Cấu tạo và liên kết nguyên tử nguyên tử = hạt nhân + electron = (proton + nơtron) + electron nơtron không mang điệ n proton mang điệ n duơng = điện tích của electron? nguyên tử trung hoà
4 Chơng 1 Cấu trúc tinh thể và sự hình thành 1.1. Cấu tạo và liê n kế t nguyê n tử nguyê n tử = hạ t nhâ n + electron = (proton + nơtron) + electron nơtron không mang điệ n proton mang điện dơng = điệ n tí ch của electron ng/tử trung hoà Khá i niệ m cơ bả n về cấ u tạ o nguyê n tử Cấu hì nh electron (electron configuration) chỉ rõ: số lợng tử chí nh (1, 2, 3 .), ký hiệ u phâ n lớp (s, p, d .), số lợng electron thuộc phân lớp (số mũ trê n ký hiệ u phâ n lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấ u hì nh electron là 1s22s22p6 3s23p63d104s1 qua đó biế t đ ợc số electron ngoà i cùng (ở đâ y là 1, hóa trị 1). Các kim loạ i chuyể n tiế p: Fe có Z = 26: 1s22s22p63s23p63d64s2 1.1.2. Các dạng liê n kế t nguyê n tử trong chất rắn Các loạ i vậ t liệ u khá c nhau có thể tồn tạ i cá c dạ ng liê n kế t riê ng. Sự khá c nhau của cá c dạ ng liê n kế t đó cũng là nguyê n nhâ n tạ o nê n cá c tí nh chấ t khá c nhau. a. Liê n kế t đồng hóa trịa. Liê n kế t đồng hóa trịa. Liê n kế t đồng hóa trịa. Liê n kế t đồng hóa trị Là liê n kế t của hai (hoặ c nhiề u) nguyê n tử góp chung nhau một số electron hóa trị để có đủ tá m electron ở lớp ngoà i cùng. Có thể lấ y ba ví dụ nh sau (hì nh 1.1). Clo có Z=17 (1s22s22p63s23p5), có 7e ở lớp ngoà i cùng, 2 nguyê n tử Cl mỗi nguyê n tử góp chung 1 electron để lớp ngoà i cùng 8e (hì nh 1.1a). + a) b) c) Hì nh 1.1. Sơ đồ biểu diễn liên kết đồng hóa trị a. phân tử clo, b. giecmani (Ge), c. mêtan (CH4) Giecmani (Ge, z=32) có 4e lớp ngoà i cùng (4s2, 4p2), 4 nguyên tử góp chung (hì nh 1.1b). Liê n kế t giữa cá c nguyê n tử cùng loạ i (từ IVB VIIB nh Cl, Ge) là loạ i đồng cực, còn giữa cá c nguyê n tố khá c loạ i nh CH4 là loạ i dị cực. Mê tan (CH4). Cacbon (z=6), có 4e lớp ngoà i cùng và 4 nguyê n tử H để mỗi nguyê n tử nà y góp cho nó 1 electron làm cho lớp electron ngoài cùng đủ 8 (hì nh 1.1c). b. Liê n kế t ionb. Liê n kế t ionb. Liê n kế t ionb. Liê n kế t ion KL nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e cá c nguyê n tố : VIB (O, S .), VIIB (H, F, Cl, Br, I). Cá c ôxit kim loạ i nh Al2O3, MgO, CaO, Fe3O4, NiO . có xu thế mạ nh với tạ o liê n kế t ion. Liê n kế t ion cà ng mạ nh khi lớp ngoà i cùng (cho) chứa í t e, nhậ n nằ m cà ng gầ n hạ t nhâ n. Liên kế t không đị nh hớng (đị nh hớng thì xác suấ t liê n kế t lớn nhấ t theo phơng nối tâ m cá c nguyê n tử), vậ t liệ u có liê n kế t ion thì tí nh giòn cao. C H H H H Ge Ge Ge Ge Ge Cl Cl Cl Cl 5 Hì nh 1.2. Sơ đồ biểu diễn liên kết ion trong phân tử LiF Hì nh 1.3. Sơ đồ liên kết kim loại c. Liê n kế t kim loại (c. Liê n kế t kim loại (c. Liê n kế t kim loại (c. Liê n kế t kim loại (hì nh 1.3) o Đ/n: là liê n kế t trong đó cá c cation kim loạ i nhấ n chì m trong đá m mây electron tự do. o Nă ng lợng liê n kế t là tổng hợp (câ n bằ ng) cá c ion kim loạ i có vị trí xá c đị nh. Các nguyê n tố nhóm Ia có tí nh kim loạ i điể n hì nh, cà ng dị ch sang bê n phả i tí nh chấ t kim loạ i cà ng giả m, tí nh đồng hóa trị trong liê n kế t cà ng tă ng. o Tí nh chấ t của kim loạ i : liê n kế t nà y tạ o cho kim loạ i các tí nh chấ t điể n hì nh: ánh kim hay vẻ sá ng, dẫ n nhiệ t và dẫ n điệ n tốt và tí nh dẻ o, dai cao d.d.d.d. Liê n kế t hỗn hợpLiê n kế t hỗn