Top Banner
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | 1 Module 2 Atomic Bonds Lecture 2 Atomic Bonds
16

Lecture 2

Dec 22, 2015

Download

Documents

Aero Rock

good
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

1

Module 2

Atomic Bonds

Lecture 2

Atomic Bonds                          

Page 2: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

2

  

Keywords: Electronic configuration of atoms & types of atomic bond, Metallic bond: Free electron models of metal, Electron mobility & conductivity, Limitation of free electron model, 

Band theory: conductor, semiconductor & insulator, Bond strength & stiffness.    

Introduction 

In this module we shall explore the nature of atomic bonds  in solids and  learn about  its effect on properties. All  solids are made of atoms which  consist of  subatomic particles; positively  charged proton,  neutron  (neutral)  and  negatively  charged  electron.  The  entire  mass  of  the  atom  is concentrated within  a  small nucleus  consisting of proton  and neutron whereas  electrons having very  little mass  keep  rotating  about  the  nucleus  in  specific  orbits.  The  sum  total  of  proton  and neutron  gives  the  atomic mass number of  an  element; whereas  the number of proton which  is same as that of electron is its atomic number. The atom therefore is neutral. Hydrogen the lightest atom  is made of one proton  in the nucleus and an electron moving  in a circular orbit known as k shell. The capacity of this orbit is 2. Helium  is the next element with atomic number 2 and atomic mass 4. It has 2 protons & 2 neutrons in the nucleus and two electrons moving in a circular k shell in opposite directions. Since the capacity of this shell is 2 the outer orbit is full. Therefore even if two He atoms are brought close together there will be little interaction between the two. This is why He is  a mono‐atomic  inert  gas  having  an  extremely  low  boiling  point. However  if  two H  atoms  are brought close together it would try to form a bond by sharing the outer most electrons. This is why it is a diatomic gas. Atoms having higher atomic numbers would need more numbers of shells (K, L, M, N ….) and sub‐shells (s, p, d, f  ...) to accommodate orbiting electrons. The energy levels of these electrons are determined by four quantum numbers, principal quantum number (n) denoting shells, azimuthal quantum number (l) denoting sub‐shells, magnetic quantum number (m) denoting effect of  magnetic  field  on  orbiting  electrons,  spin  quantum  number  (ms)  representing  direction  of rotation about its axis. The electrons are so arranged in different orbits that no two of these have the same quantum numbers. Following this rule it is possible to find out the capacity of each shell and sub‐shell. You may refer to the following figures to get an idea about the shells, sub‐shells and their capacity.  

 Fig  1:  Schematic  diagram  showing  different orbits.  Electrons  in  inner  shells  are  more 

Fig  2:  Quantum  numbers  describing  energy levels of electrons orbiting around the nucleus 

Page 3: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

3

tightly bound.    of an atom.  Problem: How many sub‐shells would orbit N have? How many electrons can these accommodate? Answer: Principal quantum number for N orbit is 4. Look at the table in fig 2. This shows that l could have values from 0 to n‐1. Thus the possible numbers are 0, 1, 2, & 3. These are represented as sub‐shell  s,  p,  d &  f. Magnetic  quantum  number  of  a  sub‐shell  can  have  values  from  –l  to  +l.  The corresponding  values  of  m  for  sub‐shell  f  are  ‐3,  ‐2,  ‐1,  0,  +1,  +2,  &  +3.  Each  of  these  can accommodate 2 electrons with opposite spin. Its capacity is therefore 14. The total capacity of shell N = 2+6+10+14 = 32.       

Fig 3: Madelung Rule: arrows give the sequence in which sub‐shells in different orbits are filled up by 

electrons in an atom. The last row gives the capacity of respective sub‐shell 

 Electrons occupying  lower orbits are more  tightly bound. These orbits are  filled up depending on their energy level which is determined by the four quantum numbers. Fig 3 gives a table describing the sequence in which these are filled up. It is known as Madelung rule. Using this it is possible to write down electronic configuration of an atom if its atomic number is known.  Example: How are electrons arranged in different orbits of Na (Z=11) & Cl (Z=17)? Answer: Na 1s2 2s2 2p63s1 Note that the superscript denotes the number of electrons in respective sub‐shells. This adds up to 11 which is its atomic number. Similarly the electronic configuration of Cl can be written as 1s22s22p63s22p5. 

