Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Kiểu cấu trúc - Cao Xuân Việt cung cấp cho học viên những kiến thức về lỗ trống trong cấu trúc lập phương, cấu trúc lục giác sít chặt, lỗ trống trong cấu trúc lục giác sít chặt, lập phương nguyên thủy,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
KIỂU CẤU TRÚC - KIỂU CẤU TRÚC: -Mơ hình cấu trúc loại tinh thể đại diện cho lớp hợp chất -Phần tử bán kính: -Kim loại: Cấu trúc lập phương lục giác -Carbon: Kim cương, grafite, C60 -Phần tử khác bán kính: Ceramic -Anion lập phương lục giác, cation xen vào lỗ trống -Các kiểu: MX, MX2, MX3, M2X3, MXnOy -Khơng có kiểu cấu trúc riêng cho cấu tử trở lên CÙNG BÁN KÍNH Bao gồm cấu trúc kim loại kim cương Kiểu cấu trúc đặc trưng kim loại: - Lập phương & - Lục giác sít chặt Các dạng thù hình Các bon: - Kim cương - Grafit - Fuleren (C60) 1-KIM LOẠI LỖ TRỐNG TRONG CẤU TRÚC LẬP PHƯƠNG Vị trí lỗ trống khơng gian phần tử: -các lỗ trống tứ diện (của cấu trúc lập phương) -bát diện (của cấu trúc lập phương tâm mặt) H.1.14 2- KIM LOẠI CẤU TRÚC LỤC GIÁC SÍT CHẶT Theo hệ tọa độ biểu diễn tham số mạng, xác định vị trí phần tử theo tọa độ Ví dụ: Viết 0,0,0; 2/3,1/3, 1/2, có nghĩa: - coi phần tử nút mạng có tọa độä a = 0; b = 0; c = - phần tử có tọa độ 2/3a,1/3b,1/2c Khoảng cách hai nguyên tử liền kề: a2 c2 Lớp A c Lớp B Lớp A a LỖ TRỐNG TRONG CẤU TRÚC LỤC GIÁC SÍT CHẶT Thể tích lấp đầy khơng gian 74,05% c 1,633 Tỷ số tham số ô mạng: a Thực tế, tỷ lệ biến động.Với tinh thể Zn: 1,86; Ti: 1,58; Be:1,56; Cd: 1,89; Mg: 1,62 Tn lỗ trống: mặt lục giác tứ diện lục giác để phân biệt với lỗ trống từ cấu trúc lập phương SỐ LƯỢNG LỖ TRỐNG TRONG CÁC KIỂU CẤU TRÚC LẬP PHƯƠNG VÀ LỤC GIÁC SÍT CHẶT KIỂU CẤU TRÚC LẬP PHƯƠNG Tâm mặt Tâm khối Đơn giản LỤC GIÁC SÍT CHẶT KIỂU LỖ TRỐNG SỐ LƯỢNG Tứ diện Bát diện Tứ diện 12 Bát diện Khối lập phương Tứ diện 12 Bát diện TÍNH SỐ PHẦN TỬ (NÚT) TRONG MỘT Ô CƠ SỞ n Lập phương đơn giản n Lập phương tâm khối 1 n Lập phương tâm mặt 3.KIM LOẠI LẬP PHƯƠNG NGUYÊN THỦY Polonium (lập phương ngun thủy): Mạng lập Vị trí ngun tử 0, 0, phương nguyên thủy Số phối trí: Khoảng cách nguyên tử: a Cho tới nay, nguyên tố có cấu trúc lập phương nguyên thủy dạng thù hình nhiệt độ thấp -Po 3-KIM LOẠI LẬP PHƯƠNG TÂM KHỐI a- Cấu trúc tinh thể Wolfram (lập phương tâm khối): Tham số ô mạng: a = 0,316nm Vị trí nguyên tử: 0, 0, a Số phối trí: Khoảng cách nguyên tử: Phần lớn kim loại khơng KẾT TINH trạng thái sít chặt nhất, Hình 1.17 kim loại kiềm, Ba số kim Tinh theå Wolfram loại chuyển tiếp (Cr, W, Zr …) kết tinh nhanh dạng lập phương tâm khối KIM LOẠI Lớp A CẤU TRÚC LẬP PHƯƠNG DIỆN TÂM (TÂM MẶT) Lớp C Đại Lớp B diện: Cu (còn gọi cấu trúc đồng) Vị trí ngun tử: 0,0,0 (tâm mặt) Hình 1.13 Cấu