hợpLiê n kế t hỗn hợpLiê n kế t hỗn hợp - Thực ra cá c liên kế t trong các chấ t, vật liệ u thông dụng thờng mang tí nh hỗn hợp của nhiề u loạ i. Ví dụ: Na và Cl có tí nh â m điệ n lầ n lợt là 0,9 và 3,0. Vì thế liê n kế t giữa Na và Cl trong NaCl gồm khoả ng 52% liê n kế t ion và 48% liê n kế t đồng hóa trị . e.e.e.e. Liê n kế t yế u (Van deLiê n kế t yế u (Van deLiê n kế t yế u (Van deLiê n kế t yế u (Van der Waals)r Waals)r Waals)r Waals) Do sự khá c nhau về tí nh â m điệ n tạ o thà nh và phâ n tử phâ n cực. Cá c cực trá i dấ u hút nhau tạ o ra liê n kế t Van der Waals. Liê n kế t nà y yế u, rấ t dễ bị phá vỡ khi tă ng nhiệ t độ. 1.2.1.2.1.2.1.2. Sắp xế p nguyê n tử trong vật chấtSắp xế p nguyê n tử trong vật chấtSắp xế p nguyê n tử trong vật chấtSắp xế p nguyê n tử trong vật chất 1.2.1. Chất khí1.2.1. Chất khí1.2.1. Chất khí1.2.1. Chất khí Trong chấ t khí có sự sắ p xế p nguyê n tử một cá ch hỗn loạ n không có hì nh dạng, kí ch thớc xác đị nh. 1.2.2.1.2.2.1.2.2.1.2.2. Chất rắn tinh thểChất rắn tinh thểChất rắn tinh thểChất rắn tinh thể Li+ F- Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Me+ Ion dơng Mâ y Electron Chất rắn tinh thể : - Trật tự gần, mà còn có cả trật tự xa. - Các kiể u mạ ng tinh thể xá c đị nh: lậ p phơng, lục giá c, . (hì nh 1.4) Hì nh 1.4. Sơ đồ mạ ng tinh thể 6 1.2.3.1.2.3.1.2.3.1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thểChất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thểChất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thểChất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể a.a.a.a. Chất lỏngChất lỏngChất lỏngChất lỏng Trong phạ m vi hẹ p (khoả ng 0,25nm) cá c nguyê n tử chấ t lỏng có xu thế tiế p xúc (xí t) nhau tạ o thà nh cá c đá m nhỏ, do vậ y không co lạ i khi né n nh chấ t khí , cá c đá m nguyê n tử nà y luôn hì nh thà nh và tan rã . Chấ t lỏng chỉ có trậ t tự gầ n, không có trậ t tự xa. Giữa cá c đá m có khoả ng trống do đó mậ t độ xế p của chấ t lỏng thấ p, khi đông đặ c thờng kè m theo giả m thể tí ch (co ngót). b.b.b.b. Chất rắn vô đị nh hì nhChất rắn vô đị nh hì nhChất rắn vô đị nh hì nhChất rắn vô đị nh hì nh ở một số chấ t, trạ ng thá i lỏng có độ sệ t cao, các nguyê n tử không đủ độ linh hoạ t để sắ p xế p lạ i khi đông đặ c; chấ t rắ n tạ o thà nh có cấ u trúc giống nh chấ t lỏng trớc đó gọi là chấ t rắ n vô đị nh hì nh. Thủy tinh (mà cấu tạ o cơ bả n là SiO2) là chấ t rắ n vô đị nh hì nh Nh vậ y về mặ t cấ u trúc, cá c chấ t rắ n gồm 2 loạ i: tinh thể và vô đị nh hì nh. Kim loạ i, hợp kim và phầ n lớn cá c chấ t vô cơ, rấ t nhiề u polyme - tinh thể Tuỳ theo bả n chấ t của vậ t liệ u và tốc độ là m nguội khi đông đặ c tinh thể hoặ c vô đị nh hì nh. Thủy tinh nóng chả y, cá c phâ n tử SiO2 [trong đó ion O2- ở các đỉ nh khối tứ diện (bốn mặ t) tam giá c đề u, tâ m của khối là ion Si4+ nh biể u thị ở hì nh 1.5a] là m nguội bì nh thờng vô đị nh hì nh (hì nh 1.5b); là m nguội vô cùng chậ m cá c phâ n tử SiO2 có đủ thời gian sắ p xế p lạ i theo trậ t tự xa sẽ đợc thủy tinh (có cấ u trúc) tinh thể (hì nh 1.5c). a) c) Hì nh 1.5. Cấu trúc khối tứ diện [ SiO4]4- (a), thủy tinh thờng SiO2 (b) thủy tinh tinh thể SiO2 (c) c. c. c. c. Chất rắn vi tinh thểChất rắn vi tinh thểChất rắn vi tinh thểChất rắn vi tinh thể Cũng với vậ t liệ u tinh thể kể trên khi là m nguội từ trạ ng thá i lỏng rấ t nhanh (trê n dới 104độ/s) sẽ nhậ n đợc cấu trúc tinh thể nhng với kí ch thớc hạ t rấ t nhỏ (cỡ nm), đó là vậ t liệ u có tê n gọi là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay nanomet). Tóm lạ i cá c vật liệ u có ba kiể u cấ u trúc: tinh thể (thờng gặ p nhấ t), vô đị nh hì nh và vi tinh thể (í t gặ p). 