Mon VL Chat Ran 3

Caùc tinh theå khí trô nhö He, Ne, Ar coù lôùp voû ñieän töû hoùa trò hoaøn toaøn ñaày , naêng löôïng ion hoùa raát lôùn, naêng löôïng lieân keát giöõa caùc nguyeân töû raát yeáu, kh[r]

Chương II

I CÁC LOẠI LIÊN KẾT TRONG TINH THỂ

Các nguyên tử tiến lại gần để tạo thành tinh thể  Có tương tác chúng  Năng lượng

của toàn hệ giảm Độ giảm lượng xác định năng lượng liên kết tinh thể.

Năng lượng liên kết khác loại tinh thể:

Tinh thể khí trơ:

Eliên kết = 0.02  0.2 eV/nguyên tử Tinh thể kim loại kiềm:

Eliên kết = eV/nguyên tử

Tinh thể nhóm Ge, Si:

1 BẢN CHẤT CỦA CÁC LỰC TƯƠNG TÁC TRONG TINH THỂ

Khi nguyên tử lại gần nhau, nguyên tử có tương tác:

+ Tương tác hấp dẫn. + Tương tác từ.

+ Tương tác tónh điện.

Nếu hợp tương tác làm lượng hệ giảm

 lực hút nguyên tử thắng  tinh thể

ổn định.

Nếu hợp tương tác làm lượng hệ tăng

+ Với ngun tử có điện tích e: lượng hút tĩnh điện:

Uđiện = Uhút ~ - ~ -5eV

r e2

•Giả sử xét tương tác hai nguyên tử gần cách Ao

•Như vậy:

•Uđiện >> Utừ >> Uhấp dẫn

•Vậy nguồn gốc liên kết tinh thể tương tác tónh điện.

+ Với nguyên tử nặng có A = 250 lượng hấp dẫn

+ Với nguyên tử nặng có A = 250 lượng hấp dẫn

vào khoảng:

vào khoảng:

Uh p d nấ ẫ ~ 2,4.10-32 eV

+Với nguyên tử có momen từ magnetron Born lượng tương tác:

 Tương tác đẩy điện tích dấu: Tương tác đẩy điện tích dấu: hạt nhân – hạt nhân; electron – electron

n

r A Uđẩy =

Trong đó: A, n = số, n >> 1; r : khoảng cách hai

Trong đó: A, n = số, n >> 1; r : khoảng cách hai

nguyên tử

nguyên tử

TƯƠNG TÁC TĨNH ĐIỆN

Tương tác tónh điện tinh thể gồm:

Tương tác hút tương tác đẩy

r e2 Uhuùt ~

r0 r

U

( r

)

Umin

Vậy: Năng lượng tương tác hai nguyên tử gồm:

Vậy: Năng lượng tương tác hai nguyên tử gồm:

U(r) = Uhút + Uđẩy

Khi r = ro , U(ro) = Umin

 ro = khoảng cách thực

giữa hai nguyên tử gần tinh thể

Khi r  :

Uđẩy >> Uhút  U(r)   Khi r   :

Tùy theo số electron hóa trị nguyên tử mà chúng phân bố lại electron cách: nhường, hay thu, hay góp chung electron hay biến dạng lớp vỏ e-

2 CÁC LOẠI LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN

Sự khác biệt loại liên kết chất rắn do sự phân bố điện tử hóa trị nguyên tử

Khi đưa nguyên tử lại gần để tạo tinh thể chất rắn, chúng có sự phân bố lại điện tử các nguyên tử Quá trình thỏa điều kiện:

+ Bảo tồn điện tích hệ.

