tìm hiểu cấu trúc mạng tinh thể spinel

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
KHOA HÓA HỌC


BÀI TIỂU LUẬN
KHÓA 35 (2011 - 2015)

ĐỀ TÀI:
TÌM HIỂU CẤU TRÚC MẠNG TINH THỂ SPINEL
Cán bộ hướng dẫn:
PGS.TS. TRẦN NGỌC TUYỀN
Sinh viên thực hiện:
PHẠM THỊ MỸ LIÊN
Huế, 2014
MỤC LỤC
I . MỞ ĐẦU 1
II. NỘI DUNG 2
1. Tổng quan về Spinel 2
1.1. Khái quát chung 2
1.2. Thành phần hoá học 3
1.3. Màu sắc 3
1.4. Các tính chất vật lý và quang học 5
1.4.1. Các tính chất vật lý 5
1.4.2. Các tính chất quang học 5
1.5. Các phương pháp xử lý và tổng hợp 6
1.6. Nguồn gốc và phân bố 6
2. Cấu trúc của Spinel 7
3. Ứng dụng của Spinel 10
3.1. Tính chất chữa bệnh 10
3.2. Làm trang sức 12

3.3. Ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị 12
3.4. Ứng dụng trong sản xuất pin 12
3. 5. Làm xúc tác 13
3.6. Vật liệu chịu lửa 13
III. KẾT LUẬN 14
TÀI LIỆU THAM KHẢO 15
I . MỞ ĐẦU
Spinel là chất có cấu trúc tinh thể bền vững, màu sắc của spinel khá phong
phú: đỏ, hồng, tím sen, xanh lá, xanh dương, nâu, đen, trắng Phổ biến nhất
là spinel đỏ. Do spinel có độ cứng khá cao và độ bền màu tốt nên được sử dụng
rộng rãi trong kĩ thuật. Ngày nay, người ta có thể dễ dàng sản xuất spinel cho mục
đích làm trang sức, vật liệu chịu lửa, spinel thiên nhiên luôn có giá trị cao hơn nhờ
màu sắc lộng lẫy. Hiện nay, vì spinel tổng hợp quá phổ biến trong các nữ trang, nên
nhiều người không tin rằng spinel còn có sự hiện diện của spinel tự nhiên nữa. Tuy
nhiên, spinel là một loại đá riêng biệt và được các nhà sưu tập ưa thích vì vẻ rực
sáng, độ cứng và chúng có nhiều màu sắc đặc biệt.
1
II. NỘI DUNG
1. Tổng quan về Spinel
1.1. Khái quát chung
Nguồn gốc tên gọi của spinel còn chưa chính xác nhưng có thể xuất phát từ
tên Latinh “spoit” được hiểu “gai nhọn”, còn theo tiếng Hy Lạp từ “spark” có nghĩa
là phát lửa. Thời cổ xưa spinel màu đỏ được biết dưới cái tên “Balas ruby”, tên này
có thể bắt nguồn từ địa danh Balascia ở miền Nam Ấn Độ. Sau một thời gian dài,
người ta phát hiện rằng, viên đá tên là Black Prince’s Ruby gắn trong vương miện
Hoàng gia Anh nặng 170 carat thực chất không phải là ruby mà là spinel đỏ. Cũng
như viên Timur Ruby 352 carat cũng là viên spinel đỏ, hiện là tài sản của Nữ hoàng
Anh, nó có một dấu vết lịch sử: đó là tên của một hoàng đế Mông Cổ - người từng
là chủ viên đá được khắc trên bề mặt.
Hình 1.1. Đá Spinel màu hồng

Ở Myanmar - nơi đây chính là nơi sản sinh ra những viên spinel màu đẹp
nhất, vào đầu năm 1587, họ đã công nhận spinel là một loại đá quý riêng biệt.
2
1.2. Thành phần hoá học
Spinen là aluminat (oxit kép) của Mg - có công thức hoá học: MgAl
2
O
4
.
Trong đó MgO: 28,2%; Al
2
O
3
: 71,8%. Trong spinen, Mg có thể thay thế bởi Fe
+2
hoặc Mn
+2
và Al bởi Fe
+
hoặc Cr
+3
. Đôi khi thay thế các nguyên tố đó hoàn toàn tạo
ra những khoáng vật có tên riêng biệt như ceylonit (Mg, Fe) Al
2
O
4
; garnit (Zn
Al
2
O

