Bài giảng Hóa học chất rắn: Chương 1 và 2 - Trần Vũ Diễm Ngọc

8/28/2021

HÓA HỌC CHẤT RẮN
(Solid State Chemistry)
Giảng viên: PGS.TS. Trần Vũ Diễm Ngọc
Email:

1

1

1. Giới thiệu hóa học chất rắn

Hóa học chất rắn nghiên cứu về cấu trúc, tính chất hóa học, tính chất vật lý, chế tạo và
ứng dụng của vật rắn

2

2

1


8/28/2021

1. Giới thiệu hóa học chất rắn
Chất rắn: là 1 trạng thái tồn tại của vật chất, trong đó các phần tử cấu tạo (phần
tử, nguyên tử, ion) tập hợp ở trạng thái bền vững.
Do liên kết bền vững, chất rắn có hình dạng và kích thước nhất định, khơng bị
biến đổi theo hình dạng bình chứa như chất lỏng, khí

Nghiên cứu về chất rắn là nghiên cứu về vật liệu (khoa học và công nghệ chế
tạo vật liệu)
Khoa học vật liệu: vật lý chất rắn và hóa học chất rắn

3

1. Giới thiệu hóa học chất rắn

Chế tạo

Cấu trúc

Đặc trưng

Tính chất

4

2


8/28/2021

1. Giới thiệu hóa học chất rắn

 Cấu trúc: nguyên tử, vật liệu (đơn giản, phức hợp)
 Các dạng phản ứng: điện hóa, ơ xi hóa – khử, hịa ngun, axit –
bazo, …Động học các phản ứng.
 Các phương pháp chế tạo vật rắn: điện hóa, luyện kim bột, đốt
cháy, sol-gel, CVD, trùng hợp polyme …

 Các phương pháp xác định đặc tính vật rắn: phương pháp hóa
học, vật lý

5

5

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.1 Cấu trúc nguyên tử
Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương (proton & nơtron) và
các điện tử mang điện tích âm (electron) chuyển động xung quanh hạt nhân theo
một quỹ đạo xác định.

6

6

3


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.1 Cấu trúc nguyên tử
Khối lượng nguyên tử
Đơn vị khối lượng (amu)
+ Khối lượng của mỗi proton: mp =1.67 x 10-27 kg (~ 1.67 x 10-24 g);
+ me ~ 9.11 x 10-31 kg

7

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.1 Cấu trúc nguyên tử
Các dạng liên kết
 Liên kết ion
 Liên kết cộng hóa trị
 Liên kết kim loại
 Liên kết Van Der Walls

8

8

4


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.1 Cấu trúc nguyên tử
Là phần tử nhỏ nhất của 1 chất ở trạng thái tự do mà có thể mang đầy đủ tính chất của chất đó.
Liên kết cơng hóa trị: Liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử hợp chất hoặc đơn chất bằng
cặp e dùng chung
- Phân tử không phân cực: trọng tâm e- trùng e+
- Phân tử phân cực: trọng tâm e- và e+ cách nhau 1 khoảng l

9

9

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.1 Cấu trúc nguyên tử
Liên kết ion: Liên kết tạo được bởi lực hút giữa ion + và - Các ngun tử, ngun tố hóa học có tính chất khác nhau.
- Đặc trưng liên kết giữ KL và PK: NaCl

 Liên kết ion càng mạng thì lớp ngồi cùng chưa ít e, nhằm nằm gần hạt nhân.
 Liên kết ko dị hướng
 Vật liệu có tính giịn cao

10

5


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.1 Cấu trúc nguyên tử
Liên kết kim loại: liên kết sinh ra bởi lực hút tĩnh điện giữa các e tự do và các
ion dương, các e gắn kim loại với nhau tạo liên kết kim loại

11

11

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.1 Cấu trúc nguyên tử
Liên kết Van der Waals
-

Hiệu ứng lưỡng cực tức thời và tương tác lưỡng cực,

-

Lực liên kết giữa các phân tử với nhau

-

Liên kết Van der Waals yếu.

-

Nguyên nhân duy nhất mà các khí hiếm liên kết với nhau, và hình thức trội hơn của
tương tác giữa các hình thái điện tử trung hoà với tất cả các liên kết bão hoà của
chúng.

12

12

6


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu
Mạng tinh thể: Nối tâm các nguyên tử sắp xếp trật tự bằng các đường thẳng
tưởng tượng
 Đơn tinh thể:là một khối đồng nhất có cùng kiểu mạng và

hằng số mạng, có phương khơng đổi trong tồn bộ thể tích.
 Đa tinh thể: tập hợp của nhiều đơn tinh thể có cùng cấu trúc
thơng số mạng nhưng định hướng khác nhau.

Tinh thể SiO2

Vơ định hình: các ngun tử sắp xếp không trật tự
( 1 nguyên tử bao bọc bởi ngun tử 1 cách ngẫu nhiên)
Vơ định hình SiO2
13

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu
Hệ tinh thể

14

14

7


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu
14 kiểu mạng
Lập phương
Bốn phương
Trực thoi

Lục giác

Đơn tà
(1 nghiên)
Tam tà
(3 nghiêng)
15

15

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu
Lập phương tâm khối (A2): Cr; W; Mo; Feα
• Phương xếp chặt nhất APF= 0.68
3 a

a

2 a

Adapted from
Fig. 3.2(a), Callister & Rethwisch
8e.

