Elektronika va asbobsozlik

5-MA’RUZA.


Mavzu: Qattiq jismlardagi bog‘lanish kuchlari.


REJA:

1. 
   Molekular bog‘lanishli kristallar.
   
2. 
   Ion bog‘lanishli kristallar.
   
3. 
   Atom bog‘lanishli kristallar.
   
4. 
   Metall bog‘lanishli kristallar.
   
5. 
   Kristallanish.
   
6. 
   Polimorfizm xodisasi.
   

Tayanch so‘zlar va iboralar:

Dispersion kuch, orientatsion kuch, induksion kuch, yashirin issiqlik,poliformizm,kovalent yoki atom bog‘lanish, molekular bog‘lanishli kristallar, dipol

Kristall strukturadagi atomlarni bir-birlariga nisbatan ma’lum xolatda turishga majbur kiluvchi bog‘lanish kuchining xarakteriga qarab kristall qattiq jismlar quyidagi tiplarga bo‘linadi:

a) molekular bog‘lanishli kristallar;
b) ion bog‘lanishli kristallar;
v) atom (gomeopolyar) bog‘lanishli kristallar;
g) metall boshlanishli kristallar.
Kristall qattiq jismlarning bu gruppalardagi bog‘lanish kuchlarini aloxida-aloxida ko‘rib chiqaylik.
Molekular bog‘lanishli kristallar. Molekula atomlardan, atomlar esa o‘z navbatida musbat zaryadlangan elektronlardan tashkil topadi. Molekulalardagi musbat va manfiy zaryadlarning og‘irlik markazlari bir nuqtada bo‘lmasligi mumkin. Bu xolda molekulani ma’lum elektrik momentga ega bo‘lgan d i p o l deb qarash mumkin. Molekular dipollar bir-birlariga nisbatan joylashishlariga qarab o‘zaro tortishadi yoki itarishadi.
Molekulalarning o‘zaro tortishish kuchlari dispersion, orientatsion va induksion xarakterga ega bo‘ladi.
Misol tariqasida ikkita vodorod atomini ko‘raylik. Atomlar bir-birlaridan yetarlicha uzoq masofada turganda, xar bir atomdagi elektronning xarakati natijasida dipol miqdori va yo‘nalishi doim o‘zgarib turadi. Natijada ikkala atom yakinlashtirilganda ular orasida itarilish yoki tortishish kuchi hosil bo‘ladi. Ikkala atom orasida xamma vakt tortishish kuchi hosil bo‘lishi uchun atomlardagi elektronlar o‘zaro «kelishgan» xolda xarakat qilishi kerak, ya’ni ular shunday aylanishi kerakki, hosil bo‘lgan dipollar xamma vakt bir-birlariga tortishishsin. Elektronlarning bunday kelishib aylanishi natijasida hosil bo‘ladigan uzaro tortishish kuchini dispersion kuch deyiladi. Dispersion kuch kvant xarakteriga ega va kvant ossillyatorining nol energiyasi E_o = hν₀ mavjudligiga bog‘lik bo‘ladi.
Molekulalar doimiy dipol momentiga ega bo‘lsa, ular elektrostatik kuchta’siri ostida tartibli joylashishga xarakat qiladi. Chunki shu xolatda molekulalar minimal potensial energiyaga ega bo‘ladi. Bunday xollarda molekulalar orasida hosil bo‘lgan kuch o r i ye n t a s i o n k u ch deyiladi.
Agar molekulalar yuqori qutblanish xususiyatiga ega bo‘lsa, ular induksiya natijasida kutblandi. Bunda molekulalar bir-birlariga yakinlashganda ular orasida o‘zaro tortishish kuchi hosil bo‘ladi. Bunday o‘zaro ta’sirga i n d u k s i o n kuch deyiladi. Dispersion, orientatsion va induksion o‘zaro ta’sir kuchlari masofaning yettinchi darajasiga teskari proporsional bo‘ladi.
Neytral atom yoki molekulalar orasida hosil bo‘ladigan yuqorida aytilgan kuchlar odatda Van-der-Vaals kuchi deb yuritiladi. Van-del-Vaals kuchi ta’sirida hosil bo‘lgan bog‘lanishni molekular bog‘lanish, bunday bog‘lanish natijasida vujudga kelgan kristallarni m o l ye k u l ya r b o g l a n i sh l i k r i s t a l l a r deb yuritiladi.
Molekular bog‘lanishli kristallarda bir vaqtning o‘zida yuqorida aytilgan uchala kuchning xammasi mavjud bo‘lishi mumkin. Bu kuchlar kichik bo‘lganligi uchun molekular bog‘lanishli kristallarning strukturasi beqaror, erish temperaturasi past bo‘ladi. Bunday kristallar elektrik xossalari buyicha izolyator bo‘lib xisoblanadi. Molekular bog‘lanishli kristallarga Ar, Xe, CH₄, Cl₂ va boshqalar misol bo‘la oladi.
Ion bog‘lanishli kristallar. Metallar galoidlar bilan birikkanda o‘zlarining valent elektronlarini galoidlarga berish xususiyatiga ega. Galoidlar esa elektronlarni qabul qilib, atom tashqi elektron qobig‘ining inert gazlardagi kabi mustaxkam konfiguratsiya olishga intiladi. Natijada metallar musbat zaryadga ega bo‘lib, musbat ionga, galoidlar esa manfiy ionga aylanib qoladilar. Bu ionlar orasida elektrostatik kuch yuzaga keladi. Bu kuch ion bog‘lanishni vujudga keltirgani uchun ular mavjud bo‘lgan kristallar i o n b o g‘ l a n i sh l i kristallar deb yuritiladi.
Ion bog‘lanishli kristallarga tipik misol tarikasida NaCl ni kursatish mumkin. Na o‘zining bir dona valentli elektronini Cl ga berib, Na⁺ musbat ion xolatiga o‘tadi. Bir dona elektron olgan Cl manfiy Cl ioniga aylanadi. Bular orasidagi kulon kuchining ta’sirida ximiyaviy birikma NaCl hosil bo‘ladi. Bu kristall qirralari markazlashgan kubik kristall panjaraga ega. NaCl kristall panjarasini faqat Na ionlaridan tashkil topgan elementar yacheykadan Cl ionlaridan tashkil bo‘lgan elementar yacheykani masofaga siljitib joylashtirish yo‘li bilan olish mumkin.
Aralashmali yarim o‘tkazgichlarning xam ko‘pchiligi ion bog‘lanishga ega, masalan, oksidlar, sulfidlar va boshqalar ionli kristallardir. Bizga ma’lumki, neytral natriy va xlor atomlarining elektron qobig‘i strukturasi

