TL cao học: TINH THỂ NGUYÊN TỬ

1
3.Tinh thể nguyên tử
* Trong tinh thể nguyên tử, các đơn vị cấu trúc chiếm các điểm nút
mạng là các nguyên tử, liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị
nên còn gọi là tinh thể cộng hoá trị.
* Vi liên kết cộng hoá trị là liên kết mạnh nên các tinh thể nguyên tử
có độ cứng đặc biệt lớn, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao, không
tan trong các dung môi. Chúng là chất cách điện hay bán dẫn
* Do liên kết cộng hoá trị có tính định hướng nên cấu trúc tinh thể
và số phối trí được quyết định bởi đặc điểm liên kết cộng hoá trị,
không phụ thuộc vào điều kiện sắp xếp không gian của nguyên tử.
* Các nguyên tử C chiếm vị trí các đỉnh, các tâm mặt và một nửa số
hốc tứ diện. Số phối trí của C bằng 4.
* Mỗi tế bào gồm 8.1/8 + 6.1/2 + 4 = 8 nguyên tử
3
Liên kết trong kim cương:
* Các nguyên tử C ở trạng thái lai hoá sp3 tạo ra 4 AO lai hoá hướng về 4 đỉnh hinh tứ diện. Các nguyên tử C sử dụng các AO lai hoá này tổ hợp với nhau tạo ra các MO -?.
* Vùng cấm rộng do e trong liên kết cộng hoá trị có tính định vị cao.
Dẫn đến kim cương là chất cách điện.
* Có N nguyên tử ? tạo ra 4N MO trong đó có 2N MO liên kết tạo
thành vùng hoá trị và 2N MO phản liên kết tạo thành vùng dẫn. Vùng
hoá trị đã được điền đầy, vùng dẫn hoàn toàn còn trống, hai vùng cách nhau một vùng cấm có ?E = 6 eV.
4
* Cùng kiểu mạng tinh thể với kim cương có tinh thể của các nguyên tố Si, Ge và Sn(?) và một số hợp chất cộng hoá trị như: SiC, GaAs, BN, ZnS, CdTe. Tuy nhiên liên kết cộng hoá trị trong các tinh thể này là liên kết cộng hoá trị phân cực.
* Do cấu trúc không gian ba chiều đều đặn và liên kết cộng hoá trị bền
vung nên Kim cương có khối lượng riêng lớn (3,51), độ cứng lớn nhất,
hệ số khúc xạ lớn, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy cao, giòn, không
tan trong các dung môi, không dẫn điện.
Tính chất của kim cương
Tin thể bo nitrua mạng kim cương (Borazon)
6
Tinh thể bo nitrua mạng kim cương (Borazon)
* Borazon cứng, cách điện như kim cương. Tuy nhiên borazon có tính
bền về mặt cơ và nhiệt hơn kim cương ( khi nung nóng trong chân không đến 2700oC borazon hoàn toàn không đổi, chịu nóng ngoài
không khí đến 2000oC và chỉ bị oxi hoá nhẹ bề mặt, trong lúc đó kim
cương bị cháy ở 900oC).
* Các nguyên tử C lai hoá sp2 liên kết với nhau bằng liên kết cộng hoá trị ?, độ dài liên kết C-C: 1,42 � nằm trung gian gi?a liên kết đơn (1,54 �) và liên kết đôi(1,39 �-benzen)
* Hệ liên kết ? giải toả trong
toàn bộ của lớp, do vậy so với
kim cương, than chì có độ hấp
thụ ánh sáng đặc biệt mạnh và
có khả năng dẫn điện giống kim
loại. tính chất vật lý của than chì
phụ thuộc vào phương tinh thể
* Liên kết giữa các lớp là liên kết yếu Van der Waals, khoảng cách gi?a
các lớp là 3,35�, các lớp dễ dàng trượt lên nhau, do vậy than chi rất mềm
Than chi
8
Tinh thể Bonitrua dạng mạng than chi
* Cấu tạo của BN giống như
than chi, các nguyên tử B
và N cùng lai hoá sp2.
* Giống than chi BN mềm,
chịu lửa (tnc? 3000oC)
* Do nguyên tử N có độ âm
điện lớn nên các MO ? định
vị chủ yếu ở N, dẫn đến các e? không được giải toả như ở than chi và BN không dẫn điện (?E = 4,6 - 3,6 eV)
*Tinh thể BN có màu trắng.
9
4.Mạng tinh thể phân tử
* Trong tinh thể phân tử, mạng lưới không gian được tạo thành bởi
các phân tử hoặc nguyên tử khí hiếm.
* Trong trường hợp chung, lực liên kết gi?a các phân tử trong tinh thể
là, lực Van der Waals.
* Vi lực liên kết yếu nên các phân tử trong mạng tinh thể dễ tách khỏi
nhau, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp, tan tốt trong các dung
môi tạo ra dung dịch.
10
Tinh thể Ne, Ar, Xe, Kr.
Tinh thể He
Khí hiếm
11
Tinh thể phân tử iot
* Mạng lưới của tinh thể I2 có đối xứng dạng trực thoi với các thông số a = 7,25 �, b = 9,77 �, c = 4,78 �. Trung điểm của các phân tử I-I nằm ở đỉnh và ở tâm của các mặt ô mạng trực thoi
* Khoảng cách ngắn nhất I-I trong tinh thể là 2,70 � xấp xỉ độ dài liên kết trong phân tử khí I2 2,68 �. ?liên kết cộng hoá trị I-I thực tế không thay đổi khi thăng hoa
* Khoảng cách ngắn nhất của hai nguyên tử I thuộc hai phân tử I2 là
3,53 � . Các phân tử định hướng song song theo hai hướng đối xứng
nhau qua mặt phẳng xOz một góc 32o.