CÁC LOẠI LIÊN KẾT CƠ BẢN TRONG TINH THỂ

1-Liên kết Van der Waals

Liên kết yếu nguyên tử trung hòa tương tác Van der Waals – London thăng giáng phân bố điện tích nguyên tử

2-Liên kết ion

Các ngun tử trao đổi điện tử hóa trị với để tạo thành ion (+) ion (-)  liên kết lực hút tĩnh điện

caùc ion traùi dấu

3-Liên kết đồng hóa trị

Liên kết nguyên tử cách góp chung electron hóa trị  Các ngun tử trung hịa có phân bố

electron chùm lên phaàn

4-Liên kết kim loại

Các electron hóa trị giải phóng khỏi nguyên tử di chuyển tự tinh thể Các ion (+) nằm vị (+) nằm vị

trí nút mạng

II VÍ DỤ MINH HỌA CHO CÁC LOẠI LIÊN KẾT TRONG CHẤT RẮN

1 TINH THỂ KHÍ TRƠ

A ĐIỂN HÌNH

Các tinh thể khí trơ He, Ne, Ar có lớp vỏ điện tử hóa trị hồn tồn đầy, lượng ion hóa lớn, lượng liên kết nguyên tử yếu, không đủ làm biến dạng lớp vỏ electron chúng

Xét hai nguyên tử cách khoảng

Xét hai nguyên tử cách khoảng r nh hìnhư

Giả sử thời điểm t, nguyên tử có momen lưỡng cực điện tức thời  sinh điện trường có độ lớn tâm

của nguyên tử là:1

P E

31

r P

E 

E

2

p

r

1

p

Nguyên tử Nguyên tử

Momen lưỡng cực điện cảm ứng nguyên tử P2: r P E

P   

Trong  = độ phân cực điện

       

 3 5

o r ) r P )( r P ( r P P ) r ( U     

 P1



2

P

Thế tương tác hai momen , là: Vì // nên:P1 P2

6 o o 32 o

1(r) 4 PrP 3Pr.rP r 42P Pr 4 rP

U                

U1(r) = Uhuùt = - 6  Tương tác hút r

C

Nguyên tử gần liên kết mạnh  Tương tác

Van der Waals – Lon don  đóng vai trị

    

  

       

    

  12

r r

Hay : U(r) = 4 = Theá Lennard – Jones

Khi đưa nguyên tử lại gần  có

thêm tương tác đẩy có dạng:

12

r A

Uđẩy =

6

r C

12

r A

Thế tương tác toàn phần: U(r) = Uhút(r) + Uđẩy(r) = - +

Vậy: Tương tác Van der Waals – London đóng vai trị chính liên kết tinh thể khí trơ.

r0

Umin



4 ) r ( U



r

B MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA TINH THỂ KHÍ TRƠ

 Liên kết tinh thể khí trơ liên kết Van der Waals  tương tác hút  xu hướng nguyên tử kéo số nguyên tử lân cận tối đa

 Tinh thể có cấu trúc xếp chặt: lập phương tâm mặt cho

đa số tinh thể khí trơ, lục giác xếp chặt với tinh thể He

 Các tinh thể khí trơ là chất điện môi suốt có năng

Năng lượng tổng cộng tinh thể có N nguyên tử (tức có cặp nguyên tử) tổng lượng tương tác cặp nguyên tử

N

2 U N

Năng lượng liên kết tinh thể khí trơ

) r ( U U

1

i i



 

 

Giả sử tinh thể khí trơ tập hợp nguyên tử nằm nút mạng, bỏ qua động chúng

 Năng lượng tương tác nguyên tử nằm gốc tọa độ

với nguyên tử lại i tinh thể năng:

3 i

2 i

1 i

i n a n a n a

r   



 



Với:

Với:

ri  R : khoảng cách hai nút lân cận gần

2 U

U N N

1

u  

Mặt khác, theo Lennard _ Jones ta có:                          12 r r 4 ) r ( U Đặt ri = iR

                                                                         

i i i

i i i R . R . r r u 6 12 12 12 1 1 2 2 4                           6 12

12 R A . R

A 2 u          i n i 1 Với

An phụ thuộc  Loại mạng tinh thể n.