1.3.1.3.1.3.1.3. Khái niệ m về mạng tinh thểKhái niệ m về mạng tinh thểKhái niệ m về mạng tinh thểKhái niệ m về mạng tinh thể Đ/n: mạ ng tinh thể là mô hì nh không gian biể u diễ n quy luậ t hì nh học của sự sắ p xế p nguyê n tử. Phầ n lớn vậ t liệ u có cấ u trúc tinh thể , tí nh chấ t rấ t đa dạ ng phụ thuộc và o kiể u mạ ng. 1.3.1.1.3.1.1.3.1.1.3.1. Tí nh đối xứngTí nh đối xứngTí nh đối xứngTí nh đối xứng Mạ ng tinh thể mang tí nh đối xứng, là một trong những đặ c điể m quan trọng, thể hiệ n cả ở hì nh dá ng bê n ngoà i, cấ u trúc bê n trong cũng nh cá c tí nh chấ t của vậ t rắ n tinh thể . - Oxy - Si (b) 7 Tí nh đối xứng là tí nh chấ t hì nh học khi quay một điể m hay một phầ n tử xung quanh 1 điể m hay một đ ờng với một góc chúng sẽ trùng lặ p nhau. Điể m hay đ ờng đ ợc quay xung quanh đó đợc gọi là tâm hay trục đối xứng. Đối xứng qua mặ t phẳ ng đ ợc gọi là đối xứng gơng. Gọi n = 2/ là bậ c đối xứng, chỉ có n = 1, 2, 3, 4, 6; ký hiệ u L1, L2, L3, L4, L6. n=2 (L2) n=3 (L3) n=4 (L4) n=6 (L6) 1.3.2.1.3.2.1.3.2.1.3.2. Ô c ơ s ở Ô c ơ s ở Ô c ơ s ở Ô c ơ s ở ---- ký hiệ u phơng, mặt tinh thể ký hiệ u phơng, mặt tinh thể ký hiệ u phơng, mặt tinh thể ký hiệ u phơng, mặt tinh thể a.a.a.a. Ô c ơ s ởÔ c ơ s ởÔ c ơ s ởÔ c ơ s ở Đ/n: là hì nh khối nhỏ nhấ t có cách sắ p xế p nguyê n tử đạ i diện cho toà n bộ mạ ng tinh thể . Do tí nh đối xứng bằ ng phơng phá p xoay và tị nh tiế n ta sẽ suy ra toà n bộ mạ ng tinh thể Thông số mạ ng (hằ ng số mạ ng) là kí ch thớc của ô cơ sở, thờng là kí ch thớc cá c cạ nh của ô cơ sở từ đó có thể Hì nh 1.6. Ô cơ sở và hệ tọa độ xá c đị nh toà n bộ kí ch thớc của ô cơ sở (hì nh 1.6) b.b.b.b. Nút mạngNút mạngNút mạngNút mạng Nút mạ ng tơng ứng với vị trí các nguyê n tử trong mạ ng tinh thể . c.c.c.c. Chỉ số phơngChỉ số phơngChỉ số phơngChỉ số phơng Phơng là đ ờng thẳ ng đi qua cá c nút mạ ng, đ ợc ký hiệ u bằ ng [u v w]; Ba chỉ số u, v, w là ba số nguyê n tỷ lệ thuậ n với tọa độ của nút mạ ng nằ m trê n phơng đóở gần gốc tọa độ nhất (hì nh 1.7). Chú ý: Phơng và mặ t tinh thể có kí ch thớc vô hạn Trê n hì nh 1.7 giới thiệ u ba phơng điể n hì nh trong mạ ng tinh thể của hệ lậ p phơng: - đ ờng ché o khối [111], đ ờng ché o mặ t [110], cạ nh [100]. Các phơng có cá c giá trị tuyệ t đối u, v, w giống nhau, tạ o nê n họ phơng <uvw>. Ví dụ họ <110> gồm cá c phơng sau đâ y chúng có cùng quy luật sắ p xếp nguyê n tử: L a 3 5 2 14 Hì nh 1.7. Các phơng điển hì nh của Hì nh 1.8. Các mặt điển hì nh của hệ lập phơng hệ lập phơng a x y z [110] [111] [100] [010] [001] 8 [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101], [110], [011], [101] (cá c đ ờng chéo) d. Chỉ số Miller của mặt tinh thểd. Chỉ số Miller của mặt tinh thểd. Chỉ số Miller của mặt tinh thểd. Chỉ số Miller của mặt tinh thể Mặ t tinh thể là tậ p hợp cá c mặ t có cá ch sắ p xế p nguyê n tử giống hệ t nhau, song song và cách đề u nhau, chúng có cùng một ký hiệ u. Ngời ta ký hiệ u mặ t bằ ng chỉ số Miller (h k l). Cá c chỉ số h, k, l đ ợc xá c đị nh theo các bớc nh sau: . tì m giao điể m của mặ t phẳ ng trê n ba trục theo thứ tự Ox, Oy, Oz, . xác đị nh tọa độ cá c giao điể m, rồi lấ y cá c giá