Bài giảng Hóa học chất rắn - PGS.TS. Trần Vũ Diễm Ngọc

8/28/2021

HÓA H C CH T R N
(Solid State Chemistry)
Gi ng viên: PGS.TS. Tr n V Di m Ng c
Email:

1

1. Gi i thi u hóa h c ch t r n

Hóa h c ch t r n nghiên c u v c u trúc, tính ch t hóa h c, tính ch t v t lý, ch t o và
ng d ng c a v t r n

2

1


8/28/2021

1. Gi i thi u hóa h c ch t r n
Ch t r n: là 1 tr ng thái t n t i c a v t ch t, trong đó các ph n t c u t o (ph n
t , nguyên t , ion) t p h p

tr ng thái b n v ng.

Do liên k t b n v ng, ch t r n có hình d ng và kích th

c nh t đ nh, khơng b

bi n đ i theo hình d ng bình ch a nh ch t l ng, khí

Nghiên c u v ch t r n là nghiên c u v v t li u (khoa h c và công ngh ch
t o v t li u)
Khoa h c v t li u: v t lý ch t r n và hóa h c ch t r n

1. Gi i thi u hóa h c ch t r n

Ch t o

C u trúc

c tr ng

Tính ch t

2


8/28/2021

1. Gi i thi u hóa h c ch t r n

 C u trúc: nguyên t , v t li u (đ n gi n, ph c h p)
 Các d ng ph n ng: đi n hóa, ơ xi hóa – kh , hịa ngun, axit –
bazo, …
 Các ph

ng h c các ph n ng.
ng pháp ch t o v t r n: đi n hóa, luy n kim b t, đ t

cháy, sol-gel, CVD, trùng h p polyme …
 Các ph

ng pháp xác đ nh đ c tính v t r n: ph

ng pháp hóa

h c, v t lý

5

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.1 C u trúc nguyên t
Nguyên t đ

c c u t o b i h t nhân mang đi n tích d

ng (proton & n tron) và

các đi n t mang đi n tích âm (electron) chuy n đ ng xung quanh h t nhân theo
m t qu đ o xác đ nh.

6

3


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.1 C u trúc nguyên t
Kh i l

ng nguyên t

n v kh i l
+ Kh i l

ng (amu)

ng c a m i proton: mp =1.67 x 10-27 kg (~ 1.67 x 10-24 g);

+ me ~ 9.11 x 10-31 kg

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.1 C u trúc nguyên t
Các d ng liên k t
 Liên k t ion
 Liên k t c ng hóa tr
 Liên k t kim lo i
 Liên k t Van Der Walls

8

4


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.1 C u trúc nguyên t
Là ph n t nh nh t c a 1 ch t

tr ng thái t do mà có th mang đ y đ tính ch t c a ch t đó.

Liên k t cơng hóa tr : Liên k t gi a các nguyên t trong phân t h p ch t ho c đ n ch t b ng
c p e dùng chung
- Phân t không phân c c: tr ng tâm e- trùng e+
- Phân t phân c c: tr ng tâm e- và e+ cách nhau 1 kho ng l

9

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.1 C u trúc nguyên t
Liên k t ion: Liên k t t o đ

c b i l c hút gi a ion + và -

- Các ngun t , ngun t hóa h c có tính ch t khác nhau.
-

c tr ng liên k t gi KL và PK: NaCl

 Liên k t ion càng m ng thì l p ngồi cùng ch a ít e, nh m n m g n h t nhân.
 Liên k t ko d h

ng

 V t li u có tính giịn cao

5


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.1 C u trúc nguyên t
Liên k t kim lo i: liên k t sinh ra b i l c hút t nh đi n gi a các e t do và các
ion d

ng, các e g n kim lo i v i nhau t o liên k t kim lo i

11

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.1 C u trúc nguyên t
Liên k t Van der Waals
-

Hi u ng l

-

L c liên k t gi a các phân t v i nhau

-

Liên k t Van der Waals y u.

-

Nguyên nhân duy nh t mà các khí hi m liên k t v i nhau, và hình th c tr i h n c a
t

ng c c t c th i và t

ng tác l

ng c c,

ng tác gi a các hình thái đi n t trung hồ v i t t c các liên k t bão hoà c a

chúng.

12

6


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u
M ng tinh th : N i tâm các nguyên t s p x p tr t t b ng các đ
t

ng t



ng

n tinh th :là m t kh i đ ng nh t có cùng ki u m ng và
h ng s m ng, có ph



ng th ng

ng khơng đ i trong tồn b th tích.

a tinh th : t p h p c a nhi u đ n tinh th có cùng c u trúc
thơng s m ng nh ng đ nh h

ng khác nhau.