4
)
1.3. Màu sắc
- MgAl
2
O
4
tinh khiết thì không màu, tuy nhiên một lượng nhỏ các nguyên tố
mang màu thay thế cho Mg hoặc Al sẽ tạo ra các màu sắc khác nhau.
Spinen tìm thấy đủ các màu: màu đỏ máu, đỏ hoa hồng, nhưng phổ biến là màu nâu
nhạt phớt đỏ, phớt tím hoặc phớt cam; lam nhạt, lam phớt tím; tím nhạt. spinen màu
trắng tinh khiết chưa tìm thấy mà chúng thường có màu trắng phớt hồng và loại
màu lục cũng thực sự hiếm.
Hình 1.2. Spinen hồng và một tinh thể spinen màu đen (gahnit)
Màu spinel đẹp nhất là đỏ tươi (sắc đỏ ngang với Ruby). Spinel phổ biến hơn
ở tông màu nhạt và đẹp như hồng và tím. Đặc biệt đá màu hồng tươi có chút sắc
cam được khai thác ở Myanmar, người ta gọi chúng là spinel lửa.
3
Hình 1.3. Đá Spinel màu tím
Spinel cũng có màu xanh đẹp do tác động của yếu tố coban, tuy nhiên màu
này rất hiếm.
Trên thực tế, spinel đỏ và xanh là giá trị hơn cả, còn đá màu nhạt hơn sẽ rẻ hơn.
Hình 1.4. Đá Spinel màu xanh
Spinel thường được mài giác theo hình ovan, tròn hay nệm.
4
1.4. Các tính chất vật lý và quang học
1.4.1. Các tính chất vật lý
- Độ cứng: 8 (theo thang Mohs), nếu có Cr
2
O

3
thì giảm xuống 7-7,5.
- Cát khai và vết vỡ.
- Vết vỡ dạng vỏ sò và dễ vỡ.
- Tỷ trọng: Thay đổi từ 3,58 - 3,98. Nhưng loại đạt chất lượng ngọc thì tỷ
trọng thay đổi ít hơn từ 3,58 đến 3,61. Loại giàu Fe (ceylonit): 3,63 - 3,9; loại giàu
Zn (gahnospinen) -4,06.
- Điểm nóng chảy: 2135
0
C.
1.4.2. Các tính chất quang học
- Chiết suất và ánh: Chiết suất: 1,72, nhưng có một số chiết suất cao:
Ceylonit tới 1,8; ganospinen -1,715 - 1,753.
- Ánh: Thủy tinh
- Phổ hấp thụ: Loại màu đỏ cho vạch phổ rõ ràng ở vùng lục và vàng tại 540
mm. Đặc biệt loại màu đỏ khi quan sát dưới điều kiện tối ưu có thể thấy 10 vạch
giống như phím đàn Organ: trong đó 686 và 675.
Hình 1.5. Phổ hấp thụ của spinel màu đỏ
Màu lam: Có một dải mạnh có tâm ở 458 mm và một dải hẹp hơn ở 478.
- Tính phát quang: Sự phát quang của spinel khác nhau đáng kể:
Màu đỏ và màu hồng: đỏ sáng - mạnh dưới sóng dài, yếu hơn dưới sóng
ngắn.
Màu lam, màu nâu nhạt, nâu tím hầu như trơ dưới mọi bức xạ;
Màu tím đỏ và tím hoa cà phát quang khác nhau dưới sóng dài, còn trợ dưới
sóng ngắn.
- Hiệu ứng quang học: Spinel cho hiệu ứng sao nhưng rất hiếm gặp. Có thể
gặp sao 4 cánh và sao 6 cánh.
5
1.5. Các phương pháp xử lý và tổng hợp
Spinel màu tím và màu hồng chuyển sang màu vàng ở nhiệt độ 1000

