслях промышленности:
Широкое применение минерала возможно благодаря особенностям его строения, физико-механическим свойствам. Около 15 % добываемых кристаллов идут на изготовление украшений. 45 % оставляют на хранение для последующей огранки. 40 % кристаллов используют в технических целях.
В химической формуле алмаза присутствует только один элемент — С, углерод. Иногда в его состав входят примеси — атомы бора, железа, азота. Молекулярная масса его составляет 12 единиц. Молекулярное строение минерала — кристаллическая решетка правильной формы.
Твердость алмаза по шкале Мооса — 10 единиц. Это самый твердый минерал из существующих на Земле. Большая твердость объясняется прочными связями между атомами углерода. В промышленности твердость определяется по Роквеллу, у диаманта она обозначается буквой А.
Плотность алмаза составляет 3,5 грамма на кубический сантиметр. Эта цифра соответствует удельному весу минерала. При равном объеме алмаз весит в 3,5 раза больше воды.
Несмотря на свою твердость, алмаз — хрупкий камень. Поэтому разбить алмаз можно, если сильно ударить по нему молотком. Камень не поддается действию кислоты, но чувствителен к щелочам.
Сингония — это характеристика кристаллической решетки минерала. У алмаза она кубическая, то есть все атомы в нем расположены в виде кубов. Кристаллическая структура определяет исключительную твердость минерала.
По оптическим свойствам алмаз относится к изотропным — его структура однородная, полностью прозрачная. Показатель преломления света 2,4, двойное преломление световых лучей отсутствует.
Зная эту цифру, можно вычислить значение скорости света в алмазе — нужно скорость разделить на показатель преломления. Получается 124 млн метров в секунду.
Существует несколько температур плавления минерала в зависимости от доступа воздуха, величины давления:
Интересное свойство драгоценного камня — люминисценция. Под солнечными лучами, а еще сильнее под ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, камень светится различными цветами.
Благодаря мощной энергетике диамант используют с лечебной целью. Он способен влиять на состояние внутренних органов:
Для лечения минерал прикладывают к поверхности кожи. Также можно опустить его в воду на сутки, а затем пить заряженную энергетикой жидкость.
Магическими свойствами драгоценный камень люди стали наделять сразу, как только познакомились с ним. Этому способствовала исходящая от минерала энергетика. Она настолько сильна, что способна влиять на ауру владельца. К особенностям магических свойств диаманта относят:
Алмазные талисманы помогают человеку найти свою любовь. Чтобы это свойство проявилось, нужно носить камень на левой руке. Амулеты из желтого минерала используют колдуны, эзотерики для проведения магических обрядов.
Диамант — главный зодиакальный камень. Его можно носить людям с любым знаком зодиака, но более всего он подходит Львам и Овнам.
Прослушайте интересную запись о магии алмаза:
Цена алмазов определяется несколькими показателями:
В среднем карат стоит 500-700 долларов. Стоимость его возрастает после обработки. Самый дорогой вид минерала — фиолетовый. Стоимость его доходит до миллиона долларов за один карат. Минерал считают самым дорогим камнем, но дороже алмаза могут быть рубины, сапфиры, изумруды — если они лучше по качеству.
В Амстердаме ювелирной компанией Coster Diamonds был создан Музей Алмазов. Он находится рядом с мастерской по огранке диамантов. Здесь собраны необычные вещи и произведения искусства, украшенные драгоценными камнями. Также посетителям предлагают посмотреть фильм о добыче и обработке диамантов.
Решетку
алмазного типа имеют важнейшие
элементарные полупроводники, принадлежащие
к IV
группе периодической системы элементов:
германий, кремний, а также серое олово.
В
результате пространственная решетка
формируется в форме, фрагмент которой
приведен на рис.8. В ней можно выделить
кубическую элементарную ячейку,
Другие проявления
анизотропных свойств полупроводников
типа алмаза обсуждаются ниже. Их основные
характеристики приведены в табл. 1.
со структурой типа
алмаза
Связь свойств кристаллов кремния со структурой его кристаллической решетки
В
кристаллографии существует закон, по
которому важнейшие по развитию и частоте
встречаемости грани кристалла совпадают
с плоскостями, наиболее густо покрытыми
атомами. Эти же грани проще всего
выявляются анизотропными травителями.
Этим же объясняется неодинаковая
твердость кристалла на разных гранях
и по разным направлениям. Количество
атомов, приходящихся на единицу
поверхности плоской сетки, называются
ее плотностью. Важнейшие грани кристалла
совпадают с плотнейшими плоскими
сетками.
Кроме
плотности сеток иногда учитывают также
интенсивность сил связи между атомами
в различных направлениях, приходящихся
на единицу площади сетки. Как правило,
выводы об анизотропных свойствах
кристалла, получающиеся при обоих
подходах, непротиворечивы.