* Lực liên kết giữa các phân tử là lực Van der Waals yếu nên I2 dễ
thăng hoa khi nhiệt độ ?60o.
13
Tinh thể phân tử xenon florua
* XeF2 là chất rắn , không màu
tnc = 140oC, khối lượng riêng
4,32 g/cm3, phân tử có dạng
đường thẳng, dXe-F = 2,00 �
* Tinh thể XeF2 được tạo bởi
các phân tử thẳng XeF2. Tâm
của các nguyên tử Xe nằm ở
đỉnh và tâm của khối hinh ch?
nhật.
14
Tinh thể phân tử XeF4
XeF4 kết tinh theo mạng tinh thể
đơn tà, ngưyên tử Xe nằm ở các đỉnh
và ở tâm của ô mạng
* Phân tử XeF4 cấu trúc vuông phẳng, Xe lai hoá sp3d2
* XeF4 là chất rắn, dễ bay hơi, khá
bền ở nhiệt độ thường.
D = 4,04 g/cm3; tnc = 114oC.
15
Tinh thể phân tử CO2 (nước đá khô)
* Nước đá khô tạo bởi các phân tử
thẳng CO2, nguyên tử C
nằm ở đỉnh và ở tâm các mặt của mạng lập phương tâm mặt với hằng số mạng bằng 5,58 �.
* Khoảng cách C-O trong cùng
phân tử trong tinh thể là 1,06 �,
ngắn hơn trong phân tử ở trạng
thái khí 1,162 �. Khoảng cách
ngắn nhất giữa hai nguyên tử O
của hai phân tử CO2 là 3,19 �
* Khí CO2 nặng hơn
không khí dễ hoá rắn,
hoá lỏng.
Qui t?c pha
V = C - ? + 2
* Trên giản đồ trạng thái của CO2 điểm ba nằm cao hơn áp suất khí quyển do đó tuyết cacbonic không nóng chảy ở nhiệt độ thường mà thăng hoa ở -78oC.
* Khi nước đá khô bay hơi làm cho nhiệt độ xung quanh hạ xuống rất
thấp nên nó có ứng dụng : bảo quản những đồ chóng hỏng; trộn với
clorofom làm hỗn hợp làm lạnh; thử thách các đồ dùng trước khi đưa
đi sử dụng tại Bắc Cực, Nam Cực; tạo mưa nhân tạo.
17
Cấu trúc nước đá
18
Liờn k?t hidro ? nước đá:
Mỗi phân tử nước liên kết với 4 phân tử nước khác bằng các liên
kết hiđro tạo lên nh?ng hinh tứ diện đều.
19
C?u trỳc c?a nu?c l?ng
C?u trỳc c?a nu?c dỏ
20
Khoảng cách gi?a các phân tử nước lớn nên tinh thể
khá rỗng, do đótinh thể nước đá có khối lượng riêng nhỏ. Khối lượng riêng của nước ở áp suất khí quyển lớn nhất ở 3,98 oC.
* Liên kết gi?a các phân tử là liên kết hiđro yếu nên nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi nhỏ. Tuy nhiên, so với các phân tử không tạo ra liên kết hiđro hoặc tạo ra liên kết hiđro yếu như H2S; H2Se; H2Te thi nước có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn rất nhiều.
Tính chất của nước
21
* Do thể tích của nước đá
hơi lớn hơn của nước lỏng
nên khi tăng áp suất nước
đá chảy thành nước lỏng,
bởi vậy ở áp suất cao nhiệt
độ nóng chảy của nước đá
giảm.
* Nước có nhiệt dung riêng
lớn nhất so với mọi chất
lỏng và chất rắn. Nước có
vai trò quan trọng trong việc
điều tiết khí hậu trái đất.
* Do phân tử nước phân cực mạnh và còn tạo ra được nhi?u liên kết H nên nước có khả năng hoà tan tốt nhiều hợp chất phân cực, chất điện ly.
Nước có vai trò lớn đối với sự sống trên trái đất.
Qui tắc pha: V = C -  + 2
22
23
Born-Haber Cycle
Khuyết tật tinh thể
1) Khuyết tật điểm – không chiều
2) Khuyết tật đường – một chiều (lệch)
3) khuyết tật hai chiều bao gồm mặt ngoài và biên hạt bên trong.
4) Khuyết tật khối hay khuyết tật lớn ba chiều, ví dụ lỗ xốp, vết nứt và hạt lẫn.
Khuyết tật điểm
Khuyết tật điểm
Hình 1.17
Minh họa khuyết tật lỗ trống đôi cation-anion (khuyết tật Schottky) và lỗ trống cation (khuyết tật Frenkel trong mạng tinh thể ion 2 chiều.
Schottky Defect in NaCl
Frenkel Defect
Khuyết tật đường – một chiều
Lệch biên
Khuyết tật đường – một chiều
Lệch xoắn
Khuyết tật đường – một chiều
Biên hạt (khuyết tật 2 chiều)







Hình 1.22
mô hình các biên hạt được tạo thành trong quá trình hoá rắn kim loại.
(b) Phổ SEM của một mẫu tinh thể kim loại
NH3 loãng
Xin chân thành cảm ơn!