Cấu trúc tinh thể và sự hình thành

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 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 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: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 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 trị a. Liê n kế t đồng hóa trịa. Liê n kế t đồng hóa trị a. 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 (1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 ), 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 (CH 4 ) Giecmani (Ge, z=32) có 4e lớp ngoà i cùng (4s 2 , 4p 2 ), 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 CH 4 là loạ i dị cực. Mê tan (CH 4 ). 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 ion b. Liê n kế t ionb. Liê n kế t ion b. 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 Al 2 O 3 , MgO, CaO, Fe 3 O 4 , 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: á nh 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 hợp Liê n kế t hỗn hợpLiê n kế t hỗn hợp Liê 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 de Liê n kế t yế u (Van deLiê n kế t yế u (Van de Liê 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 chất Sắp xế p nguyê n tử trong vật chấtSắp xế p nguyê n tử trong vật chất Sắp xế p nguyê n tử trong vật chất 1.2.1. Chất khí 1.2.1. Chất khí1.2.1. Chất khí 1.2.1. 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 thể Chất rắn tinh thểChất rắn tinh thể Chất 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 thể Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thểChất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể a. a.a. a. Chất lỏng Chất lỏngChất lỏng Chất 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 nh Chất rắn vô đị nh hì nhChất rắn vô đị nh hì nh Chất 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 SiO 2 ) 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 SiO 2 [trong đó ion O 2- ở các đỉ nh khối tứ diện (bốn mặ t) tam giá c đề u, tâ m của khối là ion Si 4+ 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 SiO 2 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 [ SiO 4 ] 4- (a), thủy tinh thờng SiO 2 (b) thủy tinh tinh thể SiO 2 (c) c. c. c. c. Chất rắn vi tinh thể Chất rắn vi tinh thểChất rắn vi tinh thể Chất 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 10 4 độ/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 thể Khái niệ m về mạng tinh thểKhái niệ m về mạng tinh thể Khái 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 xứng Tí nh đối xứngTí nh đối xứng Tí 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 L 1 , L 2 , L 3 , L 4 , L 6 . n=2 (L 2 ) n=3 (L 3 ) n=4 (L 4 ) n=6 (L 6 ) 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 ở Ô c ơ s ởÔ c ơ s ở Ô 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 mạng Nút mạngNút mạng Nút mạng Nút mạ ng tơng ứng với vị trí các nguyê n tử trong mạ ng tinh thể . c. c.c. c. Chỉ số phơng Chỉ số phơngChỉ số phơng Chỉ 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 1 4 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], [1 1 0], [01 1 ], [ 1 01], [ 1 10], [0 1 1], [10 1 ], [ 11 0], [0 11 ], [ 1 0 1 ] (cá c đ ờng chéo) d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể d. Chỉ số Miller của mặt tinh thểd. Chỉ số Miller của mặt tinh thể d. 