SKKN Giảng dạy phần Hóa học tinh thể môn Hóa học THPT

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
ĐỀ TÀI:
"GIẢNG DẠY PHẦN HÓA HỌC TINH THỂ MÔN HÓA HỌC
THPT"
PHẦN I: MỞ ĐẦU
1. Cơ sở khoa học của sáng kiến kinh nghiệm cần nghiên cứu:
Cơ sở lý luận
Như đã biết, mọi chất đều có thể tồn tại ở ba trạng thái: khí, lỏng, rắn. Ở trạng thái
rắn vật chất có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể hoặc trạng thái vô định hình. Trạng thái
tinh thể khác trạng thái vô định hình ở các đặc điểm sau:
- Tinh thể là những đa diện lồi, được giới hạn bởi các mặt phẳng và các cạnh thẳng;
- Tinh thể có tính đồng nhất và tính dị hướng;
- Chất tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định.
Ở điều kiện thường hầu hết các chất rắn đều có cấu tạo tinh thể. Ví dụ: cacbon tồn
tại dưới dạng các tinh thể kim cương hay than chì (grafit); lưu huỳnh tồn tại dưới dạng
các tinh thể đơn tà hay mặt thoi; muối ăn (NaCl) dưới dạng các tinh thể lập phương… Tất
cả các kim loại, trừ thủy ngân là chất tinh thể v.v….
Lĩnh vực khoa học nghiên cứu thành phần, cấu tạo và tính chất của tinh thể là
“Tinh thể học”. Tinh thể học là lĩnh vực khoa học ra đời từ rất sớm, phát triển mạnh mẽ
và đạt được những thành tựu rất to lớn. Ngày nay, nhờ những thành tựu của Tinh thể học
người ta đã xác định được cấu tạo tinh thể và phân tử của hàng triệu chất khác nhau,
trong đó có những chất quan trọng như silicat tự nhiên, các protit, lipit, axit nucleic… từ
đó đã giải thích được nhiều tính chất vật lí, hóa học và sinh học của các chất, đồng thời
phát hiện ra nhiều ứng dụng quan trọng của chúng.
Trong chương trình hoá học phổ thông, phần trạng thái rắn của chất và cụ thể về
tinh thể là một phần khá lí thú và trừu tượng. Sách giáo khoa đã nêu được một số ý tưởng
cơ bản giáo viên cần tham khảo thêm tài liệu mới giúp học sinh hình dung đươc và áp
dng cỏc kin thc vo gii cỏc bi toỏn liờn quan. ti ny nhm cung cp cỏc kin
thc c th v cu trỳc tinh th v vn dng cho cỏc bi tp liờn quan.
C s thc tin
Trong nhng nm qua, thi hc sinh gii Quc gia thng hay cp ti phn

hoỏ hc tinh th di nhiu gúc khỏc nhau. Tuy nhiờn, trong sỏch giỏo khoa ph thụng
, do iu kin gii hn v thi gian nờn nhng kin thc trờn ch c cp n mt
cỏch s lc. Qua thc tin ging dy i tuyn hc sinh gii Quc gia nhiu nm tụi
nghiờn cu, la chn v h thng nhng kin thc lớ thuyt c bn, trng tõm; su tm
nhng bi tp in hỡnh son chuyờn Húa hc tinh th cp v vn cu trỳc
mng tinh th giỳp cho hc sinh hiu sõu v vn dng c tt nhng kin thc ó hc
vo vic gii cỏc bi tp, gúp phn nõng cao cht lng ging dy v hc tp mụn Húa
hc.
2. Mc ớch ca sỏng kin kinh nghim
Xây dựng c s lớ thuyt, hệ thống câu hỏi và bài tập phần Húa hc tinh th
dùng cho học sinh lớp chuyên Hoá học ở bậc THPT giúp học trò học tốt hơn và chuẩn bị
tốt hơn cho các kỳ thi học sinh giỏi Hóa học cả về lý thuyết bài tập phơng pháp giải,
góp phần nâng cao chất lợng giảng dạy và học tập môn Hóa học.
3. i tng nghiờn cu, phm vi nghiờn cu
ti Húa hc tinh th tp trung h thng lớ thuyt v su tm cỏc bi tp in
hỡnh cú liờn quan n:
1. MNG BRAVAIS
2. PHN LOI MNG BRAVAIS
3. ễ N V V ễ C S
4. LIÊN KẾT HÓA HỌC TRONG TINH THỂ
5. CẤU TRÚC CỦA TINH THỂ KIM LOẠI
6. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA CÁC HỢP CHẤT ION ĐƠN GIẢN
7. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA
X
Đối tượng nghiên cứu là các khóa học sinh đội tuyển dự thi học sinh giỏi quốc
gia từ năm 2009 đến năm 2011
4. Kế hoạch nghiên cứu
Sáng kiến kinh nghiệm này tôi đã nghiên cứu giảng dạy bồi dưỡng học sinh đội
tuyển dự thi học sinh giỏi quốc gia, tại trường THPH chuyên Hưng Yên từ năm học
2009-2010.

