Cơ sở khoa học vật liệu chuong2m

10 CHƯƠNG II: CẤU TẠO NGUN TỬ VÀ LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN1,2,3,4 2.1 Cấu tạo ngun tử 2.1.1 Các khái niệm Ngun tử hạt nhỏ cấu tạo nên chất, khơng thể chia nhỏ phương pháp hố học Ngun tử bao gồm hạt nhân (các proton + neutron) điện tử (electron), có khối lượng điện tích cho theo bảng Khối lượng (gam) Điện tích (Coulomb) -24 Proton 1,673 x 10 +1,602 x 10-19 Neutron 1,675 x 10-24 -28 Điện tử 9,109 x 10 -1,602 x 10-19 Do khối lượng điện tử nhỏ nên khối lượng ngun tử = khối lượng proton + khối lượng neutron Số hiệu ngun tử Z (atomic number) = số proton nhân ngun tử ngun tố Trong ngun tử trung hòa: Số hiệu ngun tử Z = số proton = số điện tích hạt nhân = số điện tử = số thứ tự Z ngun tố bảng phân loại tuần hồn Mỗi giá trị Z xác định ngun tố hóa học Số khối A hạt nhân (mass number) = Z (tổng số proton) + N (tổng số neutron) Mỗi ngun tử ngun tố đặc trưng đầy đủ hai đại lượng số khối A và số hiệu ngun tử Z, ký hiệu AZ X với X ký hiệu ngun tố hóa học 35 Cl cho biết ngun tố hóa học Clo, số hiệu ngun tử = 17, số khối = Ví dụ: 19 35 Do ngun tử clo có điện tích hạt nhân +17, số proton = số điện tử = 17, số neutron =35 - 17 = 18, có khối lượng ngun tử 18 + 17 = 35 đvc ngun tố Clo nằm thứ 17 bảng hệ thống tuần hồn ngun tố Đồng vị (isotope): ngun tử ngun tố có số proton Z giống số khối A khác (số neutron N khác nhau) gọi đồng vị ngun tố 35 Cl 37 Ví dụ: Clo có hai đồng vị bền 19 19 Cl , chúng có Z = 17, có số neutron khác nhau, tương ứng 18 20 Mol: lượng chất chứa 6,023 x 1023 hạt vi mơ (ngun tử, phân tử, điện tử…) Số Avogadro (AN) = số ngun tử có mol = 6,023 x 1023 ngtử/mol Đơn vị khối lượng ngun tử (atomic mass unit), amu: Theo cơng ước quốc tế, amu 1/12 khối lượng ngun tử cacbon 12C Lâm Ngọc Thiền, Cấu tạo chất đại cương, NXB ĐHQG Hà nội, 2001 Đào Đình Thức, Ngun tử liên kết hóa học, NXB Giáo dục, 2003 Nguyễn Đình Soa, Hóa đại cương, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh, 2001 William D Callister, Jr., Material Science & Engineering - An introduction, 6th edition, John Wiley & Son Inc., New York, USA, 2003 11 1 12g mC = = 1,66 x 10 − 24 g 12 12 AN Đơn vị khối lượng ngun tử gọi đơn vị cacbon (đvc) Khối lượng ngun tử tương đối (relative atomic mass) hay ngun tử khối, A X ngun tử X cho biết khối lượng ngun tử X gấp lần 1/12 khối lượng ngun tử cacbon 12C AX khơng có thứ ngun AX = mX : amu Ví dụ AH = 1,0079 AC = 12,0011 Khối lượng mol, MX khối lượng mol chất X (ngun tử, phân tử …) tính gam, gọi ngun tử gam, phân tử gam … MX có đơn vị g/mol MX = mX : nX với nX lượng chất X (tính mol) có khối lượng m X (tính gam) Ví dụ khối lượng mol ngun tử Clo = ngun tử gam = 35,453 g/mol 2.1.2 Cấu tạo ngun tử amu = 2.1.2.1 Thuyết cấu tạo ngun tử Bohr Năm 1913, Bohr đưa thuyết cấu tạo ngun tử gồm ba định đề: • Điện tử quay quanh hạt