Cơ sở hóa tinh thể docx

LỜI NÓI ĐẦU
Ngót một thế kỉ qua, kể từ khi cấu trúc tinh thể đầu tiên được xác định, đã xuất hiện
những
thông tin ngày càng nhiều, ngày càng chính xác về trật tự bên trong của các chất kết tinh.
Cũng nhờ
đó, nền tảng lí thuyết của các môn học liên quan đến thể kết tinh ngày càng thêm củng
cố.
Hoá học tinh thể có đối tượng nghiên cứu là mối quan hệ thành phần – cấu trúc – tính
chất của
vật kết tinh và là địa chỉ ứng dụng của những kết quả nghiên cứu cấu trúc tinh thể. Cùng
với sự phát
triển của ngành giáo dục và đào tạo nước nhà, trường Đại học Tổng hợp nay là Đại học
Quốc gia Hà
Nội đã từng đưa môn học này (với 3 – 4 đơn vị học trình) vào danh mục các chuyên đề
trong quy trình
đào tạo cử nhân, thạc sĩ địa chất học, hoá học.
Phần đầu gồm các chương một và hai, trình bày sơ lược những kiến thức cơ sở về chất
kết tinh
và tinh thể học hình thái. Chương ba là hình học cấu trúc tinh thể, chú trọng vào khái
niệm và cách suy
đoán 230 nhóm đối xứng không gian, hệ điểm quy tắc, quan hệ dạng quen – cấu trúc và
tóm lược về
Roentgen tinh thể học. Chương bốn gồm những khái niệm cơ bản của hoá học tinh thể,
phân loại và
mô tả các loại cấu trúc. Cuối chương, đặc điểm hoá học tinh thể của một số loại chất tự
nhiên và nhân
tạo được trình bày khái lược.
Chương năm có nội dung về tinh thể thực với những sai khác chủ yếu trong cấu trúc và
thành
phần hoá học của chúng; kể cả các hiện tượng đa hình, đồng hình, dung dịch cứng và sự
phân rã, biến

dạng dẻo trong khoáng vật tạo đá v.v…; tức là một phần những gì giới tự nhiên đầy biến
cố đã để lại
trên sản phẩm của nó. Chương năm là một trong những nội dung chính: tính chất vật lí,
hoá học của
tinh thể trong mối liên quan phụ thuộc với cấu trúc của chúng (do đồng tác giả Phó Giáo
sư Ngụy
Tuyết Nhung soạn). Cuối cùng, chương sáu dành cho những đặc điểm hoá học tinh thể
của một số
khoáng vật tạo đá chính.
Cuốn sách đã hoàn thành với sự giúp đỡ, khuyến khích, chia sẻ kinh nghiệm và tài liệu
v.v của
đồng nghiệp. Đặc biệt, Phó Giáo sư Nguyễn Tất Trâm, Phó Giáo sư Đặng Mai đã đọc và
cho nhiều
nhận xét quý báu, giúp hoàn thiện nội dung và hình thức. Các tác giả xin bày tỏ lòng biết
ơn.
Với rất nhiều cố gắng mong đạt tới chất lượng cao nhất cho cuốn sách nhưng biết rằng,
cuốn
sách này chưa thể đáp ứng được sự mong đợi của mọi giới bạn đọc, các tác giả sẵn sàng
tiếp
nhận với lòng biết ơn về mọi ý kiến đóng góp, mong sao cuốn sách này sẽ ngày càng bổ
ích
hơn.
Các tác giả
11
MỞ ĐẦU
Nội dung môn học
Căn cứ vào kết quả phân loại các chất kết tinh theo các tiêu chí về đặc điểm thành phần
và cấu
trúc bên trong, vào kết quả nghiên cứu tính chất của chúng, hoá học tinh thể có nhiệm vụ
góp phần xử

lí mối tương quan của thành phần hóa học và cấu trúc của tinh thể với tính chất của
chúng, nhằm giúp
ngành vật liệu học, ngọc học, v.v rút ra những luận điểm mang tính quy luật trong
nghiên cứu chế
tạo, hoặc xử lí chế tác nguyên liệu khoáng vật, làm ra những vật liệu mới với tính năng
định sẵn, hoặc
những sản vật mới với giá trị thương phẩm cao.
Với tư cách là sản phẩm của tự nhiên, tinh thể khoáng vật luôn lưu giữ những dấu ấn của
các
quá trình xảy ra sâu trong lòng đất. Khảo sát đặc điểm về thành phần và cấu trúc tinh thể
của khoáng
vật trong sự phụ thuộc vào điều kiện (nhiệt độ và áp suất) thành tạo là một nội dung
nghiên cứu của
địa chất.
Sơ lược lịch sử phát triển môn học
Một trong những người đặt nền móng cho hoá học tinh thể là Goldschmidt. Trong những
công
trình về địa hoá học, ông đã quan tâm đặc biệt đến ý nghĩa của môn học này. Ông đã
công bố nhiều
công trình ở Viện Hàn lâm Khoa học Na Uy và năm 1954, sau khi ông qua đời, nhiều
công trình khác
của ông được đăng tải trong tạp chí “Hoá học tinh thể”.
Trước khi trở thành môn học độc lập, hoá học tinh thể đã trải qua nhiều giai đoạn phát
triển.
− Haỹy R.Y. (1801) đã đề xuất ý tưởng cho rằng tất cả các hợp chất tương đồng về thành
phần
hoá học thì sẽ kết tinh theo một đa diện tinh thể nhất định. Quy luật này được hiệu chỉnh
một phần bởi
một vài phát kiến sau đó.
− Theo Wollaston W.H. (1808), một số hợp chất khác nhau về thành phần hoá học lại có

