Vật liệu

VẬT LIỆU HỌC
1.1.Cấu tạo nguyên tử

1.2.Liên kết hóa học & Cấu tạo phân tử

1.3.Cấu trúc của vật liệu
Chương-1
Cấu trúc của vật liệu
1.1.1.Thành phần cấu tạo
Vật chất = Phần tử rất nhỏ
→ Nguyên tử

Ví dụ 1: Lá nhôm
1.1.1.Thành phần cấu tạo
Vật chất =  Nguyên tử → Phân tử

Ví dụ 2: H2O


Nguyên tử, phân tử có cấu tạo như thế nào?
Gồm những thành phần gì?
Rutherford-Năm1911: Mô hình hạt nhân nguyên tử
Nguyên tử = 1 Hạt nhân (Proton+Nơtron) + Các điện tử
Tích điện (+) (-)
1.1.1.Thành phần cấu tạo
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
Các điện tử quay xung quanh hạt nhân theo những quỹ đạo riêng => lớp vỏ điện tử.




Điện tử phân bố quanh hạt nhân tuân theo các mức năng lượng từ thấp đến cao => Lớp điện tử
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
Lớp điện tử:

Thứ tự n 1 2 3 4 5 6 7
K.hiệu K L M N O P Q
Số điện tử 2 8 18 32 ….. 2n2

n: Số lượng tử chính




1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
 Ví dụ 3 : lớp vỏ n =1
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
 Ví dụ 4 : lớp vỏ n = 2
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
 Ví dụ 5 : lớp vỏ n =3
Phân lớp:
Mỗi lớp điện tử phân thành => Phân lớp

Thứ tự l : 0 1 2 3 (n-1)
Ký hiệu : S P d f
Số điện tử : 2 6 10 14 2(2l +1)

l: Số lượng tử phụ
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
Ô lượng tử:
 m =  l : Số lượng tử từ
 Các điện tử có cùng 3 số lượng tử : n, l, m =>
ô lượng tử

 Số ô lượng tử trong mỗi phân lớp
Phân lớp S : l=0 → m = 0 : có 1 ô lượng tử
Phân lớp P : l=l → m = -1,0,+1 : có 3 ô lượng tử
Phân lớp d : l=2 → m=-2,-1,0,+1,+2 : 5 ô lượng tử
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử

Chuyển động của điện tử:
 Điện tử chuyển động quay xung quanh
Hạt nhân => Chuyển động quỹ đạo
 Điện tử chuyển động quay xung quanh trục riêng của nó => Chuyển động spin :
Spin : S =  1/2
 Ví dụ 6 : Orbitral nguyên tử
Mây điện tử :
Vẽ những mặt giới hạn bao lấy khu vực không gian mà điện tử thường xuyên có mặt => Đám mây điện tử


 Hình dạng và sự phân bố của mây điện tử ?
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
Mây điện tử S: dạng qủa cầu
Các điện tử S phân bố : giống nhau trong không gian
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử

 Mây điện tử P: dạng qủa tạ đôi.
Các điện tử P phân bố trong không gian theo 3 cách khác nhau : Px, Py, Pz
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử

 Mây điện tử d: dạng hoa thị 4 cánh. Các điện tử d phân bố trong không gian theo 5 cách khác nhau : dzx, dyz, dxy, dx2-y2, dz2
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
Biểu diễn cấu trúc vỏ điện tử :
 Dùng ký hiệu ô lượng tử :
Hyđro (H) : 1e
1S
Nitơ (N) : 7 e
1S 2S 2P
 Dùng công thức điện tử :
Hyđro (H) : 1S1
Nitơ (N) : 1S22S22P3
1.1.2.Sắp xếp điện tử trong nguyên tử
1.1.3.Bảng hệ thống tuần hoàn
Điện tử (số lượng, cấu tạo vỏ) quyết định t/c nguyên tử
(Số điện tử = Số protôn= Điện tích hạt nhân Z )

 Nguyên tử => Nguyên tố hóa học
1.1.3.Bảng hệ thống tuần hoàn

Menđêlếep : Xếp  proton => Bảng hệ thống tuần hòan 106 nguyên tố hóa học

Ký hiệu nguyên tử: X

Thứ tự nguyên tử : Z

Khối lượng nguyên tử : A
Ví dụ 11.