5. Phương pháp nghiên cứu
a). Nghiên cứu tài liệu
b). Thực nghiệm (giảng dạy), đây là phương pháp chính
6. Thời gian hoàn thành
3 năm
7. Cấu trúc của sáng kiến kinh nghiệm
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, sáng kiến kinh nghiệm bao gồm
các phần chính sau đây:
I.CƠ SỞ LÍ THUYẾT
II. BÀI TẬP VẬN DỤNG
PHẦN II: NỘI DUNG
I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Chất rắn được chia ra làm hai loại là chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình.
Các tinh thể như tinh thể muối ăn, đường, kim cương, thạch anh , nhìn vẻ bề ngoài
chúng là hạt óng ánh, nhiều cạnh, nhiều mặt, nhiều chóp, khi vỡ tạo ra các hạt tinh thể
nhỏ hơn với hình dạng khác nhau, tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định, cá tính chất cơ
điện có tính dị hướng tức là phụ thuộc vào hướng đo.
Về bản chất, trạng thái tinh thể khác với trạng thái vô hình ở chỗ: trong tinh thể,
các nguyên tử, phân tử, ion sắp xếp tuần hoàn ba chiều trong một khoảng không gian
rộng, còn ở chất rắn vô định hình sự sắp xếp tuần hoàn chỉ có tính cục bộ trong giới hạn
không gian hẹp. Vì vậy, dạng tinh thể và dạng vô định hình là hai trạng thái khác nhau
của một chất rắn, trong đó dạng vô định hình luôn luôn kém bền hơn về mặt nhiệt độ với
dạng tinh thể. Trong những điều kiện thích hợp, người ta có thể kết tinh được dạng tinh
thể của các chất vô định như cao su, thủy tinh.
Việc nghiên cứu tinh thể từ cuối thế kỷ 18. Thời kỳ đó, các nhà khoáng chát học đã
phát hiện ra bằng giá trị chỉ số hướng của mọi mặt trong tinh thể đều là số nguyên. Năm
1784, thầy tu Hauy người được coi là sáng lập ra tinh thể học đã giải thích điều này là
kết quả của sự sắp xếp tuần hoàn các hợp phần giống nhau trong tinh thể. Tuy nhiên
những hiểu biết sâu sắc về tinh thể chỉ có được sau khi phát minh ra tia X và hiện tượng
nhiễu xạ tia X vào đầu thế kỷ 20.

Trước khi nghiên cứu sâu tính chất vật lý và hóa học của chất rắn, chúng ta hãy tìm
hiểu một số khái niệm, thuật ngữ cần thiết để mô tả sự sắp xếp hình học trong tinh thể.
I.1. Mạng Bravais
Tập hợp tất cả các điểm có tọa độ là vectơ R được biểu diễn theo công thức 1.1 theo các
vectơ cơ sở a
x,
a
y
,a
z
treen ba vectơ thích hợp đã chọn tạo thành một mạng không gian gọi
là mạng Bravais. Mỗi một điểm trên đây được gọi là một nút mạng của mạng
Bravais.Thực chất mạng Bravais là mộ sự khía quát hóa về mặt toán học, chỉ mới biểu
diễn được tính tuần hoàn tịnh tiến của tinh thể, không phải là mạng tinh thể thực. Mạng
tinh thể thực phải được mô tả bằng cách chỉ ra mạng Bravais của nó đi kèm với chỉ ra
nền tinh thể tương ứng với mỗi một nút mạng Bravai. Nền tinh thể là cấu hình của phân
tử.
Cấu trúc tinh thể = mạng Bravais + Nền tinh thể
Cả 3 loại tinh thể đều được cấu tạo từ cùng một mạng Bravais (mạng vuông chiều),
nhưng trên các nền khác nhau.
- Đối với tinh thể đơn giản
→
nền tinh thể chỉ gồm một vài nguyên tử.
- Đối với tinh thể hữu cơ
→
nền tinh thể gồm
≈
100 nguyên tử.
- Đối với tinh thể đơn giản
→