nhân khơng phải quỹ đạo mà quỹ đạo tròn, đồng tâm có bán kính định gọi nhũng quỹ đạo bền (hay quỹ đạo cho phép) • Khi quay quỹ đạo bền này, điện tử khơng phát lượng điện từ • Năng lượng (E) phát hay hấp thụ điện tử chuyển từ quỹ đạo bền sang quỹ đạo bền khác hiệu số lượng điện tử trạng thái đầu, Eđ, trạng thái cuối, Ec • E = |Eđ – Ec| = hν với ν tần số xạ, h số Planck = 6,626 x 10-34 J.s Thành cơng thuyết Bohr: • Tính bán kính quỹ đạo bền có ngun tử, tốc độ lượng điện tử chuyển động quỹ đạo bền n 2h Bán kính quỹ đạo bền: r = 2 với 4π me Z 12 n: số lượng tử = 1, 2, 3…, m = 9,1 x 10-28 g, Z: điện tích hạt nhân ngun tử e = 4,8 x 10-10 đơn vị tĩnh điện cgs (1 đơn vị tĩnh điện cgs = 1/2,9979 x 10-9 C) h = 6,626 x 10-27 erg.s Khi n = 1, bán kính Bohr r = 5,29 x 10-11 m = 0,529 Å 2πe Z Tốc độ chuyển động điện tử quỹ đạo bền: v = × n h 2π me Z [eV] × n2 h2 eV = 1,6 x 10-12 erg = 3,8 x 10-20 cal • Giải thích chất vật lý quang phổ vạch ngun tử tính tốn vị trí vạch quang phổ hydro vùng ánh sáng thấy Nhược điểm: • Khơng xác định vị trí điện tử chuyển từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác • Khơng giải thích đặc trưng quang phổ quan trọng cường độ độ bội vạch quang phổ • Khơng cho kết phù hợp thực nghiệm tính tốn lượng điện tử ngun tử nhiều điện tử (ngay Heli) 2.1.2.2 Thuyết cấu tạo ngun tử đại theo học lượng tử Năng lượng điện tử: E = − 2.1.2.2.1 Các luận điểm sở Hạt vi mơ có tính chất hạt sóng Bản chất sóng thể qua tượng giao thoa nhiễu xạ ánh sáng, chất hạt thể qua tượng hiệu ứng quang điện (chiếu ánh sáng vào kim loại phát điện tử) hiệu ứng Compton (ánh sáng gặp vật phần ánh sáng bị khuếch tán có tần số nhỏ tần số ánh sáng tới) De Broglie (1924) đưa giả thuyết tính chất qua hệ thức λ = h/mv → Hạt vi mơ có khối lượng m chuyển động với tốc độ v tạo nên sóng truyền với bước sóng λ Ngun lý bất định Heisenberg (1927): khơng thể đồng thời xác định xác vị trí lẫn tốc độ hạt vi mơ ∆x∆v ≥ h/2πm với ∆x độ bất định vị trí ∆v độ bất định tốc độ → Khi biết xác tốc độ chuyển động hạt vi mơ, biết xác suất có mặt chỗ khơng gian Function (hàm) Operator (tốn tử) Function: chuyển nhiều số thành số khác Ví dụ: lấy số nhân với → y = f(x) = x2, x = y = Operator: chuyển hàm thành hàm khác Ví dụ: lấy hàm bình phương hàm → Fˆ = 2, Fˆ sin(x) = sin2(x) 13 → ∂ → ∂ → ∂  + j + k  Tốn tử Nabla ∇ =  i ∂y ∂z   ∂x Tốn tử Laplace ∆ = ∇ = ∂2 ∂2 ∂2 + + ∂x ∂y ∂z 2.1.2.2.2 Phương trình sóng Schrưdinger (1926) Phương trình sóng Schrưdinger cho điện tử ˆ Ψ = EΨ H N N M M ZA ZB N  ∂2 ∂2 ∂  N M ZA ˆ H = − ∑  + +  − ∑ ∑ + ∑∑ +∑∑ i=1  ∂x i ∂y i ∂z i  i =1 A =1 R A − r i i=1 j>i r i − r j A =1 B>A R A − R B ˆ ne + V ˆ ee + V ˆ nn = Toán ˆ = Tˆe + V tử động Tˆ + Toán tử V ˆ ) thu Giải phương trình Schrưdinger với tốn tử Hamilton cho điện tử ( H lượng điện tử (E) hàm sóng điện tử (Ψ) Ψ = Ψ(x1,x2,…,xN) hàm sóng