1.2.1.Liên kết cộng hóa trị

1.2.2.Liên kết ion

1.2.3.Liên kết kim lọai

1.2.4.Liên kết Vandervan

1.2.5.Liên kết Hydro
1.2.Liên kết hóa học & Cấu tạo phân tử
1.2.1.Liên kết cộng hóa trị
Ví dụ 12: H-H => H2
Ví dụ 12 : H + H = H2

Cơ chế:
H: Z=1 1S1



Mỗi nguyên tử Hydro góp 1e vào 2 ô lượng tử chứa điện tử độc thân =>
Cặp điện tử góp chung=>Liên kết cộng hóa trị
1.2.1.Liên kết cộng hóa trị
1.2.1.Liên kết cộng hóa trị
Ví dụ 13 : H2O
..
H. + : O : + .H H :O:H H –O – H
Ví dụ 13 : H2O
H. + : O : + .H H :O:H H –O – H
Khái niệm:
2 hoặc nhiều nguyên tử góp chung nhau một điện tử hóa trị => tạo thành đôi điện tử (cặp điện tử) góp chung ở lớp ngoài cùng

Điều kiện: Độ âm điện χ ≠ không nhiều (∆ χ  2)

Đặc điểm:
 E = 20 – 72 kj/mol : Tương đối lớn => Liên kết khá bền vững
 E : (e) cho & (e) nhận nằm càng gần hạt nhân
1.2.1.Liên kết cộng hóa trị
Ví dụ 14: NaCl : χNa = 0.9 , χCl = 3.0
1.2.2.Liên kết ion

Khái niệm:
Điện tử (e) của nguyên tử có ( χ ) nhỏ chuyển về phía nguyên tử có ( χ ) lớn
Nguyên tử cho (e) trở thành ion dương (+),
Nguyên tử nhân thêm (e) trở thành ion âm (-)
=> 2 ion trái dấu hút nhau => Liên kết ion

Điều kiện : Độ âm điện χ ≠ nhiều (∆ χ > 2)
1.2.2.Liên kết ion
Đặc điểm:
 E = 35–85 kj/mol (lớn )=> Liên kết rất bền vững
 E : (e) cho & (e) nhận nằm càng gần hạt nhân
Tính không có hướng:
Ion≈ quả cầu mang điện tạo ra điện trường như nhau theo các phương khác nhau
Tính không bão hòa:
Ngoài liên kết chính còn liên kết với những ion trái dấu khác ở những phương khác
Tính không có hướng+Tính không bão hòa => Ion (+) hút nhiều Ion (-) và ngược lại =>
Tập hợp các ion trái dấu, sắp xếp có trật tự=> Tinh thể ion
1.2.2.Liên kết ion
1.2.2.Liên kết ion
Ví dụ 15: Mạng tinh thể NaCl
Điều kiên: 2 hay nhiều ng.tử kim loại nằm gần nhau
Cơ chế:
 Các đ.tử hóa trị liên kết yếu với hạt nhân Bứt khỏi lớp ngoài cùng =>
Hạt nhân: thừa điện tích dương Ion (+)
(e) mang điện (-) ch.động tự do “Mây e”
 Lực hút tĩnh điện: Ion (+) hút  điện tử (-)
=> Liên kết kim loại
1.2.3.Liên kết kim lọai
1.2.3.Liên kết kim lọai
Ví dụ-16
Đặc điểm:
 E =6–50 kj/mol (nhỏ)=> Liên kết bền vững
Tính không có hướng:
Ion (+) ≈ qủa cầu mang điện =>
Tạo ra điện trường như nhau theo mọi phương :
-Hút các điện tử (e) tự do
-Đẩy các ion (+) xung quanh
=> Tập hợp các Ion (+) trong biển (e) tự do
=> Tinh thể kim loại
1.2.3.Liên kết kim lọai
1.2.3.Liên kết kim lọai
Ví dụ 17
1.2.4.Liên kết Vandevan
Khái niệm: lực tương tác giữa các phân tử Lực Vandevan
Ví dụ 18 : H2O, HCl
1.2.4.Liên kết Vandevan
Các loại lực hút:
Lực định hướng :
Phân tử có cực Các cực trái dấu hút nhau

1.2.4.Liên kết Vandevan
Lực cảm ứng
Phân tử A (không cực)  Phân tử B (có cực) Phân tử A : bị phân cực
Lực khuếch tán:
Chuyển động Điện tích lệch khỏi vị trí cân bằng Lưỡng cực tạm thờiPhân tử không cực: bị phân phân cực => Lực khuếch tán