nền tinh thể gồm
≈
10
4
nguyên tử.
Trong thế giới chất rắn vô cơ chủ yếu là các tinh thể đơn giản.
Với định nghĩa trên, mạng Bravais có các đặc điểm sau:
- Mạng Bravais biểu diễn tính tuần hoàn tịnh tiến của mạng tinh thể, do đó các nút
mạng Bravais không nhất thiết phải trùng với nút mạng tinh thể thực.
- Nếu tinh thể được cấu tạo nên từ nhiều laoij nguyên tử, tức là số nguyên của nền
tinh thể lớn hơn 1, thì có thể coi mỗi loại nguyên tử tạo nên một mạng Bravais riêng của
mình (mạng con), ở đó các nguyên tử nằm ngay ở nút mạng Bravais và khi đó mạng tinh
thể sẽ gồm nhiều mạng Bravais giống hệt nhau lồng vào nhau.
Một tinh thể chỉ gồm một mạng Bravais có thể gọi là tinh thể đơn giản, một tinh
thể gồm nhiều mạng Bravais giống nhau lồng vào nhau thường được gọi là mạng tinh
thể phức tạp.
I.2. Phân loại các mạng Bravais
Trong mục trên chúng ta chưa xét đến pháp tịnh tiến. Như đã nối từ đầu, bất kỳ tinh
thể nào cũng thừa nhận những phép tịnh tiến R = n
1
.a
1
+ n
2
.a
2
+ n
3
.a
3

(a
1
a
2
a
3
là các vectơ
cơ sở của mạng đó và n
1
n
2
n
3
là các số nguyên) làm các phép biến đổi đối xứng. Những
phép tịnh tiến này họp lại thành một nhóm gọi là nhóm tịnh tiến. nhóm tịnh tiến là nhóm
có số phần tử vô hạn vì mạng tinh thể là vô hạn. Nó cũng là một nhóm giáo hoán vì tích
của hai phép tịnh tiến không phụ thuộc vào thứ tự của chúng.
Chúng ta có thể coi những vectơ cơ sở của mạng a
1,
a
2,
a
3
là những vectơ độc lập của
các phép tịnh tiến cơ bản này (với hệ số là các số nguyên). Bởi vậy độ lớn và vị trí tương
đối của các vectơ cơ sở, hay là dạng của ô cơ bản, sẽ là đặc trưng cho nhóm tịnh tiến của
mạng tinh thể.
Xét mối qua hệ giữa a
1
, a

2
, a
3
, α, β, γ ta có bảng tổng kết về các hệ tinh thể và các
loại mạng bravais:
Bảng 1.
Bảy hệ tinh
thể và 14
kiểu mạng
bravais.
Hệ tinh thể Mạng tinh thể
Ba nghiêng
Một nghiêng
đơn giản tâm đáy
Trực thoi
đơn giản tâm đáy tâm khối tâm mặt
Sáu phương
Ba phương
Bốn phương
đơn giản tâm khối
Lập phương
đơn giản tâm khối tâm mặt
I. 3. Ô đơn vị và ô cơ sở
Tinh thể tuần hoàn tịnh tiến, do đó toàn bộ mạng tinh thể có thể thu được bằng cách
tịnh tiến một đơn vị cấu trúc tinh thể. Đơn vị cấu trúc đó được gọi là ô đơn vị (unit cell).
Ô đơn vị có thể tích nhỏ nhất được gọi là ô cơ sở, ô đơn vị tối giản (primitive unit cell).
Như vậy, ô cơ sở là mạng tinh thể nhỏ nhất mà bằng cách tịnh tiến nó theo hướng
của ba trục tinh thể ta có thể thu được toàn bộ tinh thể.
Mỗi ô cơ sở được đặc trưng bởi các thông số:
- Hằng số mạng: a, b, c, α, β, γ