 Stability of atomic structure 

The  stability  of  atomic  structure  depends  on  its  tendency  to  interact with  its  neighbor.  This  is essentially determined by  the number of electrons  in  its outer orbit often called as valence band with respect to its capacity. The capacity of K shell is 2. He having atomic number 2 has completely filled outer  shell. Therefore  its  atomic  structure  is  very  stable.  It  is one of  the most  stable  inert gases which exist  in nature  in elemental  form.  It’s  freezing and boiling points are extremely  low. Apart from this all elements having 8 electrons  in their valence band (outer orbit) have maximum stability with little chance for formation of bond. Inert gases (apart from He) like Ne, Ar, Kr, Xe, Rd 

Page 4: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

4

have 8 electrons in their outer orbit. I am sure all of you are familiar with these concept introduced in  your  earlier  courses.  The  genesis  of  bond  formation  in  elements  as  they  solidify  lies  in  their atomic configuration. As  long as  the atoms are  far apart  there  is hardly any  interaction between these.  However when  two  atoms  are  brought  very  close  to  each  other  the  outer  orbits would overlap. Since no two electrons can have the same quantum numbers additional sub‐shells would have to form to accommodate more electrons. Depending on the way the outer shell electrons  in neighboring atoms  interact with each other  there  can be  four different  types of bonds  in  solids; metallic bond,  ionic bond, covalent bond, and van der Waal bond. The properties of materials are determined by the nature of their bond. It also decides the type of crystal structure you expect. It is also possible  to  alter  crystal  structure by  alloy  addition  and  introduce defect  structures  thereby change properties of the material. Therefore it is important to know about atomic bond and crystal structure.  Example: Here  are  the  electronic  configuration of  inert  gases He  1s2  ; Ne  1s2,2s2,2p6; Ar  1s2  2s2 2p6,3s2,3p6 These are stable & have  low melting point, He: 1K, Ne: 24K, Ar: 84K, ….. Rn: 211K. As atoms become  larger the melting point  increases. This  indicates that the tendency to form bonds increases.  This  is  because most  of  the  sub‐shells  are  not  circular.  The  centre  of  all  negatively charged  electrons  does  not  coincide  with  its  nucleus  where  all  the  positive  charges  are concentrated. Therefore  these  tend  to  act  as dipoles. This promotes  formation of weak  van der Waal bonds.  Example: Why is C so stable that it is found in nature in its atomic form? Its atomic configuration is: C 1s2 2s2 2p2. Note  that  the number of electron  in  its outer orbit  (L  shell)  is 4. This  is half  filled. Electrons in the outer orbit try to arrange themselves in such a fashion that its energy is the lowest (minimum). This happens if all the electrons have parallel spin. In such an event sp shell behaves as a hybridized orbit. This is known as Hund’s rule. 1s2,2s12sp3 (‐px,‐py,‐pz) electronic configuration of Diamond. This is schematically shown as follows: 

  

  

 Metallic bond 

When electrons  in  valence band  are equally  shared by  all  atoms  it  results  in metallic bond. The range over which atomic  forces are  significant  is very  small. When  two atoms are brought  close enough  the  outer  orbit  or  the  valence  band  start  overlapping,  the  force  of  attraction  becomes significant. Since no  two electrons  can have  identical  set of quantum numbers  the valence band must split to accommodate more electrons. This is schematically shown in the following sketches.   

1s 2s 2sp 2sp 2sp

Page 5: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

5

Fig  4:  Shows  how  the  valence  band  splits  to accommodate more number of electrons. The rectangle on the right hand  indicates possible energy levels occupied by electrons. Note that in monovalent metal only half of the available shells are filled. 