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 giác lục giáclục giác lục 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) (10 1 0) BCIH (010) (01 1 0) AGLF (110) (1 1 00) 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 tử Mật độ nguyê n tửMật độ nguyê n tử Mật độ nguyê n tử a. a. a. a. Mật độ xế p Mật độ xế pMật độ xế p Mật 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) M l , theo mặ t M s hay trong toà n bộ thể tí ch mạ ng M v đợc xá c đị nh theo cá c công thức: M l = l / L, M s = s / S, M v = v / V x y u A B C D E F z G H I J K L 3 5 2 1 4 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 hổng Lỗ hổngLỗ hổng Lỗ 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 rắn Cấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắnCấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắn Cấu trúc tinh thể điể n hì nh của chất rắn 1.4.1 1.4.11.4.1 1.4.1. 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 A2 Lập phơng tâm khối A2Lập phơng tâm khối A2 Lập 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: n v = 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 d ng.t = 2 3 a , 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 M v = 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 d ng.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 d ng.t nằ m ở 4 1 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 A1 Lập phơng tâm mặt A1Lập phơng tâm mặt A1 Lập 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: n v = 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 d ng.t = 2 2 a , 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 M v =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 d ng.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 0,414d ng.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 1 2 3 4 A 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 giác Lục giácLục giác Lục 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: n v = 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 trị Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trịChất rắn có liê n kế t đồng hóa trị Chất rắn có liê n kế t đồng hóa trị a. a.a. a. Kim cơng A4 Kim cơng A4Kim cơng A4 Kim cơng A4 Kim cơng là một dạ ng tồn tạ i (thù hì nh) của cacbon với cấ u hì nh electron là 1s 2 2s 2 2p 2 , 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 grafit Mạng grafitMạng grafit Mạng 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 fullerene Cấu trúc của sợi cacbon và fullereneCấu trúc của sợi cacbon và fullerene Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene Phâ n tử cacbon C 60 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 SiO Cấu trúc của SiOCấu trúc của SiO Cấu trúc của SiO 2 22 2 Hì nh 1.5a, là mô hì nh sắ p xếp không của cá c khối tứ diệ n tam giá c đề u SiO 4 4- của SiO 2 . 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 (SiO 4 ) 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 ion Chất rắn có liê n kết ionChất rắn có liê n kết ion Chất 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 polyme Cấu trúc của polymeCấu trúc của polyme Cấu 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 (C 2 H 4 ) 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 nh Dạng thù hì nhDạng thù hì nh Dạng 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 C 60 ) 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 < 911 o C, Fe -A1, T= 911 ữ 1392 o C, Fe T> 1392 o C -1539 o C; 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 911 o C 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 thể Sai lệ ch mạng tinh thểSai lệ ch mạng tinh thể Sai 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. [...]