TÍNH ĐA HÌNH VÀ ĐỒNG HÌNH trong cấu trúc tinh thể

Seminar TINH THỂ HỌC Lớp: LL&PP DH môn Vật Lý- K23 GVHD: PGS.TS Trương Minh Đức HVTH: Nguyễn Thị Thanh Hường Phan Văn Hào Đỗ Thị Thu Lộc Dương Thị Hằng Trần Thị Hải Chương 3: 3.1 TÍNH ĐA HÌNH 3.2 ĐỒNG HÌNH VÀ DUNG DỊCH RẮN 3.1 Tính đa hình Đa hình tượng chất có thành phần hóa học lại kết tinh theo cấu trúc khác Ví dụ: cac bon kết tinh theo kiểu cấu trúc khác dẫn đến tính chất khác biệt hoàn toàn Đó kim cương thuộc hệ lập phương grafit thuộc hệ lục phương Kim cương khoáng vật cứng tất khoáng vật Tinh thể suốt không dẫn điện, tỷ trọng 3,51 Grafit mềm hơn, tinh thể màu đen dẫn điện tốt, tỷ trọng 2,22 Người ta nói kim cương grafit biến thể đa hình cac bon Đa hình tượng phổ biến Hầu tất chất tồn biến thể đa hình (dạng thù hình) khác Mỗi dạng thù hình có phạm vi tồn (tùy điều kiện) biểu đồ trạng thái Khi biến thể chuyển thành biến thể khác tính chất thay đổi theo (phụ thuộc vào phân bố lại nguyên tử cấu trúc) Sự chuyển biến biến thể đa hình xảy chiều, nghĩa biến thể A chuyển thành B biến thể B chuyển thành A Tuy nhiên, bên cạnh chất có khả chuyển biến chiều lại có chất chuyển biến chiều Ví dụ: Thạch anh ⇔ tridimit ⇔ cristobalit Kim cương biến thành grafit Trong thời gian dài, trình coi chiều, người ta biến grafit thành kim cương áp suất nhiệt độ đủ cao - kim cương nhân tạo Sự chuyển biến chiều lúc thực dễ dàng Thường có ngưng trệ Trong số trường hợp , trạng thái ổn định tạm thời chất tồn lâu Như thủy tinh “tạm thời “ hàng trăm năm chưa chuyển trạng thái bền vững vật chất trạng thái kết tinh 3.1 Tính đa hình * Các loại biến đổi đa hình: Loại biến đổi đa hình có kèm theo thay đổi số phối trí Ví dụ: điều kiện thường RbCl kết tinh theo kiểu NaCl (sft = 6) nhiệt độ thấp áp suất cao tinh thể RbCl có cấu trúc kiểu CsCl với sft Bản thân CsCl nhiệt độ 4450C có cấu trúc kiểu NaCl Trong trường hợp tượng biến đổi đa hình có liên quan đến mức độ phân cực ion cỡ lớn (Cs, Rb) điều kiện hóa lý thay đổi Buerger (Bua-ge) đưa qui luật chung cho biến đổi đa hình liên quan đến số phối trí: “ Những cấu trúc với số phối trí lớn thường bền vững nhiệt độ thấp, áp suất cao ngược lại Số phối trí nhỏ thường đặc trưng cho cấu trúc bền vững nhiệt độ cao áp suất thường” Ví dụ: Al2SiO5 có biến thể đa hình silimanit, andaluzit disten Ba biến thể khác chỗ: • Ở silimanit: 1/2 số Al3+ có sft 1/2 số Al3+ có sft 4; tạo thành nhiệt độ cao • Ở Andaluzit: 1/2 số Al3+ có sft 1/2 số Al3+ có sft 5; tạo thành nhiệt độ thấp • Ở Disten tất Al3+ có sft 6; tạo thành nhiệt độ thấp 3.2.3 Điều kiện để có thay đồng hình  Dạng lực liên kết chất: Trong thay đồng hình, chất dạng liên kết chất đóng vai trò đáng kể xác định kiểu cấu trúc dạng tinh thể Ví dụ: Trong hợp chất MgO (periclaz) ZnO (Zinkit), Mg2+ Zn2+ có bán kính gần (0,78A0 0,83A0 ) MgO (periclaz) ZnO (Zinkit) chung cấu trúc Mg2+ Zn2+ thay đồng hình cho nhau, dạng liên kết periclaz liên kết ion, Zinkit liên kết cộng hóa trị đồng cực 3.2.3 Điều kiện để có thay đồng hình Lưu ý: - Trong số trường hợp thay đồng hình cấu tử tạo dung dịch rắn Nguyên nhân cấu trúc có nút mạng bị khuyết hạt nguyên tố cấu tử khác chiếm chỗ để tạo nên dung dịch rắn - Một điều đặc trưng tượng đồng hình hạt tinh thể chất đồng hình mầm để khơi mào kết tinh từ dung dịch chậm đông chất khác đồng hình với Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn  Hiện tượng siêu dẫn: Điện trở kim loại bình thường (ví dụ đồng) giảm dần nhiệt độ giảm đạt tới giá trị thấp gần K Ngược lại, điện trở thủy ngân lại giảm đột ngột đến mức đo nhiệt độ 4,2 K Hiện tượng gọi siêu dẫn, vật liệu có tính chất gọi vật liệu siêu dẫn Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn Nhiệt độ, mà thấp nhiệt độ điện trở vật liệu đạt tới tuyệt đối gọi nhiệt độ tới hạn TC Trên nhiệt độ vật liệu gọi bình thường TC siêu dẫn Ngoài nhiệt độ, trạng thái siêu dẫn phụ thuộc vào nhiều biến số khác mà quan trọng từ trường B mật độ dòng J Đối với vật liệu siêu dẫn, nhiệt độ tới hạn vật liệu, từ trường mật độ dòng không vượt mặt phẳng T, B, J tới hạn không gian (đối với vật liệu siêu dẫn) Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn  Tính chất từ vật liệu siêu dẫn: Nếu từ trường đủ mạnh áp vào vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp nhiệt độ tới hạn, vật liệu siêu dẫn trở trạng thái bình thường Từ trường đặt vào cần thiết để tái thiết độ dẫn điện bình thường vật liệu siêu dẫn gọi từ trường tới hạn HC Đường cong HC phụ thuộc vào nhiệt độ (K) gần sau: Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn  Phân loại vật liệu siêu dẫn: Theo tính chất vật liệu siêu dẫn từ trường áp đặt, chia siêu dẫn loại I loại II  Vật liệu siêu dẫn loại I (như Pb Sn), đặt vào từ trường nhiệt độ phòng, từ trường qua kim loại cách bình thường (hình a) Tuy nhiên, nhiệt độ siêu dẫn loại I làm lạnh xuống TC (7,19K Pb) từ trường HC, từ trường bị bật khỏi mẫu, ngoại trừ lớp thấm vào sắt mỏng cỡ 10-5 cm bề mặt (hình b) Tính chất ngăn chặn từ trường trạng thái siêu dẫn gọi hiệu ứng Meissner Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn  Vật liệu siêu dẫn loại II Vật liệu có tính chất khác so với vật liệu siêu dẫn loại I đặt từ trường nhiệt độ TC Chúng nghịch từ cao giống siêu dẫn loại I từ trường áp đặt tới hạn HC1 có giá trị thấp HC (hình c) lúc đường từ thông bị bật khỏi vật liệu Trên HC1, từ trường bắt đầu thấm vào siêu dẫn loại II tiếp tục điểm tới hạn HC2 Giữa khoảng HC1 HC2 siêu dẫn nằm trạng thái trung gian HC2 trở trạng thái bình thường Trong vòng HC1 HC2, siêu dẫn dẫn dòng điện lòng vật liệu khối, vùng từ trường dùng để dẫn dòng lớn, siêu dẫn từ trường cao NiTi Ni3Sb siêu dẫn loại II Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn  Vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao: Ta xét hợp chất YBa2Cu3Oy Từ quan điểm cấu trúc tinh thể, hợp chất YBa2Cu3Oy xem có cấu trúc perovskite khiếm khuyết với ba tế bào đơn vị perovskite lập phương chồng lên Cấu trúc perovskite CaTiO3 trình bày hình Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn Đối với việc chồng ba tế bào đơn vị perovskite lập phương lý tưởng, hợp chất YBa2Cu3Oy phải có thành phần YBa2Cu3O9, y phải Tuy nhiên, phân tích y thay đổi từ 6,65 tới 6,69 vật liệu có tính chất siêu dẫn Tại y = 6,69, nhiệt độ TC cao (khoảng 90K) y = 6,65, tính chất siêu dẫn biến Như vậy, khuyết tật Oxy đóng vai trò hành vi siêu dẫn YBa2Cu3Oy Nếu dung lượng oxy gần với y = 7, TC gần 90K tế bào đơn vị có kích thước a = 3,82 A0, b = 3,88 A0 c = 11,6 A0 Tìm hiểu vật liệu siêu dẫn Để có giá trị TC cao, nguyên tử oxy mặt (001) phải xếp cho khuyết tật Oxy nằm hướng a Tính siêu dẫn tin bị hạn chế mặt phẳng CuO2, với khuyết tật Oxy đảm bảo điện tử kết hợp mặt CuO2 Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua chồng nguyên tử Ba Y cấu trúc YBa2Cu3Oy Một số ứng dụng vật liêu siêu dẫn: Vật liệu siêu dẫn NbTi Nb3Sn ứng dụng đĩa đệm từ xe cộ loại tàu hoả tốc độ cao nam châm siêu dẫn trường cao sử dụng máy gia tốc hạt trường vật lý lượng cao - Một số vật liêu siêu dẫn nhiệt độ cao sử dụng làm đường dây cáp siêu dẫn có khả tải điện xa mà không bị tổn hao lượng điện trở; vật liệu làm màng mỏng cho ứng dụng điện tử, thí dụ máy tính tốc độ cao Kết luận Việc nghiên cứu chất rắn phần quan trọng việc chế tạo máy móc Việc nghiên cứu tính đa hình, đồng hình tạo vật liệu có nhiều ứng dụng phục vụ người THE END ***** Cảm ơn thầy bạn theo dõi! [...]... 3.2 Đồng hình và dung dịch rắn 3.2.1 Khái niệm Chất đồng hình (Isomorphous ): khái niệm này được đưa ra bởi Mitscherlich vào năm 1918 Các chất đồng hình là những chất có hình dạng cấu trúc tinh thể khá giống nhau Hợp chất cấu tạo nên tinh thể cũng có công thức hóa học rất giống nhau và chỉ có một số khác biệt trong thành phần các nguyên tố Ví dụ 1: Cặp hợp chất KH2PO4 và KH2AsO4 + Về công thức cấu. .. có thể thay thế nhau trong hợp chất muối cacbonat  Sự tương tự về mặt cấu trúc tinh thể Ví dụ: Cặp hợp chất CaSO4 và SrSO4 tương tự về mặt hóa học nhưng không bộc lộ khả năng đồng hình vì bán kính của Sr2+(1,27A0) lớn hơn hẳn của Ca2+ (1,04A0) Do đó, Sr thay cho Ca sẽ phá vỡ sự bền vững của cấu trúc sunfat và dẫn đến sự hình thành cấu trúc mới  Sự tương tự về mặt cấu trúc tinh thể Ví dụ khác, cặp... nhưng lại là cặp đồng hình Vì mặc dù có hóa trị khác nhau nhưng anion ClO4- và SO42- vẫn có cùng dạng tứ diện và cùng kích thước nhau Bán kính ion Na+ (0,98 A0) cũng gần với bán kính của Ca2+ Như vậy, để tạo nên được hợp chất đồng hình thì cần thiết có sự tương tự về mặt cấu trúc tinh thể cũng như về kích thước của các đơn vị cấu trúc trong các tinh thể đó  Hai vật chất gọi là đồng hình thì phải có... Hiện tượng này phổ biến trong các hợp kim hay trong trường thạch kali.