Fig  5:  Shows  a  pictorial  representation  of metallic bond. White  spherical balls denoting inner part of a metal atom are  immersed  in a pool  consisting of negatively  charged  valence electron. Electrons are loosely bound and free to  move.  These  are  equally  shared  by  all atoms. 

 

Fig  6:  Shows  cases  of  metallic  bond  in elements  having  electrons  in  several  shells. The  difference  between  the  size  as  well  as energy  level  of  two  consecutive  orbits  keeps decreasing with  increasing principal quantum numbers.  The  chance  of  having  overlapping orbits increases as more shells (K, L, M, O, P, ‐‐) are added.  

 This type of distribution makes metallic bond non‐directional. The strength of the bond depends on the number of valence electrons per atom, as if the electrons play the role of a glue to join layers of atoms. Look at the atomic configuration of elements in the fourth row of the periodic table. There are  several  transition elements  (where  the number of electrons  in  the outer most  shell  remains unchanged till the lower orbits are filled up) beyond Ca in this row. The inner orbits of Ca are similar to  that of Ar.  In addition  it has 2 electrons  in 4s.  Its  configuration  is  represented as Ca  [Ar] 4s2. Electrons in atoms of subsequent elements tend to occupy 3d shell. For example the configuration of Ti is [Ar] 3d24s2. This trend continues till Zn: [Ar] 3d104s2 when 3d shell gets completely filled up. The  valence  band  in  these  elements  is made  up  of  the  electrons  in  overlapping  3d &  4s  shells. Electrons having unpaired spin belong to the valence band. The number of such electrons per atom increases along the period (row).  It reaches  its peak at Cr and there after  it decreases. This  is the reason why  the melting  point  (which  is  an  indicator  of  the  strength  of  the  bond  that  develops between atoms) of  the elements along  this  row keeps  increasing reaches  its peak at Cr and  then decreases.   Since in metals electrons are shared by all atoms and the electrons occupying the top most energy level  in valence band (known as Fermi level) could easily move to the vacant higher energy  levels; 

Page 6: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

6

they  have  high  thermal  &  electrical  conductivity,  moderately  high  elastic  modulus  and  are amenable to plastic deformation (ductile).  Ionic Bond 

Ionic bond develops between  two  atoms having widely different electro‐negativity.  For example such a bond can form between Na and Cl; two elements: one in group I and the other in group VII. Na has one loosely bound electron in its outer shell whereas Cl is short of one electron in its outer orbit to reach the stable octet configuration. Therefore  if these two atoms come closer Na would lose one outer electron to form a stable octet and Cl would pick  it up to attain a stable structure. Consequently Na & Cl atoms become charged particles  (ions). The bond  that  forms between  the two  is due  to  the  force of attraction between  the  two oppositely charged  ions. Since  the electric field  is  uniformly  distributed  in  all  direction  such  bonds  do  not  exhibit  any  directionality.  Like metallic bond ionic bond is also strong. Materials having such a bond have high elastic modulus. The electrons are tightly bound and are not free to move. Therefore its thermal & electrical conductivity are  poor.  However  such materials  exhibit  ionic  conductivity  if molten  or  if  present  in  aqueous solution. Ionic materials are brittle with little ductility.   Covalent bond 

Covalent  bond  forms  by  sharing of  electrons  in  the  valence  band.  For  example  if  two  hydrogen atoms having one electron  in their respective valence bands are brought close enough so that the bands overlap  the  two electrons having opposite  spin  fulfill  the condition of a  stable outer  shell. They  behave  as  if  they  belong  to  both  atoms.  This  is  shown  pictorially  in  figure  7.  This  is why hydrogen exits in diatomic form in nature. Since the electrons are tightly bound to a pair of atoms they are not free to move as in metallic bond it has poor electrical conductivity. Likewise in the case of oxygen atom having 6 electrons in its outer orbit it is necessary to share two electrons from each atom.  It  has  therefore  2  covalent  bonds.  Similarly  nitrogen  having  5  electrons  in  its  outer  orbit needs to share 3 electrons with its neighbor to form 3 covalent bonds. The distance between atoms is determined by the number of bonds and the number of orbits  in the atom. The bond between two carbon atoms consists of four covalent bonds. This is because to fulfill the stability of the outer shell  (octet)  four  electrons  must  be  shared.  The  best  way  it  can  happen  is  by  having  four neighboring atoms. Tetrahedron having atoms at  its centre and  four corners  is  the best example one  can  think  of.  In  fact  this  the  way  the  atoms  of  carbon  are  arranged  in  diamond.    This  is illustrated in figure 8. Sharing of electrons gives it its directional characteristic.   