Проанализируем
с этой точки зрения структуру кристалла
кремния, соответствующую структуре
алмаза. На рис.10 представлена элементарная
ячейка в виде куба, выделенная в КР
кремния. По существу она не отличается
от кубической ячейки, изображенной на
рис.9, но в ней опущены обозначения сязей
между атомами и она более удобна для
анализа плоских сеток в структуре КР.
Для наглядности тетраэдр, образованный
внутренними атомами ячейки, обозначен
пунктиром.
ис.9.
Модель кристаллической решетки
алмазоподобного типа
Одна
из граней куба совпадает с плоской
сеткой ABCD,
соответствующей плоскости (100); она
изображена на рис.11.
Плоская
сетка, соответствующая грани (110), на
рис.10, совпадает с прямоугольником AFGD.
Отдельно ячейка такой сетки изображена
на рис.12. Площадь прямоугольника,
соответствующего этой сетке, равна
а22.
На эту площадь целиком приходится два
атома, находящиеся внутри прямоугольника,
четыре четверти атомов, лежащих на
верхней и нижней сторонах прямоугольника.
Таким образом, на площадь а22
приходится всего 2+41/4+21/2=4
атома и плотность п
лоской
сетки (110) равна 4/ а22.
Плоская
сетка (111) на рис.10 соответствует
треугольнику EGD,
который выделен на рис.13. Его площадь
равна а23/2.
На эту площадь приходится всего два
атома: три половинки атомов, находящихся
на серединах сторон, и три шестых атомов,
расположенных по вершинам. Плоскость
(111) целиком покрыта этими треугольниками.
Таким образом, на площадь a23/2
приходится два атома: 31/2+31/6=2,
следовательно, плотность плоской сетки
(111) равна 2/( а23/2)
= 4/( а23).
Если
принять плотность плоской сетки (100) за
единицу, рассмотренные плотности сеток
(110), (111) и (100) будут сотноситься
приблизительно следующим образом:
Это самые плотные
сетки в кремнии, все остальные имеют
меньшие плотности.
о
помимо плотности сеток необходимо
учитывать их взаимное расположение и
энергию связи между атомами. На рис.14
изображены расстояния между соседними
взаимопараллельными плоскими сетками
(111), (110), (100).
Сетки
ориентированы перпендикулярно
относительно чертежа и их проекции
показаны прямыми линиями. Из рисунка
видно, что пространственное расположение
сеток не одинаково. Сетки (110) и (100)
расположены равномерно, но отличаются
межплоскостными расстояниями. Так, для
сеток (110) межплоскостные расстояния
составляют а2/2,
а для сеток (100) они равны а/4. Для сеток
(111) картина сложнее. Здесь наблюдается
чередование больших и малых межплоскостных
расстояний, т.е. сетки образуют тесно
сближенные пары, причем расстояния
между этими парами значительно больше,
чем между сетками в паре. Расстояние
между сближенными сетками в паре
составляет а2/12,
а расстояние между парами сеток равно
а3/4,
т.е. втрое больше. Две сближенные сетки
тесно связаны между собой и так близки
друг к другу, что практически их можно
рассматривать как одну утолщенную
плоскую сетку. Естественно, при этом
плотность такой эквивалентной сетки
удвоится и станет равной 8 а23.
Соотношение
плотностей сеток при этом изменится:
Если
исходить не из плотностей сеток, а из
числа наиболее интенсивных сил связи,
приходящихся на плоскость сетки, то
приведенное соотношение также имеет
место. Таким образом, плоскость (111) в
кристалле кремния следует считать
«наиболее прочной».
Такой вывод хорошо
согласуется с физическими данными.
Так,
монокристалл кремния наиболее легко
раскалывается по плоскостям, параллельным
(111). Причину этого наглядно иллюстрирует
рис.15, где показано расположение атомов
в сетках (111) (сами сетки перпендикулярны
плоскости чертежа и соответствуют
прямым линиям). На рисунке видны сближенные
пары сеток и чередующиеся большие и
малые межплоскостные расстояния. Видно
также, что для разделения далеко отстоящих
друг от друга сеток достаточно разорвать
одну валентную связь между атомами, в
то время как внутри «толстой» сетки
атомы объединены тремя валентными
связями и разделить две близко
р
асположенные
сетки значительно труднее.
Также
можно объяснить и неодинаковую твердость
кристалла на различных гранях и по
различным направлениям (применительно
к алмазам, имеющим ту же структуру, что
и кремний, преобладающая твердость на
плоскости (111) была известна ювелирам
уже давно).
Сильно
отличаются скорости травления кремниевых
структур в анизотропных травителях.
Здесь также, поскольку плотность сетки
плоскости (111) наибольшая, она упорнее
всего поддается травлению и скорость
травления в направлении нормальном к
(111) минимальна.