điện tử hệ phụ thuộc vào 3N tọa độ khơng gian (r1,r2,…,rN) N tọa độ spin (s 1,s2,…,sN) điện tử (ký hiệu chung cho tọa độ khơng gian tọa độ spin xi) Ý nghĩa vật lý hàm sóng - Hàm sóng N điện tử Ψ( x1,x2,…,xN) = Ψ( r1,s1,r2,s2,…,rN,sN) - Bình phương hàm sóng |Ψ( x1,x2,…,xN)|2 dx1dx2…dxN biểu thị xác suất tìm thấy đồng thời điện tử khơng gian dx1, điện tử khơng gian dx2, …, điện tử N khơng gian dxN - Xác suất tìm thấy N điện tử tồn khơng gian phải ∫ ∫ Ψ ( x1 , x , , x N ) d x , d x , , d x N = (*) 2.1.2.2.3 Trạng thái điện tử ngun tử đám mây điện tử Theo học lượng tử, chuyển động xung quanh hạt nhân, điện tử có mặt thời điểm với xác suất có mặt khác nhau, tạo thành vùng khơng gian bao quanh hạt nhân gọi đám mây điện tử hay orbital ngun tử Đám mây điện tử quy ước vùng khơng gian gần hạt nhân mà xác suất có mặt điện tử chiếm khoảng 90% hình dạng đám mây giới hạn bề mặt tạo thành từ điểm có mật độ xác suất 2.1.2.3 Các số lượng tử ý nghĩa Việc giải phương trình Schrưdinger cho thấy: • Điện tử nằm mức lượng rời rạc • Xuất bốn số lượng tử biểu thị trạng thái điện tử ngun tử: n, l, m s 2.1.2.3.1 Số lượng tử chính, n • Số lượng tử chính, n, xác định trạng thái lượng điện tử ngun tử, gọi mức lượng • n số ngun dương = 1, 2, 3, …, ∞ 14 2π me 13,6 Ví dụ ngun tử hydro E = − 2 = − eV n h n n =1 → Trạng thái lượng nhỏ nhất, E1 n = ∞ → Trạng thái lượng lớn nhất, E∞ = → ngun tử bị ion hóa • Ở điều kiện bình thường, điện tử nằm mức lượng thấp (trạng thái bản), bị kích thích (nhận lượng từ ngồi vào) điện tử nhảy lên mức lượng cao (trạng thái kích thích) Khi chuyển trạng thái, điện tử hấp thu hay phát lượng → ngun nhân xuất quang phổ ngun tử • Các điện tử có giá trị n (cùng mức lượng) hợp thành lớp lượng tử (chu kỳ bảng phân loại tuần hồn) Số lượng tử chính, n = Ký hiệu lớp lượng tử tương ứng: K L M N O P Q • Số lượng tử chính, n, xác định kích thước orbital, n lớn kích thước orbital lớn, mức lượng cao E1 < E2 < E3 < … < En 2.1.2.3.2 Số lượng tử orbital, l • Số lượng tử orbital, l, cho biết hình dạng orbital • l số ngun dương = 0, 1, 2, 3, 4, … (n – 1) • Các điện tử lớp lượng tử có giá trị l (cùng phân mức lượng) hợp thành phân lớp lượng tử Số lượng tử orbital, l = Ký hiệu phân lớp lượng tử s p d f 15 2.1.2.3.3 Số lượng tử từ, m • Số lượng tử từ, m, cho biết định hướng khơng gian orbital • m = 0, ± 1, ± 2, …., ± l l = → m = → phân lớp s: orbital s l = → m = 0, ± → phân lớp p: có orbital px, py pz (m = 0) 16 l = → m = 0, ± 1, ± → phân lớp d: có orbital dxy, dxz, d z (m = 0), dyz, d x − y2 2.1.2.3.4 Số lượng tử spin, s • Số lượng tử spin, s, xác định trạng thái chuyển động riêng điện tử • Theo quan niệm cổ điển, chuyển động riêng điện tử tự quay điện tử quanh trục Sự tự quay điện tử đặc trưng số lượng tử spin s Quy ước: s = +1/2 điện tử quay thuận chiều kim đồng hồ s = -1/2 điện tử quay ngược chiều