Bài giảng vật liệu học - Chương 3: Cấu trúc của vật liệu vô cơ ppt

VẬT LIỆU HỌC
VẬT LIỆU HỌC
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
1
1
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
Chương 3
Chương 3
Cấu trúc của vật liệu vô cơ
Cấu trúc của vật liệu vô cơ
3.1.Β ν χη τ & Πην λο ιả ấ ạ
3.1.Β ν χη τ & Πην λο ιả ấ ạ
3.2.Λιν κ τ νγυψν τ ế ử
3.2.Λιν κ τ νγυψν τ ế ử
3.3.
3.3.
Χ υ τρχ χ
Χ υ τρχ χ
α ϖ τ λι υ ủ ậ ệ
α ϖ τ λι υ ủ ậ ệ
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
2
2
3.1.Bản chất & Phân loại
3.1.Bản chất & Phân loại





Γ µ ( τ νυνγ)ố đấ
Γ µ ( τ νυνγ)ố đấ
: ϖ τ λι υ χη τ ο τ τ στ ậ ệ ế ạ ừ đấ
: ϖ τ λι υ χη τ ο τ τ στ ậ ệ ế ạ ừ đấ


(χαο λανη :Αλ
(χαο λανη :Αλ
2
2
Ο
Ο
3
3
.2ΣιΟ
.2ΣιΟ
2
2
.2Η
.2Η
2
2
Ο)
Ο)



Τηυ τινηỷ
Τηυ τινηỷ


: ΣιΟ
: ΣιΟ
2
2
−ΧαΟ−Να
−ΧαΟ−Να
2
2
Ο
Ο




Ξιµ νγ ă
Ξιµ νγ ă
: ΧαΟ−ΣιΟ
: ΧαΟ−ΣιΟ
2
2
−Αλ
−Αλ
2
2
Ο

Ο
3
3
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
3
3
3.1.Bản chất & Phân loại
3.1.Bản chất & Phân loại




Β ν χη τ:
Β ν χη τ:
Χεραµιχ (ς τ λι υ ϖ χ ) χ τ ο τη◊νη τ χ〈χ η π χη τ η⌠α η χ γι α κιµ ậ ệ ơ đượ ạ ừ ợ ấ ọ ữ
Χεραµιχ (ς τ λι υ ϖ χ ) χ τ ο τη◊νη τ χ〈χ η π χη τ η⌠α η χ γι α κιµ ậ ệ ơ đượ ạ ừ ợ ấ ọ ữ
λο ι (Με) ϖ ι 〈 κιµ (Β, Χ, Ν, Ο) Ηο χ χ〈χ 〈 κιµ ϖ ι νηαυ ạ ớ ặ ớ
λο ι (Με) ϖ ι 〈 κιµ (Β, Χ, Ν, Ο) Ηο χ χ〈χ 〈 κιµ ϖ ι νηαυ ạ ớ ặ ớ




Πην λο ι:
Πην λο ι:
τηεο χ ι µ κ τ η πđặ đ ể ế ợ
τηεο χ ι µ κ τ η πđặ đ ể ế ợ





Γ µ ϖ◊ ς τ λι υ χη υ λ αố ậ ệ ị ử
Γ µ ϖ◊ ς τ λι υ χη υ λ αố ậ ệ ị ử




Τηυ τινη ϖ◊ Γ µ τη ψ τινη
Τηυ τινη ϖ◊ Γ µ τη ψ τινη




Ξιµ νγ ϖ◊ Βτνγ
Ξιµ νγ ϖ◊ Βτνγ
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
4
4
3.2.Liên kết nguyên tử
3.2.Liên kết nguyên tử


ς.ϖ χ =
ς.ϖ χ =
Νγτ ΚΛ + Νγτ 〈 κιµ=>

Νγτ ΚΛ + Νγτ 〈 κιµ=>


∑
∑
Νγ.τ :
Νγ.τ :
≠
≠
κχη τη  χ;
κχη τη  χ;
≠
≠
ϖ ι ν τ ; ỏ đ ệ ử
ϖ ι ν τ ; ỏ đ ệ ử
≠
≠
λ χ λιν κ τự ế
λ χ λιν κ τự ế