0
C, nhưng có
thể trở lại màu khi nguội lạnh. Màu xanh lam chuyển sang màu lục ở nhiệt độ 900
0
C và
chuyển sang màu vàng ở 1200
0
C và các màu này không bị trở lại màu cũ.
Gần đây spinel màu đỏ phớt nâu đã làm tăng màu đỏ bằng cách xử lý tẩy đi
thành phần màu nâu nhạt và giữ lại màu đỏ thuần khiết.
Spinel được tổng hợp bằng phương pháp nóng chảy trong ngọn lửa “flame fusion”.
1.6. Nguồn gốc và phân bố
- Spinel chủ yếu có nguồn gốc biến chất và skarn. Loại có giá trị thương
phẩm chủ yếu được khai thác trong kiểu nguồn gốc skarn. Ngoài ra spinel còn được
tìm thấy trong đá greis, pegmatit, và các đá khác. Thông thường nó cộng sinh với
corindon, manhetit, granat, pyroxen, clorit.
Các mỏ chính bao gồm: Mỏ Mogok ở Miến Điện, spinel nằm trong aluvi ở
các suối và trong đá vôi kết tinh.
Mỏ Ceylan ở Sri Lanka, spinel tìm thấy chủ yếu ở dạng cuội với nhiều màu
sắc, đặc biệt là màu lam nhạt và lam tối.
Những mẫu spinel không đi cùng với ruby và saphia được tìm thấy ở
Afganistan. Ngoài ra còn một số nước khác có spinel như Thái Lan, Úc, Braxin, Mỹ
(mỏ New Jersey), Nga (Uran và Zabaican).
- Tại Việt Nam spinel được phát hiện nhiều đi cùng với ruby vùng Lục Yên,
Tân Hương, Quỳ Châu. Tại mỏ Lục Yên phát hiện được các tinh thể spinel có kích
thước lớn trong đá hoa, tuy nhiên màu sắc của chúng thường không đẹp chỉ thích
hợp làm mẫu sưu tập.
Spinel thường có mặt cùng ruby trong aluvi và trong đá hoa, trong các sản phẩm
khai thác được ở khu mỏ An Phú thì spinel chiếm đến > 60%. Chúng có nguồn gốc
biến chất, tìm thấy trong đá hoa kết tinh với các tinh thể có kích thước từ 1 mm đến 5 -

10 cm. Tuy nhiên trong các bồi tích đã gặp những tinh thể spinel lớn tới vài chục cm
nhưng không đạt chất lượng ngọc, có thể chúng có nguồn gốc pegmatit.
Spinel vùng Yên Bái tìm thấy rất nhiều màu sắc khác nhau từ đỏ tươi, đỏ
nhạt, hồng, nâu hồng, nâu phớt tím, tím nhạt Chúng thường có dạng tinh thể tám
mặt hoàn chỉnh, dạng cuội tròn, mảnh vỡ sắc cạnh.
6
Hình 1.6. Tinh thể spinel trong đá hoa canxit và viên spinel đã chế tác
2. Cấu trúc của Spinel
- Spinel là tên gọi của khoáng vật có công thức MgAl
2
O
4
, là hợp chất giữa 2
oxit: oxit bazơ hóa trị 2 và oxit lưỡng tính hóa trị 3.
- Spinel đại diện cho một loạt các hợp chất có công thức tổng quát AB
2
O
4
.
Trong đó: A là cation kim loại hóa trị 2 và B là cation kim loại hóa trị 3.
- Mạng lưới spinel gồm các ion oxi xếp khít lập phương tâm mặt.
- Các cation A
2+
và B
3+
phân bố vào các hốc T và hốc O.
- Có thể hình dung mỗi tế bào gồm 8 tế bào lập phương tâm mặt nhỏ ghép lại
7
- Số ion O
2-