Page 7: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

7

  

Figure 7: Schematic representation of four different types of atomic bonds and their characteristic features 

 

 Figure 8: Illustrates covalent bonds between carbon atoms in diamond. A tetrahedron is formed by joining four corners of a cube. Carbon atoms are located at each of these corners and at the centre of the tetrahedron. The thick line joining the corner with the central atom represents a covalent bond. Each atom has four such bonds. These are directed along specific direction. The angle between these is 109.5º.                            

 Van der Waal bond  This forms between atoms that behave as dipoles. The tendency to form dipole increases as more orbits are added to accommodate electrons  in an atom. The centre of negatively charged moving electrons often does not coincide with the positively charged nucleus. This leads to the formation of a dipole. As it comes near another dipole bond formation occurs as a result of attraction between opposite poles. However  it  is much weaker than the three primary bonds described above.  It can form even between atoms of noble gases having stable outer shell with 8 electrons. The nature of bonds in water molecules is also similar. However precise measurement of bond strengths shows it is a  little  stronger  than van der Waal bond.  In order  to distinguish  the  two  it  is often  termed as hydrogen bond. Its origin nevertheless lies in dipolar characteristic of water molecules. Such bonds are also found in organic molecules.   

Page 8: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

8

 Bond strength  Bond formation takes place when two atoms are close enough. Under equilibrium there  is no net force acting on these. However if you try to pull them apart a restoring attractive force acts on it. Likewise  if you try to push them to bring the atoms closer there  is a repulsive  force which brings them back  to  the position of equilibrium.  The net  energy under  such  a  condition  should be  the lowest and the net force should be zero. This is shown schematically in figure 9.  

 Figure 9: When  atoms are  far  apart  there  is  little  interaction. As  the distance decreases  the force of  attraction  increases.  It  tries  to bring  the  two  atoms  closer.  This  is why  the  force  is negative. However  if  you push  further  there  is  a  force of  repulsion  as well.  This  acts  in  the opposite direction. The net force is the sum total of the two. Under the position of equilibrium the  net  force  is  zero.  This  happens when  the  distance  is  r0.  The  net  energy  under  such  a condition is the lowest.                    The bond may  therefore be visualized as an elastic  spring. The  stored energy  is a  function of  its stiffness. This  is given by equation 1. The negative  term denotes  the  force of attraction and  the positive term is the force of repulsion. The exponent m = 1 for ionic bond whereas m = 6 for weak van der Waal bond. Note that a lower exponent indicates a stronger bond. 

)1(nm r

B

r

AUrepulsionattractionEnergyBond  

 To find out the position of equilibrium equate the first differential of U with respect r to zero. On substitution of the same in equation 1 gives the expression for bond energy. These are given by the following equations.  

Page 9: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

9

)3(1)1()2(

)2(,0:

min

011

mn

m

mn

nm

Bn

Am

n

mAUingsubstituinOn

Am

Bnror

r

Bn

r

Am

dr

dUmequilibriuFor

 

 The strength and the stiffness of solid are primarily determined by its atomic bond. Figure 10 gives the  relation between stiffness and elastic modulus. The atoms  in solid are arranged  in a periodic fashion.  The  bond  energy  in  the  neighborhood  of  the  mean  position  of  an  atom  could  be represented by a Taylor series. At equilibrium the first differential of U is zero. The change in energy due to an infinitesimal displacement of the atoms by x is approximately equal to the third term of the  Taylor  series  (higher  order  terms  can  be  neglected  since  x  is  small). Differentiating  �U with respect to displacement; x it is possible to find the relationship between elastic modulus and atomic bonds. The derivation is given in equation 4‐5.     