kim đồng hồ • Theo quan niệm đại, trạng thái chuyển động riêng điện tử đặc trưng cho tính chất spin (quay tròn) điện tử tác dụng từ trường Tính chất spin dùng để giải thích thí nghiệm Stern Gerlach: cho dòng ngun tử hydro qua từ trường thu hai dòng, dòng gồm ngun tử hydro có spin điện tử định hướng giống ngược chiều với dòng Tóm lại: Trạng thái điện tử ngun tử hồn tồn xác định số lượng tử n, l, m s đặc trưng cho kích thước, hình dạng, định hướng khơng gian orbital tự quay điện tử Trong số trường hợp orbital s p kết hợp với tạo orbital lai hóa spn với n số orbital p tham gia n có giá trị 1, tương ứng với orbital lai hóa sp, sp2 sp3 Các ngun tố nhóm IIIA, IVA VA bảng tuần hồn ngun tố thường tạo orbital lai hóa 2.1.2.4 Các quy tắc xếp điện tử ngun tử 2.1.2.4.1 Ngun lý loại trừ Pauli • Trong ngun tử khơng thể có hai điện tử có bốn số lượng tử n, l, m s • Mỗi orbital ngun tử đặc trưng số lượng tử n, l, m định chứa tối đa hai điện tử có spin ngược chiều • Hai điện tử orbital có spin ngược gọi điện tử ghép đơi, điện tử orbital gọi điện tử độc thân • Số điện tử tối đa lớp lượng tử tính theo 2n2 n Số điện tử tối đa lớp (2n2) Số điện tử tối đa orbitals 2 2(1 ) = s 2 2(2 ) = s2p6 2(32) = 18 s2p6d10 2(42) = 32 s2p6d10f14 2.1.2.4.2 Ngun lý vững bền 17 • Trạng thái bền vững điện tử ngun tử trạng thái tương ứng với giá trị lượng thấp • Các điện tử ngun tử xếp vào orbital có lượng từ thấp đến cao • Các điện tử chiếm lớp điền đầy ngồi gọi điện tử hóa trị Đây điện tử tham gia vào liên kết chất rắn • Quy tắc Aufbau Kleshkovski: 2.1.2.4.3 Quy tắc Hund • Trong giới hạn phân lớp lượng tử, điện tử xếp orbital ngun tử cho tổng số điện tử độc thân cực đại • Các điện tử phải chiếm điện tử orbital, sau hết orbital tự chúng chịu ghép đơi với điện tử chiếm orbital Ví dụ: N (z = 7) F (z = 9) 1s2 2s2 2p3 1s2 2s2 2p5 2.1.2.5 Bảng tuần hồn • Dựa vào cấu hình điện tử mà ngun tố xếp bảng tuần hồn • Theo tăng dần số hiệu ngun tử, ngun tố xếp hàng (gọi chu kỳ) cột (gọi nhóm – có số điện tử hóa trị tính chất lý, hóa) Số hiệu nhóm số điện tử sẵn sàng để liên kết Nhóm 0: nhóm khí trơ có lớp điện tử điền đầy cấu hình điện tử bền Nhóm VIIA (nhóm Halogen: F, Cl, Br, I, At) nhóm VIA (O, S, Se, Te, Po), thiếu điện tử tương ứng, nên dễ nhận thêm điện tử để tạo thành anion 18 Nhóm IA (Li, Na, K, Rb, Cs, Fr) nhóm IIA (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra), dư điện tử tương ứng, nên dễ cho điện tử để tạo thành cation Từ nhóm IIIB đến nhóm IIB nhóm kim loại chuyển tiếp nhóm IIIA, IVA VA nhóm trung gian kim loại khơng kim loại • Độ âm điện khả ngun tử ngun tố hút mật độ điện tử phía tạo liên kết với ngun tử ngun tố khác → đánh giá khả nhận điện tử ngun tử • Trong chu kỳ độ âm điện tăng từ trái sang phải, nhóm độ âm điện giảm từ xuống 2.2 Liên kết chất rắn 2.2.1 Lực liên kết Năng lượng liên kết • Xét tương