µ ι ν:Độ đ ệ
µ ι ν:Độ đ ệ


χ
χ
κλ

κλ




≠
≠


χ
χ
ακιµ
ακιµ


ι ν τ η⌠α τρ ε χ α κ.λο ι “ ”Đ ệ ử ị ủ ạ
ι ν τ η⌠α τρ ε χ α κ.λο ι “ ”Đ ệ ử ị ủ ạ


δ χη χηυψ ν ϖ πηα ℑ κιµ ị ể ề
δ χη χηυψ ν ϖ πηα ℑ κιµ ị ể ề
=>Λιν κ τ ιον
=>Λιν κ τ ιον
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
5
5





ς δ : ς τ λι υ σιλιχατ : ΣιΟụ ậ ệ
ς δ : ς τ λι υ σιλιχατ : ΣιΟụ ậ ệ
2
2


Ο: Ζ=8
Ο: Ζ=8


Σι: Ζ = 14
Σι: Ζ = 14




Σι
Σι
χ
χ
⌠ 4 ε τηαµ για λιν κ τ
⌠ 4 ε τηαµ για λιν κ τ
:
:
 ι ν τ ε χ α Σι διχη χηυψ ν ϖ 4 νγτ Οξψ“ ”
 ι ν τ ε χ α Σι διχη χηυψ ν ϖ 4 νγτ Οξψ“ ”





Σι
Σι
4+
4+
, Ο
, Ο
2−
2−


=>
=>
Λιν κ τ ιον
Λιν κ τ ιον
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
6
6
1S
2
2P
6
3S

1
2S
2
3p
3
2S
2
1S
2
2P
4
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
7
7
•
Mỗi ion Si
4+
bao quanh bởi 4 ion O
2-
=>
Tứ diện tam giác đều (SiO
4
)
4-
( Đa diện phối trí
(SiO
4

)
4-
)
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
8
8
•
Mỗi ion Si
4+
bao quanh bởi 4 ion O
2-
=>
Tứ diện tam giác đều (SiO
4
)
4-
( Đa diện phối trí
(SiO
4
)
4-
)
•
µ β ο τρυνγ η∫α ϖ ι ν : Μ ι ιον ΟĐể đả ả ề đ ệ ỗ
µ β ο τρυνγ η∫α ϖ ι ν : Μ ι ιον ΟĐể đả ả ề đ ệ ỗ
2−
2−

λ◊ νη χηυνγ χ α 2 đỉ ủ
λ◊ νη χηυνγ χ α 2 đỉ ủ
κη ι τ δ ν ố ứ ị
κη ι τ δ ν ố ứ ị
=>
=>


Λιν κ τ χ νγ η⌠α τρ ế ộ ị
Λιν κ τ χ νγ η⌠α τρ ế ộ ị
→
→
Μ νγ τινη τηạ ể
Μ νγ τινη τηạ ể
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
9
9
Mạng kh.gian 3 chiều Mạng kh.gian 2 chiều
Hợp chất
Hợp chất
LK ion, %
LK ion, %
Hợp chất
Hợp chất
LK ion, %
LK ion, %
K-O

K-O
90
90
Al-O
Al-O
60
60
Mg-O
Mg-O
80
80
B-O
B-O
45
45
Zr-O
Zr-O
67
67
Si-O
Si-O
40
40
Ti-O
Ti-O
63
63
C-O
C-O
22

22
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
10
10

Liên kết ion: chủ yếu
Liên kết cộng hóa trị : ít
 Năng lượng liên kết : E = 100 – 500 kj/mol
(đối với kim loại E =60 – 250 kj/mol)
3.3.Cấu trúc của vật liệu
3.3.Cấu trúc của vật liệu
3.3.1.Χ υ τρχ τινη τη
3.3.1.Χ υ τρχ τινη τη
3.3.2.Χ υ τρχ ϖ   νη ηνη
3.3.2.Χ υ τρχ ϖ   νη ηνη
3.3.3.ς τ λι υ  α πηα ϖ◊  α τινη τη
3.3.3.ς τ λι υ  α πηα ϖ◊  α τινη τη
3.3.4.Κηυψ τ τ τ τρονγ µ νγ τινη τη
3.3.4.Κηυψ τ τ τ τρονγ µ νγ τινη τη
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
11
11
3.3.1.Cấu trúc tinh thể
3.3.1.Cấu trúc tinh thể

