cấu tạo tính chất mạng tinh thể kim loại

VLHENMA HK I 16-17 NGUYỄN NHỰT LINH-15145281-VLHENMA-HK I 16-17-Tiểu luận 1-2 Mục lục NGUYỄN NHỰT LINH-15145281 VLHENMA HK I 16-17 NGUYỄN NHỰT LINH-15145281-VLHENMA-HK I 16-17-Tiểu luận 1-2 LỜI NÓI ĐẦU Từ lâu, người biết dùng đồng, sắt để phục vụ sản xuất đời sống Trên đường phát triển xã hội, không đồng, sắt mà vật liệu kim loại khác đóng vai trò lớn Để khai thác tối đa tiềm loại vật liệu này, ngành khoa tích cực nghiên cứu cấu tạo, tính chất, từ đó, đưa phương án ứng dụng phù hợp cho ngành riêng biệt Mối quan tâm cấu trúc tinh thể liên quan đến tính chất kim loại không nằm xu phát triển Vì vậy, tiểu luận lựa chọn đề tài Mối liên hệ cấu trúc mạng tinh tính chất kim loại nguyên chất nhiệt độ T nhỏ 0,4 lần nhiệt độ nóng chảy Tiểu luận bao gồm 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 dùng trường học, sinh viên thực để báo cáo trình học tập Ngoài tham khảo giáo trình, sinh viên sử dụng nguồn tài khác để phục vụ việc xây dựng tiểu luận Mong nhận ý kiến đóng góp nhận xét Xin chân thành cảm ơn NGUYỄN NHỰT LINH-15145281 VLHENMA HK I 16-17 NGUYỄN NHỰT LINH-15145281-VLHENMA-HK I 16-17-Tiểu luận 1-2 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CẤU TRÚC TINH THỂ Nếu giả thiết phần tử cấu tạo nên vật chất nguyên tử, ion phân tử, tinh thể trạng thái mà đó, phần tử xếp không gian tạo nên quy luật Về mặt hình học, phần tử cấu tạo xem chất điểm, quy luật chất điểm tính đối xứng hoàn toàn không gian tinh thể Do vậy, tinh thể thường nhận hình thái định dạng đa diện Khi làm nguội từ từ dung dịch bão hòa hay chất lỏng, chuyển động nhiệt hạt giảm, phân tử, nguyên tử hay ion tập hợp lại phân bố, xếp thành mạng lưới không gian với cấu trúc xác định Khi ta có tinh thể, hay trình gọi trình kết tinh Trong thực tế, chất rắn tinh thể tạo thành từ nhiều tinh thể nhỏ (khoảng 10 – 20 µm) định hướng khác Các chất rắn gọi đa tinh thể Với tinh thể tạo nên chất rắn tinh thể gọi đơn tinh thể Cấu trúc tinh thể liên quan đến tính chất vật liệu Do để tổng hợp loại vật liệu có tính chất mong muốn phải hiểu rõ cấu trúc bên từ 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 xếp khít khối cầu, dựa vào cách nối đa diện không gian CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC TINH THỂ KIM LOẠI 2.1 Liên kết hóa học tinh thể kim loại 2.1.1 Mô hình “khí electron” Đruđơ Loren (Drude, Lorentz) Theo mô hình này, electron có khả tách khỏi nguyên tử di động tương đối tự nguyên tử tạo thành đám “khí electron” Sự tương tác “khí electron” với ion dương kim loại nút mạng nguyên nhân lực liên kết kim loại Dựa mô hình này, ta giải thích số tính chất vật lý kim loại như: tính dẫn nhiệt, dẫn điện, tính cứng, khả hấp thụ phản xạ ánh sáng, Tuy nhiên với mô hình trên, khó khăn việc giải thích nhiệt dung kim loại -4 o J/(kg K) = 2.389x10 kcal/(kg C) o kJ/(kg K) = 0.2389 kcal/(kg C) o kcal/(kg C) = 4,186.8 J/ (kg K) Theo thuyết động học chất khí, tinh thể kim loại, electron tự phải có phần đóng góp vào nhiệt dung chung tinh thể kim loại 3/2R (R - số khí = 8,3144J/mol.K = 1,98 cal/mol.K) Điều mâu thuẫn với kết thực nghiệm phần đóng góp “các khí electron” không đáng kể NGUYỄN NHỰT LINH-15145281 Bảng Nhiệt dung cụ thể số kim loại thông thường Kim loại Nhiệt dung riêng kim loại - cp Kim loại o Nhiệt dung riêng kim loại - cp (kJ/kg K) o (kcal/kg C) Pt 0.13 0.032 0.436 Cd 0.23 0.055 0.91 0.22 Cr 0.46 0.11 Se 0.32 0.077 Co 0.42 0.1 Mg 1.05 