tác hai ngun tử lập chúng mang đến gần từ khoảng cách xa vơ tận Ở khoảng cách xa, tương tác hai ngun tử khơng đáng kể chúng đến gần ngun tử tạo lực tác động lên ngun tử • Có hai loại lực mà độ lớn chúng hàm khoảng cách hai ngun tử Đó lực hút FA (phụ thuộc vào loại liên kết riêng hai ngun tử) lực đẩy F R 19 (xuất hai lớp vỏ điện tử hai ngun tử bắt đầu xen phủ nhau) Tổng hợp hai lực FN = FA + FR hàm khoảng cách hai ngun tử • Khi FA = FR FN = khoảng cách cân hai ngun tử r0 Người ta thường dùng thay cho lực (với quan hệ E = ∫ Fdr ) r r r ∞ ∞ ∞ E N = ∫ FN dr = ∫ FA dr + ∫ FR dr = E A + E R Khi r = r0 EN = E0 ≡ Năng lượng liên kết hai ngun tử • Khi hệ có nhiều ngun tử phát sinh lực lượng tương tác ngun tử, nhiên ngun tử có giá trị lượng liên kết 20 tương tự E0 Độ lớn lượng liên kết hình dạng đường cong theo khoảng cách ngun tử thay đổi tùy theo loại vật liệu phụ thuộc vào loại liên kết ngun tử • Rất nhiều tính chất vật liệu (nhiệt độ nóng chảy, mođun đàn hồi, hệ số dãn nở, khả dẫn điện…) phụ thuộc vào lượng liên kết E 0, dạng đường cong – khoảng cách loại liên kết 2.2.2 Các loại liên kết Có hai loại liên kết khác tìm thấy vật liệu: • Liên kết sơ cấp liên kết hóa học: điện tử truyền cho chia sẻ cho để ngun tử đạt cấu hình điện tử bền ngun tử khí trơ Đây loại liên kết mạnh với lượng liên kết từ 100 – 1000 kJ/mol – 10 eV/ngun tử Liên kết sơ cấp bao gồm liên kết ion, liên kết cộng hóa trị liên kết kim loại Trong loại mối liên kết tạo nên từ điện tử hóa trị chất liên kết phụ thuộc vào cấu trúc điện tử ngun tử tham gia • Liên kết thứ cấp, liên kết vật lý liên kết van der Waals: khơng có cho nhận chia sẻ điện tử mà tương tác lưỡng cực phân tử ngun tử Đây loại liên kết yếu với lượng liên kết < 10 kJ/mol < 0,1 eV/ngun tử Liên kết hydro dạng đặc biệt loại liên kết 2.2.2.1 Liên kết sơ cấp 2.2.2.1.1 Liên kết ion Liên kết ion tạo thành ngun tố có độ dương điện cao (kim loại) ngun tố có độ âm điện cao (khơng kim loại) Điện tử truyền từ ngun tử ngun tố có độ dương điện cao sang ngun tử ngun tố có độ âm điện cao để tạo thành cation tích điện dương anion tích điện âm Do lực liên kết ion lực hút tĩnh điện ion tích điện trái dấu Ví dụ Na có cấu hình 1s 2s2 2p6 3s1 (dễ cho điện tử); Clo 1s 2s2 2p6 3s2 3p5 (dễ nhận điện tử) Trong q trình ion hóa để tạo cặp Na + Cl-, điện tử Na mức 3s chuyển sang mức 3p Clo để tạo thành ion Na + (cấu hình điện tử bền giống Ne) Cl- (cấu hình điện tử giống Ar) Khi Na bị co lại: giảm bán kính từ 0,192 nm (dạng ngun tử) sang 0,095 nm (dạng cation); Cl dãn ra: tăng bán kính từ 0,099 nm (dạng ngun tử) sang 0,181 nm (dạng cation) Na bị giảm bán kính tỉ lệ điện tử/proton giảm, hạt nhân tích điện dương nên hút đám mây điện tử lại gần làm cho kích thước ngun tử giảm Việc tăng bán kính Clo tỉ lệ điện tử/proton tăng 21 Trong liên kết ion E tính theo: Z1 Z q B A B E = EA + ER = − + n = − + r r 4πε r r n Với ε0 số điện mơi chân khơng (8,85 x 10 -12 F/m); Z1 Z2 hóa trị ion tương ứng; q điện tích điện tử (1,6 x 10 -19 C); A, B, n số phụ thuộc vào hệ ion riêng Ion thường xem có dạng hình cầu nên có nhiều cách tiếp cận để tạo liên kết ion, liên kết ion liên kết khơng định hướng Do để vật liệu ion bền tất ion dương phải có ion âm lân cận gần khơng gian ba chiều ngược lại Độ lớn lượng liên kết ion tương đối lớn, thường khoảng 600 – 1500 kJ/mol – eV/ngun tử, nên hợp chất ion thường có nhiệt độ nóng chảy cao 2.2.2.1.2 Liên kết cộng hóa trị Trong liên kết cộng hóa trị, cấu hình điện tử bền chia sẻ điện tử ngun tử lân cận Hai ngun tử tạo liên kết cộng hóa trị góp điện tử vào liên kết điện tử chia sẻ xem thuộc hai ngun tử Ví dụ phân tử metan (CH 4), ngun tử cacbon có điện tử hóa trị ngun tử hydro có điện tử hóa trị Sau điện tử hóa trị chia sẻ để tạo liên kết cộng hóa trị hydro có cấu hình điện tử bền He (2 điện tử hóa trị) cacbon có cấu hình điện tử bền Ne (8 điện tử hóa trị) Rất nhiều ngun tố khơng kim loại (H2, Cl2, F2, …), chất rắn ngun tố (Kim cương, Si, Ge) hợp chất H2O, HNO3, HF, GaAs, InSb, SiC… tạo thành từ liên kết cộng hóa trị 22 Liên kết cộng hóa trị xem tạo thành xen phủ orbital, liên kết cộng hóa trị liên kết định hướng: liên kết tạo thành theo hướng có xen phủ orbital lớn Số liên kết cộng hóa trị tối đa mà ngun tử tạo tính theo – N’ với N’ số điện tử hóa trị ngun tử Ví dụ Clo có N = nên tạo tối đa – = liên kết cộng hóa trị, cacbon có điện tử hóa trị nên tạo tối đa liên kết cộng hóa trị Liên kết cộng hóa trị mạnh kim cương (có nhiệt độ nóng chảy 3550 oC) yếu với Bi (có nhiệt độ nóng chảy 270 oC) Trong thực tế, hợp chất có liên kết ion liên kết cộng hóa trị Mối liên kết hai ngun tử thường vừa mang tính ion vừa mang tính cộng hóa trị, tùy thuộc vào vị trí tương đối chúng bảng tuần hồn khác biệt độ âm điện Khoảng cách xa chất ion liên kết rõ ngược lại Phần trăm đặc tính ion liên kết hai ngun tố A B (A có độ âm điện χA cao χB) tính theo { } % đặc tínhion= − exp[−(0,25)(χ A − χ B ) ] x 100 2.2.2.1.3 Liên kết kim loại Liên kết kim loại loại liên kết chủ yếu kim loại hợp kim Các điện tử hóa trị kim loại khơng gắn chặt với ngun tử mà tương đối tự di chuyển tồn kim loại tạo thành đám mây điện tử Các điện tử lại nhân ngun tử tạo thành lõi ion có điện tích dương độ lớn với điện tích âm tổng điện tử hóa trị Liên kết kim loại liên kết lõi ion dương đám mây điện tử, liên kết có tính khơng định hướng, ion kim loại có khuynh hướng kết hợp với tạo cấu trúc có độ sít chặt cao Liên kết kim loại thay đổi từ mạnh với W (849 kJ/mol, nhiệt độ nóng chảy 3410 oC) đến yếu Hg (68 kJ/mol, nhiệt độ nóng chảy -39 oC) 23 2.2.2.2 Liên kết thứ cấp Liên kết thứ cấp tồn ngun tử, phân tử thường bỏ qua có mặt ba loại liên kết sơ cấp Liên kết thứ cấp tìm thấy phân tử khí trơ phân tử mà liên