- Số đơn vị cấu trúc : n
- Số phối trí
- Độ đặc khít.
I. 4. Liên kết hóa học trong tinh thể
Phần trên ta đã xét phân loại tinh thể theo cấu trúc hình học, bây giờ ta phân loại
tinh thể theo các tính chất hóa lý của chúng. Tại các nút mạng tinh thể có chứa nguyên tử,
ion, phân tử hay thậm chí một nhóm của chúng. Người ta phân loại tinh thể căn cứ vào
các loại lực liên kết khác nhau giữa các phân tử đó. Để tạo nên tinh thể có 5 loại liên kết.
- Liên kết cộng hóa trị: Tinh thể nguyên tử (thường là chất điện môi hoặc bán dẫn).
- Liên kết ion: tinh thể ion (thường là chất điện môi)
- Liên kết kim loại: tinh thể kim loại (là chất dẫn điện).
- Liên kết Van der Waals: tinh thể phân tử (thường là chất điện môi, đôi khi là bán dẫn).
- Liên kết hiđrô.
I.4.1. Liên kết cộng hóa trị
Cũng giống như trong phân tử, trong tinh thể, các nguyên tử liên kết với nhau bằng
liên kết cộng hóa trị. Tinh thể với liên kết cộng hóa trị thường được gọi là tinh thể
nguyên tử vì với cách liên kết này thì ở các nút mạng là các nguyên tử. Ví dụ: Si, Ge, kim
cương, các chất bán dãn A
II
B
II
(ZnS,…), than chì.
Vì mỗi cặp điện tử hóa trị đã liên kết chủ yếu nằm ở vị trí xung quanh hai nguyên
tử, không do chuyển trong tinh thể nên các tinh thể nguyên tử thường là chất điện môi
hoặc chất bán dẫn. Lực liên kết cộng hóa trị có thể rất lớn, như trong kim cương nhiệt độ
nóng chảy lên tới › 3550
o
hay có thể rất nhỏ như trong butmut nhiệt độ nóng chảy 270
o
C.

Giá trị năng lượng liên kết và nhiệt độ nóng chảy được chỉ ra ở bảng trên.
Do tính định hướng của liên kết cộng hóa trị nên tinh thể nguyên tử thường không
thuộc loại sắp xếp chặt khít. Ví dụ, đối với Si, phần không gian lấp đầy bởi các nguyên tử
Si chỉ là 34%, trong khi cấu trúc sắp xếp chặt có thể lấp đầy 74% không gian). Số phối trí
của các nguyên tử trong loại tiinh thể này thường nhỏ (thường bằng 4) trong khi đó ở các
loại tinh thể khác có số phối trí lớn hơn (8 hoặc 12).
Liên kết hoàn toàn ion và liên kết cộng hóa trị hoàn toàn không phân cực là hai giới
hạn của các liên kết hóa học thực. Các liên kết giữa các nguyên tố khác nhau thường là
trung gian của hai dạng liên kết trên, chúng có một phần cộng hóa trị và một phần ion.
Mức độ ion của liên kết phụ thuộc vào hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử.
% liên kết ion = 1 - exp -0.25.( χ
A
- χ
B
).100
Trong đó χ
A
và χ
B
là độ âm điện của nguyên tử a và nguyên tử B trong liên kết A-B.
I.4.2. Liên kết kim loại
Đặc điểm cơ bản của liên kết kim loại là các điện tử hóa trị của các nguyên tử được
tập thể hóa nên chúng là các vật liệu dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Kim loại còn có tính dẻo, dễ
kéo sợi, dát mỏng trong khi đó các tinh thể ion hoặc tinh thể nguyên tử thường gion,
cứng. Lực liên kết kim loại cũng không có tính định hướng nên các nguyên tử sắp xếp
chặt khít hoặc gần như chặt khít dưới dạng FCC, HCP và BCC.
Ở nhiệt độ phòng và áp suất 1atm, trạng thái kim loại là dạng cân bằng của hơn 70
nguyên tố tồn tại trong tự nhiên. Một số nguyên tố như photpho, iốt lại tồn tại ở trạng thaí
kim loại dưới áp suất nhỏ; hầu hết các nguyên tố còn lại tồn tại ở trạng thái kim loại ở áp
suất lớn. Ngoài các nguyên tố tồn tại tự nhiên, những nguyên tố nhân tạo đều là kim loại

