cấu tạo tính chất mạng tinh thể kim loại

Để có thể khai thác tối đa tiềm năng của loại vật liệu này, các ngành khoa luôn tích cực nghiên cứu cấu tạo, tính chất, từ đó, có thể đưa ra được những phương án ứng dụng phù hợp cho từn

Trang 1

VLHENMA HK I 16-17

NGUYỄN NHỰT LINH-15145281-VLHENMA-HK I 16-17-Tiểu luận 1-2

Mục lục

1 NGUYỄN NHỰT LINH-15145281

Trang 2

VLHENMA HK I 16-17

LỜI NÓI ĐẦU

Từ lâu, con người đã biết dùng đồng, sắt để phục vụ sản xuất và đời sống Trên con đường phát triển của xã hội, không chỉ đồng, sắt mà các vật liệu kim loại khác cũng đóng vai trò rất lớn Để có thể khai thác tối đa tiềm năng của loại vật liệu này, các ngành khoa luôn tích cực nghiên cứu cấu tạo, tính chất, từ đó, có thể đưa ra được những phương án ứng dụng phù hợp cho từng ngành riêng biệt Mối quan tâm về cấu trúc tinh thể và những liên quan của nó đến tính chất kim loại cũng không nằm ngoài xu thế phát triển đó Vì vậy, tiểu luận này đã lựa chọn đề tài Mối liên hệ giữa cấu trúc mạng tinh và tính chất kim loại nguyên chất ở nhiệt độ T nhỏ hơn hoặc bằng 0,4 lần nhiệt độ nóng chảy

Tiểu luận này bao gồm các chương:

• Chương 1: Khía niệm cấu trúc tinh thể

• Chương 2: Cấu trúc tinh thể kim loại

• Chương 3: Tính chất kim loại

Tiểu luận được dùng trong trường học, do sinh viên thực hiện để báo cáo quá trình học tập Ngoài tham khảo giáo trình, sinh viên cũng sử dụng các nguồn tài khác để phục vụ việc xây dựng tiểu luận Mong nhận được các ý kiến đóng góp và nhận xét Xin chân thành cảm ơn

Trang 3

VLHENMA HK I 16-17

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CẤU TRÚC TINH THỂ

Nếu giả thiết các phần tử cấu tạo nên vật chất là các nguyên tử, ion hoặc phân tử, thì tinh thể là trạng thái mà ở đó, các phần tử sắp xếp trong không gian tạo nên một quy luật nào

đó Về mặt hình học, các phần tử cấu tạo được xem như những chất điểm, quy luật của những chất điểm này là tính đối xứng và hoàn toàn trong không gian tinh thể Do vậy, tinh thể thường nhận một hình thái nhất định dưới dạng một đa diện nào đó

Khi làm nguội từ từ một dung dịch bão hòa hay một chất lỏng, chuyển động nhiệt của các hạt giảm, những phân tử, nguyên tử hay ion tập hợp lại và phân bố, sắp xếp thành mạng lưới không gian với một cấu trúc xác định Khi đó ta có một tinh thể, hay quá trình này gọi là quá trình kết tinh

Trong thực tế, các chất rắn tinh thể được tạo thành từ nhiều tinh thể rất nhỏ (khoảng 10 – 20 µm) định hướng khác nhau Các chất rắn như vậy gọi là đa tinh thể Với những tinh thể tạo nên chất rắn như một tinh thể duy nhất được gọi là đơn tinh thể

Cấu trúc tinh thể liên quan đến mọi tính chất của vật liệu Do đó để tổng hợp được loại vật liệu có các tính chất mong muốn phải hiểu rõ cấu trúc bên trong của nó và từ đó lựa chọn phương pháp chế tạo hợp lí Có nhiều cách mô tả cấu trúc tinh thể: Dựa vào kiểu tế bào mạng, vào cách sắp xếp khít khối cầu, dựa vào cách nối các đa diện trong không gian

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC TINH THỂ KIM LOẠI

2.1 Liên kết hóa học trong tinh thể kim loại

2.1.1 Mô hình “khí electron” của Đruđơ và Loren (Drude, Lorentz)

Theo mô hình này, các electron có khả năng tách khỏi nguyên tử và di động tương đối

tự do trong nguyên tử tạo thành một đám “khí electron” Sự tương tác giữa “khí electron” này với ion dương kim loại ở các nút mạng là nguyên nhân của lực liên kết kim loại