trị nghị ch đả o, . quy đồng mẫ u số, lấ y cá c giá trị của tử số, đó chí nh là các chỉ số h, k, l . Ví dụ, xá c đị nh cá c chỉ số Miller cho cá c mặ t mặ t điể m cắ t các trục nghị ch đả o chỉ số 1 1, 1, 1/2 1, 1, 2 (112) 2 1, 1, 1 1, 1, 1 (111) 3 1, 1, 1, 1, 0 (110) 4 1, , 1, 0, 0 (100) 5 1, 1, 2 1, 1, 1/2 (221) Hì nh 1.8 Sơ đồ ký hiệ u mặ t tinh thể theo chỉ số Miller Các mặ t có cá c chỉ số giá trị tuyệ t đối h, k, l giống nhau tạ o nê n họ mặ t {h k l}. Ví dụ, cá c mặ t hộp tạ o nê n họ {100} gồm (100), (010), (001), (100), (010), (001). e.e.e.e. Chỉ số Miller Chỉ số Miller Chỉ số Miller Chỉ số Miller ---- Bravais trong hệ Bravais trong hệ Bravais trong hệ Bravais trong hệ lục giáclục giáclục giáclục giác Chỉ số Miller - Bravais với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hì nh 1.9). Chỉ số Miller - Bravais đợc ký hiệ u bằng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i (của trục Ou) có quan hệ : i = - (h + k) Hã y thử so sá nh hai chỉ số nà y cho cá c mặ t trong hệ lục giá c đợc trì nh bà y ở hì nh 1.9: mặ t chỉ số Miller chỉ số Miller - Bravais ABHG (100) (1010) BCIH (010) (0110) AGLF (110) (1100) ABCDEF (001) (0001) ACIG (1120) Hì nh 1.9. Hệ tọa độ trong hệ lục giá c và các mặt Cách ký hiệ u theo Miller - Bravais thể hiệ n đ ợc cá c mặ t bê n cùng họ và cùng cá ch sắ p nguyê n tử. 1.3.3.1.3.3.1.3.3.1.3.3. Mật độ nguyê n tửMật độ nguyê n tửMật độ nguyê n tửMật độ nguyê n tử a. a. a. a. Mật độ xế pMật độ xế pMật độ xế pMật độ xế p Là mức độ dà y đặ c của nguyê n tử trong mạ ng tinh thể . Mật độ xế p theo phơng (chiề u dài) Ml, theo mặ t Ms hay trong toà n bộ thể tí ch mạ ng Mv đợc xá c đị nh theo cá c công thức: Ml = l / L, Ms = s / S, Mv = v / V x y u A B C D E F z G H I J K L 3 52 14 9 trong đó: l, s, v lầ n lợt là chiề u dà i, diệ n tí ch, thể tí ch bị nguyê n tử (ion) chiế m chỗ, L, S, V lần lợt là tổng chiề u dà i, diệ n tí ch, thể tí ch xem xét. b.b.b.b. Số phối trí (số sắp xế p)Số phối trí (số sắp xế p)Số phối trí (số sắp xế p)Số phối trí (số sắp xế p): là số lợng nguyê n tử cá ch đề u gầ n nhấ t một nguyê n tử đã cho. Số sắ p xế p cà ng lớn chứng tỏ mạ ng tinh thể cà ng dà y đặ c. c.c.c.c. Lỗ hổngLỗ hổngLỗ hổngLỗ hổng Là không gian trống giữa cá c nguyê n tử (coi nguyê n tử là hì nh cầ u đặ c). Kí ch thớc lỗ hổng đợc đá nh giá bằ ng đ ờng kí nh hay bá n kí nh quả cầ u lớn nhấ t có thể đặ t lọt và o. 1.4.1.4.1.4.1.4. Cấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắnCấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắnCấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắnCấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắn 1.4.11.4.11.4.11.4.1. Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất)Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất)Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất)Chất rắn có liê n kế t kim loại (kim loại nguyê n chất) Đặ c tí nh cấ u trúc của kim loạ i là : nguyê n tử (ion) luôn có xu hớng xế p xí t chặt với kiểu mạng đơn giản (nh lậ p phơng tâ m mặt, lậ p phơng tâ m khối, lục giá c xế p chặ t). a.a.a.a. Lập phơng tâm khối A2Lập phơng tâm khối A2Lập phơng tâm khối A2Lập phơng tâm khối A2 Ô cơ sở là hì nh lậ p phơng, cạ nh bằ ng a, cá c nguyê n tử (ion) nằ m ở cá c đỉ nh và tâ m khối (hì nh 1.10a, b và c). Số lợng nguyê n tử cho mỗi ô: nv = 8 đỉ nh. 1/8 + 1 giữa = 2 nguyê n tử (a) (b) (c) d) Thờng dùng cách vẽ tợng trng (hì