0.243 Bi 0.13 0.03 Sb 0.21 0.05 Cd 0.23 0.055 Cu 0.39 0.092 Au 0.13 0.031 Mn 0.48 0.114 Fe 0.46 0.108 Hg 0.14 0.033 Pb 0.13 0.031 Mo 0.25 0.06 Ni 0.54 0.106 (kJ/kg K) (kcal/kg C) K 0.75 0.180 Be 1.83 Al 2.1.2 Mô hình dải lượng Mô hình dựa sở electron không định cư (tức electron chuyển động MO chung toàn phân tử) Trên sở này, thuyết MO thích hợp việc mô tả liên kết kim loại Các trạng thái electron hình dung trạng thái electron π không định cư phân tử benzen hay hệ electron π không định cư phân tử có hệ liên kết liên hợp Hình Sự hình thành dải lượng MO không định cư Giải thích theo mô hình trên: - Đối với phân tử có tổ hợp N obitan nguyên tử cho N/2 MO liên kết N/2 MO phản liên kết với mức lượng rời rạc, gián đoạn - Trong tinh thể kim loại, số nguyên tử vô lớn, nên số AO vô lớn Vì vậy, tổ hợp AO cho số vô lớn MO, hiệu mức lượng vô nhỏ Khi phân bố mức lượng gần liên tục tập hợp mức lượng nằm sát gọi dải lượng - Khi hiệu lượng mức phản liên kết thấp mức liên kết cao nhỏ nguyên tử tinh thể kim loại xảy xen phủ dải lượng Ví dụ: Hình Dải lượng tinh thể Li 2.2 Cấu trúc tinh thể kim loại Trong tinh thể kim loại thường nguyên tử hay ion kim loại bao bọc 12 hay nguyên tử loại (số phối trí 12) Các ion nguyên tử kim loại mạng lưới liên kết với nhờ mây electron tự không định chỗ không cố định vào nguyên tử Trong tinh thể kim loại nguyên tử kim loại nằm cạnh nhờ “mây electron hoá trị” xen phủ lẫn nhau, nên electron hoá trị chịu tác dụng đồng thời điện trường nhiều nguyên tử Vì electron hoá trị chuyển từ nguyên tử sang nguyên tử khác mà không cần tiêu thụ lượng Đó electron tự tinh thể Các nguyên tử kim loại xếp cách khít ứng với số phối trí cực đại Vì nguyên tử kim loại coi hình cầu, nên cách xếp coi cách xếp cầu khít Ba kiểu mạng tinh thể hầu hết kim loại là: lục phương, lập phương tâm diện lập phương tâm khối Lục phương, Lập phương tâm diện Lập phương tâm khối Hình Các kiểu mạng tinh thể kim loại Hình Một số dạng cấu trúc tinh thể trạng thái Bảng Kiến trúc tinh thể kim loại: Li Be K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 1,2 1,2 2,3 3 - 1,3 1,2 1,2 Rb Sr Y Zr Te Ru Rh Pd Ag Cd 2,3 2,3 1,2 1 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 3 1,2 2,3 3 1,2 1 - Nb Mo 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 nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: 2.3.2 Mạng lập phương tâm khối: - Đỉnh tâm khối hộp lập phương nguyên tử hay ion dương kim loại - Số phối trí = - Số đơn vị cấu trúc: 2.3.4 Mạng lập phương tâm diện - Đỉnh tâm mặt khối hộp lập phương nguyên tử ion dương kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc:4 2.3.5 Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương): - Khối lăng trụ lục giác gồm ô mạng sở Mỗi ô mạng sở khối hộp hình thoi Các đỉnh tâm khối hộp hình thoi nguyên tử hay ion kim loại - Số phối trí = 12 - Số đơn vị cấu trúc: CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT KIM LOẠI Tinh thể kim loại có tính chất đặc biệt như: khả biến dạng không đàn hồi, dễ dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim,… Hình 28 Sự biến dạng không đàn hồi kim loại Giải thích: - Khả biến dạng kim loại giải thích tính không định hướng lực liên kết tính đồng cấu tử Khi xẩy biến dạng có trượt mặt lưới so với - Mặc dù MO bão hòa, chuyển động electron không tuân theo phương xác định Nhưng theo mô hình dải lượng mạng tinh thể kim loại tồn MO tự (không có electron), có mức măng lượng gần với MO