dạng
tinh thể giống nhau. Ví dụ, calcit CaCO3, magnesit MgCO3 và siderit FeCO3, chúng kết
tinh thành
cùng một đa diện hình mặt thoi (gồm 6 mặt hình thoi bằng nhau).
− Mitscherlich E. (1819) cũng có phát hiện tương tự với cặp hợp chất KH2PO4 và
KH2AsO4.
Ông gọi đó là hiện tượng đồng hình (isomorphism).
Hình dạng đều đặn của tinh thể làm nảy sinh khuynh hướng tìm nguyên nhân trong sự
sắp xếp
nguyên tử bên trong đa diện. Ngay từ năm 1675, Newton I. đã viết trong “Quang học”
rằng khi tinh
thể thành tạo thì không những các hạt xếp ngay hàng thẳng lối để tạo đa diện đều đặn, mà
nhờ khả
năng phân cực chúng còn tự xoay, hướng các đầu giống nhau về một phía.
− Haỹy R.Y. (1784) đã làm thí nghiệm trên những tinh thể có cát khai (tính dễ tách giãn
thành
tinh thể đa diện dưới tác dụng của lực cơ học) tốt và đi đến giả định rằng tinh thể của mỗi
chất hình
thành từ những “phân tử” xếp song song và kề nhau. Phân tử của mỗi chất kết tinh có
dạng đa diện
riêng.
− Năm 1813 Wollaston W.H. đề nghị thay “phân tử” của Haỹy bằng những nút điểm toán
học
(chẳng hạn, điểm trọng tâm của “phân tử ”). Từ đó, khái niệm mạng không gian (tập hợp
nút điểm xếp
theo một trật tự nhất định) ra đời, nhằm mô tả trật tự sắp xếp bên trong tinh thể. Đây là
quan điểm tiến
12
bộ, bởi vì cho đến lúc đó chưa có phương pháp nào giúp nghiên cứu hình dạng hạt
(nguyên tử, phân

tử). Đồng thời, ý tưởng ấy cho phép nghiên cứu khía cạnh hình học của sự đối xứng trong
mạng tinh
thể.
− Chính từ đó, Bravais A. (1855) đã chứng minh được 14 loại mạng không gian.
Năm 1890, Phedorov E.S. và Schoenflies A., mỗi người theo cách riêng, đã đi đến cùng
một kết
quả về các tổ hợp yếu tố đối xứng trong mạng không gian. Chính sự ra đời của 230 nhóm
đối xứng
không gian ấy (xem phụ lục 1) đã đặt nền móng lí thuyết về cấu trúc tinh thể cho hoá học
tinh thể hiện
đại.
Từ năm 1912, những thực nghiệm đầu tiên của Laue M., Bragg W.H. và Bragg W.L. đã
giúp tìm ra năng lực mới của tia X là nhiễu xạ trong mạng tinh thể. (Trước đó tia X chỉ
được
coi là bức xạ dùng xuyên thâu và công phá vật chất). Thế kỷ 20 chứng kiến sự chấn hưng
của
hoá học tinh thể, lí thuyết hình học của cấu trúc tinh thể dần dần được củng cố bằng hệ
phương pháp phân tích cấu trúc tinh thể với độ chính xác và tự động hóa ngày càng cao.
Cũng
từ đó, dữ liệu thực tế của môn học ngày một tăng cường; hàng loạt chất rắn được phân
tích
cấu trúc, bắt đầu từ đơn chất qua các hợp chất đơn giản, sang hợp kim, silicat và hợp chất
hữu
cơ.
Ngoài nhiễu xạ Roentgen, các phương pháp thực nghiệm khác như nhiễu xạ điện tử,
quang
phổ hồng ngoại, cộng hưởng từ hạt nhân v.v… cũng là những công cụ bổ trợ để nghiên
cứu
cấu trúc tinh thể.