Khi n   : An  số lân cận gần

VD: mạng lập phương tâm mặt An = 12.

Khi n giảm  An tăng có đóng góp

0 R U o R R    

Khoảng cách cân Ro lân cận gần tính từ điều kiện:

5 6 11 12 12 12 o o R A R A      

 1.09

A A R 6 12 o   

Kết lí thuyết phù hợp tốt với kết thực nghiệm nguyên tử có khối lượng lớn, cịn ngun tử có khối lượng nhỏ có sai khác đáng kể

Ngun nhân bỏ qua động nguyên tử. 

 2 12 6 0

5 6 11 12 12               

Ro

Năng lượng liên kết cân bằng

Thế vào công thức: u = 2 , ta tính lượng liên kết cân bằng:

  A A R 6 12 o                     

 

6 12 12 R A R A                                                6 12 12 6 12 12 A A A A A A

uo = 2

           

 8.6

A A A A A A 12 12 12

uo = 2

Kết phù hợp với kết thực nghiệm nguyên tử có khối lượng lớn

Khi khối lượng giảm  có sai lệch nhiều với kết

thực nghiệm

Ở nhiệt độ T = 0oK, áp suất tính:

P = -  B = V

V U   T 2 V U   

Độ cứng tinh thể B

Độ cứng B tinh thể số đo lượng cần để làm biến dạng tinh thể Tinh thể có B lớn cứng

Nghịch đảo B độ nén tinh thể T

V P

  Theo định nghóa: B = -V

Với: V thể tích tinh thể; P áp suất

N U

Ta có: Năng lượng hạt: u =  U = Nu

N V

Thể tích hạt: v =  V = Nv

                     ) Nv ( ) Nu ( ) Nv ( Nv V U V

B = Nv 

         v u v

Với mạng lập phương tâm mặt, ô mạng chứa 4

hạt ta coi thể tích hạt gần

theå tích ô mạng:

1 R v R    4 a3 v =

Mặt khác, khoảng cách hạt gần là:

R = 2  a = R

2 a 2 R3             v R R u v

 B =

  R R a v 3   

2 R B             R R u v                         v R . R 3 2 . R u R 2 R3                                   2 2 R R R R u R R u R3  R             R u R R u R 3 2 R u R 2 R u R 2 2                      R u R R u R

B 2 22

Ở khoảng cách cân bằng, lượng cực tiểu nên ta có: 0 R u o R R    

Khi R = Ro :

o R R o R u R    2

Bo =

 6 12 2 A A                     

 

6 12 12 R A R A

Với Ro = ; u = 2

3

75

 

2 TINH THỂ ION A ĐIỂN HÌNH

 Là Halogen kiềm: NaCl, LiF, CsCl, …

 Các nguyên tử kim loại kiềm có electron

hóa trị (VD: Na), cịn ngun tử Halogen có 7 electron hóa trị (VD: Cl).

+ Nguyên tử Na nhường electron hóa trị  ion

Na+ có electron lớp vỏ cùng.

+ Nguyên tử Cl nhận electron hóa trị  ion Cl

-có electron lớp vỏ cùng.

B TÍNH CHẤT

Tương tác NaCl tương tác hút tĩnh điện giữa ion trái dấu.

Liên kết mạnh, khơng có electron tự do

 Các tinh thể liên kết ion không dẫn điện nhiệt

độ thấp, nhiệt độ cao độ dẫn điện tăng

 Có điểm nóng chảy cao, độ cứng lớn, hấp thụ

NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT

NĂNG LƯỢNG MẠNG UM

Để đơn giản , ta dùng mơ hình cấu trúc tinh thể ion hóa trị I : NaCl

UM lượng cần chi để tách tất hạt

mạng xa vô hạn

THẾ TÁC DỤNG CỦA CHUỖI MẠNG LÊN HẠT X

x 6…

) R

3 e R

2 e R

e (

k 2

1     



) 3

1 2

1 1

( R e k

1    

 

R e 6935 ,

0 R

e2

1

1   

 

 thế tác dụng chuỗi lên x lần

thế tác dụng nửa chuỗi lên x.