Na → 1s²2s²2p⁶3s¹, (5.1)

Cl → 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵
xolatlarga ega. Osh tuzi kristalidagi bir karra ionlashgan natriy va xlor ionlarining energetik xolatlari kuyidagicha:

Na⁺ → 1s²2s²2p⁶

Cl^- → 1s²2s²2p²3s²3p⁶, (5.2)
ya’ni, elektronlar bilan band bo‘lgan xamma xolatlar to‘lgan bo‘ladi. Bu esa inert gazlar uchun xarakterli xoldir. Shu sababli ionli kristallarning elektr o‘tkazuvchanligi uy temperaturasida metallarga qaratilganda o‘rtacha 20 tartibga kamdir.
Atom (gomeopolyar) bog‘lanishli kristallar. Bir xil atomlar orasida mavjud bo‘lgan uzaro bog‘lanishni ion bog‘lanish deb aytish mumkin emas. Lekin ikkita bir xil atomni bir-biriga yakinlashtirsak, ulardagi valentli elektronlarning biridan ikkinchisiga o‘tish extimoli ortib boradi va ma’lum oralikda (r<2Ǻ) elektronlarning qaysi biri qaysi atomga tegishli ekanligini bilish butunlay mumkin bo‘lmay qoladi. Natijada valentli elektronlar ikkala atom uchun umumiy bo‘lib qolib, atomlar orasida bog‘lanish kuchi hosil bo‘ladi. Bunday bog‘lanishni Van-der-Vaals kuchi yordamida xam tushuntirish mumkin emas. Chunki olmossimon bog‘lanishga ega bo‘lgan elementlardagi bog‘lanish kuchlari Van-der-Vaals kuchiga qaraganda ancha kattadir. Valentli kristallardagi ixtiyoriy ikkita yakin turgan atom uchun yuqorida aytilganday 2 ta umumiy elektron bo‘lib, ikkala elektron xam ikkala atom atrofida tuxtovsiz xarakatda bo‘ladi. Atomlarning izolyatsiyalangan xolatida bu ikkita elektrondan bittasi bitta atomga, ikkinchisi atomga tegishlidir. Bir xil atomlardan hosil bo‘lgan kristallarning ixtieriy ikkita atomi uchun umumlashgan elektronlarning mavjudligi ikkala atom yadrosi orasidagi elektronlar bulutining zichligini yigindisiga qaraganda ortib ketishiga, tashkarisida esa, uning aksincha, kamayib ketishiga olib keladi. Yadrolar orasida elektronlar buluti zichligining ortishi sistema energiyasining kamayishiga olib keladi, bu esa uz navbatida atomlar orasida tortilish kuchini yuzaga keltiradi. Bunday bog‘lanish kuchi bir xil atomlar orasida valentli elektronlarning bevosita ishtiroki natijasida barpo bo‘lganligi sababli k o v a l ye n t yoki a t o m b o g‘ l a n i sh deb yuritiladi.
Gomeopolyar kristallar uchun tipik misol sof uglerod kristalining olmos modifikatsiyasi bo‘la oladi. Uglerod atomining to‘rtta valenti elektroni mavjud (2s²2p²). Atomlar bir-birlariga yakinlashganda xar bir atom uzining 2p² elektron xolatini 2p⁶ ga keltirishga intilib, o‘z atrofidagi 4 ta atom bilan bog‘lanishda bo‘ladi. Natijada atom atrofidagi to‘rtta atomning bittadan elektroni berilgan atom uchun umumiy bo‘lib, tashqi elektron xolatlari 2s²2p⁶ bo‘lib qoladi (olmosdagi xar bir atom 2s va 2r xolatlari 8 elektron bilan to‘ldirilgan mustaxkam elektron qobig‘iga ega bo‘ladi). Olmosning kristall strukturasi ancha murakkab bo‘lib, xajmi markazlashgan tetraedrdan iborat.