trúc Cu a Số phối trí: 12 Khoảng cách nguyên tử: Ô mạng sở: lập phương tâm mặt (H.1.13) Các kim loại có cấu trúc lập phương: Cu, Au, Ag, Ca, La, Ni, Pb, Pd, Pt, Sr nguyên tố khí trơ (trừ He) trạng thái rắn Các nguyên tử có khoảng cách tương đối đồng đều, có xu hướng thu hút số lớn phần tử nằm cạnh vào mạng tinh thể, vậy, kiểu liên kết thường có số phối trí lớn CẤU TRÚC SIC 6H lớp SiC B ABC ACB ABC ACB A c B 5c/6 C A 4c/6 C 3c/6 B 2c/6 A c/6 B -c - Si CÁC SILICAT VÀ ALUMINO SILICAT O Si O O O Các Si Si O O O Si Si O O O Si O silicát chiếm ~ 70% khối lượng vỏ trái đất vật liệu silicát có vị trí quan trọng khoa học công nghệ Sản phẩm: gốm sứ (đất sét +tràng thạch, xi măng Poóc lăng, thủy tinh silicát vật liệu chịu lửa 1.11.CÁC SILICAT VÀ ALUMINO SILICAT O Si O O O Si Si O O O Si Si O O O Si O Nguyên tử silic có bốn liên kết liên kết với với oxy tạo hợp chất silicat cấu trúc riêng biệt, mạch thẳng, mạch vòng, lớp, khung Trong liên kết Si – O , bốn nguyên tử oxy liên kết với nguyên tử silic tạo nhóm bền vững Do cịn liên kết dư chúng có khả tạo liên kết CÁC SILICAT VÀ ALUMINO SILICAT Đơn vị cấu trúc tứ diện phối trí, ký hiệu [SiO4]4Oxy cầu: O2- liên kết trực tiếp với hai Si4+: Si – O – Si Oxy không cầu liên kết Si4+ với cation khác: Si – O – Na Si – O – Mg – O – Si alumino silicát: Al3+ Si4+ cấu trúc silicát alumino: Al3+ có hợp chất, không Si4+ Định nghĩa: silicát hợp chất sở nhóm tứ diện 4- kiểu [SiO ]4 liên kết với SỰ LIÊN KẾT TỨ DIỆN [SIO4]4như viên gạch xây mạng lưới không gian hợp chất silicat alumino silicat Có thể: - tồn độc lập [SiO4]4-, - tạo nhóm hữu hạn (2, 3, nhóm), - vơ hạn chuỗi, xích [ SiO ]4 4 - mạng lưới không gian [ SiO4 ] - có trật tự (tinh thể) - khơng có trật tự (vơ định hình, thủy tinh) [SiO4]4- [SIO4]4- ĐỘC LẬP (NESOSILICATES) [SiO4]4- [SiO4]4- không liên kết trực tiếp, mà thông qua ion kim loại khác Trong thành phần có ion hóa trị Mg2+, Fe2+, Ca2+, Mn2+, khơng có ion kiềm (Na+ K+) Al3+ khơng thay Si4+ cấu trúc Các khống điển hình olivine, sillimanite, zircon, garnet Các khoáng cấu trúc với đa diện [SiO4]4- độc lập thường có mật độ độ cứng cao, khó bóc tách [SIO4]4- CẶP ĐƠI [SI2O7]6- (SOROSILICATE HAY DIORTHOSILICATE) Thường Ca2+, Na+ [Si2O7]66- OH- có đơi Các nhóm silicát khơng có nhóm OH-: - gehlenite Ca2Al[AlSiO7], okermanite Ca2Mg[Si2O7], rankinite Ca3[Si2O7] Nhóm chứa OH- : - Epidote CaAl3O(SiO4)(Si2O7)(OH), - Clinozoisite Ca(Fe,Al)Al2O(SiO4)(Si2O7)(OH), - Lawsonite CaAl2(Si2O7)(OH)2.H2O - Vesuvianite Ca10 (Mg,Fe)2Al4(SiO4)5(Si2O7)2(OH)4 27 [SIO4]4- TẠO VÒNG (XYCLOSILICATE) [Si3O9]9- [Si6O18]186- 6- 39 618 Vòng ba: - Benitonite BaTi[Si3O9] - Wollastonite CaSiO3 - Pectolite NaHCa2(SiO3)3 Vòng bốn: - Axinite Ca3Al2BO3[Si4O12]OH Vòng sáu : - Tourmaline - (Na,Ca)(Li,Mg,Al)3(Al,Fe,Mn)6 (BO3)3(Si6O18)(OH)4, - Beryl Be3Al2[Si6O18] - Cordierite (Mg,Fe)2Al3[AlSi5O18] CÁC SILICÁT TẠO XÍCH VƠ HẠN (INOSILICATE) Nhóm pyroxene (XYZ2O6) X là: Na+,Ca2+,Mn2+,Fe2+,Mg2+,Li+ Y là: Mn2+, Fe2+, Mg2+, Fe3+, Cr3+, Ti4+ Z Si4+ phần Al3+ Ngồi cịn có OH-, Cl-, F- Các chuỗi xích đơn cịn có tên metasilicate Khống phổ biến thuộc nhóm diopsite , augite , enstatite XÍCH KÉP (AMPHIBOLE) Hai lớp xích nối đỉnh tạo băng kép Hai nhóm pyroxene xếp chồng tạo amphibole [Si4O11]6- chiếm 10% vỏ trái đất Amphibole A0-1X2Y5Z8O22(OH,F) A ion Na+, K+; X Na+,Ca2+,Mn2+,Fe2+,Mg2+Li+ Y Mn2+,Fe2+,Mg2+,Fe3+,Cr3+,Ti4+; Z Si4+ Al3+ Ngồi cịn có OH-, F-, Cl- Obmanka khoáng phổ biến thuộc họ amphibole SILICÁT TẤM, LỚP (PHYLLOSILICATE) Liên kết vô hạn trải rộng theo hai hướng ưu tiên tạo cấu trúc tấm, lớp đa diện liên kết đỉnh xếp dạng lục giác sít chặt Đơn vị [Si4O10]4- có Al3+ đồng hình Mg2+,Al3+ xen lớp Mg2+ Fe2+, Al3+ Fe3+ Na+,K+ Ca2+ cân điện tích, talc, micas, khống sét hydrosilicát canxi Các dạng silicát cấu trúc lớp[1] a) Hoạt thạch (talc); b)Tobermorite; c) Apophillite; d)Okernite SILICÁT CẤU TRÚC KHUNG (TESTOSILICATE) Liên kết theo ba chiều, ion O2- oxy cầu Điển hình: Các dạng thù hình SiO2 quartz, tridymite, cristobalite, loại tràng thạch zeolite SILICATE CẤU TRÚC KHUNG OXIT SILIC SIO2 Si:O = 1:2 ion O2- oxy cầu Những dạng thù hình SiO2 khác độ lớn góc liên kết Si – O – Si kiểu đối xứng (cristobalit đối xứng gương; tridimít đối xứng mặt, quắc đối xứng qua mặt bị xoắn góc) Alumino silicát Nếu Al3+ Si4+ cấu trúc Các ion Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+ , OH-, F-, Cl- làm cân điện tích cơng thức nhóm gốc [AlxSinx O2n]x- cần cân bằng–x B’ C’ a) - quartz A’ b) cristobalít; c) - tridimít o 150 A C B a) b) c) SILICAT CẤU TRÚC KHUNG ZEOLITE n x/n Me [ Al x Si y O2( x y ) ].mH2O Trong khung zeolite, x ion Al3+ thay (x+y) ion Si4+ Điện tích dư bù nMe+ (hoặc Men+),không nằm khung zeolite Phần không gian rỗng lấp đầy mH2O Ví dụ: natrolite Na16[Al16Si32O256].16H2O, sabazite [Al2Si4O12].6H2O SILICAT CẤU TRÚC KHUNG ZEOLITE b) Một số kiểu đơn vị cấu trúc zeolite thứ cấp ... KÍNH Bao gồm cấu trúc kim loại kim cương Kiểu cấu trúc đặc trưng kim loại: - Lập phương & - Lục giác sít chặt Các dạng thù hình Các bon: - Kim cương - Grafit - Fuleren (C60) 1-KIM LOẠI LỖ... TRỐNG TRONG CẤU TRÚC LẬP PHƯƠNG Vị trí lỗ trống không gian phần tử: -các lỗ trống tứ diện (của cấu trúc lập phương) -bát diện (của cấu trúc lập phương tâm mặt) H.1.14 2- KIM LOẠI CẤU TRÚC LỤC... với lỗ trống từ cấu trúc lập phương SỐ LƯỢNG LỖ TRỐNG TRONG CÁC KIỂU CẤU TRÚC LẬP PHƯƠNG VÀ LỤC GIÁC SÍT CHẶT KIỂU CẤU TRÚC LẬP PHƯƠNG Tâm mặt Tâm khối Đơn giản LỤC GIÁC SÍT CHẶT KIỂU LỖ TRỐNG