Chapter8化學的應用與發(fā)展課件

8-3先進材料重點1.半導體重點2.液晶重點3.導電塑膠重點4.奈米尺度與奈米科技半導體能帶理論：金屬、半導體與絕緣體的價帶與傳導帶間的能隙(energygap)大小不同。金屬間的能隙為零，絕緣體的能隙很大，半導體的能隙則介於上述兩者之間。半導體電子須由價帶躍遷至傳導帶才能導電。價帶與傳導帶間的能隙愈大的物質導電性愈差。故導電性由佳到差依序為金屬＞半導體＞絕緣體。能帶理論當多個金屬原子構成金屬晶體時，原子軌域會相互作用，形成新的分子軌域。電子重新依遞建原理，由低能階至高能階的順序填入分子軌域中，而形成能量帶，其中，填有電子的能量帶稱為價帶，未填有電子的能量帶稱為傳導帶。電子須由價帶躍遷至傳導帶才能導電。能帶理論以鋰金屬為例，獨立的鋰原子，其2s價軌域的能量均相同。當多個鋰原子相互靠近至原子軌域發(fā)生相互作用時，價軌域會產生分裂，形成新的分子軌域。當n個鋰原子形成金屬晶體時，其價分子軌域形成能量帶，而n個鋰原子所具有之n個價電子。能帶理論填充於分子軌域的情形。能帶理論金屬的價帶與傳導帶間的能隙很小，故低溫時，電子即能躍遷至傳導帶而導電。若加熱金屬，會增加電阻，而降低其導電性。半導體導電度介於導體與絕緣體之間的物質，稱為半導體。半導體的導電性會受熱、光、電、磁，或摻雜其他物質而有改變。升高半導體的溫度，可幫助電子的能量增加，由價帶躍遷至傳導帶而導電。故升高溫度可以增加半導體的導電度。4A族元素矽與鍺為半導體，於其中加入適量的3A或5A族元素，可以增加導電度。p型半導體主要組成：矽(Si)或鍺(Ge)。添加物：電子受體，如3A族的硼、鋁。原理：3A族元素比4A族

元素少1個價電子，故兩

者形成共價鍵時，會因缺

少1個電子而產生電洞。

電洞帶有正電，可增加

晶體的導電度。n型半導體主要組成：矽(Si)或鍺(Ge)。添加物：電子予體，如5A族的砷、磷。原理：5A族元素比4A族

元素多1個價電子，故兩

者形成共價鍵時，會多餘

1個價電子而產生自由電

子。自由電子帶負電，

可增加晶體導電度。p-n接面將p型半導體與n型半導體兩者相連接，所產生之接面稱為p-n接面。功能：整流、訊號放大。應用：發(fā)光二極體(LED)、太陽能電池。老師講解?1[能帶理論]請依價帶與傳導帶的能隙大小，由大至小排列下列各物質。①聚乙烯②矽③銅④p型半導體觀念提示：價帶與傳導帶的能隙愈大的物質，導電度愈差。老師講解?1解：①＞②＞④＞③聚乙烯為絕緣體，價帶與傳導帶的能隙最大；銅為金屬導體，價帶與傳導帶的能隙最??；矽與p型半導體皆為半導體，但p型半導體的導電度高於矽，故p型半導體的價帶與傳導帶的能隙小於矽的價帶與傳導帶的能隙。?價帶與傳導帶的能隙：①＞②＞④＞③學生練習?1下列何種物質的價帶與傳導帶之間的能隙最小？(A)鍺(B)硫(C)鈉(D)氯(E)添加硼的矽。解：(C)能隙：絕緣體（硫、氯）＞半導體（鍺、添加硼的矽）＞導體（鈉）老師講解?2[半導體性質]下列有關半導體的敘述，哪些正確？(A)半導體的導電性介於導體與絕緣體之間(B)大多數(shù)的半導體為有機物質(C)於半導體中加入電子受體，可製成n型半導體(D)升溫時，半導體的導電性增加(E)p型半導體是利用自由電子的移動來導電。觀念提示：於半導體中加入電子受體製成之p型半導體，可利用電洞的移動而導電；於半導體中加入電子予體製成之n型半導體，可利用電子的移動而導電。老師講解?2解：(A)(D)(B)現(xiàn)行使用的半導體多為無機物質。(C)於半導體中加入電子受體，可製成p型半導體。(E)p型半導體是利用電洞的移動而導電。學生練習?2於矽晶體中添加下列哪些物質，可製成p型半導體？(A)Ge