R

a

16

8


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu

Lập phương tâm mặt (A1): Au; Ag; Cu; Al; Ni; Feγ

• Phương xếp chặt nhất APF= 0.74

2a

a

17

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu
• APF = 0.74

Sáu phương xếp chặt (A3): Zn; Mg; Tiα, Be, Cd, Zr

• c/a = 1.633

18

9

8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu
Mật độ lý thuyết (g/cm3)

Mật độ  =

Khơi lượng ngun tử trong 1 ơ cơ ở
Thể tích 1 ô cơ ở

 =

where

nA
VC NA

n = số nguyên tử/ô cơ sở
A = khối lượng nguyên tử
VC = Thể tích ô cơ sở = a3 for cubic
NA = Số Avogadro = 6.022 x 1023 atoms/mol

19

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu
Mật độ lý thuyết (g/cm3)

20

10


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu

Mật độ lý thuyết (g/cm3)

21

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu

Cấu trúc tinh thể các nguyên tố

22

22

11


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu

Bài tập

23

23

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu

24

12


8/28/2021

2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu
2.2 Cấu trúc vật liệu

Các ơxit đơn giản

25

25

Các ơxit đơn giản
• Hemioxides
– Cuprite (Cu2O)
– Ice (H2O)
• Monoxides

– Periclase (MgO)
– Wüstite (FeO)
– Manganosite (MnO)
– Lime (CaO)
– Zincite (ZnO)
– Bromellite (BeO)
– Tenorite (CuO)

• Sesquioxides
– Corundum (Al2O3)
– Hematite (Fe2O3)
– Bixbyite (Mn2O3)
• Dioxides
– Rutile (TiO2)
– Anatase (TiO2)
– Brookite (TiO2)
– Cassiterite(SnO2)
– Pyrolusite(MnO2)
26

26

13


8/28/2021

 Các oxit có cơng thức chung M2O:
Hemi-Oxides (M2O)
• Nước đá (H2O): Lục giác

• Cuprite (Cu2O).

27

27

 Các oxit có cơng thức chung MO:
•

Oxit kim loại hố trị 2 nếu có tỷ lệ rM2+/rO2− nằm trong ~ 0,414 - 0,732

•

Liên kết chủ yếu là liên kết ion thì có mạng lưới tinh thể thuộc kiểu NaCl

28

14


8/28/2021

 Các oxit có cơng thức chung MO:
Hợp chất có tỷ lệ rcation/ranion ~ 0,225 - 0,414 và
liên kết chủ yếu là ion thì có cấu trúc kiểu ZnO.

29

29

 Các oxit có cơng thức chung M2O3:
Các oxit Al2O3 (corun), Fe2O3 (hêmatit), Cr2O3, Ga2O3, Ti2B3...

30

30

15


8/28/2021

 Các oxit có cơng thức chung MO2:
- Rutin, Anatas, Brookite (TiO2)
-

Ơxit silic (SiO2)

- ZrO2…

31

31

 Các oxit có cơng thức chung MO2:
o Rutin (TiO2): Tứ diện
Ti4+ : O2- = 1:2

32

32

16


8/28/2021

 Các oxit có cơng thức chung MO2:
o Anatase (TiO2): Tứ diện

33

33

 Các oxit có cơng thức chung MO2:
o Brookite (TiO2) – Trực thoi

34

34

17


8/28/2021

 Các oxit có cơng thức chung MO2:
o Tính tỷ trọng của TiO2

35

35

 Các oxit có cơng thức chung MO2:
o Zircon (ZrO2)

Lập phương

Bốn phương

Đơn tà

36

36

18


8/28/2021

 Các chất giữa các oxit:
•
•
•
•

Spinel MgAl2O4 ;
Hercynite FeAl2O4

Chromite FeCr2O4
Magnesiochromite MgCr2O4

o Spinel: AB2O4 (A: +2, B:+3)
•
•
•
•
•

Magnetite Fe2+Fe3+2O4
Magnesioferrite MgFe2O4
Gahnite ZnAl2O4
Ulvospinel TiFe2O4
Ringwoodite Mg2SiO4

37

37

 Các chất giữa các oxit:
o Spinel có 8 cation A chiếm 8 hốc tứ diện và các cation B chiếm 16 hốc bát diện
tạo thành A8B16O32

o A2+ bao quanh bởi 4O2o B3+ bao quanh bởi 6 O2-

38

38

19


8/28/2021

 Các chất giữa các oxit:
o Spinel:

39

39

 Các chất giữa các oxit:
o Spinel:

40

40

20


8/28/2021

 Các chất giữa các oxit:
o Spinel:

41

41

 Các chất giữa các oxit:
-

o Perovskite: ABO3

Lập phương (Cubic)
Mặt thoi (Rhombohedral )
Trực thoi (Othorombic)
Tứ diện (Tetagonal)

- Lập phương t ≈1
- Mặt thoi t< 1
- Tứ diện t > 1

42

42

21


8/28/2021

 Các chất giữa các oxit:
o

Perovskite: ABO3

BaTiO3

43

43

Các chất giữa các oxit: Illmenite: FeTiO3

44

44

22


8/28/2021

Ferit

45

45

Các chất giữa các oxit: Pyrơclo A2B2O7.

Nhóm khống vật chứa đất hiếm
(Na,Ca,…)2(Nb,Ti…)2O6.F.OH

46

23