1.4. Cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn
1.4.2. Chất rắn có liên kết đồng hóa trị
Như đ∙ nói mỗi nguyên tử tham gia liên kết đồng hóa trị đều góp chung một
điện tử hóa trị sao cho lớp điện tử ngoài cùng dủ 8. Như vậy nếu số điện tử ngoài cùng (hóa trị) tham gia liên kết của nguyên tố là N thì mỗi nguyên tử của nó phải liên kết với 8-N nguyên tử khác để tạo nên liên kết đồng hóa trị, tức có 8-N nguyên tử cách đều gần nhất, hay nói khác đi có số sắp xếp là 8-N.
a. Kim cương A4
Kim cương là một dạng tồn tại (thù hình) của cacbon với cấu hình điện tử là 1s2 2s2 2p2, vậy số điện tử lớp L tham gia liên kết là bốn (N = 4), số sắp xếp sẽ là 4 tức là mỗi một nguyên tử cacbon có 4 nguyên tử bao quanh gần nhất.
Hình 1.14. ô cơ sở của mạng tinh thể kim cương (a), vị trí các nguyên tử (b) và liên kết (c).
31
Có thể hình dung ô cơ sở mạng kim cương như ở hình 1.14a, nó được tạo thành trên cơ sở của ô cơ sở A1 có thêm bốn nguyên tử bên trong với các tọa độ (xem h×nh 1.14b):
1 / 4, 1 / 4, 1/ 4 (vị trí 1); 3/ 4, 3 / 4, 1 / 4 (vị trí 2);
1 / 4, 3 / 4, 3 / 4 (vị trí 3); 3 / 4, 1 / 4, 3 / 4 (vị trí 4).
(nếu chia ô cơ sở A1 này thành tám khối lập phương nhỏ hơn thì bốn nguyên tử này nằm ở tâm của bốn khối cách nhau trong số tám khối đó).
Cứ bốn nguyên tử cacbon tạo nên một khối tứ diện (bốn mặt) tam giác đều.
Các khối xếp chung đỉnh tạo nên mạng kim cương. Mỗi nguyên tử cách đều bốn nguyên tử khác với khoảng cách gần nhất a.
4
3 (với a = 0,357nm) và liên kết
đồng hóa trị (hình 1.13c). Góc cố định giữ a các liên kết đồng hóa trị trong mạng kim cương là 109,5o. Với các nguyên tử cacbon đều có liên kết đồng hóa trị với năng lượng lớn nên kim cương có độ cứng rất cao (cao nhất trong thang độ cứng).
b. Mạng grafit
Grafit là dạng tồn tại khác của cacbon, khá phổ biến trong thiên nhiên và vật liệu (gang). Mạng tinh thể của grafit là sáu phương lớp như trình bày trên hình 1.15a, trong đó các nguyên tử được phân bố trên các mặt phẳng tại các đỉnh của hình lụ c giác đều, trong mặt này mỗi nguyên tử đều tạo nên liên kết đồng hóa trị mạnh với ba nguyên tử bao quanh và các góc lệch là 120o, tương ứng với điều này khoảng cách giữ a các nguyên tử trong mặt lụ c giác đều khá nhỏ, a = 0,246nm.
Khoảng cách giữ a các lớp lụ c giác đều lớn hơn (khoảng cách giữ a hai mặt lụ c giác có vị trí giống nhau là c = 0,671nm), tương ứng với liên kết yếu Van der Waals. Chí nh vì vậy grafit rất dễ bị tách lớp và có tí nh chất gần như hoàn toàn trái ngược với kim cương là rất mềm, nó được coi như là một trong nhữ ng chất rắn có độ cứng thấp nhất.
Hình 1.15. Cấu trúc mạng của grafit (a), sợi cacbon (b) và fullerene (c).
c. Cấu trúc của sợi cacbon và fullerene
Đặc điểm rõ rệt của sợi cacbon và fullerene là nhữ ng chất cấu tạo bằng nguyên tử cacbon với cấu trúc mạng là các mặt lụ c giác đều như của grafit chỉ gồm các liên kết đồng hóa trị (triệt tiêu được liên kết yếu Van der Waals) nên sẽ cho độ bền cao hơn rất nhiều. Cấu trúc của sợi cacbon được trình bày ở hình 1.15b như nhữ ng lớp "vỏ" nguyên tử cacbon, sắp xếp theo hình lụ c giác, có liên kết
đồng hóa trị mạnh (giống như lớp đáy ô cơ sở grafit), cuốn quanh trụ c sợi. Nó
được dùng làm "cốt" (như cốt thép trong bêtông cốt thép) trong compozit cho độ bền có thể gấp ba lần song lại nhẹ hơn tới bốn lần so với thép (sẽ đề cập lại loại vật
liệu này ở các chương 7 và 9).
Phân tử cacbon C60 gọi là fullerene do hai nhà khoa học H. Kroto (Anh) và R. Smalley (Mỹ) tổng hợp được lần đầu tiên vào năm 1985 (công trình này đ∙
được tặng giải Nobel năm 1995). Cấu trúc của fullerene được trình bày trên hình 1.15c: 60 nguyên tử cacbon sắp xếp trên một mặt cầu theo đỉnh của 12 ngũ giác
đều và 20 lụ c giác đều, các ngũ giác không tiếp xúc với nhau mà liên kết với nhau qua các lụ c giác. Một phân tử fullerene C60 có hình dáng giống quả bóng đá nhiều múi. Cấu trúc đối xứng tròn, ứng với độ bền và độ cứng rất cao của nó chắc chắn hứa hẹn sẽ có nhữ ng ứng dụ ng kỳ lạ trong kỹ thuật.
d. Cấu trúc của SiO2
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 giữ a 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.
33 Hình 1.15. Sắp xếp khối tứ diện (SiO4)4- trong thạch anh (a), cristobalit β (b).