(B)As

(C)Al

(D)B

(E)P。解：(C)(D)於4A族元素其中加入3A元素（如：B、Al），可製成p型半導體。液晶介於固態(tài)與液態(tài)之間，兼具部分固體規(guī)則性與液體流動性的物質，稱為液態(tài)晶體，簡稱液晶。液晶分子的排列會受到溫度、電場、磁場等影響，其光學性質相當穩(wěn)定。液晶分子雖無固定的位置，但仍保有分子排列的規(guī)則性。加熱固相結晶態(tài)的液晶分子，結晶會熔化瓦解，先變成乳狀具黏稠性的液晶相，再變?yōu)樯y的液相。溫度的影響液晶分子會因電場的作

用，而趨向一致性的排

列。例如液晶顯示器

(LCD)就是利用電場控

制液晶分子的排列，而

改變光的明亮度。電場的影響液晶分子多為具有極性的有機分子，其常見的形狀有桿狀與盤狀兩種。液晶分子形狀常見液晶分子的排列有向列性、層列性與碟狀液晶三種。液晶分子的排列老師講解?3[液晶特性]下列有關液晶的敘述，哪些正確？

(A)大多數(shù)的液晶分子為有機物

(B)形狀可為桿狀或盤狀

(C)所有物質在適當?shù)臏貕簵l件下都可呈現(xiàn)液晶態(tài)(D)液晶分子排列的方向性固定，不會受到溫度或電

場等外在因素的影響

(E)需在高溫條件下才能保持液晶態(tài)。觀念提示：並非所有物質都具有液晶態(tài)。老師講解?3解：(A)(B)(C)並非所有物質都具有液晶態(tài)，大多數(shù)物質只有固、

液、氣三態(tài)。(D)液晶分子的排列會受溫度和電場的影響。(E)高溫並非液晶態(tài)的必要條件，所需溫度範圍須視液

晶分子的種類而定。學生練習?3下列有關液晶的敘述，哪些正確？(A)液晶分子不具有極性(B)液晶分子具流動性(C)液晶態(tài)的物質都具有黏稠性(D)液晶分子皆為長條狀分子(E)溫度愈高，液晶分子的排列愈散亂。解：(B)(C)(E)(A)液晶分子具有極性(D)液晶分子可為桿狀或盤狀老師講解?4[LED與LCD]下列有關LED與LCD的敘述，哪些正確？

(A)LCD為液晶顯示器的簡稱

(B)LED為發(fā)光二極體的簡稱

(C)LED可以通電而發(fā)光

(D)LED材料之主要組成元素為矽

(E)LCD材料之主要元素為碳。

觀念提示：LED為發(fā)光二極體的簡稱；LCD為液晶顯示器的簡稱。老師講解?4解：(A)(B)(C)(D)(E)(A)(B)LED為發(fā)光二極體的簡稱，LCD為液晶顯示器的

簡稱。(C)通電於LED，可放光。(D)LED為p-n接面二極體，主要材料為半導體，故主要

組成元素為矽。(E)LCD的主要材料為液晶態(tài)的有機分子，故主要組成

元素為碳。學生練習?4液晶顯示器(LCD)已經替代傳統(tǒng)的映像管電視機，成為市面上最主流的螢幕。試問，液晶顯示器是利用調整下列何種性質，以調整液晶分子的排列方向？(A)溫度(B)磁場(C)壓力(D)電場