nh c). Nguyê n tử nằ m xí t nhau theo phơng <111>, do đó: - đ ờng kí nh nguyê n tử dng.t = 23a, số sắ p xế p là 8. Các mặ t tinh thể xế p dà y đặ c nhấ t là họ {110}. Mậ t độ xế p thể tí ch Mv = 68%. Có hai loạ i lỗ hổng: hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở hì nh d. Loạ i 8 mặt có kí ch thớc bằ ng 0,154 dng.t nằ m ở tâ m các mặ t bê n {100} và giữa cá c cạ nh a. Loạ i 4 mặ t có kí ch thớc lớn hơn một chút, bằ ng 0,291 dng.t nằ m ở 41 trê n cạ nh nối điể m giữa cá c cạ nh đối diệ n của cá c mặ t bê n. Nh vậ y trong mạ ng A2 có nhiề u lỗ hổng a lỗ hổng 4 mặ t lỗ hổng 8 a a {100} {110} Hì nh 1.10. Ô cơ sở mạng lập phơng tâm khối (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp các mặt tinh thể {100} và {110} (d) 10 nhng kí ch thớc đề u nhỏ, lớn nhấ t cũng không quá 30% kí ch thớc (đờng kí nh) nguyê n tử. Các kim loạ i có kiể u mạ ng A1 thờng gặ p là : Fe, Cr, Mo, W. Mạ ng chí nh phơng tâ m khối chỉ khác mạ ng A2 ở a = b c b.b.b.b. Lập phơng tâm mặt A1Lập phơng tâm mặt A1Lập phơng tâm mặt A1Lập phơng tâm mặt A1 o Khá c với kiể u mạ ng A2 là thay cho nguyê n tử nằ m ở trung tâ m khối là nguyê n tử nằ m ở trung tâ m cá c mặt bê n, nh biể u thị ở cá c hì nh 1.11a, b và c. a) b) c) d) o Số nguyê n tử trong 1 ô là: nv = 8 đỉ nh. 1/8 + 6 mặ t. 1/2 = 4 nguyê n tử. o Trong mạ ng A1, các nguyê n tử xếp xí t nhau theo phơng đờng ché o mặ t <110>, do đó: đ ờng kí nh dng.t = 22a , số sắ p xế p là 12. o Cá c mặ t tinh thể dà y đặ c nhấ t là họ {111}. Mậ t độ xế p thể tí ch Mv =74%, mạ ng A1 nà y là kiể u xếp dày đặ c hơn A2 và là một trong hai kiểu xế p dà y đặ c nhấ t. Có 2 loạ i lỗ hổng hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở cá c hì nh 1.11c. Loạ i bốn mặ t có kí ch thớc 0,225 dng.t (đỉ nh1 và tâ m ba mặ t 2,3,4). Đá ng chú ý là loạ i lỗ hổng hì nh tá m mặ t, nó có kí ch thớc lớn hơn cả , bằ ng 0,414dng.t, nằm ở trung tâ m khối và giữa cá c cạ nh a. So với mạ ng A2, mạ ng A1 tuy dà y đặ c hơn song số lợng lỗ hổng lạ i í t hơn mà kí ch thớc lỗ hổng lạ i lớn hơn hẳ n (0,225 và 0,41 so với 0,154 và 0,291). Chí nh điề u nà y (kí ch thớc lỗ hổng) mới là yế u tố quyế t đị nh cho sự hòa tan dới dạ ng xen kẽ . Khá nhiề u kim loạ i điể n hì nh có kiể u mạ ng nà y: sắ t (Fe), Ni, Cu, Al với hằ ng số a mạ ng lần lợt bằ ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoà i ra còn có Pb, Ag, Au. a 1234A B {100} {111} B A C Hì nh 1.11. Ô cơ sở mạng lập phơng tâm mặt (a, b), các lỗ hổng (c) và cách xếp các mặt tinh thể {100} và {111} (d) 11 c.c.c.c. Lục giácLục giácLục giácLục giác xế p chặt A3 xế p chặt A3 xế p chặt A3 xế p chặt A3 Các nguyê n tử nằ m trên 12 đỉ nh, tâ m của 2 mặ t đá y và tâ m của ba khối lă ng trụ tam giá c cá ch đề u nhau (hì nh 1.12a, b và c). a) b) c) d) Hì nh 1.12. Ô cơ sở mạng lục giác xếp chặt (a,b,c) và cách xếp các mặt tinh thể {0001} (d) Số lợng nguyê n tử trong 1 ô: nv = 12 đỉ nh/6 + 2 giữa mặ t/2 + 3 tâ m = 6 nguyê n tử Nguyê n tử xế p xí t nhau theo cá c mặ t đá y (0001). 3 nguyê n tử ở giữa song song với mặ t đá y sắ p xế p nguyê n tử giống nh 2 mặ t đá y, nhng nằ m ở cá c hõm cá ch đề u nhau (hì nh 1.12d). Mạ ng lục giá c xếp chặ t thì c/a =38 hay 1,633. Tuy nhiê n trong thực tế c/a có xê dị ch nê n quy ớc: c/a = 1,57 ữ 1,64 thì mạ ng đ ợc coi là xế p chặ t, 1,57 < c/a < 1,64 không xế p chặt. Các kim loạ i có kiể u mạ ng nà y í t thông dụng hơn là : Ti với a = 0,2951nm, c = 0,4679nm, c/a = 1,5855 (xế p chặ t), Mg với a = 0,3209nm, c = 0,5210nm, c/a = 1,6235 (xế p chặ t), Zn với a = 0,2664nm, c = 0,4945nm, c/a = 1,8590 (không xế p chặ t). 