Giống trường hợp của kim cương, cấu trúc mạng tinh thể của các hợp chất có liên kết đồng hóa trị mạnh phụ thuộc vào góc giữa các liên kết mà điển hình hơn cả là SiO2, nó là cơ sở của vật liệu silicat rất phổ biến trong xây dựng. Như đ∙ trình bày ở hình 1.5a, mạng tinh thể SiO2 được cấu tạo bởi các khối tứ diện tam giác đều, trong đó mỗi một ion Si4+ được bao quanh bởi bốn ion O2- [ như vậy khối tứ diện là ion (SiO4)4- ]. Để bảo đảm trung hòa điện mỗi ion O2- là đỉnh chung của hai
khối tứ diện.
Phụ thuộc điều kiện tạo thành, cách sắp xếp của khối tứ diện có thể khác nhau nên SiO2 tạo nên các cấu trúc khác nhau: thạch anh với cấu trúc sáu phương (hình 1.16a), cristobalit β với cấu trúc lập phương (hình 1.16b). Trong điều kiện nguội nhanh sẽ nhận được thủy tinh (vô định hình) như biểu thị ở hình 1.5b.
Hình 1.15.Sắp xếp khối tứ diện (SiO4)4- trong thạch anh (a), cristobalit β (b).
1.4.3.Chất rắn có liên kết ion
Cấu trúc tinh thể của hợp chất hóa học có liên kết ion phụ thuộc vào hai yếu tố:
• Tỷ số của số lượng ion âm trên số lượng ion dương: tỷ số này là cố định đối với từng hợp chất, phụ thuộc vào số lượng điện tử tham gia liên kết, đảm bảo tí nh trung hòa về điện của hệ thống.
• Tương quan kí ch thước giữa ion âm và ion dương: liên kết ion là loại không định hướng (xem mục 1.1.2b) vì vậy trong mạng tinh thể, các ion luôn có xu hướng sắp xếp sao cho đạt được độ xếp chặt và tí nh đối xứng cao nhất.
Nói chung mạng tinh thể của hợp chất với liên kết ion vẫn có các kiểu mạng đơn giản (A1, A2) nhưng sự phân bố các ion trong đó khá phức tạp nên vẫn được coi là có mạng phức tạp.
Có thể hình dung mạng tinh thể các hợp chất hóa học với liên kết ion được tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở của ion âm, các ion dương còn lại chiếm một phần hay toàn bộ các lỗ hổng.
Tỉ mỉ về cấu trúc của chất rắn có liên kết ion được trình bày ở chương 7.
1.4.4.Cấu trúc của polyme
Khác với cấu trúc tinh thể của kim loại và các chất vô cơ, ô cơ sở chỉ tạo nên bởi số lượng hạn chế (từ vài đến vài chục) nguyên tử (ion), polyme được tạo nên bởi rất nhiều phân tử mà mỗi phân tử lại gồm hàng triệu nguyên tử. Ví dụ polyme trên cơ sở của polyêtylen (C2H4)n được hình thành lần lượt như sau:
H H H H H H H H C = C → C C → C C C C H H H H H H H H mạch kí n " mở " liên kết kép mạch hở dạng thẳng
Các mạch polyme được sắp xếp lại và liên kết với nhau bằng liên kết yếu Van der Waals. Sự sắp xếp này có thể là có trật tự tạo nên cấu trúc tinh thể, hoặc không trật tự tạo nên trạng thái vô định hình. Tỉ mỉ về các cấu trúc này được trình bày ở chương 8.
1.4.5.Dạng thù hình
Thù hình hay đa hình là sự tồn tại hai hay nhiều cấu trúc mạng tinh thể khác nhau của cùng một nguyên tố hay một hợp chất hóa học, mỗi cấu trúc khác biệt đó được gọi là dạng thù hình và theo chiều nhiệt độ tăng được ký hiệu lần lượt bằng các chữ cái Hy Lạp α, β, γ, δ, ε.... Quá trình thay đổi cấu trúc mạng từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác được gọi là chuyển biến thù hình. Thù hình là hiện tượng thuộc bản chất của một số nguyên tố và hợp chất, trong đó thể hiện rất
rõ ở một số vật liệu thường dùng: thép, gang (trên cơ sở sắt), cacbon... với những hiệu ứng và ứng dụng rất quan trọng. Các yếu tố dẫn đến chuyển biến thù hình thường gặp hơn cả là nhiệt độ, sau đó là áp suất.
Như đ∙ biết cacbon ngoài dạng vô định hình còn tồn tại dưới nhiều dạng thù hình (các hình 1.13, 1.14): kim cương (A4), grafit (A9). sợi cacbon (cấu trúc lớp cuộn), fullerene (cấu trúc mặt cầu C60). Grafit là dạng thường gặp và ổn định nhất, còn kim cương rất í t gặp song có thể chế tạo kim cương (nhân tạo) bằng cách ép grafit ở nhiệt độ rất cao (hàng nghìn độ C) và áp suất cao (hàng nghìn at).
Từ các mục 1.4.1a và b đ∙ biết rằng sắt có hai kiểu mạng là A1 và A2, trong đó mạng A2 tồn tại trong hai khoảng nhiệt độ: dưới 911oC gọi là Feα và từ 1392oC đến nhiệt độ chảy 1539oC gọi là Feδ; còn mạng A1 tồn tại trong khoảng nhiệt độ còn lại 911ữ 1392oC gọi là Feγ. Sự khác nhau về cấu trúc, đặc biệt là kí ch thước các lỗ hổng dẫn đến hai dạng thù hình Feα và Feγ có khả năng hòa tan cacbon và các nguyên tố hợp kim khác nhau, đó là cơ sở của các chuyển pha khi nhiệt luyện thép và tạo ra các loại thép khác nhau về tí nh chất thỏa m∙n các yêu cầu đa dạng của kỹ thuật.
Cần chú ý là khi chuyển biến thù hình bao giờ cũng đi kèm với sự thay đổi về thể tí ch (nở hay co) và cơ tí nh. Ví dụ: khi nung nóng sắt qua 911oC sắt lại co lại đột ngột (do tăng mật độ xếp từ 68 lên 74% khi chuyển từ Feα→ Feγ) và hoàn toàn ngược lại khi làm nguội (điều này hơi trái với quan niệm thường gặp là nung nóng thì nở ra, còn làm nguội thì co lại).
1.5.Sai lệch mạng tinh thể
Các cấu trúc tinh thể trình bày ở trên là cấu trúc của tinh thể lý tưởng vì khi xét đ∙ bỏ qua dao động nhiệt và các sai hỏng (lệch lạc) trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử (ion, phân tử). Trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây nên những sai hỏng được gọi là sai lệch mạng tinh thể hay khuyết tật mạng. Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định chiếm tỷ lệ rất thấp (chỉ 1ữ 2%) song gây ra các ảnh hưởng rất xấu đến các hành vi của tinh thể dưới tác dụng của ngoại lực (biến dạng dẻo, biến cứng...) tức đến độ bền - chỉ tiêu cơ tí nh hàng đầu, nên việc khảo sát các sai lệch này có ý nghĩa lý thuyết và thực tế lớn lao, không thể bỏ qua.
Phụ thuộc vào kí ch thước theo ba chiều trong không gian, sai lệch mạng chia thành: điểm, đường và mặt.
1.5.1.Sai lệch điểm
Đó là loại sai lệch có kí ch thước rất nhỏ (cỡ kí ch thước nguyên tử) theo ba chiều không gian, có dạng bao quanh một điểm. Hình 1.17 trình bày tổng quát các dạng sai lệch điểm này.