LỜI NÓI ĐẦU Ngót một thế kỉ qua, kể từ khi cấu trúc tinh thể đầu tiên được xác định, đã xuất hiện những thông tin ngày càng nhiều, ngày càng chính xác về trật tự bên trong của các chất kết tinh. Cũng nhờ đó, nền tảng lí thuyết của các môn học liên quan đến thể kết tinh ngày càng thêm củng cố. Hoá học tinh thể có đối tượng nghiên cứu là mối quan hệ thành phần – cấu trúc – tính chất của vật kết tinh và là địa chỉ ứng dụng của những kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Cùng với sự phát triển của ngành giáo dục và đào tạo nước nhà, trường Đại học Tổng hợp nay là Đại học Quốc gia Hà Nội đã từng đưa môn học này (với 3 – 4 đơn vị học trình) vào danh mục các chuyên đề trong quy trình đào tạo cử nhân, thạc sĩ địa chất học, hoá học. Phần đầu gồm các chương một và hai, trình bày sơ lược những kiến thức cơ sở về chất kết tinh và tinh thể học hình thái. Chương ba là hình học cấu trúc tinh thể, chú trọng vào khái niệm và cách suy đoán 230 nhóm đối xứng không gian, hệ điểm quy tắc, quan hệ dạng quen – cấu trúc và tóm lược về Roentgen tinh thể học. Chương bốn gồm những khái niệm cơ bản của hoá học tinh thể, phân loại và mô tả các loại cấu trúc. Cuối chương, đặc điểm hoá học tinh thể của một số loại chất tự nhiên và nhân tạo được trình bày khái lược. Chương năm có nội dung về tinh thể thực với những sai khác chủ yếu trong cấu trúc và thành phần hoá học của chúng; kể cả các hiện tượng đa hình, đồng hình, dung dịch cứng và sự phân rã, biến dạng dẻo trong khoáng vật tạo đá v.v…; tức là một phần những gì giới tự nhiên đầy biến cố đã để lại trên sản phẩm của nó. Chương năm là một trong những nội dung chính: tính chất vật lí, hoá học của tinh thể trong mối liên quan phụ thuộc với cấu trúc của chúng (do đồng tác giả Phó Giáo sư Ngụy Tuyết Nhung soạn). Cuối cùng, chương sáu dành cho những đặc điểm hoá học tinh thể của một số khoáng vật tạo đá chính. Cuốn sách đã hoàn thành với sự giúp đỡ, khuyến khích, chia sẻ kinh nghiệm và tài liệu v.v của đồng nghiệp. Đặc biệt, Phó Giáo sư Nguyễn Tất Trâm, Phó Giáo sư Đặng Mai đã đọc và cho nhiều nhận xét quý báu, giúp hoàn thiện nội dung và hình thức. Các tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn. Với rất nhiều cố gắng mong đạt tới chất lượng cao nhất cho cuốn sách nhưng biết rằng, cuốn sách này chưa thể đáp ứng được sự mong đợi của mọi giới bạn đọc, các tác giả sẵn sàng tiếp nhận với lòng biết ơn về mọi ý kiến đóng góp, mong sao cuốn sách này sẽ ngày càng bổ ích hơn. Các tác giả 11 MỞ ĐẦU Nội dung môn học Căn cứ vào kết quả phân loại các chất kết tinh theo các tiêu chí về đặc điểm thành phần và cấu trúc bên trong, vào kết quả nghiên cứu tính chất của chúng, hoá học tinh thể có nhiệm vụ góp phần xử lí mối tương quan của thành phần hóa học và cấu trúc của tinh thể với tính chất của chúng, nhằm giúp ngành vật liệu học, ngọc học, v.v rút ra những luận điểm mang tính quy luật trong nghiên cứu chế tạo, hoặc xử lí chế tác nguyên liệu khoáng vật, làm ra những vật liệu mới với tính năng định sẵn, hoặc những sản vật mới với giá trị thương phẩm cao. Với tư cách là sản phẩm của tự nhiên, tinh thể khoáng vật luôn lưu giữ những dấu ấn của các quá trình xảy ra sâu trong lòng đất. Khảo sát đặc điểm về thành phần và cấu trúc tinh thể của khoáng vật trong sự phụ thuộc vào điều kiện (nhiệt độ và áp suất) thành tạo là một nội dung nghiên cứu của địa chất. Sơ lược lịch sử phát triển môn học Một trong những người đặt nền móng cho hoá học tinh thể là Goldschmidt. Trong những công trình về địa hoá học, ông đã quan tâm đặc biệt đến ý nghĩa của môn học này. Ông đã công bố nhiều công trình ở Viện Hàn lâm Khoa học Na Uy và năm 1954, sau khi ông qua đời, nhiều công trình khác của ông được đăng tải trong tạp chí “Hoá học tinh