1.4.2.1.4.2.1.4.2.1.4.2. Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trịChất rắn có liê n kế t đồng hóa trịChất rắn có liê n kế t đồng hóa trịChất rắn có liê n kế t đồng hóa trị a.a.a.a. Kim cơng A4Kim cơng A4Kim cơng A4Kim cơng A4 Kim cơng là một dạ ng tồn tạ i (thù hì nh) của cacbon với cấ u hì nh electron là 1s2 2s2 2p2, vậ y số e lớp tham gia liê n kế t là N = 4, số sắ p xếp sẽ là 4 tức là mỗi một nguyê n tử cacbon có 4 nguyê n tử bao quanh gầ n nhấ t. Hì nh 1.14. ô cơ sở của mạng tinh thể kim cơng (a), vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c) Ô cơ sở mạ ng kim cơng (hì nh 1.14a), đ ợc tạ o thà nh trên cơ sở của ô cơ sở A1 có thêm bốn nguyên tử bê n trong với các tọa độ (xem hì nh 1.14b): 1/4, 1/4, 1/4 (1); 3/4, 3/4, 1/4 (2); 1/4, 3/4,3/4 (3); 3/4, 1/4, 3/4 (4). nằ m ở tâ m của bốn khối 1/8 cá ch đề u nhau. Cá c nguyê n tử cacbon đề u có liê n kế t đồng hóa trị với nă ng lợng lớn nê n kim cơng có độ cứng rấ t cao (cao nhấ t trong thang độ cứng). A B 12 b.b.b.b. Mạng grafitMạng grafitMạng grafitMạng grafit Có mạ ng lục giá c lớp (hì nh 1.15a), trong một lớp khoả ng cá ch giữa cá c nguyê n tử a = 0,246nm, liê n kế t đồng hoá trị . Khoả ng cá ch giữa cá c lớp c = 0,671nm, tơng ứng với liê n kế t yế u Van der Waals, grafit rấ t dễ bị tách lớp , rấ t mềm, nó đ ợc coi nh là một trong những chấ t rắ n có độ cứng thấ p nhấ t. c.c.c.c. Cấu trúc của sợi cacbon và fullereneCấu trúc của sợi cacbon và fullereneCấu trúc của sợi cacbon và fullereneCấu trúc của sợi cacbon và fullerene Phâ n tử cacbon C60 gọi là fullerene do hai nhà khoa học H. Kroto (Anh) và R. Smalley (Mỹ) tạ o ra 1985 (Nobel năm 1995) (hì nh 1.15c): 60 nguyê n tử C nằ m trê n mặ t cầ u gồm 12 ngũ giác và 20 lục giá c đề u, nằ m xen kẽ nhau tạ o đối xứng tròn, ứng với độ bền và độ cứng rấ t cao của nó chắ c chắn hứa hẹ n sẽ có những ứng dụng kỳ lạ trong kỹ thuậ t. Sợi cacbon đ ợc trì nh bày ở hì nh 1.15b Hì nh 1.15. Cấu trúc mạng của grafit (a), sợi cacbon (b) và fullerene (c). d.d.d.d. Cấu trúc của SiOCấu trúc của SiOCấu trúc của SiOCấu trúc của SiO2222 Hì nh 1.5a, là mô hì nh sắ p xếp không của cá c khối tứ diệ n tam giá c đề u SiO44- của SiO2. Thạ ch anh với cấ u trúc lục giá c (hì nh 1.16a), cristobalit với cấ u trúc lậ p phơng (hì nh 1.16b). Trong điều kiện nguội nhanh sẽ nhận đợc thủy tinh (vô đị nh hì nh) nh ở hì nh 1.5b. Hì nh 1.15. Sắp xếp khối tứ diện (SiO4)4- trong thạch anh (a), cristobalit (b). 1.4.3.1.4.3.1.4.3.1.4.3. Chất rắn có liê n kết ionChất rắn có liê n kết ionChất rắn có liê n kết ionChất rắn có liê n kết ion Cấ u trúc tinh thể của hợp chấ t hóa học có liê n kế t ion phụ thuộc và o hai yế u tố: 13 Tỷ số của ion â m và ion dơng đả m bả o trung hòa về điệ n. Tơng quan kí ch thớc giữa ion âm và ion dơng: trong tinh thể ion, các ion luôn có xu hớng sắp xếp để độ xếp chặt và tí nh đối xứng cao nhất. Mạ ng tinh thể của hợp chấ t với liê n kế t ion vẫ n có cá c kiể u mạ ng đơn giả n (A1, A2) nhng sự phâ n bố cá c ion trong đó khá phức tạ p nê n vẫn đ ợc coi là có mạ ng phức tạ p. Có thể hì nh dung mạ ng tinh thể cá c hợp chấ t hóa học với liê n kế t ion đ ợc tạo thà nh trê n cơ sở của ô cơ sở của ion â m, các ion dơng còn lạ i chiế m một phầ n hay toà n bộ cá c lỗ hổng. Tỉ mỉ về cấ u trúc của chấ t rắ n có liê n kế t ion đ ợc trì nh bà y ở chơng 7. 