Metall bog‘lanishli kristallar. D.I. Mendeleevning elementlar davriy sistemasidagi xar bir davrning boshida turgan elementlarning kristallari, yuqorida kurilgan bog‘lanish kuchlaridan butunlay boshqacha bog‘lanish kuchi ta’sirida bo‘ladi. Masalan, mis (Cu) bir valentli metalldir. Agar atomli bog‘lanish bo‘lganda xar bir atom faqat yana bitta atom bilangina bog‘lanishi mumkin edi, lekin kristallda miss atomi o‘ziga yaqin bo‘lgan 12 ta atom bilan bog‘lanish kuchi ta’sirida bo‘ladi. Shuning uchun metallardagi atomlar aloxida bog‘lanish kuchiga – m ye t a l l b o g l a n i sh kuchiga ega.
Metal atomlarining tashqi valentli elektronlari yadro bilan juda bo‘sh bog‘langan. Atomlar o‘zaro yakinlashib kristall hosil qilganda valentli elektronlar o‘z atomini tashlab kristall bo‘ylab xarakat qilib ketadi. Natijada butun kristall bo‘ylab valentli elektronlar teng taksimlangan bo‘ladi. Valentli elektronlarning kristall bo‘ylab taksimlanishi ularning umumlashishiga olib keladi, ya’ni xar bir valentli elektron faqat o‘zining atomigagina tegishli bo‘lib qolmasdan, boshqa atomlarga xam tegishli bo‘lib umumlashib qoladi.
Metallardagi valentli elektronlar gazi musbat ionlar orasida xarakat qilgani uchun ularni tortadi. Ionlar esa bir xil ishorali bo‘lganligi uchun bir-birlarini itaradi. Elektronlarning ionlari tortish kuchi bilan musbat ionlarning o‘zaro itarilishi kuchi muvozanatlashganda turg‘un vaziyat vujudga kelib, kristall panjara hosil bo‘ladi. Shuning uchun metallar yuqori simmetrik kristall strukturasiga ega. Metallar, asosan, xajmi markazlashgan kubik (ishkorli metallar, titan va boshkalar), yoklari markazlashgan kubik (aluminiy, mis, kumush, oltin va boshqalar) va zich geksagonal (berilliy, magniy, kadmiy, rux va boshkalar) kristall strukturaga ega.
Metall bog‘lanish kovalent (gomeopolyar) bog‘lanishga o‘xshab ketadi. Bularning farqi shundan iboratki, kovalent bog‘lanishda xar bir valentli elektron faqat ikkita atom uchun umumlashib qoladi, metall bog‘lanishda esa xar bir valentli elektron deyarli xamma atomlar uchun umumlashib qoladi. Shu sabali metallar plastik xususiyatga egadir. Bundan tashqari metallar yuqori erish temperaturasiga, elektr o‘tkazuvchanlikka, katta sublimatsiya issiqligiga va yuqori mexanik mustaxkamlikka ega.