Lực đẩy:
Phân tử : gần nhau Mây điện tử : xen phủ nhauPhân tử đẩy nhau

Đặc điểm:
E = Hh + Eđ < 40 kj/mol (nhỏ) => Liên kết yếu
 T  Liên kết bị phá vỡ
=> Liên kết bậc II ( Liên kết phụ)
1.2.4.Liên kết Vandevan
Khái niệm:
 H = 2.1 < χF = 4 
Mây điện tử H bị hút về phía F =>
H+ & F-

 H : kích thước rất nhỏ
Chui vào bên trong vỏ F
của HF bên cạnh 
Mối liên kết mới F- - H+…..F- - H+ : Phân tử liên hợp (HF)n=> Liên kết Hydro
1.2.4.Liên kết Hydro
Ví dụ: liên kết hydro trong nước

Đặc điểm:
E = 8- 40 kj/mol (nhỏ) => Liên kết yếu
 T  Liên kết bị phá vỡ
=> Liên kết bậc II ( Liên kết phụ)
1.2.4.Liên kết Hydro
1.3.Cấu trúc của vật liệu
1.3.1.Trạng thái của vật chất

1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể

1.3.3.Cấu trúc tinh thể điển hình

1.3.4.Sai lệch (khuyết tật) trong mạng tinh thể

1.3.5.Sự kết tinh của kim loại
1.3.1.Trạng thái của vật chất
1.3.1.Trạng thái của vật chất
 Chất khí :
Các nguyên tử sắp xếp hỗn độn, không có trật tự
1.3.1.Trạng thái của vật chất
1.3.1.Trạng thái của vật chất
Chất lỏng :
Cấu trúc trật tự gần
Các nguyên tư sắp xếp thành những nhóm nhỏ hình cầu 0.25 nm  Chuyển động nhiệt: nhóm bị phá vỡ => Hình thành nhóm mới với các nguyên tử khác ở vị trí mới.
1.3.1.Trạng thái của vật chất
 Chất rắn : Cấu trúc trật tự gần + trật tự xa
Các nguyên tử có vị trí xác định với các ngtử cạnh (trật tự gần) & có vị trí xác định với các ngtử ở xa (trật tự xa)
1.3.1.Trạng thái của vật chất
1.3.1.Trạng thái của vật chất
Chất rắn tinh thể:
Các nguyên tử (phân tử) sắp xếp có trật tự & có quy luật theo 3 chiều trong không gian ở trạng thái rắn
Chất rắn vô định hình:
Các nguyên tử (phân tử) sắp xếp không có trật tự & không có quy luật theo 3 chiều trong không gian ở
trạng thái rắn
SiO2
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
 Ô cơ sở (Ô cơ bản)
Các nguyên tử sắp xếp có quy luật  Mô hình không gian => ô cơ sở
Ví dụ 26 : Ô cơ sở

Thông số mạng
(Chu kỳ mạng):
Độ lớn các cạnh: a, b, c

Các góc hợp bởi các cạnh
a,b,c :  ,  , 
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
 Mạng tinh thể
Nhiều ô cơ sở sắp xếp liên tiếp theo 3 chiều trong không gian
Ví dụ 27:
Sự hình thành mạng tinh thể
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
Ví dụ 28 :Mạng tinh thể
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
 Nút mạng:
Giao nhau của 2 đường thẳng nối tâm của 1 nguyên tử với 2 nguyên tử kề cạnh nó => Nút mạng
Nguyên tử (ion, phân tử ): nằm tại nút mạng
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
 Phương tinh thể : đường thẳng đi qua nút mạng
Mặt Các trục Nghịch đảo Chỉ số Miller
1 1, 1, 1/2 1 , 1 , 2 (112)
2 1, 1, 1 1 , 1 , 1 (111)
3 1, 1, ∞ 1 , 1 , 0 (110)
Z
 Mặt tinh thể:
Mặt phẳng tạo bởi các nút mạng (min=3) .Ví dụ 30
 Mặt độ nguyên tử
Mật độ dày đặc (mật độ xếp) của nguyên tử trong mạng tinh thể.





nv-Số lượng nguyên tử của ô cơ bản
R-Bán kính nguyên tử
v-Thể tích nguyên tử V-Thể tích ô cơ bản
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
 Số phôi vị
 Số nguyên tử nằm gần nhau nhất và cách đều một nguyên tử trong mạng
 Ký hiệu : K