Figure 10: Derivation of  the  relation between stiffness S and elastic modulus. Note that the force is proportional to the displacement. The constant  of  proportionality  is  the  stiffness  of the bond. Displacement x over r0 is the elastic strain. 

             Using the expressions for U it is possible to find an equation for S in terms of the parameters A, B, m, & n     

)5(

2

1

)4(....2

1

02

2

0

2

2

2

0

2

2

00

2

0

2

2

000

rratdr

UdSStiffness

Sxxdr

Ud

dx

UdFForce

xdr

UdrUxrU

xdr

Udx

dr

dUrUxrU

rr

rr

rrrr

Page 10: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

10

             Thus the elastic modulus is given by       

Table: Strengths of four major bonds found in common solids            The above table gives an  idea of the strengths of various types of bonds found  in different solids. Note  that  carbon‐carbon  bond  in  diamond  is  the  strongest  amongst  all  solids.  Strength of most polymeric material is derived from van der Waal bonds between chains. It is the weakest of all the four. However strength of  linear polymers along  the chain could be substantially high because of covalent C‐C bond.  In most materials except metals bonds may have mixed character. They might be partly ionic / covalent / van der Waal.                       Specific heat of metals: classical versus quantum mechanics  Having established the nature of bonds in metals it should be possible to explain or guess few of its other properties as well.  In metals atoms are arranged  in a regular fashion with valence electrons being free to move as atoms in a gas. The atoms are not stationary. They keep moving about their 

Bond  Example S, N/M E, GPa

Covalent  C‐C  180  1000 

Metallic  Al, Fe, Cu  75  300 

Ionic  Al2O3  24  96 

Van der Waals 

(C2H4)n  3  12 

wax  1  4 

)9(

)8(

)7(11

)6(

2

2

2

1

0

222

2

11

mn

n

mn

nm

nm

Bn

AmmnBn

dr

UdS

Am

Bnr

r

Bnn

r

Amm

dr

Ud

r

Bn

r

Am

dr

dU

10/11

2

0

mn

n

mnmn

n

Bn

AmmnBn

Am

Bn

Bn

AmmnBnrSE

Page 11: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

11

mean position of rest. On heating, the energy should be absorbed by both oscillating atoms as well as  free electrons. The specific heat of metal would  therefore be made up of  two components as given by the following equation:  

  Classical mechanics based on Maxwell‐Boltzmann (MB) statistics has been used to predict correctly specific heat of gases. Let us see what happens  if the same is applied to metals. Assume atoms to be harmonic oscillator.  It has three modes of vibrations along three different axes. Energy due to each mode has two components one due to kinetic energy and the other due to potential energy. According to MB statistics energy of each of these  is equal to (kT/2). Thus the energy due to one mode of  vibration  is  kT. Net energy  /  atom  for 3 modes of  vibration  = 3kT.  Therefore  the  total stored  energy  for  one mole  of metal  E  =  3kNT  =  3RT.  (Note  that  T  is  temperature  in  degree absolute, k  is Boltzmann constant & N  is Avogadro number, R  is universal gas constant). Specific heat is therefore given by the following expression:  

3 6 /   

 Molar  specific  heat  of most metal  is  around  3R.  This  is  the well‐known  Dulong‐Petit  rule.  It  is independent  of  temperature.  The  fact  that  it  predicts  specific  correctly  also  indicates  that  the contribution of electrons towards specific heat is negligible. However if one applies MB statistics it should  have  significant  contribution.  In  addition  low  temperature measurement  has  shown  that specific  heat  decreases  with  decreasing  temperature.  It  becomes  0  at  0º  K.  Figure  11  shows schematic  variation  of  specific  heat  as  a  function  of  temperature.  It  suggests  that  classical mechanics based predictions  are not  valid when particles  are  small or  if  the  temperature  is  low (which means that energy is low). Under such circumstances quantum mechanics based predictions are found to be accurate.  