THẾ TÁC DỤNG CỦA MẶT MẠNG LÊN X )

5 R

e 2 2

R e 2 R

e (

k 2

2     



) 5

2 2

2 1

( R e k

2    

 

Thế tác dụng nửa mặt mạng lên x:

x

R e 1144 ,

0 R

e2

2

2   

 

 Thế tác dụng mặt mạng lên x lần

THẾ TÁC CỦA MẠNG KHÔNG GIAN LÊN X Thế tác nửa mạng không gian lên x:

R e 0662 ,

0 R

e2

3

3   

 

 Thế tác dụng mạng không gian leân x

bằng lần tác dụng nửa mạng lên x.

Do đó, toàn mạng tinh thể tác dụng lên x:

Năng lượng mạng mạng có NA hạt là:

R e2

UM = - NA = 2NA(1 + 2 + 3 )

Đặt: M = 2(1 + 2 + 3 ) = số Madelung Năng lượng mạng :

UM = MNA

R e2

M thừa số hình học, vật chất khác

nhau, có cùng cấu trúc có M gioáng

 Năng lượng liên kết ion: R

e 7476 ,

1 R

e

u M 

+ Năng lượng mạng hợp chất ion với hóa trị ion Z1, Z2 là:

R e Z

Z N

U M A 1 2

 Năng lượng liên kết ion:

R e Z

Z

   

 

  

 R 2

R 18

e

B

4

Tương tự, ta tính độ cứng tinh thể ion:

ĐỘ CỨNG CỦA TINH THỂ ION

Với  = const có thứ nguyên đơn vị chiều

3.TINH THỂ ĐỒNG HĨA TRỊ A ĐIỂN HÌNH

Các nguyên tố thuộc nhóm IV bảng phân loại tuần hoàn Ge, Si, C …

Mỗi nguyên tử có 4 electron hóa trị, liên kết với chúng góp electron hóa trị với nguyên tử lân cận tạo thành liên kết đồng hóa trị 

liên kết có electron hóa trị

 LIÊN KẾT ĐỒNG HÓA TRỊ

Quanh nguyên tử có 4 ngun tử lân cận

nằm tại đỉnh hình tứ diện mà nguyên tử xét

B TÍNH CHẤT

Liên kết đồng hóa trị mạnh.

 Elk khoảng bằng lượng liên kết liên

keát ion.

Đặc điểm bật liên kết đồng hóa trị

tính định hướng tinh thể.

Có nhiệt độ nóng chảy cao, độ rắn độ bền

4 TINH THỂ KIM LOẠI

A ĐIỂN HÌNH

Là nguyên tố nhóm 1 bảng phân loại

tuần hoàn VD: K, Li, Na …

Mỗi nguyên tử có 1 electron hóa trị liên kết

yếu với ion

Khi nguyên tử lại gần tạo thành tinh thể,

electron hóa trị khỏi ngun tử (vì hàm sóng phủ nhau) trở thành electron tự toàn mạng tinh thể  Các electron dẫn.

B TÍNH CHẤT

 Có tính dẫn điện tốt.

 Năng lượng liên kết nhỏ so với lượng

lieân keát ion

 Khoảng cách nguyên tử tương đối

lớn  ion nút mạng dịch chuyển

tương đối xa mà không bị phá vỡ liên kết 

độ dẻo cao, dễ uốn, dát, kéo sợi.

 Kim loại nặng có liên kết chắn

 nhiệt độ nóng chảy cao, độ bền học lớn.

 Cấu trúc: nguyên tử có xu hướng kéo

mình tối đa ngun tử khác

 hình thành cấu trúc xếp chặt: lập phương

VÍ DỤ

Cu  lập phương tâm mặt Mg  lục giác xếp chặt.