Ví dụ 31 : K6
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
1.3.2.Khái niệm về mạng tinh thể
 Lỗ hổng: không gian trống được giới hạn bởi hình khối nhiều mặt mà mỗi đỉnh khối là tâm nguỵên tử (ion) tại nút mạng
1.3.3.Cấu trúc tinh thể điển hình
1.3.3.1.Chất rắn có liên kết kim loại

1.3.3.2.Chất rắn có liên kết cộng hóa trị

1.3.3.3.Chất rắn có liên kết ion

1.3.3.4.Chất rắn có liên kết phân tử

1.3.3.5.Dạng thù hình
1.3.3.1.Chất rắn có liên kết kim loại
1.3.3.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm

1.3.3.1.2.Cấu trúc lập phương tâm diện

1.3.3.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặt
1.3.3.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm
Ô cơ sở: khối lập phương
e = đỉnh : 8 nguyên tử + Tâm : 1 nguyên tử = 9 ngtử
1.3.3.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm
Số nguyên tử trong ô cơ sở (Trung bình):
nv = 8 x 1/8 + 1 = 2 ng.tử
Ví dụ 34:
Kích thước nguyên tử
Các nguyên tử xếp chặt theo hướng mặt chéo khối
(4R)2 = 2a2 + a2 = 3a2
1.3.3.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm
Số phối vị : K = 8
1.3.3.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm
Mật độ nguyên tử
V = a3
1.3.3.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm
Mạng tinh thể =  ô cơ sở
1.3.3.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm

Các kim loại : Fe , Cr , Mo , W
1.3.3.1.1.Cấu trúc lập phương thể tâm
1.3.3.1.2.Cấu trúc lập phương tâm diện
Ô cơ sở: khối lập phương
e = 8 nguyên tử + 6 nguyên tử = 14 ngtử
Ví dụ 38 :
Số nguyên tử trong ô cơ sở:
nv = 8 x 1/8 + 6/2 = 4 ng.tử
1.3.3.1.2.Cấu trúc lập phương tâm diện
Kích thước nguyên tử
Các nguyên tử xếp sít nhau theo các phương đường chéo mặt
(4R)2 = a2 + a2 = 2a2
1.3.3.1.2.Cấu trúc lập phương tâm diện
Số phôi vị : K = 4 x 2 + 6 = 14
1.3.3.1.2.Cấu trúc lập phương tâm diện
Mật độ nguyên tử

V = a3
1.3.3.1.2.Cấu trúc lập phương tâm diện
Mạng tinh thể =  ô cơ sở
1.3.3.1.2.Cấu trúc lập phương tâm diện

Các kim loại : Fe , Ni, Cu, Al
1.3.3.1.2.Cấu trúc lập phương tâm diện
Ô cơ sở: khối lăng trụ lục giác đều
e = Đỉnh : 6x 2 + Đáy : 1 x 2 + Tâm : 3 = 17 ngtử
1.3.3.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặt
Số nguyên tử trong ô cơ sở:
nv = 12 x 1/6 + 2x1/2 + 3 = 6 ng.tử
1.3.3.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặt
Kích thước nguyên tử
1.3.3.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặt
Số phôi vị : K = 3 x 2 + 6 = 12
1.3.3.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặt
Mật độ nguyên tử


1.3.3.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặt

Các kim loại : Ti , Mg , Zn
1.3.3.1.3.Cấu trúc lục phương xếp chặt
Cấu trúc tinh thể của kim loại
1.3.3.2.Chất rắn có liên kết cộng hóa trị
Ví dụ : Kim cương ( dạng thù hình của Cacbon)
Cacbon: Z = 6




Có 4e tham gia liên kết =>

Nguyên tử C liên kết với 4 Ngtử C khác
gấn nhất bằng liên kết cộng hóa trị
Số nguyên tử trong ô cơ sở:
nv = 8 x 1/8 + 6x1/2 + 4 = 8 ng.tử
1.3.3.3.Chất rắn có liên kết ion
Ô cơ sở : Ion (-) 

Các Ion (+) chiếm các lỗ hổng.
Các Ion (+) có thể chiếm 1 phần hoặc tòan bộ các lỗ hổng =>