Dựa trên mô hình này, ta có thể giải thích một số tính chất vật lý của kim loại như: tính dẫn nhiệt, dẫn điện, tính cứng, khả năng hấp thụ và phản xạ ánh sáng,

Tuy nhiên với mô hình trên, khó khăn trong việc giải thích nhiệt dung của kim

loại

J/(kg K) = 2.389x10-4 kcal/(kg oC)

1 kJ/(kg K) = 0.2389 kcal/(kg oC)

1 kcal/(kg oC) = 4,186.8 J/ (kg K)

Theo thuyết động học của chất khí, trong tinh thể kim loại, các electron tự do

phải có phần đóng góp vào nhiệt dung chung của tinh thể kim loại là 3/2R (R - hằng số khí

= 8,3144J/mol.K = 1,98 cal/mol.K) Điều này mâu thuẫn với kết quả thực nghiệm là phần đóng góp của “các khí electron” là không đáng kể.

Trang 4

Bảng 1 Nhiệt dung cụ thể của một số kim loại thông thường Kim loại

Nhiệt dung riêng

của kim loại - cp Kim loại

Nhiệt dung riêng

của kim loại - cp

(kJ/kg K) (kcal/kg o

C) (kJ/kg K) (kcal/kg o C)

2.1.2 Mô hình dải năng lượng

Mô hình này dựa trên cơ sở về electron không định cư (tức là electron chuyển động trên các MO chung của toàn phân tử) Trên cơ sở này, thuyết MO thích hợp trong việc mô tả liên kết kim loại

Các trạng thái electron ở đây cũng được hình dung như các trạng thái electron π không định cư trong phân tử benzen hay trong các hệ electron π không định cư trong phân tử có hệ liên kết liên hợp

Hình 1 Sự hình thành dải năng lượng của MO không định cư

Giải thích theo mô hình trên:

- Đối với phân tử có sự tổ hợp của N obitan nguyên tử sẽ cho N/2 MO liên kết và N/2 MO phản liên kết với các mức năng lượng rời rạc, gián đoạn

Trang 5

- Trong tinh thể kim loại, số nguyên tử vô cùng lớn, nên số AO cũng vô cùng lớn Vì vậy, sự tổ hợp các AO này cũng cho một số vô cùng lớn các MO, và như thế hiệu các mức năng lượng sẽ vô cùng nhỏ Khi đó sự phân bố mức năng lượng gần như liên tục và tập hợp các mức năng lượng nằm sát nhau được gọi là dải năng lượng

- Khi hiệu năng lượng giữa các mức phản liên kết thấp nhất và các mức liên kết cao nhất càng nhỏ trên nguyên tử trong tinh thể kim loại thì sẽ xảy ra sự xen phủ các dải năng lượng

Ví dụ:

Hình 2 Dải năng lượng đối với tinh thể Li

2.2 Cấu trúc trong tinh thể kim loại

Trong tinh thể kim loại thường mỗi nguyên tử hay ion kim loại được bao bọc bởi 12 hay 8 nguyên tử cùng loại (số phối trí bằng 8 hoặc 12) Các ion hoặc nguyên tử kim loại trong mạng lưới liên kết với nhau nhờ các mây electron tự do không định chỗ và không cố định vào một nguyên tử nào

Trong tinh thể kim loại các nguyên tử kim loại nằm cạnh nhau nhờ “mây electron hoá trị” xen phủ lẫn nhau, nên mỗi electron hoá trị sẽ chịu tác dụng đồng thời điện trường của nhiều nguyên tử Vì vậy electron hoá trị có thể chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử

khác mà không cần tiêu thụ năng lượng Đó là những electron tự do trong tinh thể.