1.4.4.1.4.4.1.4.4.1.4.4. Cấu trúc của polymeCấu trúc của polymeCấu trúc của polymeCấu trúc của polyme Khá c với kim loạ i và cá c chấ t vô cơ, ô cơ sở chỉ tạ o nê n bởi số lợng hạn chế (từ và i đế n và i chục) nguyê n tử (ion), mỗi phâ n tử polyme có thể gồm hà ng triệu nguyê n tử. Ví dụ PE (C2H4)n: H H H H H H H H C = C C C C C C C H H H H H H H H mạ ch kí n bẻ liê n kế t ké p tạ o mạ ch thẳ ng Cá c phân tử (mạ ch) polyme đ ợc liê n kế t Van der Waals với nhau (liê n kết yế u). Một số vùng cá c mạch sắ p xế p có trậ t tự tạ o nê n cấ u trúc tinh thể , phần còn lạ i là vô đị nh hì nh. 1.4.5.1.4.5.1.4.5.1.4.5. Dạng thù hì nhDạng thù hì nhDạng thù hì nhDạng thù hì nh Thù hì nh hay đa hì nh là sự tồn tạ i hai hay nhiề u cấ u trúc mạ ng tinh thể khá c nhau của cùng một nguyê n tố hay một hợp chấ t hóa học, mỗi cấ u trúc khá c biệt đó đ ợc gọi là dạ ng thù hì nh: ký hiệ u , , , , Quá trì nh thay đổi từ dạ ng thù hì nh nà y sang dạ ng thù hì nh khá c đ ợc gọi là chuyể n biến thù hì nh. Các yế u tố dẫ n đế n chuyể n biế n thù hì nh thờng gặp hơn cả là nhiệt độ, sau đó là áp suất. Cacbon ngoà i dạ ng vô đị nh hì nh còn tồn tạ i: cá c dạng thù hì nh (cá c hì nh 1.13, 1.14): kim cơng (A4), grafit (A9). sợi cacbon (cấ u trúc lớp cuộn), fullerene (cấ u trúc mặ t cầ u C60) trong đó. grafit là dạ ng thờng gặ p và ổn đị nh nhấ t. Sắ t (Fe) có hai kiể u mạ ng là : Fe-A2, T < 911oC, Fe-A1, T= 911 ữ 1392oC, Fe T> 1392oC -1539oC; tí nh chấ t . Chuyể n biế n thù hì nh bao giờ cũng đi kè m với sự thay đổi về thể tí ch (nở hay co) và cơ tí nh. Ví dụ: khi nung nóng sắ t qua 911oC sắ t lạ i co lại đột ngột (do tă ng mậ t độ xế p từ 68 lê n 74% khi chuyể n từ Fe Fe) và hoàn toàn ngợc lạ i khi là m nguội (điề u nà y hơi trá i với quan niệ m thờng gặp là nung nóng thì nở ra, còn là m nguội thì co lạ i) rè n khuôn?. 1.5.1.5.1.5.1.5. Sai lệ ch mạng tinh thểSai lệ ch mạng tinh thểSai lệ ch mạng tinh thểSai lệ ch mạng tinh thể Trong thực tế không phả i 100% nguyê n tử đề u nằ m đúng vị trí quy đị nh, gâ y nê n những sai lệ ch đ ợc gọi là sai lệ ch mạ ng tinh thể hay khuyế t tật mạ ng. Tuy số nguyê n tử nằ m lệch vị trí quy đị nh chiế m tỷ lệ rất thấ p (chỉ 1 ữ 2%) song ả nh hởng lớn đế n cơ tí nh: khả nă ng biế n dạng dẻ o, biế n cứng .). Phụ thuộc vào kí ch thớc theo ba chiề u trong không gian, sai lệ ch mạ ng chia thành: điểm, đờng và mặ t. [...]... ng 1. 2 Bả ng 1. 2 Các cấp hạt chuẩn chí nh theo ASTM Cấ p hạ t 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 2 Z(x100)/inch 0,25 0,5 1 2 4 8 16 32 64 12 8 2 Z thự c/mm 4 8 16 32 64 12 8 256 512 10 24 2048 2 S hạ t, mm 0,258 0 ,12 9 0,0645 0,032 0, 016 0,008 0,004 0,002 0,0 01 0,0005 Cấ p hạ t Z(x100)/inch2 Z thự c/mm2 S hạ t, mm2 9 256 4096 2 .1 0-4 10 512 8200 1. 1 0-4 11 10 24 16 400 6 .1 0-5 12 2048 32800 3 .1 0-5 13 4096 65600 1, 6 .1 0-5 14 ... ch củ a tinh thể , có thứ nguyê n là cm/cm3 hay cm-2 Mậ t độ lệ ch phụ thuộc rấ t mạ nh và o đ ộ sạ ch và trạ ng thá i gia cô ng Ví dụ, đối với kim loạ i có giá trị nhỏ nhấ t (~ 10 8 cm-2) ứng vớ i đ ộ sạ ch cao và trạ ng thá i ủ; hợp kim và kim loạ i sau biế n dạ ng nguội, tô i tớ i 10 10 ữ 10 12 cm-2) (có thể coi mậ t độ lệ ch là trục lệ ch chạ y qua /1 cm2) ý nghĩ a: lệ ch biê n giúp cho dễ biế n dạ... 1, 6 .1 0-5 14 8200 13 1200 7,88 .1 0-6 17 Hì nh 1. 