ở trạng thái chuẩn. Tính chất kim loại của vật chất, về bản chất có được là do các electron
không định xứ ở trên vùng dẫn. Chính những electron này làm cho kim loại có độ dẫn
điện, dẫn nhiệt cao nhưng cũng vẻ sáng ánh kim.
Tinh thể hầu hết các kim loại đều thuộc 3 loại: Lập phương tâm khối, lập phương
tâm diện và dạng lục phương. Đối với một kim loại, đôi khi có thể nhiều hơn một kiểu
tinh thể tùy theo điều kiện nhiệt độ, áp suất. Ba kiểu cấu trúc này có tính đối xứng cao,
đặc trưng cho sự sắp xếp các ion, các nguyên tử, ở đó các liên kết không có tính định
hướng. Thực tế, mỗi nguyên tử, ion hút các nguyên tử, ion lân cận bằng trường thế hút
xuyên tâm và độ ổn định đạt được khi số phối trí cực đại.
I.4.3. Liên kết ion
Tinh thể hình thành từ các ion trái dấu hút nhau. Lực liên kết là các lực hút và đẩy
tĩnh điện. Do các điện tử định xứ trên các tinh thể ion nên tinh thể ion thường là chất điện
môi. Khi nóng chảy chúng có khả năng dẫn điện, trong đó các ion trái dấu đóng vai trò là
hạt tải điện. Liên kết ion không có tính định hướng do đó cấu trúc hình học của tinh thể
phụ thuộc vào sự sắp xếp chặt khít các ion. Số phối trí của các ion thường lớn. Lực liên
kết lớn dẫn đến nhiệt độ nóng chảy cao.
I.4.4. Liên kết Van der Waals
Lực liên kết Van der Waals là lực liên kết vật lí và yếu hơn nhiều liên kết cộng hóa
trị và liên kết ion. Lực liên kết Van der Waals thực tế luôn tồn tại giữa các nguyên tử,
phân tử, tuy nhiên nó thường bị các liên kết hóa học mạnh như liên kết ion, liên kết cộng
hóa trị và liên kết kim loại lấn át. Lực liên kết Van der Waals giải thích sự hình thành tinh
thể của các khí hiếm, các tinh thể phân tử trung hòa.
I.4.5. Liên kết hiđrô
Liên kết hiđrô là một dạng đặc biệt của tương tác lưỡng cực. Trong phân tử nguyên
tử H liên kết cộng hóa trị với có độ âm điện lớn X (như O, F, Cl, N ). Lực Liên kết hiđrô
là lực hút tĩnh điện giữa phần điện tích dương trên nguyên tử H và phần điện tích âm trên
nguyên tử X. Năng lượng liên kết của nguyên tử H lớn hơn liên kết Van der Waals nhưng
nhỏ hơn nhiều so với liên kết hóa học thong thường. Liên kết hiđro cũng có tính định
hướng và tính bão hòa, do đó tinh thể tinh thể tạo bởi các liên kết hiddro thường có tỉ
khối nhỏ, giòn, không dẫn điện. Tinh thể nước đá là một ví dụ điển hình của loại liên kết

này.
I.5. Cấu trúc của tinh thể kim loại
I.5.1. Mô hình sắp xếp chặt khít giữa các quả cầu
Trong 110 nguyên tố hóa học đã biết, một số lớn là các kim loại. Người ta đã
nghiên cứu cấu trúc tinh thể của chúng và nhận thấy rằng đa số các kim loại đều có cấu
trúc tinh thể thuộc hai hệ lập phương và lục phương. Để giải thích hiện tượng này người
ta đưa ra mô hình sắp xếp chặt khít của các quả cầu. Theo mô hình này thì tinh thể kim
loại bao gồm những nguyên tử hình cầu có bán kính như nhau và liên kết với nhau bằng
liên kết kim loại không định hướng. Để có cấu trúc bền vững, nghĩa là hệ có năng lượng
tự do cực tiểu, các nguyên tử hình cầu này phải được sắp xếp sao cho cấu trúc là chặt khít
nhất, nghĩa là mỗi nguyên tử (quả cầu) được bao quanh bởi một số tối đa các nguyên tử
láng giềng và không gian trống giữa các nguyên tử là bé nhất.
Để hình dung rõ ràng hơn về sự sắp xếp chặt khít của các quả cầu chúng ta xem
cấu trúc không gian như được hình thành từ sự đặt chồng lên nhau của các lớp phẳng.
Một lớp phẳng của các quả cầu gói ghém chặt khít là một lớp mà trong đó một quả cầu
tiếp xúc với 6 quả cầu láng giềng.
Lớp A
Kí hiệu lớp này là A. Khi đặt lớp quả cầu thứ hai (lớp B) lên trên lớp A, để cho cấu trúc
thu được là chặt khít thì các quả cầu của lớp B phải nằm chồng lên những chỗ lõm hình
thành giữa các quả cầu của lớp A. Cần chú ý rằng quả cầu của lớp B chỉ nằm trên ½ số
chỗ lõm hình thành giữa các quả cầu của lớp A.
Lớp B
Lớp A


Tiếp theo nếu xếp tiếp các quả cầu của lớp thứ ba lên trên lớp thứ hai, ta thấy có
hai cách khác nhau: cách thứ nhất là xếp các quả cầu của lớp thứ ba vào những chỗ lõm
giữa những quả cầu của lớp B mà ở phía dưới đã có các quả cầu của lớp A, nghĩa là các
quả cầu của lớp thứ ba chiếm những vị trí giống những quả cầu của lớp thứ nhất, nói cách
khác sẽ thu được một cấu trúc với trật tự các lớp là ABABAB…

Lớp B
Lớp A

Cách thứ hai là xếp các quả cầu của lớp thứ ba vào những chỗ lõm mà dưới đó
không có quả cầu của lớp A, khi đó sẽ hình thành một lớp mới, lớp C, khác với lớp A và
lớp B. Trường hợp này sẽ thu được một cấu trúc với trật tự ABCABC…
Lớp A
Lớp B