Χ υ τρχ = φ (Λιν κ τ ιον, Λιν κ τ χ νγ η⌠α τρ )ấ ế ế ộ ị
Χ υ τρχ = φ (Λιν κ τ ιον, Λιν κ τ χ νγ η⌠α τρ )ấ ế ế ộ ị

Λιν κ τ η⌠α η χ ế ọ
Λιν κ τ η⌠α η χ ế ọ


Τ σ ỷ ố
Τ σ ỷ ố


ς
ς
Σ
Σ
(
(
ε−χηο χ α χατιον) =
ε−χηο χ α χατιον) =
Σ
Σ
(
(
ε−νη ν χ α ανιον)
ε−νη ν χ α ανιον)
=>

=>


Τρυνγ ηο◊  ι ν τχη: =>
Τρυνγ ηο◊  ι ν τχη: =>
const
Ion
Ion
=
+
−
)(
)(
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
12
12
Ca
2+
Cation
F
-
Anion
F
-
+
CaF
2

:




Λιν κ τ ιον:
Λιν κ τ ιον:




Σ π ξ π χ〈χ ιον ???ắ ế
Σ π ξ π χ〈χ ιον ???ắ ế








Χ〈χ ιον ητ νηαυ τηεο µ ι η  νγ
Χ〈χ ιον ητ νηαυ τηεο µ ι η  νγ






τ ξ π χη τ & τνη ι ξ νγ χαο Đạ độ ế ặ đố ứ

τ ξ π χη τ & τνη ι ξ νγ χαο Đạ độ ế ặ đố ứ
=>
=>


Χ υ τρχ β ν ϖ νγ:
Χ υ τρχ β ν ϖ νγ:
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
13
13
Không bền
Bền vững
Bền vững
Cation
Cation
Rc, nm
Rc, nm
Cation
Cation
Rc, nm
Rc, nm
Anion
Anion
Ra,nm
Ra,nm
Al
Al

3+
0.053
0.053
Mg
Mg
2+
0.072
0.072
Br
Br
-
0.196
0.196
Ba
Ba
2+
0.136
0.136
Mn
Mn
2+
0.067
0.067
Cl
Cl
-
0.181
0.181
Ca
Ca

2+
0.100
0.100
Na
Na
+
0.102
0.102
F
F
-
0.133
0.133
Cs
Cs
2+
0.170
0.170
Ni
Ni
2+
0.069
0.069
I
I
-
0.220
0.220
Fe
Fe

2+
0.077
0.077
Si
Si
4+
0.040
0.040
O
O
2-
0.140
0.140
Fe
Fe
3+
0.069
0.069
Ti
Ti
4+
0.061
0.061
S
S
2-


0.184
0.184

K
K
+
0.138
0.138
Zn
Zn
2+
0.074
0.074
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
14
14



Bán kính ion : R
c
< R
a




Χ υ τρχ : ấ
Χ υ τρχ : ấ
Μ νγ τινη τη χ α ανιονạ ể ủ

Μ νγ τινη τη χ α ανιονạ ể ủ
Ντ µ νγ : Ιον (−)
Ντ µ νγ : Ιον (−)
Λ η νγ : Ιον (+) ỗ ổ
Λ η νγ : Ιον (+) ỗ ổ
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
15
15




Số phối trí n:
Số phối trí n:
số aniom xếp bao quanh cation
số aniom xếp bao quanh cation
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
16
16

Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
+
+

/r
/r
-
-
)
)



n = 2
n = 2




Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
17
17

Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
+
+
/r
/r
-
-

)
)

n = 3
n = 3




2
3
30cos
AO
AP
0
==
2
3
=
+
+−
−
rr
r
)(
2
3
+−−
+= rrr )1(
2

3
1
−
+
+=
r
r
115.01
3
2
=−=
−
+
r
r
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
18
18







n = 4
n = 4

Tam giác EFH
Tam giác EFH
(1)
(1)

Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
+
+
/r
/r
-
-
)
)
( )
222
2
2
2
22
2






=







+






=
−
aaa
r
2
2
2
a
r =
−
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
19
19

(2)
(2)
Thay (2) vào (1) :
/ : 2
/ : 2


/ : r
/ : r
-
-
225.0>
−
+
r
r
( )
+−
+== rr
a
BH 23
2
( )
+−
+= rra
3

4

( ) ( ) ( )
2222
222
2
3
222






=






+






+







=+=
aaaa
FHBFBH
( )
2
2
3
4
2
+−−
+≤ rrr
( )
+−−
+≤ rrr
3
2








+≤

−
+
r
r
1
3
2
1
1
2
3
−≥
−
+
r
r
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
20
20







n = 6 :

n = 6 : Xét tam giác AEC :
(1)
(1)
Khi 2 ion trái dấu tiếp xúc
Khi 2 ion trái dấu tiếp xúc
(2)
(2)
( ) ( ) ( )
222
ECAEAC +≤
( )
222
2
2
2
22
2






=







+






≤
−
aaa
r
2
2
2
a
r ≤
−

Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
+
+
/r
/r
-
-
)
)
( )
arr =+

+−
2
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
21
21






Thay (2) vào (1) ta có :
/ :2r
-



Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí = f(r
+
+
/r
/r
-
-
)
)

( )
2
2
2
2
+−
−
+
≤
rr
r
( )
22
+−−
+≤ rrr
hay

2
2
11








+≤
−

+
r
r
1
2
2
−≥
−
+
r
r
414.0≥
−
+
r
r
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
22
22







n = 8

n = 8
-
Các ion trái dấu tiếp xúc nhau
(1)
(1)
(2)
(2)
Thay (2) vào (1) : /:r
-


ar ≤
−
2

( )
[ ]
2222
2
32 aaaarr =++=+
+−
3)(2 arr =+
+−
)(
3
2
+−
+= rra
( )
+−−

+≤ rrr
3
2
2
( )
+−−
+≤ rrr
3
1









+≤
−
+
r
r
1
3
1
1
13 −≥
−
+

r
r
732.0≥
−
+
r
r
Tỷ số
Tỷ số
Rc/Ra
Rc/Ra
< 0.155
< 0.155
0.155-
0.155-
0.225
0.225
0.225-
0.225-
0.414
0.414
0.414-
0.414-
0.732
0.732
0.732-
0.732-
1.00
1.00
Số P.trí

Số P.trí
2
2
3
3
4
4
6
6
8
8
Dạng
Dạng
Phân bố
Phân bố
ion
ion
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
23
23

Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí :
Kiểu mạng tinh thể & Số phối trí :


phụ thuộc
phụ thuộc

Rc/Ra
Rc/Ra




- Vì Rc< Ra
- Vì Rc< Ra


Rc/Ra < 1
Rc/Ra < 1


-
-


Rc/Ra
Rc/Ra






n
n
•
Cấu trúc MX

Cấu trúc MX
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
24
24
NaCl: Rc= 0.102nm
Ra = 0.181 nm
Tỷ số Rc/Ra= 0.564
Số sắp xếp ?
Dạng cấu trúc (dạng phân bố)?
ROCK SALT STRUCTURE
(other solids with rock salt structure: MgO, MnS, LiF, FeO…)
Tỷ số Cation/Anion = 1/1
•


Cấu trúc MX
Cấu trúc MX
Tháng 02.2006
Tháng 02.2006
TS. Hà Văn Hồng
TS. Hà Văn Hồng
25
25
ZnS: Rc = 0.074nm
Ra= 0.184 nm
Rc/Ra = 0.402
Số sắp xếp # = 4

(other solids with zinc blende structure: ZnTe, CdS, SiC…)
Tỷ số Cation/Anion = 1/1
Dạng cấu trúc (dạng phân bố)?