(E)光照強度。解：(D)LCD是利用改變電場來調整液晶分子的排列方向。導電塑膠具有導電性的高分子物質，稱為導電塑膠。

導電塑膠的聚合主鏈為單鍵-雙鍵交替延續(xù)的結構，此種單鍵-雙鍵交替的鍵結，稱為共軛雙鍵。如1,3-丁二烯分子即

具有共軛鍵結。導電塑膠導電性佳、質輕、易製備、成本低、彈性佳。發(fā)光二極體(LED)、薄膜電池、感應器與電磁屏遮等電子材料上。聚乙炔由日本的化學家白川英樹與美國的化學家麥克笛米德、希格發(fā)現(xiàn)。三者也因此成就獲頒2000年諾貝爾化學獎。以過渡金屬觸媒催化乙炔氣體的聚合反應來製備，生成聚乙炔。聚乙炔結構聚乙炔分子中的碳原子皆為sp2

混成。相鄰的碳原子以sp2

軌域形成σ鍵，碳原子與氫原子間則各以sp2

與s軌域形成σ鍵。碳原子未參與混成的p軌域，會形成未定域化的π鍵。具有共軛鍵結。聚乙炔分子結構聚乙炔分子中π電子分布摻雜鹵素或鹼金屬使原本不帶電的聚乙炔主鏈因氧化或還原，產生帶電的自由基離子（或稱極子），而使非定域化的π電子移動產生電流，而具有導電性。鹵素：I2

作為氧化劑，可氧化聚乙炔鹼金屬：Na作為還原劑，可還原聚乙炔老師講解?5[導電塑膠]下列何種聚合物最可能經由摻雜碘的反應，而具有導電性？

(A)聚苯乙烯(B)聚丙炔(C)聚1,3-丁二烯

(D)聚乙烯(E)聚丙烯腈。

觀念提示：具導電性的高分子需具有單、雙鍵交錯的共軛鍵結。老師講解?5解：(B)各物質的結構如下：須具備單、雙鍵交錯之共軛鍵結的聚合物，才能藉由未定域化π電子移動而具導電性。(A)(B)(C)(D)(E)學生練習?5下列哪些物質常用來摻雜於聚乙炔中，以增加聚乙炔的導電度？

(A)I2

(B)Cu

(C)Na

(D)Mg

(E)Hg。解：(A)(C)可摻雜鹵素或鹼金屬以提升聚乙炔的導電度。老師講解?6[乙炔與導電塑膠]催化劑存在下，將乙炔分子聚合可得到聚乙炔高分子，經摻雜後，其導電度可媲美金屬。(1)此聚乙炔為加成聚合物或縮合聚合物？(2)寫出由電石（碳化鈣）製造乙炔的反應式。(3)畫出聚乙炔的結構式。（須將C與H標出）(4)在乙炔與聚乙炔中，碳原子各具有何種混成軌域？(5)乙炔的衍生物苯乙炔亦可形成具有導電性之聚苯

乙炔，寫出苯乙炔分子式?！局缚肌?/p>

觀念提示：聚乙炔是由乙炔分子經加成聚合而得，其碳原子為sp2混成。老師講解?6解：(1)加成聚合物；

(2)CaC2(s)＋2H2O(l)→Ca(OH)2(aq)＋C2H2(g)；

(3)；(4)sp軌域，sp2軌域；(5)C8H6(1)聚合過程中無小分子釋出，為加成聚合。(4)乙炔的碳原子為sp

混成，聚乙炔的碳原子為sp2混成。(5)苯乙炔的結構式為，分子式為C8H6。學生練習?6下列哪些族數(shù)的元素常用於聚乙炔的摻雜程序，以提高聚乙炔的導電度？

