Chuyên đề cấu trúc tinh thể.

CHƯƠNG 2: CẤU TRÚC TINH THỂ Vật liệu kết tinh: Các ngun tử xếp tuần hồn khơng gian Vật liệu vơ định hình: Các ngun tử xếp khơng tuần hồn khơng gian Đ¹i c¬ng vỊ tinh thĨ Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) mạng lưới khơng gian ba chiều nút mạng đơn vị cấu trúc (ngun tử, ion, phân tử ) Tinh thể cấu tạo từ vi hạt (ngun tử, phân tử, ion) liên kết chặt chẽ với xếp theo trật tự tuần hồn khơng gian Mỗi vi hạt ln dao động nhiệt quanh vị trí cân Pha rắn hình thành lực hút ngun tử, phân tử ion đủ mạnh để thắng lực phân ly (do nhiệt, học,…) Trong chất rắn, ngun tử, phân tử ion có khuynh hướng xếp để đạt độ trật tự cao (đối xứng) Tùy thuộc chất lực liên kết ngun tử, phân tử ion chất rắn chia thành * tinh thể ion (NaCl, CaF2) * tinh thể cộng hóa trị (kim cương) * tinh thể kim loại (Fe, K) * tinh thể phân tử (nước đá, He rắn… Đơn tinh thể (single crystal): ngun tử xếp trật tự tồn khơng gian (trật tự xa) Các vật rắn đơn tinh thể có tính dị hướng, tức tính chất vật lí chúng (độ bền, độ nở dài, độ dẫn nhiệt, ) thay đổi theo hướng khác Đa tinh thể (polycrystal): gồm đơn tinh thể kích thước nhỏ định hướng ngẫu nhiên Các vật rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng, tức tính chất vật lí chúng theo hướng giống MẠNG KHƠNG GIAN phát triển khung tinh thể khơng gian ba chiều, ngun tử (hoặc phân tử) nối với đường thẳng Giao điểm đường thẳng gọi nút mạng Mỗi nút mạng bao quanh giống Ơ CƠ SỞ: Là mạng tinh thể nhỏ mà cách tịnh tiến theo hướng ba trục tinh thể ta thu tồn tinh thể Mỗi sở đặc trưng bởi: - Hằng số mạng: a, b, c, α, β, γ - Số đơn vị cấu trúc: n - Số phối trí - Độ đặc khít Lập phương đơn giản Lập phương tâm khối Lập phương tâm mặt → Các nhóm sở lặp lặp lại khơng gian để tạo thành mạng tinh thể Hệ lập phương Hệ tứ phương Hệ trực thoi sc bcc fcc Hệ mặt thoi Hệ tam tà Hệ đơn tà Hệ lục phương 10 THAN CHÌ Liên kết σ - Các ngun tử C lai hố sp2 liên kết với liên kết cộng hố trị σ, độ dài liên kết C-C: 1,42 Å nằm trung gian liên kết đơn (1,54 Å) liên kết đơi(1,39 Å-benzen) - Hệ liên kết π giải toả tồn lớp, so với kim cương, than chì có độ hấp thụ ánh sáng đặc biệt mạnh có khả dẫn điện giống kim loại Tính chất vật lý than chì phụ thuộc vào phương tinh thể - Liên kết lớp liên Liên kết π khơng kết yếu Vandecvan, khoảng cách lớp 3,35Å, lớp dễ dàng trượt định vị lên nhau, than chì mềm 94 Tinh thể Bonitrua dạng mạng than chì 3,34 A 1,446 A B N - Giống than chì BN mềm, chịu lửa (tnc∼ 3000oC) - Do ngun tử N có độ âm điện lớn nên MO π định vị chủ yếu N, dẫn đến e π khơng giải toả than chì BN khơng dẫn điện (ΔE = 4,6 - 3,6 eV) 95 MẠNG TINH THỂ PHÂN TỬ - Trong tinh thể phân tử, mạng lưới khơng gian tạo thành phân tử ngun tử khí - Trong trường hợp chung, lực liên kết phân tử tinh thể là, lực Van der Waals - Vì lực liên kết yếu nên phân tử mạng tinh thể dễ tách khỏi nhau, nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi thấp, tan tốt dung mơi tạo dung dịch 96 TINH THỂ KHÍ HIẾM Tinh thể Ne, Ar, Xe, Kr Tinh thể He 97 TINH THỂ PHÂN TỬ IOT - Mạng lưới tinh thể I2 có đối xứng dạng trực thoi với thơng số a = 7,25 Å, b = 9,77 Å, c = 4,78 Å Trung điểm phân tử I-I nằm đỉnh tâm mặt mạng trực thoi - Khoảng cách ngắn I-I tinh thể 2,70 Å xấp xỉ độ dài liên kết phân tử khí I2 2,68 Å →liên kết cộng hố trị I-I thực tế khơng thay đổi thăng hoa 98 - Khoảng cách ngắn hai ngun tử I thuộc hai phân tử I2 3,53 Å 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 99 F Xe Tinh thể phân tử XeF4 - Phân tử XeF4 cấu trúc vng phẳng, Xe lai hố sp3d2 - XeF4 chất rắn, dễ bay hơi, bền nhiệt độ thường D = 4,04 g/cm3; tnc = 114oC - XeF4 kết tinh theo mạng tinh thể đơn tà, ngưn tử Xe nằm đỉnh tâm