 Figure 11: Molar  specific heat of metals as  function of normalized  temperature. �D  is Debye temperature  

Page 12: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

12

Quantum mechanics imposes restrictions on energy levels a particle can have and whether a given level will  be  occupied  by  it.  In  contrast  classical mechanics  does  not  impose  any  restriction  on energy levels. The probability that a given level is occupied is governed by MB statistics in the case of classical mechanics and by Fermi Dirac statistics in the case of quantum mechanics. Figure 12 – 13 presents the salient features of the two distributions.   

Figure  12: Maxwell  – Boltzmann  distribution: the  chance  of  a  lower  energy  level  being occupied  is  higher.  Energy  levels  are continuous. 

Figure 13: At absolute  zero all discrete energy levels  up  to  E0,  known  as  Fermi  level  are occupied.  With  rising  temperature  only  the particles near Fermi level move to higher level. 

 Problem: Apply classical mechanics to estimate (Cv)electronic of mono‐valent metal. Answer:  Each  free  electron  has  3  degree  of  freedom  (it  could  move  along  any  3  direction). According to MB statistics net energy for each degree of freedom is kT/2. One mole of metal has N 

number of  free electrons. Therefore E = 3(kT/2)N & 3 3 / . Note  that 

this half of (Cv)atomic.  Problem: Apply QM to estimate (Cv)electronic of mono‐valent metal. Answer:  Only  the  electrons  near  the  Fermi  level  can  absorb  thermal  energy.  The  number  of electrons near the Fermi surface is negligible in comparison to the total number of electrons. As an approximation  one  could  assume  that  electrons  occupying  energy  level  E0‐kT  moves  over  to E0+kT.Thus  the net  increase  in  energy  =  2kT.  This  is  very  small  in  comparison  to E0.  This  is why (Cv)electronic is negligible.  

Quantum mechanics based model for specific heat was first proposed by Einstein. According to this 

atoms assumed to be harmonic oscillator can have packets of energy called phonon. This  is given 

by . Where  h  is  Planck’s  constant,  �  is  frequency  of  oscillation  and  n  is  an  integer 

representing  quantum  number.  Even  at  0ºK  atoms  can  have  small  but  finite  energy. Using  this 

concept  it can be  shown  that ∝ . Later Debye derived more precise expression  for 

specific  heat.  This  is  given  by ∝  where  �D  is  known  as  Debye  temperature.  Both  the 

models  predict  that  Cv  becomes  0  at  0ºK  although  at  low  temperatures  Debye model  provides 

better predictions. 

Page 13: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

13

 

Band theory of metals  Metals having excellent conductivity are mostly monovalent. Free electron model where electrons 

are free to move about can certainly explain its good electrical and thermal conductivity. However 

problem arises in explaining why contribution of electrons in absorbing thermal energy is negligible. 

In order to overcome this problem  it was necessary to apply the concept of quantum mechanics. 

This states that when the valence bands overlap so that the outer shell electrons are equally shared 

by  all  the  atoms  the  energy  levels  of  these  are  governed  by  Pauli’s  exclusion  principle. No  two 

electrons can have all quantum numbers same. Four quantum numbers are needed to describe the 

state of an electron. These are n1, n2, n3 (all are positive integers) and spin quantum number. The 

energy  levels can therefore be visualized as a regular array of points  in 3D  in the  form of a cubic 

lattice where each cell has one lattice point. Each point can have two electrons with opposite spin. 

Thus if there are n atoms there will be 2n number of sites to accommodate the valence electrons. 