Kristallanish

Jismlarning faza almashinuvi natijasida kristall bo‘lmagan xolatda kristall xolatga o‘tish jaraeni kristallanish deyiladi.
Termodinamikadan ma’lumki, birinchi tur faza almashinuvi vaqtida albatta, issiqlik yutiladi yoki issiqlik chiqariladi. Bunday issiqlikni odatda ya sh i r i n i s s i q l i k deyiladi. Kristall xolatda jismlar uta sovigan bug‘ yoki suyuqlik xolatidan, berilgan moddaning boshqa moddadagi eritmasidan o‘tishi mumkin. Bu aytilgan xolatlarda jismlar kristall xolatga o‘tganda ma’lum mikdorda o‘zining erkin energiyasi issiqlik sifatida tashqariga chiqaradi, ya’ni kristallanish vaktida issiqlik ajralib chiqadi.
Bunday protsesslarni terminodinamikada termodinamik funksiyalar yerdamida tekshiriladi. Agar eritmadagi biror molekulani kristall molekulasiga aylantirishdagi bajarilgan ishni boshqa o‘zgaruvchilarni o‘zgarmas deb qarab, μ = _{T, V} bilan belgilasak, bu sarf qilingan energiya miqdori ximiyaviy potensialni ko‘rsatadi, bunda F – erkin energiya.
Ximiyaviy potensial temperaturaga va bosimga bog‘liq bo‘ladi. Ikkita sistema (eritma va kristall) munozanatda bo‘lishi uchun ularning ximiyaviy potensiallari teng bo‘shili kerak, aks xolda birining miqdori ko‘payib, ikkinchisiniki kamaya boradi. Eritmaning ximiyaviy potensialini μ_E, kristallning ximiyaviy potensialini μ_K bilan belgilasak, muvozanat vaqtida μ_E= μ_K bo‘ladi. Agar μ_E- μ_K>0 bo‘lsa, kristallanish yuz berib μ_E- μ_K<0 da erish protsessii kuzatiladi.
Yarim o‘tkazgichli materiallar sifatida sun’iy yo‘l bilan olinadigan monokristallar ishlatiladi. Yarim o‘tkazgich monokristall olishda quyidagi talablar qo‘yiladi: a) undagi aralashmalarning miqdori juda kam bo‘lishi; b) u qat’iy monokristall holida bo‘lishi kerak. Bunday talablarning qo‘yilishiga sabab, yarim o‘tkazgichlardagi aralashmalar ularning elektr xususiyatlariga juda kuchli ta’sir ko‘rsatadi. Kremniy elementining million atomiga bir dona aralashma atomi to‘g‘ri kelsa, uning elektr o‘tkazuvchanligi 10⁵ marta ortib ketishi mumkin.
Yuqorida qo‘yilgan talablar javob bera oladigan yarim o‘tkazgich – monokristallarni olishda Choxralskiy usulidan foydalaniladi. Berilgan material kvars yoki grafit tigelda eritiladi. Eritma temperaturasi orttirilsa, ba’zida aralashmalar va gazlar chiqib ketadi. So‘ngra eritmaning temperaturasini erish temperaturasidan sal yuqoriroq bo‘lgan qiymatga tushuriladi va unga yerdamchi mexanizmga maxkamlangan boshlang‘ich kristall tushuriladi. Boshlangich kristall bilan eritma orasida ma’lum darajada bog‘lanish hosil bo‘lgandan keyin yordamchi mexanizm asta-sekin yuqoriga ko‘tariladi. Bunda eritma xam u bilan qo‘shilib ko‘tarila boradi. Yuqorida ko‘tarila borgan sari temperatura erish temperaturasidan past bo‘lganligi sababli eritma kristallana boradi. Natijada monokristall hosil bo‘ladi.
Yarim o‘tkazgich monokristallarni faqatgina ximiyaviy yo‘l bilan ortiqcha aralashmalardan holi etib bo‘lmaydi. Toza yarim o‘tkazgich monokristallar olish uchun metallurgiyada zonalab qayta-qayta kristallash (zonalab eritish) usulidan foydalaniladi.