Lớp C

Như vậy, khi sắp xếp các quả cầu theo mô hình sắp xếp chặt khít có thể tạo thành
hai cấu trúc khác nhau: một cấu trúc với trật tự các lớp kiểu ABABAB… dẫn đến mạng
tinh thể lục phương chặt khít, và một cấu trúc với trật tự các lớp kiểu ABCABC… dẫn
đến mạng tinh thể lập phương chặt khít. Cả hai cấu trúc này đều là chặt khít với số phối
trí bằng 12 và phần không gian bị chiếm bởi các nguyên tử là lớn nhất và bằng 74%. Sự
kiện hầu hết kim loại có cấu trúc tinhh thể theo hai mạng lập phương và lục phương
chứng tỏ tính đúng đắn của mô hình sắp xếp chặt khít giữa các quả cầu.
Một hệ quả của sự sắp xếp chặt khít các quả cầu là tồn tại của các lỗ trống bát diện
và lỗ trống tứ diện trong tinh thể. Các lỗ trống bát diện hình thành giữa 6 quả cầu tiếp xúc
với nhau (tâm của 6 quả cầu nằm trên các đỉnh của một hình bát diện đều), còn các lỗ
trống tứ diện hình thành giữa bốn quả cầu tiếp xúc với nhau (tâm của 4 quả cầu nằm trên
bốn đỉnh của một hình tứ diện đều).
I.5.2. Các loại mạng tinh thể kim loại:
a) Mạng lập phương đơn giản:
- Đỉnh khối lập phương là các nguyên tử kim loại hay
ion dương kim loại; Số phối trí = 6.
b) Mạng lập phương tâm khối:
- Đỉnh và tâm khối hộp lập phương là nguyên tử
hay ion dương kim loại; Số phối trí = 8.

c) Mạng lập phương tâm diện
- Đỉnh và tâm các mặt của khối hộp lập phương là các
nguyên tử hoặc ion dương kim loại; Số phối trí = 12.
d) Mạng sáu phương đặc khít (mạng lục phương):
- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở. Mỗi ô
mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi. Các đỉnh và tâm khối
hộp hình thoi là nguyên tử hay ion kim loại;
- Số phối trí = 12.
I.5.3. Ảnh hưởng của liên kết kim loại đến tính chất vật lý của kim loại
Do cấu trúc đặc biệt của mạng tinh thể kim loại mà các kim loại rắn có những tính
chất vật lý chung: tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính dẻo, ánh kim. Các tính chất vật lý
chung đó đều do electron tự do trong kim loại gây ra.
Ngoài ra đặc điểm của liên kết kim loại: Mật độ nguyên tử (hay độ đặc khít), mật
độ electron tự do, điện tích của cation kim loại cũng ảnh hưởng đến các tính chất vật lý
khác của kim loại như: độ cứng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỷ khối.
I.5.4. Độ đặc khít của mạng tinh thể, khối lượng riêng của kim loại.
a) Độ đặc khít của mạng tinh thể
* Mạng tinh thể lập phương tâm khối
2
3
a
a
a
= 4r
Số quả cầu trong một ô cơ sở : 1 + 8. 1/8 = 2
Tổng thể tích quả cầu
3
4
2. .
3

r
π

3
4 3
2. .( )
3 4
a
π
Thể tích của một ô cơ sở a
3
a
3
* Mạng tinh thể lập phương tâm diện
a
a
a
2
= 4.r
Số quả cầu trong một ô cơ sở : 6. 1/2 + 8. 1/8 = 4
Tổng thể tích quả cầu
3
4
4. .
3
r
π

3
4 2

4. .( )
3 4
a
π
Thể tích của một ô cơ sở a
3
a
* Mạng tinh thể lục phương chặt khít
Số quả cầu trong một ô cơ sở: 4. 1/6 + 4. 1/12 + 1 = 2
=
=
= 68%
=
=
= 74%
Tổng thể tích quả cầu
3
4
2. .
3
r
π

3
4
2. .( )
3 2
a
π
Thể tích của một ô cơ sở

3 2 . 6
. .
2 2
a
a a

3
2a
a
a
a
a
a
a
3
2
a
6
3
2a
6
3
a = 2.r
¤ c¬ së
b=
a
b) Khối lượng riêng của kim loại
* Công thức tính khối lượng riêng của kim loại
D =
3

