Skkn sáng kiến kinh nghiệm hóa học tinh thể

HÓA HỌC TINH THỂ
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN
Trường PHTH Chyên Hưng Yên

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
HÓA HỌC TINH THỂ

Người viết: Phan Thị Tươi
Đơn vị công tác: Tổ Hóa
Trường THPT chuyên Hưng Yên

PHAN THỊ TƯƠI

-1-

THPT CHUYÊN HƯNG YÊN


HểA HC TINH TH
PHN I: M U
1. C s khoa hc ca sỏng kin kinh nghim cn nghiờn cu:
C s lý lun
Nh ó bit, mi cht u cú th tn ti ba trng thỏi: khớ, lng, rn. trng thỏi rn vt
cht cú th tn ti trng thỏi tinh th hoc trng thỏi vụ nh hỡnh. Trng thỏi tinh th khỏc trng
thỏi vụ nh hỡnh cỏc c im sau:
- Tinh th l nhng a din li, c gii hn bi cỏc mt phng v cỏc cnh thng;
- Tinh th cú tớnh ng nht v tớnh d hng;
- Cht tinh th cú nhit núng chy xỏc nh.
iu kin thng hu ht cỏc cht rn u cú cu to tinh th. Vớ d: cacbon tn ti di
dng cỏc tinh th kim cng hay than chỡ (grafit); lu hunh tn ti di dng cỏc tinh th n t
hay mt thoi; mui n (NaCl) di dng cỏc tinh th lp phng Tt c cỏc kim loi, tr thy

ngõn l cht tinh th v.v.
Lnh vc khoa hc nghiờn cu thnh phn, cu to v tớnh cht ca tinh th l Tinh th
hc. Tinh th hc l lnh vc khoa hc ra i t rt sm, phỏt trin mnh m v t c nhng
thnh tu rt to ln. Ngy nay, nh nhng thnh tu ca Tinh th hc ngi ta ó xỏc nh c
cu to tinh th v phõn t ca hng triu cht khỏc nhau, trong ú cú nhng cht quan trng nh
silicat t nhiờn, cỏc protit, lipit, axit nucleic t ú ó gii thớch c nhiu tớnh cht vt lớ, húa
hc v sinh hc ca cỏc cht, ng thi phỏt hin ra nhiu ng dng quan trng ca chỳng.
Trong chng trỡnh hoỏ hc ph thụng, phn trng thỏi rn ca cht v c th v tinh th l
mt phn khỏ lớ thỳ v tru tng. Sỏch giỏo khoa ó nờu c mt s ý tng c bn giỏo viờn
cn tham kho thờm ti liu mi giỳp hc sinh hỡnh dung c v ỏp 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
PHAN TH TI

-2-

THPT CHUYấN HNG YấN

HểA HC TINH TH
thi học sinh giỏi Hóa học cả về lý thuyết bài tập phương pháp giải, góp phần nâng cao chất
lượng 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. LIấN KT HểA HC TRONG TINH TH
5. CU TRC CA TINH TH KIM LOI
6. CU TRC TINH TH CA CC HP CHT ION N GIN
7. NGHIấN CU CU TRC TINH TH BNG PHNG PHP NHIU X TIA X
i tng nghiờn cu l cỏc khúa hc sinh i tuyn d thi hc sinh gii quc gia t
nm 2009 n nm 2011
4. K hoch nghiờn cu
Sỏng kin kinh nghim ny tụi ó nghiờn cu ging dy bi dng hc sinh i tuyn d thi
hc sinh gii quc gia, ti trng THPH chuyờn Hng Yờn t nm hc 2009-2010.
5. Phng phỏp nghiờn cu
a). Nghiờn cu ti liu
b). Thc nghim (ging dy), õy l phng phỏp chớnh
6. Thi gian hon thnh
3 nm
7. Cu trỳc ca sỏng kin kinh nghim
Ngoi phn m u, kt lun v ti liu tham kho, sỏng kin kinh nghim bao gm cỏc phn
chớnh sau õy:
I.C S L THUYT
II. BI TP VN DNG

PHN II: NI DUNG
I. C S L THUYT
Cht rn c chia ra lm hai loi l cht rn tinh th v cht rn vụ nh hỡnh.
Cỏc tinh th nh tinh th mui n, ng, kim cng, thch anh..., nhỡn v b ngoi chỳng
l ht úng ỏnh, nhiu cnh, nhiu mt, nhiu chúp, khi v to ra cỏc ht tinh th nh hn vi hỡnh
PHAN TH TI

-3-

THPT CHUYấN HNG YấN


HÓA HỌC TINH THỂ
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 ax,ay,az 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

PHAN THỊ TƯƠI

-4-

THPT CHUYÊN HƯNG YÊN


HÓA HỌC TINH THỂ
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 = n1.a1 + n2.a2 + n3.a3 (a1a2a3 là các vectơ cơ sở của
mạng đó và n1n2 n3 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 a1,a2,a3 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 a1, a2, a3, α, β, γ ta có bảng tổng kết về các hệ tinh thể và các loại
mạng bravais:

PHAN THỊ TƯƠI

-5-

THPT CHUYÊN HƯNG YÊN


HÓA HỌC TINH THỂ
Hệ tinh thể

Mạng tinh thể

Ba nghiêng

đơn giản

tâm đáy

đơn giản

tâm đáy

đơn giản

tâm khối

đơn giản

tâm khối

Một nghiêng

tâm khối

tâm mặt

Trực thoi

Sáu phương

Ba phương

Bốn phương

tâm mặt

Lập phương

PHAN THỊ TƯƠI

-6-

THPT CHUYÊN HƯNG YÊN


HÓA HỌC TINH THỂ
Bảng 1. Bảy hệ tinh thể và 14 kiểu mạng bravais.

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, , , 
- 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
AIIBII (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 ›
3550o hay có thể rất nhỏ như trong butmut nhiệt độ nóng chảy 270oC. 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
PHAN THỊ TƯƠI

-7-

THPT CHUYÊN HƯNG YÊN


HÓA HỌC TINH THỂ
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.( χA - χB).100
Trong đó χA và χB 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

PHAN THỊ TƯƠI

-8-

THPT CHUYÊN HƯNG YÊN


HÓA HỌC TINH THỂ
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

PHAN THỊ TƯƠI

-9-

THPT CHUYÊN HƯNG YÊN


HÓA HỌC TINH THỂ
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

PHAN THỊ TƯƠI

- 10 -

THPT CHUYÊN HƯNG YÊN