Tinh th SiO2

Vô đ nh hình: các ngun t s p x p khơng tr t t
( 1 nguyên t bao b c b i nguyên t 1 cách ng u nhiên)
Vô đ nh hình SiO2

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u
H tinh th

14

7

8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u
14 ki u m ng
L p ph

ng

B n ph

ng

Tr c thoi
L c giác

n tà
(1 nghiên)
Tam tà
(3 nghiêng)
15

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u
L p ph ng tâm kh i (A2): Cr; W; Mo; Fe
• Ph ng x p ch t nh t APF= 0.68
3

2

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

R

a

8


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u
• Ph

L p ph

ng tâm m t (A1): Au; Ag; Cu; Al; Ni; Fe

ng x p ch t nh t APF= 0.74

2a

a

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u

2.2 C u trúc v t li u
• APF = 0.74

Sáu ph

ng x p ch t (A3): Zn; Mg; Ti , Be, Cd, Zr

• c/a = 1.633

9


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u
M t đ lý thuy t (g/cm3)

M tđ

 =

Khôi l

ng ngun t trong 1 ơ c
Th tích 1 ơ c

 =

where

nA
VC NA

n = s nguyên t /ô c s
A = kh i l ng ngun t
VC = Th tích ơ c s = a3 for cubic
NA = S Avogadro = 6.022 x 1023 atoms/mol

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u
M t đ lý thuy t (g/cm3)

10


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u

M t đ lý thuy t (g/cm3)

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u

C u trúc tinh th các nguyên t

22

11


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u
Bài t p

23

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u

12


8/28/2021

2. C u trúc nguyên t và c u trúc v t li u
2.2 C u trúc v t li u

Các ôxit đ n gi n

25

Các ôxit đ n gi n
• 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

13


8/28/2021

 Các oxit có cơng th c chung M2O:
Hemi-Oxides (M2O)
• N

c đá (H2O): L c giác

• Cuprite (Cu2O).

27

 Các oxit có cơng th c chung MO:
•

Oxit kim lo i hố tr 2 n u có t l rM2+/rO2− n m trong ~ 0,414 - 0,732

•

Liên k t ch y u là liên k t ion thì có m ng l

i tinh th thu c ki u NaCl

14


8/28/2021

 Các oxit có cơng th c chung MO:
H p ch t có t l rcation/ranion ~ 0,225 - 0,414 và
liên k t ch y u là ion thì có c u trúc ki u ZnO.

29

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

30

15


8/28/2021

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

Ơxit silic (SiO2)

- ZrO2…

31

 Các oxit có cơng th c chung MO2:
o Rutin (TiO2): T di n
Ti4+ : O2- = 1:2

32

16


8/28/2021

 Các oxit có cơng th c chung MO2:

o Anatase (TiO2): T di n

33

 Các oxit có cơng th c chung MO2:
o Brookite (TiO2) – Tr c thoi

34

17


8/28/2021

 Các oxit có cơng th c chung MO2:
o Tính t tr ng c a TiO2

35

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

L p ph

ng

B n ph

ng

n tà

36

18


8/28/2021

 Các ch t gi a 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

 Các ch t gi a các oxit:
o Spinel có 8 cation A chi m 8 h c t di n và các cation B chi m 16 h c bát di n
t o thành A8B16O32

o A2+ bao quanh b i 4O2o B3+ bao quanh b i 6 O2-

38

19


8/28/2021

 Các ch t gi a các oxit:
o Spinel:

39

 Các ch t gi a các oxit:
o Spinel:

40

20

8/28/2021

 Các ch t gi a các oxit:
o Spinel:

41

 Các ch t gi a các oxit:
-

o Perovskite: ABO3

L p ph ng (Cubic)
M t thoi (Rhombohedral )
Tr c thoi (Othorombic)
T di n (Tetagonal)

- L p ph ng t ≈1
- M t thoi t< 1
- T di n t > 1

42

21


8/28/2021

 Các ch t gi a các oxit:

o

Perovskite: ABO3

BaTiO3

43

Các ch t gi a các oxit: Illmenite: FeTiO3

44

22


8/28/2021

Ferit

45

Các ch t gi a các oxit: Pyrơclo A2B2O7.

Nhóm khống v t ch a đ t hi m
(Na,Ca,…)2(Nb,Ti…)2O6.F.OH

23


8/28/2021

Các m ng tinh th tiêu bi u

Ch

ng 3: Ph n ng hóa h c

3.1. Các d ng ph n ng hóa h c
3.1.1 Ph n ng ơ xi hóa – kh
N: Ph n ng hố h c có s thay đ i s e gi a các ch t ph n ng
 Ph n ng có s thay đ i s oxi hóa c a m t s nguyên t .

Tr n V Di m Ng c

24


8/28/2021

3.1. Các d ng ph n ng hóa h c
3.1.1 Ph n ng ơ xi hóa – kh
H p ch t có tính oxh m nh: K2Cr2O7; KMnO4; HCIO4; H2SO4; KCIO3; Ce(SO4)2
Các ơ xít MgO, Cr2O3, CO2
Các ch t hồn nguyên: Al, Na, Zn, C, S, H

Tr n V Di m Ng c

3.1. Các d ng ph n ng hóa h c
3.1.1 Ph n ng ơ xi hóa – kh

Tr n V Di m Ng c

25