bão hòa electron Do đó, có tương tác điện trường ngoài, electron dễ chuyển lên MO tự từ có di chuyển electron theo phương điện trường Đó nguyên nhân tính dẫn điện kim loại - Kim loại có điện trở nhỏ, điện trở kim loại hệ khuếch tán electron gặp ion dao động - Khả biến dạng kim loại cho phép nguyên tử chiếm vị trí mà không làm đứt liên kết Cũng nguyên nhân 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 dễ kéo sợi Vàng kim loại có tính dẻo cao, dát thành mỏng đến mức ánh sáng xuyên qua Kim loại có tính dẻo ion dương mạng tinh thể kim loại trượt lên dễ dàng mà không tách khỏi nhờ electron tự chuyển động dính kết chúng với 3.2 Tính dẫn điện Khi đặt hiệu điện vào hai đầu dây kim loại, electron tự kim loại chuyển động thành dòng có hướng từ cực âm đến cực dương, tạo thành dòng điện Kim loại dẫn điện tốt Ag, sau đến Cu, Au, Al, Fe, Nhiệt độ kim loại cao tính dẫn điện kim loại giảm nhiệt độ cao, ion dương dao động mạnh cản trở dòng electron chuyển động 3.3 Tính dẫn nhiệt Tính dẫn nhiệt kim loại giải thích có mặt electron tự mạng tinh thể Các electron vùng nhiệt độ cao có động lớn, chuyển động hỗn loạn nhanh chóng sang vùng có nhiệt độ thấp hơn, truyền lượng cho ion dương vùng nên nhiệt lan truyền từ vùng đến vùng khác khối kim loại Thường kim loại dẫn điện tốt dẫn nhiệt tốt 3.4 Ánh kim Các electron tự tinh thể kim loại phản xạ hầu hết tia sáng nhìn thấy được, kim loại sáng lấp lánh gọi ánh kim Ngoài ra, kim loại thể vài tính chất khác như: • Tỉ khối Những kim loại khác có tỉ khối khác rõ rệt Ví dụ kim loại có tỉ khối nhỏ Li 0,5, kim loại có tỉ khối cao Os 22,6 Quy ước kim loại có tỉ khối nhỏ kim loại nhẹ, Na, K, Mg, Al… Những kim loại có tỉ khối lớn kim loại nặng, Fe, Zn, Cu, Ag, Au… • Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ kim loại loại khác Có kim loại nóng chảy nhiệt độ -390C Hg, có kim loại nóng chảy 34220C W • Tính cứng Những kim loại khác có tính cứng khác Có kim loại mềm sáp, dùng dao cắt dễ dàng Na,K….Ngược lại có kim loại cứng dũa W, Cr Những tính chất: tỉ khối, nhiệt độ nóng chảy, tính cứng kim loại phụ thuộc chủ yếu vào bán kính điện tích ion, khối lượng nguyên tử, mật độ electron tự kim loại KẾT LUẬN Mạng tinh thể tính chất kim loại liên quan mật thiết với Chỉ sai khác mạng tinh thể cấu thành vật liệu kim loại dẫn đến hình thành tính chất gia tăng, làm giảm tính chất có Bênh cạnh đó, liên kết kim loại bên mạng tinh thể giúp kim loại đạt tính chất lí tưởng vừa đa dạng, vừa đặc trưng Ngoài ưu thê việc tạo nên ưu tính, lý tính, hoá tính tính công nghệ cho kim loại, mạng tinh thể sinh đặc điểm gây phiền phức, trở ngại cho ngành muốn ứng dụng chúng Tuy nhiên, điều lại thúc đẩy người tiếp tục khám phá kim loại, góp phần đưa vật liệu kim loại trở nên phổ biến Khoa học nghiên cứu kim loại đầu tư tích cực để tiếp tục tìm hiểu loại vật liệu truyền thống Kiến thức sâu đầy đủ kim loại mang lại cho kinh tế khả vật dụng chúng cách hiệu tối ưu Trong thời đại ngày nay, việc đẩy mạnh công tìm kiếm nguồn vật liệu mới, người ta ý vào việc khai thác tối đa tiềm nguồn vật liệu cũ Do vai trò quan trọng mình, tương lai tới, kim loại vẩn loại vật liệu chiếm hàm lượng cao sản phẩm công nghệ đời sống TÀI LIỆU THAM KHẢO Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Tiếng Việt, Cấu trúc tinh thể, Vật liệu kim loại Trường Cao đẳng Kĩ thuật Cao Thắng, Vật liệu khí công nghệ kim loại [...]...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