kết cấu trúc phân tử chúng liên kết cộng hóa trị Khi có phân cách phần mang điện tích dương âm ngun tử phân tử xuất lưỡng cực Liên kết thứ cấp hình thành từ tương tác tĩnh điện đầu dương lưỡng cực với đầu âm lưỡng cực lân cận Tương tác lưỡng cực thường xuất lưỡng cực cảm ứng (induced dipoles) với nhau, lưỡng cực cảm ứng phân tử phân cực (có lưỡng cực thường xun – permanent dipole); phân tử phân cực với Liên kết hydro dạng liên kết thứ cấp đặc biệt, tìm thấy vài loại phân tử có chứa hydro 2.2.2.2.1 Tương tác lưỡng cực cảm ứng (Fluctuating induced dipole bonds) Một lưỡng cực sinh cảm ứng ngun tử phân tử có phân bố điện đối xứng hình a) (sự phân bố tồn khơng gian điện tử đối xứng so với hạt nhân) Nhâ n nguyê n tử Nhâ n nguyê n tử Đá m mâ y điệ n tử Đá m mâ y điệ n tử a) + b) 24 Các chuyển động dao động ngun tử sinh biến dạng tức thời thời gian ngắn phân bố điện đối xứng tạo thành lưỡng cực nhỏ hình b) Một số lưỡng cực lại làm thay đổi phân bố điện tử ngun tử phân tử lân cận, tạo lưỡng cực cảm ứng thứ hai hình thành liên kết van der Waals với lưỡng cực thứ Các liên kết tồn số lớn ngun tử phân tử với lực liên kết tạm thời thay đổi theo thời gian Sự hóa lỏng hóa rắn khí trơ phân tử đối xứng, trung hòa điện H2, Cl2 thực nhờ có loại liên kết thứ cấp 2.2.2.2.2 Tương tác lưỡng cực cảm ứng phân tử phân cực Moment lưỡng cực thường xun (permanent diople moment) tồn số phân tử xếp bất đối xứng vùng tích điện dương âm làm cho phân tử trở thành phân cực (polar molecules) hình c) Các phân tử có cực sinh lưỡng cực cảm ứng phân tử khơng phân cực lân cận tạo thành liên kết hai phân tử Liên kết loại mạnh liên kết tương tác lưỡng cực cảm ứng Cl H + c) 2.2.2.2.3 Tương tác phân tử phân cực Lực liên kết thứ cấp hình thành phân tử phân cực lân cận Lực liên kết mạnh lực liên kết có tham gia lưỡng cực cảm ứng Loại liên kết thứ cấp mạnh liên kết hydro (51 kJ/mol), trường hợp riêng liên kết phân tử phân cực Liên kết hydro xảy phân tử mà ngun tử hydro tạo liên kết cộng hóa trị với flo (HF), oxy (H2O), nitơ (NH3) Trong liên kết H-F, H-O, H-N, điện tử ngun tử hydro chia sẻ với ngun tử khác Do đầu hyro liên kết tích điện dương (chứa proton), nên có khả hút đầu âm ngun tử lân cận, tạo cầu nối hai ngun tử tích điện âm  ... dạng đường cong theo khoảng cách ngun tử thay đổi tùy theo loại vật liệu phụ thuộc vào loại liên kết ngun tử • Rất nhiều tính chất vật liệu (nhiệt độ nóng chảy, mođun đàn hồi, hệ số dãn nở, khả dẫn... cách loại liên kết 2.2.2 Các loại liên kết Có hai loại liên kết khác tìm thấy vật liệu: • Liên kết sơ cấp liên kết hóa học: điện tử truyền cho chia sẻ cho để ngun tử đạt cấu hình điện tử bền ngun... nhiều điện tử (ngay Heli) 2.1.2.2 Thuyết cấu tạo ngun tử đại theo học lượng tử Năng lượng điện tử: E = − 2.1.2.2.1 Các luận điểm sở Hạt vi mơ có tính chất hạt sóng Bản chất sóng thể qua tượng giao