(K2O.Al2O3.6SiO2 ) 3.1 Tính đa hình 4 Loại biến đổi đa hình liên quan đến sự quay các phân tử (hay radican) trong tinh thể Hiện tượng này phổ biến trong các hợp chất hữu cơ 3.1 Tính đa hình * Ứng dụng của biến đổi đa hình: - Tạo nên các tính chất kỹ thuật cần thiết Ví dụ: Chế tạo kim cương nhân tạo - Chế tạo 1 số vật liệu có độ... cấu tạo: + Về cấu tạo tinh thể: cùng chung cấu trúc tinh thể, thông số mạng lưới của chúng xấp xỉ nhau 3.2.1 Khái niệm Sự đồng hình là sự tổng hợp của 3 hiện tượng sau :  Sự tương tự về mặt hóa học: nguyên tố của vật chất này có thể được thay thế được bằng nguyên tố của vật chất kia Những nguyên tử của các nguyên tố ấy được gọi là những hạt thay thế đồng hình Chẳng hạn, các ion Fe2+ và Mg2+ có thể. .. cặp tứ diện kề nhau thì trong Cristobalit hai hình đó đối xứng nhau qua tâm đối xứng Trong tridimit chúng đối xứng nhau qua mặt đối xứng Trong thạch anh chúng gắn kết theo đường xoắn ốc Sự biến đổi 2 chiều giữa chúng diễn biến chậm theo sơ đồ sau: 3.1 Tính đa hình 3 Biến đổi đa hình kèm theo sự thay đổi trật tự của các hạt cấu trúc Hiện tượng này phổ biến trong các hợp kim hay trong trường thạch kali.(K2O.Al2O3.6SiO2... công thức cấu tạo: Chỉ khác nhau ở nguyên tố P là As + Về hình dạng tinh thể: KH2PO4 và KH2AsO4 kết tinh cùng một dạng đa diện là hình ghép của hai hình đơn: lăng trụ và tháp đôi bốn phương, góc giữa mặt phẳng (101) và (011) của hai đa diện đều bằng 580 (giá trị hiệu chỉnh về sau lần lượt bằng 57058’, 57052’, với tỉ số cạnh ô mạng là 1: 0,939 và 1: 0,938) Ví dụ 2: Muối cacbonat của các kim loại hóa...3.1 Tính đa hình * Các loại biến đổi đa hình: 2 Khi chuyển đổi đa hình số phối trí luôn được bảo toàn nhưng cách thức gắn kết các hình phối trí của các cation thay đổi Ví dụ: Trong 3 dạng thù hình của SiO2 là thạch anh, tridimit Cristobalit thì nguyên tử Si đều có số phối trí 4 nhưng ở mỗi dạng thù hình hình phối trí tứ diện của Si gắn kết với nhau theo... gọi là sự thay thế kép Ví dụ: - Trong cấu trúc của saphir, Fe2+ và Ti4+ thế chân 2Al3+ trong corindon α - Al2O3 - Dãy dung dịch cứng plagioclas (trường thạch) nằm giữa hai thành phần đầu và cuối là anbit Na(AlSi3O8) và anorthit Ca(Al2Si2O8) thể hiện bằng thay thế kép sau: Na1+Si4+= Ca2+Al3+ Để Ca2+ thay thế Na+ trong cấu trúc plagioclas thì Si4+ sẽ bị Al3+ thế chân trong khung Si-O Đẳng thức cho thấy... là đồng hình thì phải có khả năng tạo nên những tinh thể hỗn hợp, nghĩa là trong cấu trúc của một tinh thể có mặt cả hai vật chất trên - gọi là dung dịch rắn  Tìm hiểu về dung dịch rắn (a) Dung dịch rắn thay thế Trong dung dịch rắn thay thế các nguyên tử hay ion của chất này có thể thay thế đúng vị trí nút mạng của nguyên tử hay ion chất khác đồng hình với nó (a) Dung dịch rắn thay thế Điều kiện