... nhanh khi kế t tinh 1.5.3 Sai lệ ch mặt Sai lệ ch mặ t là loạ i sai lệ ch có kí ch thớc lớn theo hai chiề u đo và nhỏ theo chiề u thứ ba, tứ c có dạ ng củ a một mặ t (có thể là phẳ ng, cong hay uốn lợn) Cá c dạ ng đ iể n hì nh của sai lệ ch mặ t là : - biê n giớ i hạ t và siê u hạ t (sẽ trì nh bà y ở mục sau) và bề mặ t tinh thể 1.6 Đơ n tinh thể và đa tinh thể 1.6.1 Đơ n tinh thể Đơ n tinh thể (hì nh... độ xế p chặ t nguyê n tử khá c nhau Đơn tinh thể chỉ đ ợc dùng trong bá n dẫ n 1.6.2 Đa tinh thể a Hạt Trong thự c tế hầ u nh chỉ gặ p cá c vậ t liệ u đa tinh thể Đa tinh thể gồm rấ t nhiề u (đơ n) tinh thể nhỏ (cỡ àm) đợc gọi là hạ t tinh thể , cá c hạ t có cùng cấ u trú c và 16 thông số mạ ng song ph ơng lạ i đị nh hớng khá c nhau (mang tí nh ngẫ u nhiê n) và liê n kế t vớ i nhau qua vù ng ranh giới... ké m xí t chặ t với tí nh chấ t khá c với bả n thâ n hạ t - Có thể quan sá t cấ u trúc hạ t đa tinh thể hay cá c hạ t nhờ kí nh hiể n vi quang học (hì nh 1.20c) Hì nh 1.20 Mô hì nh đơn tinh thể (a), đa tinh thể (b), tổ chức tế vi kim loại đa tinh thể (c), cấu trúc của siêu hạt (d) b Độ hạ t Độ hạ t có thể quan sá t đ ị nh tí nh qua mặ t gã y, để chí nh xá c phả i xá c đị nh trê n tổ chứ c tế vi Cấ p... câ y mới kế t tinh tạ o nê n hạ t (tinh thể ) đặ c kí n, không thấ y trực tiế p đợc nhá nh câ y nữa Nhá nh câ y chỉ đợc phá t hiệ n thỏi đúc lớn, phầ n kế t tinh tr ớc là m trơ Hì nh 1.24 Kết tinh nhánh ra nhá nh câ y mà không còn kim loạ i lỏng điề n cây (a), tinh thể nhánh cây (b) đầ y Cũng có thể tẩ m thực hợp kim để thấ y đợc nhá nh câ y 1.7.3 Sự hì nh thà nh hạt a Tiế n trì nh kế t tinh Ta thấ y:... u và hằ ng số mạ ng), có phơ ng mạ ng không đổi trong toà n bộ thể tí ch Trong thiê n nhiê n: một số khoá ng vậ t có thể tồn tạ i dới dạ ng đơn tinh thể Chúng có bề mặ t ngoà i nhẵ n, hì nh dá ng xá c đị nh, đó là những mặ t phẳ ng nguyê n tử giới hạ n (thờng là cá c mặ t xế p chặ t nhấ t) Cá c đơn tinh thể kim loạ i không tồn tạ i trong tự nhiê n, muố n có phả i dùng công nghệ "nuôi" đơn tinh thể. .. nh 1.22), tinh thể hì nh trụ khi đúc, khi phủ Cấ u trú c đ a tinh thể có textua vậ t liệ u có tí nh dị hớng ứng dụng cho thé p biế n thế , t/c từ cực đạ i theo 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... 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 Chấ t lỏ ng chỉ có trậ t tự gầ n, trong đó có những nhóm nguyê n tử sắ p xế p trậ t tự, chú ng ở trạ ng thá i câ n bằ ng đ ộng Về mặ t cấ u trúc trạ ng thá i lỏng gầ n trạ ng thá i tinh thể hơ n, cá c đ á m nguyê n tử là tâ m mầ m giúp cho kế t tinh. .. khối tinh thể hoà n toà n đồng nhấ t, thể hiệ n tí nh dị hớng - Cá c hạ t đ ị nh h ớ ng ngẫ u nhiê n với số lợng rấ t lớn nê n thể hiệ n tí nh đẳ ng hớng - Biê n hạ t chị u ả nh hởng của cá c hạ t xung quanh nê n có cấ u trúc trung gian và vì vậ y sắ p xế p khô ng trậ t tự (xô lệ ch) nh là vô đị nh hì nh , ké m xí t chặ t với tí nh chấ t khá c với bả n thâ n hạ t - Có thể quan sá t cấ u trúc hạ t đa tinh. .. góc vớ i trục r lệ ch khi chuyể n từ tinh thể khô ng lệ ch sang tinh thể có lệ ch Lệ ch thẳ ng b ADL vé c tơ xoắ n c Lệ ch xoắn (screw dislocation) (hì nh 1.19a) A A A D D D C B B B C C a) b) c) Hì nh 1.19 Lệch xoắn: tinh thể không lệch (a), mô hì nh tạo thành (a), đặc điểm sắp xếp nguyên tử trong vùng lệch (c) Cá c nguyê n tử trong vù ng hẹ p giữa hai đ ờng AD và BC sắ p xế p lạ i có dạ ng đờng xoắ... giúp cho kế t tinh b Biế n đổ i nă ng lợ ng khi kế t tinh Hì nh 1.23 biể u thị sự biế n đổi nă ng lợng G của cá c trạ ng thá i lỏng (GL) và rắ n (GR) (tinh thể ) theo nhiệ t độ: - ở nhiệ t độ T > TO vậ t thể tồn tạ i ở trạ ng thá i G lỏng GL . và siê u hạ t (sẽ trì nh bà y ở mục sau) và bề mặ t tinh thể . 1.6. 1.6.1.6. 1.6. Đơn tinh thể và đa tinh thể Đơn tinh thể và đa tinh thể ơn tinh thể và. tinh thể và đa tinh thể Đơn tinh thể và đa tinh thể 1.6.1. 1.6.1.1.6.1. 1.6.1. Đơn tinh thể Đơn tinh thể ơn tinh thể Đơn tinh thể Đơn tinh thể (hì nh 1.20a):