Cấu trúc tinh thể

1 Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) mạng lưới không gian ba chiều nút mạng đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử ) Các loại cấu trúc tinh thể * Tinh thể kim loại * Tinh thể ion * Tinh thể nguyên tử (tinh thể cộng hoá trị) * Tinh thể phân tử ô đơn vị (tế bào bản) * Là phần tinh thể mà cách tịnh tiến theo hướng ba trục tinh thể ta thu toàn tinh thể * Mỗi ô đơn vị cho biết: Hằng số mạng: a, b, c, , , đơn vị cấu trúc : n Số Số phối trí Độ đặc khít 1.1 Sự xếp nguyên tử kim loại Hốc tứ diện B A A Hốc bát diện C B C A A B Lập phương tâm mặt A A B B A B A A Lục phương chặt khít Hình phối trí mạng tinh thể kim loại Lập phương tâm khối Lập phương tâm mặt C A B B A A Lục phương chặt khít Hốc tứ diện hốc bát diện Hốc tứ diện Hốc bát diện Xác định hốc tứ diện bát diện mạng lập phư ơng tâm mặt (lptm) O T O Lập phương tâm mặt Số hốc tứ diện : hốc Số hốc bát diện : + 12.1/4 = hốc Xác định hốc tứ diện bát diện mạng lục phương chặt khít (lpck) T T O T Lục phương chặt khít Số hốc tứ diện : Số hốc bát diện : Tính độ đặc khít tinh thể lập phương tâm khối a a a = 4r Số cầu ô đơn vị: 1+8.1/8 = Tổng thể tích cầu Thể tích ô đơn vị = 68 % 10 Tinh thể phân tử iod * Mạng lưới tinh thể I2 có đối xứng dạng trực thoi với thông số a = 7,25 , b = 9,77 , c = 4,78 Tâm phân tử I2 nằm đỉnh, tâm ô mạng măt thoi I2 2,70 A * Khoảng cách ngắn I-I tinh thể 2,70 xấp xỉ độ dài liên kết phân tử khí I2 2,68 liên kết cộng hoá trị I-I thực tế không thay đổi thăng hoa 40 z D 3,53A D 32 2,70 A C B C B y A A x * Khoảng cách ngắn hai nguyên tử I thuộc hai phân tử I2 3,53 Các phân tử định hướng song song theo hai hướng đối xứng qua mặt phẳng xOz góc 32o * Lực liên kết phân tử lực Van der Waals yếu nên I2 dễ thăng hoa nhiệt độ 60o Tinh thể phân tử xenonflorua * tinh thể XeF2 tạo phân tử thẳng XeF2 Tâm nguyên tử Xe nằm đỉnh tâm khối hình chữ nhật 3,024A 2,00A * XeF2 chất rắn , không màu tnc = 140oC, khối lượng riêng 4,32 g/cm3, phân tử có dạng đường thẳng, dXe-F = 2,00 XeF2 42 Tinh thể phân tử XeF4 F Xe * Phân tử XeF4 cấu tạo vuông phẳng, Xe lai hoá sp3d2 * XeF4 chất rắn, dễ bay hơi, bền nhiệt độ thường D = 4,04 g/cm3; tnc = 114oC 43 Tinh thể phân tử CO2 (nước đá khô) * Nước đá khô tạo phân tử thẳng CO2, tâm nguyên tử C nằm đỉnh, tâm mặt hình lập phương tạo thành mạng lập phương tâm mặt với số mạng 5,58 * Khoảng cách C-O phân tử tinh thể 1,06 , ngắn phân tử trạng thái khí 1,162 Khoảng cách ngắn hai nguyên tử O hai phân tử CO2 3,19 CO2 44 P at r * Khí CO2 nặng không khí dễ hoá rắn, hoá lỏng l k -78 -57 toC Giản đồ trạng thái CO2 * Trên giản đồ trạng thái CO2 điểm ba nằm cao áp suất khí tuyết cacbonic không nóng chảy nhiệt độ thường mà thăng hoa -78oC * Khi nước đá khô bay làm cho nhiệt độ xung quanh hạ xuống thấp nên có ứng dụng : bảo quản đồ chóng hỏng; trộn với clorofom làm hỗn hợp làm lạnh; thử thách đồ dùng trước đưa sử dụng Bắc Cực, Nam Cực; tạo mưa nhân tạo Tinh thể phân tử nước đá: Mỗi phân tử nước liên kết với phân tử nước khác liên kết hiđro tạo lên hình tứ diện H O Liên kết hiđro dài 1,76A Liên kết cộng hoá trị O-H dài 0,99A 46 Tính chất nước * Liên kết phân tử liên kết hiđro yếu nên nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi nhỏ Tuy nhiên, so với phân tử không tạo liên kết hiđro tạo liên kết hiđro yếu H2S; H2Se; H2Te nước có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi cao nhiều * Khoảng cách phân tử nước lớn nên tinh thể rỗng, tinh thể nước đá có khối lượng riêng nhỏ Khối lượng riêng nước