Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 2: Liên kết trong tinh thể

Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 2: Liên kết trong tinh thể. Bài này cung cấp cho học viên những kiến thức về: bản chất cả các lực tương tác trong tinh thể; các loại liên kết trong chất rắn; các loại lưỡng cực điện; nguồn gốc của lực van der Waals; các lưỡng cực tức thời sinh ra lực hút giữa các phân tử;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Bài I Bản chất cuả lưcï tương tác tinh thể § Khi đưa hai nguyên tử A B lại gần chúng bắt đầu tương tác với >> lượng hệ giảm, lực hút nguyên tử thắng chúng tạo nên phân tử AB ổn định >> lượng củahệ tăng, chúng đẩy chúng tạo thành phân tử § Giữa nguyên tử có lực hấp dẫn, lực từ điện tác dụng § Đánh giá lượng hút hai nguyên tử cách khoảng a loại lực nói đến kết luận : Bản chất lưcï hút tinh thể lực điện Năng lượng hút có dạng Uhút = A/r với A số § Muốn tạo hệ ổn định từ nguyên tử phân tử, chúng cần có lực hút mà cần có lực đẩy Tuy có nguồn gốc khác nhau, lực đẩy có đặc điểm chung giảm nhanh theo khoảng cách r nguyên tử : lượng đẩy có dạng ẩy = B/rn với B số n >>1 Nói chung, lượng tương tác hai nguyên tử tinh thể hàm khoảng cách r chúng , gồm có hai phần U (r) = Uhút + ẩy Đồ thị biểu diễn phụ thuộc U vào r có dạng điển hình bên II Các loại liên kết chất rắn ² Sự khác loại liên kết tinh thể chất tương tác mà khác phân bố electron nguyên tử Khi đưa nguyên tử lại gần để tạo nên tinh thể chất rắn, tương tác chúng có phân bố lại electron nguyên tử ± Quá trình phân bố lại điện tích thỏa mãn điều kiện bảo toàn điện tích toàn hệ có xu hướng cho nguyên tử có lớp vỏ đầy electron ± Các nguyên tử thực phân bố lại điện tích cách nhường thu electron , tập thể hoá electron ( phần, toàn ) hay biến dạng lớp vỏ electron Các loại liên kết : liên kết sơ cấp • Liên kết sơ cấp : electron hoán đổi góp chung electron Liên kết mạnh (100 -1000 KJ/mol -10 eV/nguyên tử ) • Liên kết Ion: tương tác Coulomb mạnh ion âm ( nguyên tử nhận thêm electron ) ion dương ( nguyên tử electron ) Ví dụ - Na+ Cl• Liên kết đồng hóa trị: phân tử góp chung electron để bão hòa hóa trị Ví dụ H2 • Liên kết kim loại : nguyên tử bị ion hóa, vài electron từ vùng hóa trị Các electron tạo thành biển electron , giữ cho gốc nguyên tử vị trí 1) Liên kết ion • Sự tạo thành liên kết ion : Sự ion hóa xuất chuyển electron từ nguyên tử sang nguyên tử khác Ion = nguyên tử tích điện Anion = nguyên tử tích điện âm Cation = nguyên tử tích điện dương Các ion trái dấu hút lực tương tác Coulomb mạnh : Liên kết ion hướng : nguyên tử bị hút vào từ hướng Liên kết ion Liên kết ion liên kết ion trái dấu Sự xuất ion nguyên tử khác loại nhường thu điện tử lại gần Ví dụ : nguyên tử Na nhường electron cho nguyên tử Cl trở thành ion dương với lớp vỏ electron : Na : 2s22p63s1 Na+ : 2s22p6 nguyên tử Cl nhận thêm electron trở thành ion âm với lớp vỏ có electron : Cl : 2s22p63s23p5 Cl- : 3s23p6 Liên kết ion • Sự chuyển electron làm giảm lượng hệ nguyên tử , nghóa chuyển electron có lợi mặt lượng •Chú ý kích thước tương đối ion : Na co lại Cl nở Liên kết ion : mạnh, không định hướng Liên kết ion Mỗi ion với lớp vỏ đầy electron xem cầu rắn với bán kính ion xác định Chúng có xu hướng kéo đến tối đa ion ngược dấu Số ion tối đa quy định tỷ số r+ / r- Bán kính ion ( Ao ) Li+ : 0,68 Na+ : 0,95 Cs+ : 1,67 F- : 1,36 Cl- : 1,81 K+ : 1,33 Rb+ Br- : 1,95 I- : 2,16 : 1,48 Khi tạo thành tinh thể , ion có xu hướng kéo đến tối đa ion ngược dấu Số ion tối đa quy định tỷ số bán kính ion Các cấu hình tính ổn định ion dương nhỏ ( ion + dịch chuyển dễ dàng theo chỗ hổng ) Ngược lại, tỷ số r+ / r- tăng đến mức làm thay đổi cấu hình theo chiều tăng số phối trí k Tinh thể đồng ng hóa trị Quanh nguyên tử có nguyên tử nằm đỉnh tứ diện nguyên tử xét nằm tâm tứ diện Cách xếp nguyên tử C dẫn đến mạng kiểu kim cương Đặc điểm bật liên kết đồng hóa trị tính định hướng Các tinh thể nguyên tử ( đồng hóa trị ) thường giòn liên kết đồng hóa trị không cho phép nguyên tử dịch chuyển tương đối mà không làm đứt liên kết chúng Các tinh thể đồng hóa trị có nhiệt độ nóng chảy cao, độ rắn độ bền cao Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Phaàn liên kết ion liên kết tinh thể thành phần Trên thực tế , tinh thể có liên kết ion đồng hóa trị Nói chung, tinh thể cóù liên kết pha lẫn ( liên kết lai ) Ở bảng bên cho thấy phần trăm liên kết ion liên kết lai số tinh thể Tinh thể Phần ion Tinh thể Phần ion Si SiC Ge 0,00 0,18 0,00 CuCl CuBr 0,75 0,74 ZnO ZnS ZnSe ZnTe 0,62 0,62 0,63 0,61 AgCl AgBr AgI 0,86 0,85 0,77 CdO CdS CdSe CdTe 0,79 0,69 0,70 0,67 MgO MgS MgSe 0,84 0,79 0,79 InP InAs InSb 0,44 0,35 0,32 LiF NaCl RbF 0,92 0,94 0,96 GaAs GaSb 0,32 0,26 3) Liên kết kim loại Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com § Các nguyên tố đứng đầu Chu kì Bảng Tuần hoàn có electron liên kết tương đối yếu với hạt nhân Khi đưa nguyên tử lại gần nhau, electron thoát khỏi nguyên tử ( có phủ hàm sóng ) dịch chuyển tự toàn mạng tinh thể § Sự phân bố điện tích âm đồng Sự liên kết xuất tương tác ion dương với khí electron bao quanh chúng § Để có lợi mặt lượng , nguyên tử kéo tối đa nguyên tử khác dẫn đến hình thành cấu trúc xếp chặt , k = 12 Liên kết kim loại Na Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Electron không định xứ Liên kết kim loaïi Mg Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com § Magnesium có cấu trúc electron lớp vỏ 3s2 Cả hai electron trở nên không định xứ nên “ biển electron” có mật độ gấp đôi so với Na Các ion lại có điện tích dương gấp đôi lực hút ion biển electron mạnh § Các nguyên tử Magnesium có bán kính nhỏ nguyên tử Na electron không định xứ nằm gần hạt nhân Mỗi nguyên tử Mg có 12 lân cận gần ( Na có lân cận gần ) Cả hai điều làm cho liên kết Mg mạnh lên nhiều Mg có nhiệt độ nóng chảy cao Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Liên kết kim loại nguyên tố chuyển tiếp Các electron không định xứ kim loại chuyển tiếp electron 3d 4s Càng có nhiều electron giải phóng liên kết mạnh Các kim loại chuyển tiếp có nhiệt độ nóng chảy cao điểm sôi cao Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Tinh thể kim loại § Tinh thể kim loại dẫn điện tốt § Liên kết kim loại cho phép ion nút mạng dịch chuyển tương đối xa mà không phá vỡ liên kết : kim loại có độ dẻo cao ( dễ kéo thành sợi ) § Các kim loại nặng có liên kết Chúng có nhiệt độ nóng chảy cao độ bền học lớn 4) Liên kết thứ caáp Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Liên kết thứ cấp ( liên kết van der Waals ) liên kết vật lý ( trái với liên kết hóa học có di chuyển electron ) tạo thành tương tác lưỡng cực điện nguyên tử phân tử Liên kết yếu, ~0,1 eV/nguyên tử hay ~10 kJ/mol Liên kết van der Waals tương tác hai lưỡng cực điện Liên kết phân tử : lực van der Waals Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Các loại lưỡng cực điện Hạt nhân nguyên tử Hạt nhân nguyên tử Mây electron Mây electron Nguyên tử đối xứng mặt điện tích Lưỡng cực điện cảm ứng Lưỡng cực biến dạng Nguồn gốc lực van der Waals Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Lưỡng cực thăng giáng tức thời Trong phân tử đối xứng H2 nói chung biến dạng điện để tạo thành miền mang điện dương âm Điều xét trung bình Vì electrons chuyển động thời điểm chúng đầu phân tử làm cho đầu mang điện d- đầu tạm thời thiếu mang điện d+ Điều xảy với phân tử đơn nguyên tử – phân tử khí trơ ( He, Ne, …) Nếu hai electrons He đồng thời nằm phía nguyên tử, hạt nhân không bị che phủ electron thời điểm Các lưỡng cực tức thời sinh lực hút phtử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Một phân tử có lưỡng cực điện tức thời gần phân tử không phân cực thời điểm tạo lưỡng cực điện cảm ứng cho phân tử Hình bên cho thấy lực van der Waals liên kết phân tử để tạo nên chất rắn Tất nhiên, thời điểm sau đó, có xếp khác phân bố electron chúng chuyển động, luôn đồng Lưỡng cực tức thời cảm ứng Tương tác Van der Waals - London Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Theo lý thuyết cổ điển, giải thích lực hút nguyên tử khí trơ trung hòa sau Giả thử thời điểm t nguyên tử có lưỡng cực điện tức thời p1 Lưỡng cực tạo tâm nguyên tử cách nguyên tử khoảng r điện trường r E 2p E= r p2 p1 Điện trường cảm ứng mômen lưỡng cực điện tức thời p2 nguyên tử thứ 2ap p = aE = r a độ phân cực electron Thế hút hai lưỡng cực điện p1 vaø p2 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 4ap 12 2p p =U( r ) » 4pe r 4pe r Tương tác theo chế luôn tương tác hút, nguyên tử gần liên kết mạnh Tương tác này, gọi tương tác Van der Waals London, đóng vai trò trì mạng tinh thể khí trơ Khi đưa nguyên tử lại gần hơn, lực đẩy chúng tăng lên Kết thực nghiệm cho hay đẩy có dạng A ẩy (r) = 12 r C A U(r) = Uhút (r) + ẩy (r) = - + 12 r r Một số tính chất tinh thể khí trơ Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Với loại liên kết nói trên, nguyên tử có xu hướng kéo phiá số nguyên tử lân cận tối đa dẫn đến hình thành tinh thể có cấu trúc xếp chặt : Lập phương tâm mặt cho đa số tinh thể khí trơ lục giác xếp chặt với tinh thể He Các tinh thể khí trơ chất điện môi suốt có lượng liên kết nhỏ nhiệt độ nóng chảy thấp Điểm nóng chảy tinh thể khí trơ helium -269°C neon -246°C argon -186°C krypton -152°C xenon -108°C radon -62°C Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com ... , tinh thể có liên kết ion đồng hóa trị Nói chung, tinh thể cóù liên kết pha lẫn ( liên kết lai ) Ở bảng bên cho thấy phần trăm liên kết ion liên kết lai số tinh thể Tinh thể Phần ion Tinh thể. .. học lớn 4) Liên kết thứ cấp Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Liên kết thứ cấp ( liên kết van der Waals ) liên kết vật lý ( trái với liên kết hóa học có... số tinh thể khí trơ lục giác xếp chặt với tinh thể He Các tinh thể khí trơ chất điện môi suốt có lượng liên kết nhỏ nhiệt độ nóng chảy thấp Điểm nóng chảy tinh thể khí trô helium -2 69°C neon -2 46°C