3. .
4 .
A
M P
r N
π
(*)
M : Khối lượng kim loại (g) ; N
A
: Số Avogađro
P : Độ đặc khít (mạng lập phương tâm khối P = 68%; mạng lập phương tâm diện,
lục phương chặt khít P = 74%)
r : Bán kính nguyên tử (cm)
* Áp dụng:
Ví dụ : Tính khối lượng riêng của tinh thể Ni, biết Ni kết tinh theo mạng tinh thể
lập phương tâm mặt và bán kính của Ni là 1,24
0
A
.
=
=
= 74%
a
a
a
2
= 4.r
a =
0
4 4.1,24

3,507( )
2 2
r
A= =
; P = 0,74
Khối lượng riêng của Ni:
8 3 23
3.58,7.0,74
4.3,14.(1,24.10 ) .6,02.10
−
=9,04 (g/cm
3
)
c) Tổng quát các đặc điểm của các mạng tinh thể kim loại
Cấu trúc Hằng số
mạng
Số
hạt
(n)
Số
phối
trí
Số
hốc
T
Số hốc
O
Độ đặc
khít (%)
Kim loại

Lập
phương
tâm khối
(lptk:bcc)
α=β=γ=90
o
a=b=c
2 8 - - 68 Kim loại
kiềm, Ba,
Fe
α
,
V, Cr,
…
Lập
phương
tâm diện
(lptd: fcc)
α=β=γ=90
o
a=b=c
4 12 8 4 74 Au, Ag,
Cu, Ni, Pb,
Pd, Pt, …
Lục
phương
đặc khít
(hpc)
α=β= 90
o

γ =120
o
a≠b≠c
2 12 4 2 74 Be, Mg,
Zn, Tl, Ti,
…
I.6. Cấu trúc tinh thể của các hợp chất ion đơn giản
Hợp chất ion đơn giản là những hợp chất chỉ bao gồm những ion đơn nguyên tử, ví dụ:
NaCl, MgO, CaCl
2
… vì các ion đơn nguyên tử cũng có dạng hình cầu và tương tác tĩnh
điện giữa các ion cũng không định hướng cho nên có thể sử dụng mô hình sắp xếp chặt
khít các quả cầu để mô tả cấu trúc của các hợp chất loại này. Tuy nhiên, do kích thước
các ion dương và âm khác nhau, mặt khác, các ion tích điện cùng dấu đẩy nhau, cho nên
việc áp dụng mô hình này phải có những điều chỉnh thích hợp.
Thực tế cho thấy rằng, trong đa số các trường hợp, cấu tạo tinh thể của các hợp chất
ion đơn giản có thể xem là sự sắp xếp chặt khít của các ion lớn (thường là anion), còn các
ion nhỏ (cation) sẽ chiếm các lỗ trống hình thành giữa các ion lớn. Ví dụ, tinh thể NaCl
với bán kính của các ionn Na
+
và Cl
-
tương ứng bằng 0,095 và 0,181nm, được tạo thành
từ sự gói ghém chặt khít của các ion Cl
-
.
Việc các ion nhỏ chiếm các lỗ trống tứ diện hay bát diện phụ thuộc vào kích thước
tương đối của các ion và có thể xác định trên cơ sở các quan hệ hình học. Chẳng hạn ,
trong trường hợp lỗ trống bát diện, để cho cấu trúc bền vững cation phải tiếp xúc với tất
cả với 6 anion, do đó tỉ lệ r

c
/r
a
= 0,414. Bằng cách tương tự sẽ tính được tỉ lệ tương ứng
đối với lỗ trống tứ diện là 0,215. Như vậy, tùy thuộc vào tỉ lệ bán kính của các cation và
anion các hợp chất ion sẽ có cấu trúc khác nhau. Trong hóa học vô cơ đối với mỗi loại
cấu trúc người ta thường chọn một hợp chất điển hình để đặt tên.
Bảng 2. Một số kiểu cấu trúc điển hình của các hợp chất ion
Kiểu cấu trúc Chất điển
hình
Các chất có cấu trúc tương tự
Muối ăn
Xesi clorua
NaCl
CsCl
LiCl, KBr, RbI, AgCl, AgBr, MgO, CaO, TiO, FeO,
ScN, UC
Niken asenua
Sphalerit
Vuzit
Florit
Antiflozit
Rutin
Pẻopxkit
NiAs
ZnS
ZnS
CaF
2
K

2
O
TiO
2
CaTiO
3
CaS, TlSb, CsCN, CuZn
NiS, FeS, PtSn, CoS
CuCl, CdS, HgS, GaP, InAs
ZnO, BeO, MnS, AgI, AlN, SiC, NH
4
F
UO
2
, BaCl
2
, HgF
2
, PbO
2
K
2
S, Li
2
O, Na
2
O, Na
2
S, Na
2