áp suất khí lớn 3,98 oC 47 P at * Do thể tích nước đá lớn nước lỏng nên tăng áp suất nước đá chảy thành nước lỏng, áp suất cao nhiệt độ nóng chảy nước đá giảm l r 0,006 k 100 0,01 Giản đồ trạng thái nước đá toC * Nước có nhiệt dung riêng lớn so với chất lỏng chất rắn Nước có vai trò quan trọng việc điều tiết khí hậu trái đất * Do phân tử nước phân cực mạnh tạo liên kết H nên nước có khả hoà tan tốt nhiều hợp chất phân cực, chất điện ly Nước có vai trò lớn sống trái đất 48 Tính khối lượng riêng kim loại Khối lượng nguyên tử kim loại: Thể tích cầu : M NA 4r3 Một cầu chiếm trong không gian : 4r3 3P Với P độ đặc khít mạng tinh thể: 68 74% Khối lượng riêng kim loại là: 3.M.P 4r3.NA 49 áp dụng tính tỷ khối tinh thể Ni A Bán kính rNi = 1,24 = 1,24 10-8 cm Độ đặc khít mạng lptm: 74% C A a= = 4r 1,24 B Tỷ khối: 0,74 58,7 3,14 (1,24.10-8)3 6,02.1023 = 9,04 (g/cm3) = 3,507 () 50 * Quy tắc Engel Brewer cho biết cấu trúc tinh thể kim loại hợp kim phụ thuộc vào số e s p độc thân trung bình nguyên tử kim loại trạng thái kích thích: a a < 1,5 :lập phương tâm khối 1,7 < a < 2,1 :lục phương chặt khít 2,5 < a < 3,2 :lập phương tâm mặt a~4 : mạng tinh thể kim cương áp dụng: Na : 1s22s22p63s1 a = tinh thể mạng lptk Mg : 1s22s22p63s2 1s22s22p63s13p1 a = tinh thể mạng lpck Al : 1s22s22p63s23p1 1s22s22p63s13p2 a = tinh 51 thể mạng lptm Xác định tỷ khối Na, Mg, Al D= 3.M.P 4r3.NA Kim loại Nguyên tử khối Bán kính nguyên tử (A) Mạng tinh thể Độ đặc khít Tỷ khối lý thuyết (g/ml) Tỷ khối thực nghiệm(g/ml) Na 22,99 1,89 lptk 0,68 0,919 0,97 Mg 24,31 1,6 lpck 0,74 1,742 1,74 52 Al 26,98 1,43 lptm 0,74 2,708 2,7 Bảng tính chất Na, Mg, Al Kim loại Na Mg Al Số thứ tự 11 12 13 Nguyên tử khối 22,99 24,34 26,98 Cấu hình electron 1s22s22p63s1 1s22s22p63s2 1s22s22p63s23p1 Kiểu mạng tinh thể Lptk Lpck Lptm Bán kính nguyên tử 1,89 1,6 1,43 Bán kính ion () 0,98 0,74 0,57 Độ âm điện 0,9 1,2 1,5 Tỷ khối (g/cm3) 0,97 1,74 2,7 Nhiệt độ nóng chảy 98 oC 651 oC 660 oC Nhiệt độ sôi (oC) 883 1107 2520 Độ dẫn điện 20,8 21,4 36,1 Độ cứng 0,4 2,5 2,75 53 Hợp chất ion CsBr KBr MgO () 1,65 + 1,96 = 3,61 1,33 + 1,96 = 3,29 0,74 + 1,36 = 2,1 c a rc Tỷ lệ bán kính 0,842 > 0,732 0,41[...]... 8.1/8 = 4 Tổng thể tích các quả cầu Thể tích của một ô đơn vị = 74 % 11 Tính độ đặc khít của mạng lục phương chặt khít a b 2a 6 3 a Ô cơ sở a a a a a = 2.r a 6 3 a 3 2 Số quả cầu trong một ô đơn vị: 4.1/6 + 4.1/12 + 1 = 2 Tổng thể tích các quả cầu = 74 % Thể tích của một ô đơn vị 12 Bảng tổng quát các đặc điểm của các mạng tinh thể kim loại Cấu trúc Hằng số mạng Số đv Số Số Số Độ đặc cấu trúc (n) phối... sung, làm cho tinh thể bị phá vỡ * Vì lực liên kết mạnh, các ion đều tích điện nên các hợp chất ion chỉ tan trong dung môi phân cực * Vì trong ion, các e chuyển động trên các obitan định chỗ trên các ion nên ở trạng thái tinh thể các hợp chất ion không dẫn điện Nhưng ở trạng thái nóng chảy và dung dịch thì chúng dẫn được diện 30 3 .Tinh thể nguyên tử * Trong tinh thể nguyên tử, các đơn vị cấu trúc chiếm... tử, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị nên còn gọi là tinh thể cộng hoá trị * Do liên kết cộng hoá trị có tính định hướng nên cấu trúc tinh thể và số phối trí được quyết định bởi đặc điểm liên kết cộng hoá trị, không phụ thuộc vào điều kiện sắp xếp không gian của nguyên tử * Vì liên kết cộng hoá trị là liên kết mạnh nên các tinh thể nguyên tử có độ cứng đặc biệt lớn, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt... Thuyết khí electron Thuyết vùng 14 1.Mạng tinh thể