Bài giảng Hóa học chất rắn: Chương 1 và 2 - Trần Vũ Diễm Ngọc được biên soạn với các nội dung chính sau: Giới thiệu hóa học chất rắn; Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết bài giảng tại đây!
8/28/2021 HÓA HỌC CHẤT RẮN (Solid State Chemistry) Giảng viên: PGS.TS Trần Vũ Diễm Ngọc Email: ngoc.tranvudiem@hust.edu.vn 1 Giới thiệu hóa học chất rắn Hóa học chất rắn nghiên cứu cấu trúc, tính chất hóa học, tính chất vật lý, chế tạo ứng dụng vật rắn 2 8/28/2021 Giới thiệu hóa học chất rắn Chất rắn: trạng thái tồn vật chất, phần tử cấu tạo (phần tử, nguyên tử, ion) tập hợp trạng thái bền vững Do liên kết bền vững, chất rắn có hình dạng kích thước định, khơng bị biến đổi theo hình dạng bình chứa chất lỏng, khí Nghiên cứu chất rắn nghiên cứu vật liệu (khoa học công nghệ chế tạo vật liệu) Khoa học vật liệu: vật lý chất rắn hóa học chất rắn Giới thiệu hóa học chất rắn Chế tạo Cấu trúc Đặc trưng Tính chất 8/28/2021 Giới thiệu hóa học chất rắn Cấu trúc: nguyên tử, vật liệu (đơn giản, phức hợp) Các dạng phản ứng: điện hóa, xi hóa – khử, hòa nguyên, axit – bazo, …Động học phản ứng Các phương pháp chế tạo vật rắn: điện hóa, luyện kim bột, đốt cháy, sol-gel, CVD, trùng hợp polyme … Các phương pháp xác định đặc tính vật rắn: phương pháp hóa học, vật lý 5 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích dương (proton & nơtron) điện tử mang điện tích âm (electron) chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định 6 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Khối lượng nguyên tử Đơn vị khối lượng (amu) + Khối lượng proton: mp =1.67 x 10-27 kg (~ 1.67 x 10-24 g); + me ~ 9.11 x 10-31 kg Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Các dạng liên kết Liên kết ion Liên kết cộng hóa trị Liên kết kim loại Liên kết Van Der Walls 8 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Là phần tử nhỏ chất trạng thái tự mà mang đầy đủ tính chất chất Liên kết cơng hóa trị: Liên kết nguyên tử phân tử hợp chất đơn chất cặp e dùng chung - Phân tử không phân cực: trọng tâm e- trùng e+ - Phân tử phân cực: trọng tâm e- e+ cách khoảng l 9 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Liên kết ion: Liên kết tạo lực hút ion + - Các ngun tử, ngun tố hóa học có tính chất khác - Đặc trưng liên kết giữ KL PK: NaCl Liên kết ion mạng lớp ngồi chưa e, nhằm nằm gần hạt nhân Liên kết ko dị hướng Vật liệu có tính giòn cao 10 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Liên kết kim loại: liên kết sinh lực hút tĩnh điện e tự ion dương, e gắn kim loại với tạo liên kết kim loại 11 11 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Liên kết Van der Waals - Hiệu ứng lưỡng cực tức thời tương tác lưỡng cực, - Lực liên kết phân tử với - Liên kết Van der Waals yếu - Nguyên nhân mà khí liên kết với nhau, hình thức trội tương tác hình thái điện tử trung hoà với tất liên kết bão hoà chúng 12 12 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Mạng tinh thể: Nối tâm nguyên tử xếp trật tự đường thẳng tưởng tượng Đơn tinh thể:là khối đồng có kiểu mạng số mạng, có phương khơng đổi tồn thể tích Đa tinh thể: tập hợp nhiều đơn tinh thể có cấu trúc thông số mạng định hướng khác Tinh thể SiO2 Vơ định hình: ngun tử xếp không trật tự ( nguyên tử bao bọc ngun tử cách ngẫu nhiên) Vơ định hình SiO2 13 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Hệ tinh thể 14 14 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu 14 kiểu mạng Lập phương Bốn phương Trực thoi Lục giác Đơn tà (1 nghiên) Tam tà (3 nghiêng) 15 15 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Lập phương tâm khối (A2): Cr; W; Mo; Feα • Phương xếp chặt APF= 0.68 a a a Adapted from Fig 3.2(a), Callister & Rethwisch 8e R a 16 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Lập phương tâm mặt (A1): Au; Ag; Cu; Al; Ni; Feγ • Phương xếp chặt APF= 0.74 2a