Thus in a monovalent metal only half of the sites will be occupied whereas the rest are vacant. The 

distribution of electrons  in the valence band follows Fermi Dirac statistics. At absolute zero all the 

levels up to a maximum value E0 (Fermi energy  level) are occupied. This  is schematically shown  in 

figure 14. Since the capacity of this band is 2n only half of the band is filled up by electrons. Under 

the  influence of electrical  field  the electrons near  the Fermi  level  can move over  to vacant  sites 

having  higher  energy.  In  other  words  these  are  free  to move.  This  is  why  these  are  excellent 

conductor of electricity. What happens if its valence is 2? In such a situation the valence band will 

be  full.  However  if  there  are  overlapping  empty  conductions  bands  it  can  still  exhibit  good 

conductivity. If there is a large gap between valence band and conduction band, it would behave as 

an  insulator.  There  are  elements where  the  gap  between  valence band  and  conduction  band  is 

small.  In  such  a  case  either  as  a  result  of  thermal  excitation  a  few  electrons  can move  over  to 

conduction band and behave as semi‐conductor. Such a material exhibits higher conductivity with 

increasing temperature.                                      

            

Figure 14: Schematic representation of band structures of conductor, semi-conductor & insulator. In metals there are overlapping valence band & conduction band. Horizontal lines represent energy levels occupied by electrons.

Page 14: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

14

 Electrical conductivity  Electrical conductivity of metal should be a function of the number of moving electrons and their average  velocity.  It  is  possible  determine  simple  expression  for  conductivity  from  our  current knowledge  of  structure  of metal.  Under  the  influence  of  electrical  field  (F)  an  electron  would experience a force of magnitude eF. If m is the mass of the electron its acceleration should be given by  eF/m.  Let  t  be  the  relaxation  time  so  that  the  average  drift  velocity  of  electron  is  given  by (eF/m)t. If there are n free (mobile) electrons in unit volume the current density (J) should be given 

by . Therefore conductivity (s) should be  . In metals the kinetic energy 

of electrons  that are  free  to move could be assumed  to be equal  to  its Fermi energy. Hence  the 

average drift velocity  (v) should be given by     and mean  free path  (l) of electrons  is

. A more convenient expression for conductivity is . This helps us understand the effect 

of temperature and alloy addition (impurity) on conductivity of metals. Mean free path of electrons moving  through a periodic array of atoms oscillating about  their mean position depends on  their interaction.  In  terms of quantum mechanics  this  represents electron phonon  interaction. As  the temperature  increases electron scattering  too  increases. This  is why  l  is  inversely proportional  to temperature. However Fermi energy which determines average velocity of electron  is a relatively weak  function  of  temperature.  Therefore  conductivity  can  be  assumed  to  vary  inversely  with temperature; whereas  resistivity  (which  is  reciprocal  of  conductivity)  is  directly  proportional  to temperature.   Presence of impurity atoms increases phonon electron interaction. This results in reduction of mean free  path  (l)  of  electrons.  Therefore  conductivity  decreases  and  resistivity  increases  as concentration of impurity atom increases. For a binary alloy resistivity (�) is given by ∝ 1  where x is the mole fraction of the solute atom.  Thermal conductivity  Metals  are good  conductor of heat.  In  fact  the  ratio of  thermal  conductivity  (Kth) over electrical conductivity  is  constant  for  all  metals.  It  is  known  as  Wiedemann  –  Franz  law.  This  states 

that 2.45 10 /°   .  Like  electrical  conductivity  thermal  conductivity  is  also 

inversely  proportional  to  temperature  and  impurity  concentration.  Truly  thermal  conductivity should depend on specific heat, mean free path of electrons and phonons. While mean free path of electrons is of the order of 100 atomic distances, mean free path of phonon is one atomic distance. Although the contribution of electron towards specific heat is negligible it plays a crucial role in heat conduction  through  metals.  This  is  because  most  metals  have  half  filled  valence  band  and overlapping empty conduction band and the number of electrons near Fermi surface is fairly large. This determines thermal conductivity.   

Page 15: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

15

Problem: Estimate mean free path of electrons in gold assuming that all valence electrons are free to move. Given  atomic weight  =  197,  density  =  19.3g/cc,  resistivity  =  2.2x10‐8  �m,  e  =  1.6x10‐19 Coulomb, m = 9.1x10‐31 kg, Avogrado number = 6.02x1023.  Answer:  Assuming  that  all  valence  electrons  are  free  to move  the  number  of  electrons  /  unit 

volume .6.2 10 5.9 10 &  relaxation  time 2.74

10 .  Thus mean  free path =  vt = 1.0x108  x 2.74x10‐14 = 2.74x10‐6  cm.  This  is  approximately equal to 100 atomic spacing.      