(A)1

(B)13

(C)15

(D)17

(E)18。解：(A)(D)鹼金屬（第1族）與鹵素（第17族）常用於聚乙炔的摻雜程序中。奈米尺度與奈米科技奈米(nm)為長度單位，1nm＝10－9m。適用表示原子或分子世界的尺度，如DNA雙股螺旋的間距約為1nm，原子的大小約為0.1nm到數(shù)奈米。蓮花效應水珠於蓮葉表面滾動時，會將葉面上的塵埃帶走，而使蓮花表面保持潔淨。此種蓮花表面的自我潔淨現(xiàn)象，稱為蓮花效應。蓮花葉面的奈米結構與水的接觸面很小，造成疏水作用，故水不會沾附或攤平於葉面上，而是形成水滴，可於葉面上滾動而去汙。彩蝶效應光線照射蝴蝶的翅膀時，會呈現(xiàn)出繽紛的色彩。蝴蝶翅膀表面的鱗片具有許多樹枝狀的奈米結構，當光線照射於其上時，種種光線穿透與反射的現(xiàn)象，構成了蝴蝶翅膀繽紛的色彩。自然界的奈米結構除了蓮花效應與彩蝶效應外，另有其他屬於自然界中的奈米結構之實例。水黽能漂浮於水面上。鴨子羽毛具有防水性。奈米微粒奈米微粒與塊材的性質差異甚大，諸如顏色、電性、磁性與化學活性等都有顯著改變。奈米粒子所含之表面原子的數(shù)目，遠多於同質量之塊材所含之表面原子的數(shù)目。又表面原子的能量與活性都高於位於內部的原子。單位質量物質所含之表面原子數(shù)愈多時，物質的性質會愈活潑。奈米微粒的實例直徑2nm的奈米金粒子熔點(327℃)遠低於金塊材的熔點(1063℃)。不同大小的奈米金粒子則會呈現(xiàn)不同的顏色。光線通過於由奈米粒子組成的膠體溶液

時，因奈米粒子的尺寸大於一般真溶液的粒子，故可散射光線而產生廷得耳效應。奈米材料組成粒子的顆粒大小分布於1～100nm之間的材料，或是組成粒子在長、寬、高三維尺度中。至少有一維在1～100nm之間的材料，稱為奈米材料。可儲存氣體、作為藥物載體、作為觸媒、強化複合材料。二維奈米材料有一個維度在奈米長度範圍的材料，形狀是平面狀。例如奈米薄膜、石墨烯。一維奈米材料有兩個維度在奈米長度範圍的材料，形狀是長條狀。例如奈米線、奈米碳管。零維奈米材料三維尺度均在奈米長度範圍的材料，形狀是點狀。例如量子點、C60。奈米產品奈米光觸媒：以紫外光照射奈米級的二氧化鈦光觸媒，會生成電子-電洞對。其中，電子可與氧分子結合為超氧自由基陰離子(O2－)，電洞則與水的氫氧根離子形成羥基自由基(．OH)。O2－與．OH十分活潑，可再與細菌或臭味分子作用，達到殺菌或除臭的效果。應用：塗料、衣料、殺菌、除臭、淨化空氣等用途。殺菌或除臭奈米產品奈米銀製品：具抗菌性，可用於抗菌產品與生醫(yī)材料等用途。奈米碳管：可用於顯示器、電子顯微鏡探針、化學感測器、奈米溫度計等用途。老師講解?7[奈米材料]奈米材料(nanomaterials)可說是當今科學最熱門的研究主題之一。以下有關奈米材料的敘述，哪幾項是正確的？(A)奈米是長度單位，1奈米(nm)＝10－10m(B)奈米結構除了尺寸小之外，往往還擁有高的(C)奈米材料組成粒子長、寬、高至少有一維在

1～100nm之間(D)奈米TiO2光觸媒所產生的電洞有強氧化力(E)奈米銀粒子必須照射紫外光才有殺菌能力。觀念提示：1nm＝10－9m

老師講解?7解：(B)(C)(D)(A)1奈米(nm)＝10－9m。(B)奈米銀粒子是藉著產生銀離子並與細菌的蛋白質結合而殺菌，無須照射紫外光。學生練習?7下列有關奈米的相關敘述哪些正確？(A)所謂的奈米材料是指材料的長、寬、高皆介於1～100nm之間(B)奈米金的催化活性高於金塊(C