mạng 100 Tinh thể phân tử CO2 (nước đá khơ) - Nước đá khơ tạo phân tử thẳng CO2, ngun tử C nằm đỉnh tâm mặt mạng lập phương tâm mặt với số mạng 5,58 Å - Khoảng cách C-O phân tử tinh thể 1,06 Å, ngắn phân tử trạng thái khí 1,162 Å Khoảng cách ngắn hai ngun tử O hai phân tử CO2 3,19 Å CO2 101 P at r Khí CO2 nặng khơng khí dễ hố rắn, hố lỏng l k -78 -57 to C Giản đồ trạng thái CO2 - Trên giản đồ trạng thái CO2 điểm ba nằm cao áp suất khí tuyết cacbonic khơng nóng chảy nhiệt độ 102 thường mà thăng hoa -78oC ỨNG DỤNG CỦA TUYẾT CACBONIC - Làm lạnh thực phẩm, mẫu sinh học mặt hàng mau hỏng khác, khơng chảy lỏng giữ nhiệt độ thấp nên tuyết cacbonic giữ mẫu bảo quản lâu khơng làm ướt dẫn tới hư hỏng mẫu nước đá - Trong điện ảnh, người ta dùng tuyết cacbonic để tạo "sương mù băng khơ" Khi băng khơ tiếp xúc với nước tuyết cacbonic thăng hoa, kết tạo thành hỗn hợp khí CO2 lạnh nước Đây ngun tắc hoạt động máy tạo sương mù Dùng nước ấm tạo hiệu ứng sương mù tốt so với dùng nước lạnh - Tuyết cacbonic cứng viên tuyết nhỏ bắn vào bề mặt cần làm thay dùng cát Q trình làm kết thúc với bay hồn tồn CO2 Điều vừa làm hồn tồn bề mặt mà lại khơng sinh bụi nhiễm gây viêm đường hơ hấp, hại cho phổi 103 - Khi bay hơi, tuyết cacbonic làm nhiệt độ mơi trường xung quanh lạnh nhanh → người ta dùng tuyết cacbonic để tăng khả gây mưa nhờ kết tinh nước mây, đám mây qua vùng cần nước, gây mưa trước để tránh ảnh hưởng đến kiện Trong olympic Bắc Kinh, trước trận chung kết bóng đá, nhà tổ chức Trung Quốc lên phương án gây mưa trước đám mây bay tới Bắc Kinh Ở sân bay, sương mù q dày đặc làm ảnh hưởng đến chuyến bay quan trọng, người ta dùng tuyết cacbonic để làm giảm độ dày sương mù - Băng khơ dùng để sản xuất khí CO2 để cân áp suất hệ thống cần mơi trường trơ thùng nhiên liệu máy bay B-47 104 TINH THỂ NƯỚC ĐÁ Liên kết hiđro nước đá: phân tử nước liên kết với phân tử nước khác liên kết hiđro tạo lên hình tứ diện 105 Tính chất vật lí nước Liên kết phân tử nước liên kết hiđro yếu nên nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi nước nhỏ Tuy nhiên, so với phân tử khơng tạo liên kết hiđro tạo liên kết hiđro yếu H2S; H2Se; H2Te nước có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi nước cao nhiều Khoảng cách phân tử nước lớn nên tinh thể nước đá rỗng, tinh thể nước đá có khối lượng riêng nhỏ Khối lượng riêng nước áp suất khí lớn 3,98 oC 106 Chu kú Ph©n lo¹i Na Al Mg Si B¸n kim P Ar Kim lo¹i tonc 97,8 660 tos ∆Unc 883 (kJ/mol) 2500 651 9,2 ∆Ubh (kJ/mol) 2,64 10,8 d (g/cm3) 86,36 131,8 (g/l) 293 ρ(Hg = 1) 0,97 2,7 1,74 Cl Phi kim 1420 3300 1107 S 49,8 355,6 2,33 B¸n dÉn 44,1 112,8 -189,3 -101,0 257 444,6 -34,1 -185,9 0,659 1,72 1,19 6,406 13,1 6,51 9,2 20,41 2,7 2,06 107 3,214 Chu kú Ph©n lo¹i Lo¹i cÊu tróc tinh thĨ Na Mg Al Kim lo¹i Tinh thĨ kim lo¹i Si Á kim Tinh thĨ nguyªn tư (ph©n tư khỉng lå) P S Cl Ar Phi kim Tinh thĨ ph©n tư Lùc liªn kÕt hãa häc tinh thĨ Liªn kÕt kim lo¹i, bỊn Liªn kÕt céng hãa trÞ, rÊt bỊn Van de Van, u tonc, tos«i Cao Cao h¬n rÊt nhiỊu ThÊp ∆Hnc, ∆Hbh Cao Cao h¬n rÊt nhiỊu ThÊp TÝnh dÉn ®iƯn Tèt KÐm Kh«ng 108 ... phân tử ion chất rắn chia thành * tinh thể ion (NaCl, CaF2) * tinh thể cộng hóa trị (kim cương) * tinh thể kim loại (Fe, K) * tinh thể phân tử (nước đá, He rắn… Đơn tinh thể (single crystal): ngun...Vật liệu kết tinh: Các ngun tử xếp tuần hồn khơng gian Vật liệu vơ định hình: Các ngun tử xếp khơng tuần hồn khơng gian Đ¹i c¬ng vỊ tinh thĨ Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) mạng lưới... xa) Các vật rắn đơn tinh thể có tính dị hướng, tức tính chất vật lí chúng (độ bền, độ nở dài, độ dẫn nhiệt, ) thay đổi theo hướng khác Đa tinh thể (polycrystal): gồm đơn tinh thể kích thước nhỏ