Se
MnO
2
, SnO
2
, WO
2
, MgF
2
, NiF
2
BaTiO
3
, SrTiO
3
Chúng ta mô tả chi tiết hơn một số trường hợp thường gặp:
- Cấu trúc kiểu muối ăn: có thể xem là được tạo thành từ sự sắp xếp lập phương chặt
khít của các ion Cl
-
, trong đó các ion Na
+
chiếm tất cả các lỗ trống bát diện. Cũng có thể
xem mạng tinh thể của NaCl là sự lồng vào nhau của hai mạng lập phương tâm diện của
các ion Na
+
và Cl
-
(mạng lập phương tâm diện kép). Trong cấu trúc này ion Na
+
được bao

quanh bởi 6 ion Cl
-
và ngược lại, tinh thể NaCl có sự phối trí (6,6). Trong 1 tế bào đơn vị
của tinh thể NaCl có 4 ion Na
+
vaf 4 ion Cl
-
, hay 4 phân tử NaCl.
Mạng tinh thể NaCl
- Cấu trúc xesi clorua: có tế bào đơn vị hình lập phương, trong đó các ion Cl
-
nằm
trên các đỉnh, còn ion Cs
+
nằm ở tâm của tế bào. Cũng có thể xem mạng tinh thể của
CsCl là sự lồng vào nhau của hai mạng lập phương đơn giản của các ion Cs
+
và Cl
-
. Số
phối trí của hai ion đều bằng 8. Trong một tế bào đơn vị có một đơn vị cấu trúc CsCl
(một phân tử CsCl).
Mạng tinh thể CsCl
- Cấu trúc Sphalerit ZnS: Trong cấu trúc này các ion Zn
2+
tạo thành một mạng sắp
xếp chặt khít lập phương tâm diện, còn các ion S
2-
chiếm một nửa số lỗ trống tứ diện. Cấu
trúc này có kiểu phối trí (4,4).

Cs
Cl
Mạng tinh thể ZnS
- Cấu trúc vuazit ZnS: Dạng thù hình này của ZnS có các ion S
2-
nằm trong một
mạng sắp xếp chặt khít kiểu lục phương, trong đó các ion Zn
2+
chiếm một nửa số lỗ trống
tứ diện. Cấu trúc này cũng có kiều phối trí (4,4).

Mạng tinh thể ZnS
- Cấu trúc kiểu florit và anti florit: Trong cấu trúc florit mà đại diện là CaF
2
, các ion
Ca
2+
có bán kính lớn tạo thành một mạng sắp xếp chặt khít lập phương tâm diện, còn các
ion F
-
chiếm tất cả các lỗ trống tứ diện. Số phối trí của Ca
2+
bằng 8, của F
-
bằng 4. Trong
cấu trúc antiflorit, ví dụ K
2
O, quan hệ kích thước giữa cation và anion đảo ngược lại do
đó vai trò cấu trúc của chúng ngược lại so với cấu trúc florit.

Mạng tinh thể CaF
2
I.7. Nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X
Như đã nói ở trên, khoa học thế giới ngày nay đã đạt được những thành tựu vô
cùng lớn trong việc xác định cấu tạo tinh thể và phân tử của các chất. Phần lớn những kết
quả đạt được nhờ sử dụng phương pháp nghiên cứu cấu trúc tinh thể bằng tia X (tia
Rownghen). Phương pháp này dựa trên hiện tượng nhiễu xạ tia X.
Khi chiếu một chùm tia X qua tinh thể người ta quan sát được hiện tượng nhiễu xạ.
Sự nhiễu xạ tia X là sự giao thoa của các tia X phản xạ từ các mặt phẳng nút của mạng
tinh thể. Mạng tinh thể gồm vô số mặt phẳng nút nằm song song và cách đều nhau.
Khoảng cách giữa hai mặt kề nhau trong họ các mặt phẳng được gọi là khoảng cách giữa
các mặt, kí hiệu là d.
Chiếu một chum tia X song song, có bước song λ lên tinh thể. Giả sử chum tia tới
tạo với hai mặt phẳng nút của tinh thể một góc θ. Hai mặt phẳng được xét đóng vai trò
của mặt phẳng gương để phản xạ tia X, tạo thành hai tia phản xạ theo cùng góc θ. Hứng
hai tia phản xạ bằng đêtectơ. Hai tia phản xạ sẽ giao thoa với nhau trên đetectơ nếu hiệu
số đường đi bằng số nguyên lần bước song (điều kiện giao thoa). Ta có:
2dsinθ = nλ