 Summary  Why  bond  forms  in materials  has  been  explained  in  terms  of  atomic  configuration  of  various elements. The nature and main characteristics of three primary bonds (metallic, covalent and ionic bonds) have been introduced. The correlation between bond and certain properties of material like melting  /  boiling  points,  strength,  stiffness  and  electrical  &  thermal  conductivity  have  been illustrated with examples. An attempt has been made  to give a  little quantitative  insight  into  the correlation between bond strength & elastic modulus of materials.   Exercise:  

1. What are the three primary bonds in materials? Which is the strongest? Why? 2. What is the electronic configuration of silicon atom? What type of bond do you expect here? 3. Inert gases have completely filled outer cell yet the boiling point of these increases with the 

atomic number. Explain why it is so.  4. Find out from Handbook the melting points of metals in the 4th row of the periodic table (K‐

Zn).  Which  has  the  highest  melting  point?  Explain  this  in  terms  of  their  electronic configurations.  

5. Stiffness of C‐C bond is around 200N/m. Estimate its elastic modulus assuming the distance between the atoms to be 2x10‐10m. Which form of carbon has such a modulus?  

Answer:  

1. Three primary bonds are covalent,  ionic and metallic. Boiling or melting points of material 

are  indicators of  the strength of  the bond. C‐C bond  (covalent)  in diamond  is possibly  the 

strongest bond. Its melting point is ~3700°C. Its atomic diameter is small. It is verified by x‐

ray diffraction technique. 

 

2. Atomic number of Si is 14. Its electronic configuration is 1s22s22p63s23p2.  It has four atoms 

in the outer cell  like carbon. It also forms covalent bond. Its atomic diameter  is  larger. The 

bond is not as strong as C‐C bond. Its melting pint is 1410°C. 

Page 16: Lecture 2

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  ||  |

16

 3. Inert gases have completely filled outer cell. As you go down the group (from He to Xe) the 

diameter increases as more orbits are added. As the diameter increases the centre of orbital 

electrons will no longer coincide with the nucleus. The deviation increases with the increase 

in diameter. Such atoms will therefore behave  like dipoles & promote bonding due to van 

der Waal force. Boiling point of He (Z=2) & Xe (Z=54) are 4.2°K & 165°K respectively. 

 

4. The fourth row of periodic table has several metals with atomic numbers varying from 19 (K) 

to 30(Zn). Their melting points are given in the following table. Electronic configuration of Ar 

(18) is 1s22s22p63s23p6. K atom has one more electron. Its preferred site is 4s. The next atom 

Ca has 2 electron  in 4s cell. Thereafter electrons occupy 3d cell. Unpaired 3d electrons too 

participate in bond formation. If the number of such electron increases the cohesive energy 

and hence melting point increases. (Mn: exception?). In Zn all 3d electrons are paired & do 

not take part in bonding. In this case number of electrons that take part in bond formation is 

less. Therefore its melting point is low. 

 

K 19  Ca 20 

Sc 21 

Ti 22  V 23  Cr 24 Mn25 Fe26  Co27  Ni28  Cu29  Zn30 

64  833  1539  1668  1900 1875 1245 1539 1495 1453  1083  419

  5. The bond is often visualized as a stiff spring which breaks without deformation. The relation 

between the force (F) needed to snap a bond and the stiffness (strength) of the bond (S) is 

given by F = S��where �  is the minimum distance of separation at which the bond breaks. 

Note that the dimension of stiffness  is N/m. The cross sectional area  is of the order of a2. 

Therefore stress � = F/a2 = (S/a) (�/a) = E��where E is modulus & � is strain. Thus E = S/a. If a 

is of  the order of  inter atomic distance  (a~0.2nm). E = 200/  (0.2x10‐9) = 1012 N/m2 = 1000 

GPa.