Mạng tinh thể : phức tạp & Số phối vị (Số sắp xếp) K 







Polyetylen (PE)
1.3.3.4.Chất rắn có liên kết phân tử
Các mạch Polyme đựơc liên kết với nhau bằng lực liên kết Vandevan =>
Sắp xếp có trật tự : Cấu trúc tinh thể
Sắp xếp không có trật tự : Cấu trúc vô định hình
1.3.3.5.Dạng thù hình
Khái niệm : Những cấu trúc tinh thể  của cùng một chất rắn gọi là các dạng thù hình
Graphit
Kim cương
Chuyển biến thù hình :
Qúa trình thay đổi cấu trúc mạng tinh thể từ dạng thù hình này sang dạng thù hình khác

Nguyên nhân:
T, P thay đổi => Các nút mạng (ion, nguyên tử, phân tử) : biến dạng (thay đổi kích thước)
=> Thay đổi lực liên kết
=> Biến dạng cấu trúc tinh thể
1.3.3.5.Dạng thù hình
Ký hiệu : , ,  , theo chiều tăng Nhiệt độ
1.3.3.5.Dạng thù hình
Ví dụ 57 :
1.3.4.Sự kết tinh của kim loại
Ví dụ 22: Đường nguội của Cu
 Qúa trình làm nguội :
T < 1500oC : Cu(L) nguội dần
T =1083oC : Cu(L) bắt đầu kết tinh
T = 1083oC : Cu(L) kết thúc kết tinh
 T < 1083oC : Cu(R) nguội dần đến T(p)
Điều kiện : T =T(kt)-(12oC) -> Độ qúa nguội
Ẩn nhiệt kết tinh:
Qkt = Qnc => T = 1083oC = const
1.3.4. Sự kết tinh của kim loại
 Quá trình kết tinh : gồm 2 qúa trình :
Sinh mầm: trong kim loại lỏng
Nhóm nguyên tử trật tự gần Cố định lại
Phát triển mầm: bổ sung các nguyên tử bên cạnh

Hai qúa trình xảy ra song song đồng thời =>
Tinh thể nhánh cây  lớn lến  Chạm khít vào nhau: L = 0 ~ Kết tinh: kết thúc
1.3.4.Sự kết tinh của kim loại
1.3.4.Sự kết tinh của kim loại
Ví dụ 23: Sự hình thành tinh thể
Ví dụ 24: Tinh thể nhánh cây
1.3.4.Sự kết tinh của kim loại
 Sản phẩm qúa trình:
Tinh thể nhánh cây = Hạt tinh thể
Bề mặt phân cách = Biên giới hạt
 Ví dụ 25 : Hạt kim lọai
1.3.4.Sự kết tinh của kim loại
1.3.5.1.Sai lệch điểm

1.3.5.2.Sai lệch đường-Lệch

1.3.5.3.Sai lệch mặt

1.3.5.4.Sai lệch khối
1.3.5. Sai lệch (khuyết tật) trong kim lọai
Ví dụ 49 : Sai lệch điểm
1.3.5.1.Sai lệch điểm
Khái niệm:
Là lệch có kích thước nhỏ theo 3 chiều không gian, có dạng 1 điểm
1.3.5.1.Sai lệch điểm

Nguyên nhân :
 Nguyên tử dao động nhiệt 
Rời khỏi nút mạng => Nút trống
Ngtử nằm giữa các nút mạng : Nguyên tử xen kẽ
 Tạp chất:
Thay thế ngtử ở nút mạng  Nguyên tử thay thế
Nằm xen kẽ các nút mạng  Nguyên tử xen kẽ
1.3.5.2.Sai lệch đường-Lệch
Khái niệm :
Sai lệch có kích thước nhỏ (kt nguyên tử) theo 2 chiều và lớn theo chiều thứ 3, có dạng 1 đường (thẳng, cong, xoắn ốc)
1.3.5.2.Sai lệch đường-Lệch
1.3.5.2.Sai lệch đường-Lệch
Ví dụ 54 : Sai lệch xoắn
1.3.5.3.Sai lệch mặt
Khái niệm :
Sai lệch có kích thước lớn theo 2 chiều đo và nhỏ theo chiều thứ 3 Dạng một mặt (phẳng, cong, uốn lượn)
Lệch : Biên giới hạt
Khái niệm :
Sai lệch có kích thước lớn theo 3 chiều đo trong mạng tinh thể
Ví dụ :Rỗ co, Rỗ khí

1.3.5.4.Sai lệch khối