thể”. Trước khi trở thành môn học độc lập, hoá học tinh thể đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. − Haỹy R.Y. (1801) đã đề xuất ý tưởng cho rằng tất cả các hợp chất tương đồng về thành phần hoá học thì sẽ kết tinh theo một đa diện tinh thể nhất định. Quy luật này được hiệu chỉnh một phần bởi một vài phát kiến sau đó. − Theo Wollaston W.H. (1808), một số hợp chất khác nhau về thành phần hoá học lại có dạng tinh thể giống nhau. Ví dụ, calcit CaCO3, magnesit MgCO3 và siderit FeCO3, chúng kết tinh thành cùng một đa diện hình mặt thoi (gồm 6 mặt hình thoi bằng nhau). − Mitscherlich E. (1819) cũng có phát hiện tương tự với cặp hợp chất KH2PO4 và KH2AsO4. Ông gọi đó là hiện tượng đồng hình (isomorphism). Hình dạng đều đặn của tinh thể làm nảy sinh khuynh hướng tìm nguyên nhân trong sự sắp xếp nguyên tử bên trong đa diện. Ngay từ năm 1675, Newton I. đã viết trong “Quang học” rằng khi tinh thể thành tạo thì không những các hạt xếp ngay hàng thẳng lối để tạo đa diện đều đặn, mà nhờ khả năng phân cực chúng còn tự xoay, hướng các đầu giống nhau về một phía. − Haỹy R.Y. (1784) đã làm thí nghiệm trên những tinh thể có cát khai (tính dễ tách giãn thành tinh thể đa diện dưới tác dụng của lực cơ học) tốt và đi đến giả định rằng tinh thể của mỗi chất hình thành từ những “phân tử” xếp song song và kề nhau. Phân tử của mỗi chất kết tinh có dạng đa diện riêng. − Năm 1813 Wollaston W.H. đề nghị thay “phân tử” của Haỹy bằng những nút điểm toán học (chẳng hạn, điểm trọng tâm của “phân tử ”). Từ đó, khái niệm mạng không gian (tập hợp nút điểm xếp theo một trật tự nhất định) ra đời, nhằm mô tả trật tự sắp xếp bên trong tinh thể. Đây là quan điểm tiến 12 bộ, bởi vì cho đến lúc đó chưa có phương pháp nào giúp nghiên cứu hình dạng hạt (nguyên tử, phân tử). Đồng thời, ý tưởng ấy cho phép nghiên cứu khía cạnh hình học của sự đối xứng trong mạng tinh thể. − Chính từ đó, Bravais A. (1855) đã chứng minh được 14 loại mạng không gian. Năm 1890, Phedorov E.S. và Schoenflies A., mỗi người theo cách riêng, đã đi đến cùng một kết quả về các tổ hợp yếu tố đối xứng trong mạng không gian. Chính sự ra đời của 230 nhóm đối xứng không gian ấy (xem phụ lục 1) đã đặt nền móng lí thuyết về cấu trúc tinh thể cho hoá học tinh thể hiện đại. Từ năm 1912, những thực nghiệm đầu tiên của Laue M., Bragg W.H. và Bragg W.L. đã giúp tìm ra năng lực mới của tia X là nhiễu xạ trong mạng tinh thể. (Trước đó tia X chỉ được coi là bức xạ dùng xuyên thâu và công phá vật chất). Thế kỷ 20 chứng kiến sự chấn hưng của hoá học tinh thể, lí thuyết hình học của cấu trúc tinh thể dần dần được củng cố bằng hệ phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể với độ chính xác và tự động hóa ngày càng cao. Cũng từ đó, dữ liệu thực tế của môn học ngày một tăng cường; hàng loạt chất rắn được phân tích cấu trúc, bắt đầu từ đơn chất qua các hợp chất đơn giản, sang hợp kim, silicat và hợp chất hữu cơ. Ngoài nhiễu xạ Roentgen, các phương pháp thực nghiệm khác như nhiễu xạ điện tử, quang phổ hồng ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân v.v… cũng là những công cụ bổ trợ để nghiên cứu cấu trúc tinh thể. . chương một và hai, trình bày sơ lược những kiến thức cơ sở về chất kết tinh và tinh thể học hình thái. Chương ba là hình học cấu trúc tinh thể, chú trọng vào khái niệm và cách suy đoán 230 nhóm. và tóm lược về Roentgen tinh thể học. Chương bốn gồm những khái niệm cơ bản của hoá học tinh thể, phân loại và mô tả các loại cấu trúc. Cuối chương, đặc điểm hoá học tinh thể của một số loại chất. (1784) đã làm thí nghiệm trên những tinh thể có cát khai (tính dễ tách giãn thành tinh thể đa diện dưới tác dụng của lực cơ học) tốt và đi đến giả định rằng tinh thể của mỗi chất hình thành từ những