a 17 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu • APF = 0.74 Sáu phương xếp chặt (A3): Zn; Mg; Tiα, Be, Cd, Zr • c/a = 1.633 18 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Mật độ lý thuyết (g/cm3) Mật độ = Khôi lượng nguyên tử Thể tích = where nA VC NA n = số nguyên tử/ô sở A = khối lượng nguyên tử VC = Thể tích sở = a3 for cubic NA = Số Avogadro = 6.022 x 1023 atoms/mol 19 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Mật độ lý thuyết (g/cm3) 20 10 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Mật độ lý thuyết (g/cm3) 21 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Cấu trúc tinh thể nguyên tố 22 22 11 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Bài tập 23 23 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu 24 12 8/28/2021 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Các ôxit đơn giản 25 25 Các ôxit đơn giản • Hemioxides – Cuprite (Cu2O) – Ice (H2O) • Monoxides – Periclase (MgO) – Wüstite (FeO) – Manganosite (MnO) – Lime (CaO) – Zincite (ZnO) – Bromellite (BeO) – Tenorite (CuO) • Sesquioxides – Corundum (Al2O3) – Hematite (Fe2O3) – Bixbyite (Mn2O3) • Dioxides – Rutile (TiO2) – Anatase (TiO2) – Brookite (TiO2) – Cassiterite(SnO2) – Pyrolusite(MnO2) 26 26 13 8/28/2021 Các oxit có cơng thức chung M2O: Hemi-Oxides (M2O) • Nước đá (H2O): Lục giác • Cuprite (Cu2O) 27 27 Các oxit có cơng thức chung MO: • Oxit kim loại hố trị có tỷ lệ rM2+/rO2− nằm ~ 0,414 - 0,732 • Liên kết chủ yếu liên kết ion có mạng lưới tinh thể thuộc kiểu NaCl 28 14 8/28/2021 Các oxit có cơng thức chung MO: Hợp chất có tỷ lệ rcation/ranion ~ 0,225 - 0,414 liên kết chủ yếu ion có cấu trúc kiểu ZnO 29 29 Các oxit có cơng thức chung M2O3: Các oxit Al2O3 (corun), Fe2O3 (hêmatit), Cr2O3, Ga2O3, Ti2B3 30 30 15 8/28/2021 Các oxit có công thức chung MO2: - Rutin, Anatas, Brookite (TiO2) - Ôxit silic (SiO2) - ZrO2… 31 31 Các oxit có cơng thức chung MO2: o Rutin (TiO2): Tứ diện Ti4+ : O2- = 1:2 32 32 16 8/28/2021 Các oxit có cơng thức chung MO2: o Anatase (TiO2): Tứ diện 33 33 Các oxit có cơng thức chung MO2: o Brookite (TiO2) – Trực thoi 34 34 17 8/28/2021 Các oxit có cơng thức chung MO2: o Tính tỷ trọng TiO2 35 35 Các oxit có cơng thức chung MO2: o Zircon (ZrO2) Lập phương Bốn phương Đơn tà 36 36 18 8/28/2021 Các chất oxit: • • • • Spinel MgAl2O4 ; Hercynite FeAl2O4 Chromite FeCr2O4 Magnesiochromite MgCr2O4 o Spinel: AB2O4 (A: +2, B:+3) • • • • • Magnetite Fe2+Fe3+2O4 Magnesioferrite MgFe2O4 Gahnite ZnAl2O4 Ulvospinel TiFe2O4 Ringwoodite Mg2SiO4 37 37 Các chất oxit: o Spinel có cation A chiếm hốc tứ diện cation B chiếm 16 hốc bát diện tạo thành A8B16O32 o A2+ bao quanh 4O2o B3+ bao quanh O2- 38 38 19 8/28/2021 Các chất oxit: o Spinel: 39 39 Các chất oxit: o Spinel: 40 40 20 8/28/2021 Các chất oxit: o Spinel: 41 41 Các chất oxit: - o Perovskite: ABO3 Lập phương (Cubic) Mặt thoi (Rhombohedral ) Trực thoi (Othorombic) Tứ diện (Tetagonal) - Lập phương t ≈1 - Mặt thoi t< - Tứ diện t > 42 42 21 8/28/2021 Các chất oxit: o Perovskite: ABO3 BaTiO3 43 43 Các chất oxit: Illmenite: FeTiO3 44 44 22 8/28/2021 Ferit 45 45 Các chất oxit: Pyrơclo A2B2O7 Nhóm khống vật chứa đất (Na,Ca,…)2(Nb,Ti…)2O6.F.OH 46 23 ... (Tetagonal) - Lập phương t ? ?1 - Mặt thoi t< - Tứ diện t > 42 42 21 8 /28 /20 21 Các chất oxit: o Perovskite: ABO3 BaTiO3 43 43 Các chất oxit: Illmenite: FeTiO3 44 44 22 8 /28 /20 21 Ferit 45 45 Các chất. .. Các oxit Al2O3 (corun), Fe2O3 (hêmatit), Cr2O3, Ga2O3, Ti2B3 30 30 15 8 /28 /20 21 Các oxit có cơng thức chung MO2: - Rutin, Anatas, Brookite (TiO2) - Ôxit silic (SiO2) - ZrO2… 31 31 Các oxit... (g/cm3) 21 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2. 2 Cấu trúc vật liệu Cấu trúc tinh thể nguyên tố 22 22 11 8 /28 /20 21 Cấu trúc nguyên tử cấu trúc vật liệu 2. 2 Cấu trúc vật liệu Bài tập 23 23 Cấu