trong mỗi tế bào gồm:
• 8 đỉnh lập phương lớn: 8 x 1/8 = 1
• 6 mặt lập phương lớn: 6 x 1/2 = 3
• 3 mặt trong lập phương lớn: 3 x 4 = 12
• 24 mặt ngoài lập phương nhỏ: 24 x 1/2 = 12
• 12 cạnh lập phương lớn: 12 x 1/4= 3
• Tâm lập phương lớn: 1
Tổng cộng: 32
- Mỗi tế bào spinel gồm 8 phân tử AB
2
O
4
- Số hốc tứ diện (T):
• Mỗi lập phương nhỏ có 8 hốc T nằm trong lập phương
• Mỗi tế bào spinel có: 8 x 8 =64
- Số hốc bát diện (O)
• 8 tâm của 8 lập phương bé: 8 x 1 =8
• 12 cạnh của mỗi lập phương bé: 12 x 1/4 = 3. Như vậy: lập phương lớn có
3 x 8 = 24 hốc O
• Tổng số hốc O của tế bào spinel là 32.
- Tùy theo cách sắp xếp của các cation A
2+
và B
3+
vào các hốc T và O mà ta
có các loại spinel khác nhau:
+ Nếu 8 cation A
2+
phân bố vào 8 hốc T còn 16 cation B
3+

phân bố vào 16
hốc O thì ta được mạng lưới spinel thuận, kí hiệu là: A[BB]O
4
.
+ Nếu 8 cation A
2+
phân bố vào 8 hốc O còn 16 cation B
3+
được chia làm 2:
8 phân bố vào 8 hốc T và 8 phân bố vào 8 hốc O thì ta được mạng lưới spinel
nghịch đảo, kí hiệu: B[AB]O
4
+ Nếu 24 cation A
2+
và B
3+
phân bố một cách thống kê vào 64 hốc T và hốc
O thì ta được mạng lưới spinel trung gian, kí hiệu là: B
1-x
A
x
[A
1-x
B
1+x
]O
4
(0 < x < 1).
8
Hình 2.1. Mô hình cấu trúc của tinh thể spinel

- Số tinh thể kết tinh theo mạng lưới spinel khá phổ biến. Trong công thức
tổng quát thì A
2+
có thể là: Be, Mg, Ca, Ba, Zn, Cd, Mn, Pb, Cu, Fe, Co, Ni B
3+
có
thể là: Al, Cr, Fe, Mn Tổ hợp các cation trên cho ta nhiều spinel.
- Sự phân bố các cation A
2+
, B
3+
vào vị trí tứ diện, bát diện được quyết định
bởi các yếu tố:
+ Bán kính ion: hốc T có thể tích nhỏ hơn hốc O do đó chủ yếu các cation
có kích thước nhỏ hơn được phân bố vào hốc T.
+ Cấu hình electron: tùy thuộc vào cấu hình electron của cation mà chúng
thích hợp với một kiểu phối trí nhất định.
+ Năng lượng tĩnh điện: năng lượng tĩnh điện của mạng spinel tạo nên bởi
các ion lân cận khi tạo thành cấu trúc spinel. Sự phân bố sao cho các cation A
2+
nằm
vào hốc T, B
3+
nằm vào hốc O là thuận lợi về mặt năng lượng. Tuy nhiên, trong một
số loại spinel lại có hiện tượng đảo cation, nghĩa là một phần kim loại nhóm II (A)
đổi chổ cho kim loại nhóm III (B).Ví dụ: trong số các spinel ZnAl
2
O
4
, MgAl

2
O
4
, thì
MgAl
2
O
4
là loại có hiện tượng đảo cation khá đặc trưng, trong khi hiện tượng đó lại
xảy ra ít đối với ZnAl
2
O
4
.
Spinel có cấu hình điện tử kín của các cation, do đó chúng có tính chất trơ
với ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên khi các ion kim loại chuyển tiếp hoặc đất hiếm
có cấu trúc điện tử lấp đầy một phần được pha tạp vào cấu trúc nền spinel thì lại
tương tác mạnh với ánh sáng và trở thành vật liệu huỳnh quang.
9
-
Dạng tinh thể: Hay gặp dạng tinh thể tám mặt có các mặt bóng, một số tinh
thể có các cạnh của mặt tám mặt bị cắt tạo 12 mặt và có song tinh trên bề mặt tạo ra
những tam giác phẳng, kiểu kết hợp song tinh này gọi là “song tinh spinen”.
Hình 2.2. Tinh thể spinen dạng bát diện
3. Ứng dụng của
Spinel
3.1. Tính chất chữa
bệnh
Người ta cho
rằng, tinh thể spinel