Các nguyên tử kim loại được sắp xếp một cách khít nhất ứng với một số phối trí cực đại Vì các nguyên tử kim loại được coi là hình cầu, nên cách sắp xếp này được coi là cách sắp xếp một quả cầu khít nhất

Ba kiểu mạng tinh thể của hầu hết kim loại là: lục phương, lập phương tâm diện và lập phương tâm khối

Lục phương, Lập phương tâm diện Lập phương tâm khối

Hình 3 Các kiểu mạng tinh thể kim loại

Trang 6

Hình 4 Một số dạng cấu trúc tinh thể ở trạng thái cơ bản

Bảng 2 Kiến trúc tinh thể của các kim loại:

Li

3

Be 2 K

3

Ca 1,2

Sc 1,2

Ti 2,3

V 3

Cr 3

Mn

-Fe 1,3

Co 1,2

Ni 1,2

Cu 1

Zn 2 Rb

3

Sr 1

Y 2

Zr 2,3

Nb 3

Mo 2,3

Te 2

Ru 1,2

Rh 1

Pd 1

Ag 1

Cd 2 Cs

3

Ba 3

La 1,2

Hf 2,3

Ta 3

W 3

Re 2

Os 1,2

Ir 1

Pt 1

Au 1

Hg

-Trong đó: Số 1- Chỉ mạng lưới lập phương tâm diện; Số

2- Chỉ mạng lưới lục phương;

Số 3- Chỉ mạng lưới lập phương tâm khối;

2.3 Một số kiểu mạng tinh thể kim loại.

2.3.1 Mạng lập phương đơn giản:

- Đỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại

- Số phối trí = 6

- Số đơn vị cấu trúc: 1

2.3.2 Mạng lập phương tâm khối:

- Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử hay ion dương kim loại

2.3.4 Mạng lập phương tâm diện

- Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương là các nguyên tử hoặc

ion dương kim loại

- Số đơn vị cấu trúc:4

Trang 7

2.3.5 Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương):

- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở Mỗi ô mạng cơ sở là một

khối hộp hình thoi Các đỉnh và tâm khối hộp hình thoi là nguyên tử

hay ion kim loại

CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT KIM LOẠI

Tinh thể kim loại có những tính chất đặc biệt như: khả năng biến dạng không đàn hồi, dễ dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim,…

Giải thích:

Hình 28 Sự biến dạng không đàn hồi của kim loại

- Khả năng biến dạng của kim loại được giải thích bởi tính không định hướng của lực liên kết

và tính đồng nhất của các cấu tử Khi xẩy ra biến dạng có sự trượt của các mặt lưới so với nhau

- Mặc dù trên các MO đã bão hòa, thì sự chuyển động của electron không tuân theo một phương xác định Nhưng theo mô hình dải năng lượng thì trong mạng tinh thể kim loại luôn tồn tại những MO tự do (không có electron), có mức măng lượng gần với các MO bão hòa electron Do đó, khi có sự tương tác của điện trường ngoài, các electron

Trang 8

dễ chuyển lên các MO tự do và từ đó có sự di chuyển electron theo phương của điện trường ngoài Đó là nguyên nhân của tính dẫn điện của kim loại

- Kim loại có điện trở nhỏ, điện trở kim loại là hệ quả sự khuếch tán của electron khi gặp ion dao động

- Khả năng biến dạng của kim loại cho phép những nguyên tử chiếm vị trí mới mà không làm đứt liên kết Cũng do nguyên nhân này mà kim loại điển hình có nhiệt độ nóng chảy thấp

3.1 Tính dẻo

Khác với phi kim, kim loại có tính dẻo : dễ rèn, dễ dát mỏng và dễ kéo sợi Vàng là kim loại có tính dẻo cao, có thể dát thành lá mỏng đến mức ánh sáng có thể xuyên qua Kim loại có tính dẻo là vì các ion dương trong mạng tinh thể kim loại có thể trượt lên nhau dễ dàng mà không tách ra khỏi nhau nhờ những electron tự do chuyển động dính kết chúng với nhau

3.2 Tính dẫn điện

Khi đặt một hiệu điện thế vào hai đầu dây kim loại, những electron tự do trong kim loại

sẽ chuyển động thành dòng có hướng từ cực âm đến cực dương, tạo thành dòng điện Kim loại dẫn điện tốt nhất là Ag, sau đó đến Cu, Au, Al, Fe, Nhiệt độ của kim loại càng cao thì tính dẫn điện của kim loại càng giảm do ở nhiệt độ cao, các ion dương dao động mạnh cản trở dòng electron chuyển động