Tozalaniladigan kristall grafit qayiqchaga solinib vakuumga joylashtiriladi. So‘ngra yuqori chastotali tok yerdamida ozgina qismi (zona) eritiladi. Agar grafit qayiqchani yoki yuqori chastotali tok o‘taetgan nixromdan qilingan simni sekin jildira borsak, kristallning erigan qismi xam bir uchidan ikkinchi uchiga qarab siljib boradi. Juda ko‘p aralashmalarning eruvchanligi suyuq fazada qattiq fazadagiga qaraganda ko‘prok bo‘ladi. Shuning uchun aralashmalar kristallning erigan qismi bilan birga uning bir uchidan ikkinchi uchiga o‘tib qoladi. Shunday qilib, kristallning ilgari erigan qismi qeyingi qismidan ancha toza bo‘lib qoladi.
Polimorfizm xodisasi
Qattiq jismlarning ko‘pchiligi yagona kristall strukturadagina ega bo‘lmasdan, xar xil temperatura va bosimda turgun bo‘la oladigan ikki va undan ko‘p kristall strukturaga ega bo‘ladi. Tabiatda qattiq jismlarda uchraydigan bunday xodisani p o l i m o r f i z m deb yuritiladi. Qattiq jismlar bunday xodisa natijasida bir modifikatsiya xolatidan ikkinchi modifikatsiya xolatiga utganda issiqlik yutishi yoki issiqlik chiqarishi mumkin. Shuning uchun, bunday faza almashinuvi 1-tur faza almashinuvi bo‘lib xisoblanadi.
Polimorf modifikatsiya, odatda grek xarflari bilan belgilanadi. Qattiq jismlarning past temperaturalardagi modifikatsiyasini α xarfi bilan belgilanadi. Undan yuqorirok temperaturadagi modifikatsiyasini β, yana yuqori temperaturadagi modifikatsiyalarini esa γ, σ va x.k. xarflar bilan belgilanadi. Polimorfizmga misol qilib qalayni olsak bo‘ladi. Kalay 13,3ºS dan past temperaturalarda α modifikatsiyaga ega, shuning uchun α-S_n deb yuritiladi, 13,3ºS dan yuqori temperaturada β-S_n modifikatsiyaga qtadi.
Qattiq jismlar bir modifikatsiyadan ikkinchi modifikatsiyaga o‘tganda ularning solishtirma xajmi xam uzgaradi. Chunki buning natijasida ularning kristallik panjarasi o‘zgaradi. Kalay β-S_n dan α-S_n ga o‘tganda xajmi deyarli ¼ kismga ortadi. Polimorfizm juda kup ximiyaviy elementlarda: temir, nikel, kobalt, volfram, titan, bor, uglerod va boshqalarda uchraydi. Nazariy jixatdan barcha qattiq jismlar xam polimorfizmga ega bulishi kerak. Lekin ba’zi qattiq jismlarda erish va sublimatsiya protsessii polimorfizm xodisasini chegaralab kuyadi. Qattiq jismlardagi polimorfizm xodisasi bog‘lanish kuchini xarakteri va intensivligining temperaturaga karab uzgarishi bilan bog‘liqdir. Temperatura kamayishi bilan qattiq jismlardagi bog‘lanish mustaxkamlana boradi. Absolyut nol temperaturada bog‘lanish berilgan atomlar sistemasi uchun eng mustaxkam bo‘ladi.
Qattiq jismlar temperatura va bosim kamayishi bilan bir modifikatsiyadan ikkinchi modifikatsiyasiga o‘tmasdan, oldingi modifikatsiyada uzoq turishi xam mumkin. bunga olmos misol bo‘la oladi. Olmos r≈ ≈ 100 000 atm va T=2000ºS da hosil bo‘lib, turgun bo‘ladi. Lekin uni sovitilganda xam modifikatsiyasi o‘zgarmay qoladi. Aslida uy temperaturasida uglerodning grafit modifikatsiyasi turgundir.
Polimorfizm xodisasi amaliy axamiyatga ega. Bu xodisada texnikada xar xil pulat va qatishmalar olishda, ularni qayta ishlashda foydalaniladi.

Adabiyotlar:

1)K.P.Bogorodiskiy, V.V.Pasinkov, “Elektrotexnicheskiy materiali”1985g

2)I.Xolikulov,M.M.Nishonova”Elektron texnika materiallari“ Toshkent sharq 2006y
3)N.V.Nikulin, V.A.Nazarov ”Radiomateriallar va komponentlar “ Toshkent