màu đỏ máu tác động
tốt tới trạng thái thể
10
chất và tình cảm của cơ thể người. Theo quan niệm của các nhà thạch học trị liệu,
spinel tăng cường tuần hoàn máu. Có lẽ vì thế nó cũng góp phần củng cố tính miễn
dịch, tái sinh mô, chữa các bệnh nhiễm khuẩn, bệnh da liễu, bệnh ở dạ dày. Có ý
kiến cho rằng, spinel có tác dụng nâng cao tiềm năng.
11
3.2. Làm trang sức
Spinel có màu đẹp dùng làm đồ trang sức. Người ta khai thác nó đồng thời
với sự khai thác vàng hoặc rubi.

3.3. Ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị
Điều khiển các tính chất từ của các hạt nano ferit spinel dùng trong các
ứng dụng dẫn thuốc và nhiệt trị:
• Các hạt từ tính mang thuốc đến vị trí cần thiết trên cơ thể
• Các hạt nanô từ tính thường dùng là ôxít sắt (magnetite Fe
3
O
4
,
maghemite a-Fe
2
O
3
) bao phủ xung quanh bởi một hợp chất cao phân tử có tính
tương hợp sinh học như PVA, silicat
Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau. Có thành phần
là nghịch từ (DM), thuận từ (PM), sắt từ (FM) và siêu thuận từ (SPM).
3.4. Ứng dụng trong sản xuất pin

- Spinel liti mangan oxit (LiMn
2
O
4
) làm vật liệu cực dương thay thế cho
pin sạc ion Liti.
- LiMn
2
O
4
có các ưu điểm sau:
• Pin sử dụng vật liệu cực dương LiMn
2
O
4
có hiệu điện thế lớn (khoảng 4 V);
dung lượng thuận nghịch lớn, giá nguyên liệu thấp, ít độc hại, và chu kỳ sống dài.
• Cấu trúc spinel LiMn
2
O
4
có các lỗ trống phù hợp cho sự đan xen Li
+
mà
không bị phá vỡ.
12
3. 5. Làm xúc tác
Hai hệ xúc tác spinel NiAl và
CoAl trong phản ứng khử chọn lọc khí
NO bằng C

3
H
8
3.6. Vật liệu chịu lửa
Gạch chịu lửa spinel được
ứng dụng nhiều để lót tại zôn nung
của lò quay sản xuất clinke xi
măng. Được ứng dụng trong lò
luyện thép.

Hình 3.1. Gạch chịu lửa
13
III. KẾT LUẬN
Sau một thời gian thực hiện đề tài: “Tìm hiểu về cấu trúc mạng thể
spinel”, bằng nhiều phương pháp nghiên cứu tôi đã tìm hiểu được một số vấn đề cơ
bản sau:
Tổng quan về spinel.
Cấu trúc tinh thể spinel.
Ứng dụng của spinel trong kĩ thuật, đời sống.
Qua đây, chúng ta hiểu rõ hơn về cấu trúc của spinel, là chất có cấu trúc tinh
thể bền vững, các hợp chất spinel được ứng dụng rộng rãi trong kĩ thuật, chúng
được sử dụng làm đồ trang sức, vật liệu chịu lửa, chữa bệnh
14
TÀI LIỆU THAM KHẢO
I. Tiếng Việt
[1] Trịnh Hân, Ngụy Tuyết Nhung, “Cơ sở hóa học tinh thể”, NXB Đại học quốc
gia Hà Nội 2006.
[2] />spinel-pha-tap.htm
II. Tiếng Anh
[3] Hercynite, corundum – spinel – ilmenite rock. Plossberg,northern Bavaria

( Propach, G., 1971, Neues Jahrb. Min, 115,120 – 2)
[4] Musgrave Rangers, CentralAustralia “Ferroan spinel, sapphirine
phlogopite – taaffcite – apaitemetasomatic rosk in pyroxenite”. ( Wilson, A.F.& Hudson,
D.R, 1967, Chem. Geol, 2 ,209 – 15)
[5] Spinel at Mindat
[6] Spinel at webminerals.