3.3 Tính dẫn nhiệt

Tính dẫn nhiệt của các kim loại cũng được giải thích bằng sự có mặt các electron tự do trong mạng tinh thể Các electron trong vùng nhiệt độ cao có động năng lớn, chuyển động hỗn loạn và nhanh chóng sang vùng có nhiệt độ thấp hơn, truyền năng lượng cho các ion dương ở vùng này nên nhiệt lan truyền được từ vùng này đến vùng khác trong khối kim loại Thường các kim loại dẫn điện tốt cũng dẫn nhiệt tốt

3.4 Ánh kim

Các electron tự do trong tinh thể kim loại phản xạ hầu hết những tia sáng nhìn thấy được,

do đó kim loại có vẻ sáng lấp lánh gọi là ánh kim

Ngoài ra, kim loại còn thể hiện một vài tính chất khác như:

• Tỉ khối

Những kim loại khác nhau có tỉ khối khác nhau rõ rệt Ví dụ kim loại có tỉ khối nhỏ nhất là Li 0,5, kim loại có tỉ khối cao nhất là Os 22,6

Quy ước những kim loại có tỉ khối nhỏ hơn 5 là kim loại nhẹ, như Na, K, Mg, Al… Những kim loại có tỉ khối lớn hơn 5 là kim loại nặng, như Fe, Zn, Cu, Ag, Au…

• Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ của kim loại loại cũng khác nhau Có kim loại nóng chảy ở nhiệt độ -390C như Hg, có kim loại nóng chảy ở 34220C như W

Trang 9

• Tính cứng

Những kim loại khác nhau có tính cứng khác nhau Có kim loại mềm như sáp, dùng dao cắt được

dễ dàng như Na,K….Ngược lại có kim loại rất cứng không thể dũa được như W, Cr

Những tính chất: tỉ khối, nhiệt độ nóng chảy, tính cứng của kim loại phụ thuộc chủ yếu vào bán kính và điện tích ion, khối lượng nguyên tử, mật độ electron tự do trong kim loại

Trang 10

KẾT LUẬN

Mạng tinh thể và các tính chất của kim loại liên quan mật thiết với nhau Chỉ sai khác một ít trong mạng tinh thể cấu thành vật liệu kim loại cũng dẫn đến hoặc hình thành những tính chất mới hoặc gia tăng, hoặc làm giảm tính chất đã có Bênh cạnh đó, liên kết kim loại bên trong mạng tinh thể đã giúp kim loại đạt được những tính chất lí tưởng vừa đa dạng, vừa đặc trưng Ngoài ưu thê việc tạo nên ưu thế về cơ tính, lý tính, hoá tính và tính công nghệ cho kim loại, mạng tinh thể cũng sinh ra những đặc điểm gây phiền phức, trở ngại cho các ngành muốn ứng dụng chúng Tuy nhiên, điều này lại thúc đẩy con người tiếp tục khám phá kim loại, góp phần đưa vật liệu kim loại trở nên phổ biến như hiện nay

Khoa học nghiên cứu kim loại đang được đầu tư tích cực để tiếp tục tìm hiểu loại vật liệu truyền thống này Kiến thức sâu và đầy đủ về kim loại mang lại cho nền kinh tế khả năng vật dụng chúng một cách hiệu quả và tối ưu nhất Trong thời đại ngày nay, ngoài việc đẩy mạnh công cuộc tìm kiếm các nguồn vật liệu mới, người ta cũng chú ý vào việc khai thác tối đa tiềm năng của các nguồn vật liệu cũ Do vai trò quan trọng của mình, trong tương lai sắp tới, kim loại

sẽ vẩn là loại vật liệu chiếm hàm lượng cao trong các sản phẩm công nghệ và đời sống

Trang 11

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Tiếng Việt, Cấu trúc tinh thể, Vật liệu kim loại.

2 Trường Cao đẳng Kĩ thuật Cao Thắng, Vật liệu cơ khí và công nghệ kim loại.

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	89,22 KB