Chapter 11: Liquids, Solids, and Intermolecular Forces

Back to chapter

11.18:

Bandtheorie

JoVE Core
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Chemistry

Band Theory

Previous Video
11.17: Metallic Solids

Next Video
11.19: Network Covalent Solids

Languages

Share

English العربية 中文 Nederlands français Deutsch עברית italiano 日本語 한국어 português русский español Türkçe

Bandtheorie is vergelijkbaar met moleculaire orbitaaltheorie en biedt een model voor elektronisch gedrag in vaste stoffen. Bedenk dat wanneer twee of meer atomen samenkomen om een molecuul te worden, hun atomaire orbitalen elkaar overlappen om moleculaire orbitalen met discrete energieniveaus te vormen. Naarmate het aantal atomen in het molecuul toeneemt, neemt ook het aantal moleculaire orbitalen toe.Vaste stoffen hebben doorgaans een buitengewoon groot aantal atomen, dus de gehele vaste stof zou worden weergegeven met een buitengewoon groot aantal dicht bij elkaar geplaatste moleculaire orbitalen. Dientengevolge zullen groepen van de moleculaire orbitalen zo dicht bij elkaar staan dat ze kunnen worden gezien als continue bereiken, of banden, van energie die elektronen kunnen innemen. Net als moleculaire orbitalen worden deze banden gescheiden door energetische kloven.Als de kloven te groot zijn, kunnen elektronen ze niet passeren. In geleiders zoals koper bevinden de valentie-elektronen zich in een band die ook veel lege orbitalen heeft. De valentie-elektronen kunnen gemakkelijk tussen orbitalen bewegen, waardoor elektronen vrij door de vaste stof kunnen stromen.Deze mobiele elektronen zijn verantwoordelijk voor de goede elektrische geleidbaarheid van de vaste stof. Modellen van halfgeleiders en isolatoren beschouwen twee banden:de valentieband, de band met de hoogste energie die elektronen in de grondtoestand bevat, en de geleidingsband, de band net boven de valentieband. De valentieband heeft weinig tot geen lege orbitalen, waardoor het vermogen van valentie-elektronen om door de vaste stof te bewegen wordt beperkt als ze de lege orbitalen van de geleidingsband niet kunnen bereiken.Dit is het gedrag dat wordt waargenomen bij isolatoren zoals glas, die een grote energiekloof of bandafstand hebben tussen de valentie-en geleidingsbanden. Isolatoren vertonen daarom een slechte elektrische geleidbaarheid. Als de bandafstand klein is, kunnen valentie-elektronen worden geëxciteerd naar de geleidingsband en vrij bewegen tussen de lege orbitalen daar.De lege orbitalen die de opgewonden elektronen achterlaten, maken het ook gemakkelijker voor elektronen om binnen de valentieband te bewegen. Dit is het gedrag dat wordt waargenomen in halfgeleiders zoals silicium, die minder geleidend zijn dan metalen, maar geleidender zijn dan isolatoren.

11.18:

Bandtheorie

When two or more atoms come together to form a molecule, their atomic orbitals combine and molecular orbitals of distinct energies result. In a solid, there are a large number of atoms, and therefore a large number of atomic orbitals that may be combined into molecular orbitals. These groups of molecular orbitals are so closely placed together to form continuous regions of energies, known as the bands.

The energy difference between these bands is known as the band gap.

Conductor, Semiconductor, and Insulators

In order to conduct electricity, valence electrons must cross orbitals of different energies to move throughout the solid. This is determined by the band gap. The valence electrons in conductors occupy a band that has many empty orbitals. Thus, only a small amount of energy is required to move the electrons to these empty orbitals. This small energy difference is “easy” to overcome, so they are good conductors of electricity. Semiconductors and insulators observe two types of bands – a valence band, with few to no empty orbitals, and a conduction band, with empty orbitals. The energy difference or the band gap between the valence band and the conduction band decides the ease with which the electrons can move. In insulators, the band gap is so “large” that very few electrons can reach the empty orbitals of the conduction band; as a result, insulators are poor conductors of electricity. Semiconductors, on the other hand, have comparatively small band gaps. As a result, they can conduct electricity when “moderate” amounts of energy are provided to move electrons out of the filled orbitals of the valence band and into the empty orbitals of the conduction band. Thus, semiconductors are better than insulators but not as efficient as conductors in terms of electrical conductivity.

This text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 8.4 Molecular Orbital Theory.