21 Thang ảnh cấp hạt chuẩn ứng với độ phóng đại x100 c Siê u hạ t Nế u nh khối đa tinh thể gồm cá c hạ t (kí ch thớc hà ng chục - hà ng tră m àm) vớ i ph ơ ng mạ ng lệ ch nhau một góc đá ng kể (hà ng chục độ), đế n lợt mỗ i hạ t nó cũ ng gồ m nhiề u thể tí ch nhỏ hơn (kí ch thớc cỡ 0 ,1 ữ 10 àm) với phơng mạ ng lệ ch nhau mộ t góc rấ t nhỏ ( 1- 2 o) gọi là siê... thức thực nghiệ m: A = 1, 1 4 n 3 , đ ể tạ o hạ t nhỏ tă ng n và giả m v b Cá c phơng pháp làm hạt nhỏ khi đúc Tă ng tốc độ nguội Khi tă ng đ ộ quá nguộ i To, tốc độ sinh mầ m n và tốc độ phá t triể n dà i của mầ m v đề u tă ng (hì nh 1. 26) n,v n T < T1( ~10 3 độ/s): T cả n&v đề u T1 T2: T vô đị nh hì nh Đúc khuôn cá t khuôn kim loạ i hạ t nhỏ Biế... ABCD và o nử a phầ n trê n củ a mạ ng tinh thể lý tởng (hì nh 1. 18a), khi đó, cá c mặ t nguyê n tử khá c ở hai phí a trở nê n không còn song song với nhau nữa C 2 2 3 B A 1 4 D 1 5 vé c tơ (a) (b) (c) Hì nh 1. 18 Lệch biên: tinh thể không lệch (a), mô hì nh tạo thành (b), sự sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c) 3 4 15 Nh thấ y rõ ở hì nh 1. 18b: đ ờng AD đ ợc gọi là trục lệ ch, nó chí nh là biê n của... hạ t theo tiê u chuẩ n ASTM: phâ n thà nh 16 cấ p chí nh đá nh số từ 00, 0, 1, 2 , 14 theo trậ t tự hạ t nhỏ dầ n, trong đó từ 1 đế n 8 là thông dụng Cấ p hạ t N=3,322lgZ +1, với Z là số hạ t có trong 1inch2 (2,542 6,45cm2) dới độ phó ng đ ạ i 10 0 lầ n Ng ời ta th ờ ng xá c đ ị nh cấ p hạ t bằ ng cá ch so sá nh với bả ng chuẩ n ở độ phó ng đ ạ i (th ờng là x100) hoặ c xá c đị nh trê n tổ chức tế vi... chiề u textua, cực tiể u theo phơng vuông góc giả m tổ n thấ t 18 1. 7 Sự kế t tinh và hì nh thà nh tổ chức của kim loại Phầ n lớn kim loạ i hợp kim đợc chế tạ o (luyệ n) ra đúc, tức qua kế t tinh, sau đ ó cá n bá n thà nh phẩ m và sả n phẩ m Kế t tinh là bớc khởi tạ o hì nh thà nh tổ chức hạ t, tinh thể độ hạ t, tổ chức mong muốn 1. 7 .1 Điề u kiệ n xả y ra kế t tinh a Cấ u trúc ở trạng thái lỏng... nh 1. 17 Các dạng sai lệch điểm: nút trống và nguyên tử tự xen kẽ (a) và các nguyên tử tạp chất (b) Q Mậ t độ của nút trống tă ng nhanh theo nhiệ t độ (n= e KT ), khi sắ p chả y lỏ ng nmax Nú t trố ng có ả nh h ởng lớn đế n cơ chế và tốc độ khuế ch tá n của kim loạ i và hợ p kim ở trạ ng thá i rắ n b Nguyê n tử tạp chất Trong thực tế vậ t liệ u hoặ c kim loạ i thờng có tạ p chấ t: xen kẽ (hì nh 1. 17b).. .14 1. 5 .1 Sai lệ ch điể m Đó là loạ i sai lệ ch có kí ch thớc rấ t nhỏ (cỡ kí ch thớc nguyê n tử) theo ba chiề u không gian, có dạ ng bao quanh một điể m Hì nh 1. 17 trì nh bà y tổng quá t cá c dạ ng sai lệ ch đ iể m nà y trố ng a Nút trống và nguyê n tử tự xen kẽ (Hì nh 1. 17a) Do dao đ ộ ng nhiệ t quanh vị trí câ n bằ ng, ở mức phâ n bố... góc rấ t nhỏ ( 1- 2 o) gọi là siê u hạ t hay block (hì nh 1. 20d) Biê n giớ i siê u hạ t cũng bị xô lệ ch nhng với mức độ rấ t thấ p 1. 6.3 Textua Hì nh 1. 22 Mô hì nh textua trong dây nhôm sau khi kéo sợi (vectơ V biểu thị hớng kéo, trục textua là [11 1]) Do biế n dạ ng dẻ o là m ph ơng mạ ng đị nh hớng tạ o nê n textua Ví dụ, khi ké o sợi nhôm (hì nh 1. 22), tinh thể hì nh trụ khi đúc, khi phủ Cấ u trú c . lập phơng a x y z [11 0] [11 1] [10 0] [ 010 ] [0 01] 8 [11 0], [ 011 ], [10 1], [11 0], [ 011 ], [10 1], [11 0], [ 011 ], [10 1], [11 0], [ 011 ], [10 1] (cá c đ ờng chéo). 1 1, 1, 1/ 2 1, 1, 2 (11 2) 2 1, 1, 1 1, 1, 1 (11 1) 3 1, 1, 1, 1, 0 (11 0) 4 1, ,