kim loại: * Nguyên tử kim loại được coi như những quả cầu cứng, có kích thước như nhau, được xếp chặt khít vào nhau thành từng lớp Kim loại kết tinh chủ yếu theo ba kiểu mạng tinh thể: Mạng lập phương tâm diện (lptd) Mạng lục phương chặt khít (lpck) Mạng lập phương tâm khối (lptk) 15 Thuyết khí electron Tinh thể kim loại gồm: * Các cation kim loại nằm... NiAs Các ion As3- sắp xếp theo kiểu lục phương chặt khít Các ion Ni3+ chiếm hết số hốc bát diện Số phối trí của Ni và As đều bằng 6 Ni As 23 Tinh thể CsCl Cs Cl Tinh thể CsCl gồm hai mạng lập phương đơn giản lồng vào nhau Số phối trí của Cs và Cl đều bằng 8 24 Tinh thể vuarit A A' B Các ion S2- sắp xếp theo kiểu lục phương, các ion Zn2+ chiếm một nửa số hốc tứ diện Mạng vuarit bao gồm hai mạng lục phương... ra các ion trái dấu hút nhau * Các anion thường có bán kính lớn hơn cation nên trong tinh thể người ta coi anion như những quả cầu xếp khít nhau theo kiểu lptm, lpck, hoặc lập phương đơn giản Các cation có kích thước nhỏ hơn nằm ở các hốc tứ diện hoặc bát diện 20 Tinh thể hợp chất ion dạng MX Điều kiện bền của cấu trúc: r 0.22 < rM < 0.41 kiểu phối trí tứ diện (số phối trí cua M là 4) : mạng X sphalerit... X mạng CsCl 21 Tinh thể NaCl Na Cl * Các ion Cl - xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các cation Na+ nhỏ hơn chiếm hết số hốc bát diện Tinh thể NaCl gồm hai mạng lập phương tâm mặt lồng vào nhau Số phối trí của Na+ và Cl- đều bằng 6 * Số ion Cl- trong một ô đơn vị: 8.1/8 + 6.1/2 = 4 * Số ion Na+ trong một ô đơn vị: 12.1/4 + 1.1 = 4 * Số phân tử NaCl trong một ô đơn vị là 4 22 Mạng tinh thể NiAs Các ion... cương là chất cách điện 33 Tính chất của kim cương * Do cấu trúc không gian ba chiều đều đặn và liên kết cộng hoá trị bền vững nên Kim cương có khối lượng riêng lớn (3,51), độ cứng lớn nhất, hệ số khúc xạ lớn, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy cao, giòn, không tan trong các dung môi, không dẫn điện * Cùng kiểu mạng tinh thể với kim cương có tinh thể của các nguyên tố Si, Ge và Sn() và một số hợp chất... Mạng tinh thể hợp chất dạng M2X Ca F Florit (CaF2) Các ion Ca2+ sắp xếp theo kiểu lập phương tâm mặt, các ion Fchiếm các hốc tứ diện Cùng kiểu mạng này có tinh thể của Na2O 27 Mạng rutin Oxi Ti Rutin TiO2 Các ion O2- sắp xếp theo kiểu lục phương, các ion Ti4+ chiếm một nửa số hốc bát diện Số phối trí của Ti là 6, của O là 3 Trong một ô đơn vị có 4 ion O và 2 ion Ti4+, 2 phân tử TiO2 28 Bảng các mạng tinh. .. động tự do trong toàn tinh thể * Lực liên kết kim loại càng mạnh khi số electron hoá trị chuyển thành electron tự do càng lớn Thuyết khí electron giải thích các rính chất vật lý của kim loại Do các electron liên kết kim loại chuyển động tự do nên * Khi các lớp trượt lên nhau thì không xuất hiện lực đẩy bổ xung Tinh thể kim loại chỉ biến dạng mà không bị phá vỡ * Các electron này có thể chuyển động thành ... lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) mạng lưới không gian ba chiều nút mạng đơn vị cấu trúc (nguyên tử , ion, phân tử ) Các loại cấu trúc tinh thể * Tinh thể kim loại * Tinh thể ion * Tinh thể nguyên... * Tinh thể nguyên tử (tinh thể cộng hoá trị) * Tinh thể phân tử ô đơn vị (tế bào bản) * Là phần tinh thể mà cách tịnh tiến theo hướng ba trục tinh thể ta thu toàn tinh thể * Mỗi ô đơn vị cho... mạng tinh thể dễ tách khỏi nhau, nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi thấp, tan tốt dung môi tạo dung dịch 38 Khí trơ Tinh thể Ne, Ar, Xe, Kr Tinh thể He 39 Tinh thể phân tử iod * Mạng lưới tinh thể