Giao trinh bai tap chương 2 động lực học chất điểm

Chương II : TRẠNG THÁI RẮN
II.1 CHẤT TINH THỂ VÀ CHẤT VÔ ĐỊNH HÌNH
1.Chất tinh thể:

Chất tinh thể có các tiểu phân sắp xếp trật tự theo
những quy luật lặp đi lặp lại nghiêm ngặt trong toàn bộ
tinh thể.
Do đó chất tinh thể có:
- cấu trúc và hình dáng xác đònh.
- có trật tự xa.
- có tính dò hướng.
- có nhiệt độ nóng chảy xác đònh.
SiO2

(Cristobalite)

2. Chất vô đònh hình:

Chất vô đònh hình có cấu trúc gần như cấu trúc chất
lỏng
SiO2 Vô đònh hình
Do đó chất vô đònh hình có:
- Cấu trúc và hình dáng không xác
đònh.
- Có trật tự gần
- Có tính đẳng hướng
- Có nhiệt độ nóng chảy không xác
đònh.
Kết luận:Trạng thái tinh thể luôn bền hơn trạng thái vô
đònh hình.

1


3. Đơn tinh thể và đa tinh thể
a) Đơn tinh thể : Là một tinh thể hòan chỉnh.
Ví dụ: Viên kim cương
Tinh thể phèn nhôm -kali

b) Đa tinh thể: Tập hợp các tinh thể nhỏ, kết tinh
chồng chất lên nhau và chèn ép nhau.Tuy nhiên,
các thông số của mạng tinh thể vẫn không bò thay
đổi
Trong tự nhiên các chất thường nằm dưới dạng các
đa tinh thể. Rất hiếm gặp các đơn tinh thể trong tự
nhiên

2


II.2 HỆ TINH THỂ
1. Các yếu tố đối xứng của tinh thể
a) Tâm đối xứng là điểm giữa của tất cả

các đoạn thẳng nối từ bất kỳ điểm nào
trên bề mặt này sang bề mặt kia của tinh
thể và đi qua nó.
b) Mặt phẳng đối xứng là mặt phẳng phân
chia tinh thể ra làm hai phần mà phần
này là ảnh của phần kia trong gương.
c) Trục đối xứng là đường thẳng mà khi

quay tinh thể xung quanh nó 360o thì tinh
thể trùng với hình n lần, n được gọi là
bậc của trục.
(Hình bên có trục đối xứng bậc 4 (L4)

3


2. Cấu tạo bên trong tinh thể
Mạng tinh thể được tạo thành từ các mặt mạng. Điểm
giao nhau của các mặt mạng là các nút mạng.
Mặt mạng (a) và mạng tinh thể với ô cơ bản(b)

Ô cơ bản là hình khối nhỏ nhất tạo nên mạng tinh thể

.
Mỗi ô cơ bản được đặc trưng bằng
giá trò 3 cạnh (a,b,c) và 3 góc (α, β,
γ). Mỗi chất có một ô cơ bản với
các giá trò cạnh và góc xác đònh, vì
vậy chúng là các thông số ô cơ bản
của mạng tinh thể.
Các tiểu phần (ion, nguyên tử, phân tử) phân bố tại
nút mạng.

4


CsCl

Ar

I2

2. Các hệ tinh thể và ô mạng cơ sở của chúng

Mạng tinh thể có tối thiểu một yếu tố đối xứng. Có
tất cả 32 tổ hợp yếu tố đối xứng ứng với 32 lớp tinh
thể. 32 lớp tinh thể này được quy về 7 hệ tinh thể. Đó
là:
Hệ tam tà (triclinic) có tâm đối xứng. Không

có trục và mặt đối xứng.
a ≠ b ≠ c ; α ≠ β ≠ γ ≠ 90o
K2Cr2O7; CuSO4.5H2O.
Hệ đơn tà (monoclinic) có 1 trục đối xứng

bậc 2 và 1 mặt phẳng đối xứng hoặc chỉ có
một trong hai yếu tố đối xứng này.
a ≠ b ≠ c ; α = γ = 90o; β ≠ 90o
Lưu huỳnh đơn tà (Sβ), thạch cao (CaSO4.2H2O).
Hệ tà phương (orthorhombic) có vài trục

đối xứng bậc 2 và vài mặt phẳng đối
xứng hoặc một trong hai yếu tố đối
xứng này.
a ≠ b ≠ c ; α = β = γ = 90o
Lưu huỳnh tà phương (Sα), baritin (BaSO4).

5

Hệ tam phương (rhombohedral) có ít nhất

một trục đối xứng bậc 3.
a = b = c ; α = β = γ ≠ 90o
Canxit (CaCO3), NaIO4.3H2O.
Hệ tứ phương (tetragonal) có một trục

đối xứng bậc bốn.
a = b ≠ c ; α = β = γ = 90o
SnO2, CaWO4.
Hệ lục phương (hexagonal) có một trục

đối xứng bậc 6.
a = b ≠ c ; α = β = 90o , γ = 120o
Thạch anh (SiO2), nephelin (NaAlSiO4).
Hệ lập phương (cubic) có 3 trục đối xứng

bậc bốn.
a = b = c ; α = β = γ = 90o
NaCl, CaF2.

6


II.3 CÁC KIỂU MẠNG TINH THỂ

1.Số phối trí

Số phối trí là số tiểu phần bao quanh gần nhất đối với
tiểu phần trung tâm.
2. Các kiểu mạng tinh thể.
Dựa trên các tiểu phần ở nút mạng và lực liên kết giữa
chúng, người ta phân chia các tinh thể thành bốn kiểu
mạng tinh thể : mạng nguyên tử, mạng phân tử, mạng
ion và mạng kim loại.
Mạng phân tử gồm các phân tử hút nhau bằng lực Van
der Waals.

XeF2

XeF4

Argon (Ar)

Chất có mạng phân tử thường có độ cứng thấp, nhiệt độ
nóng chảy thấp, một số tan nhiều trong dung môi không
cực, tan ít trong dung môi có cực.
Số phối trí tính bằng số tiểu phần phân bố xung quanh
tiểu phần trung tâm.
Ar có số phối trí 12
Phân tử XeF2 và XeF4 có số phối trí 8

7


Mạng nguyên tử được tạo thành từ các những nguyên tử.

Các nguyên tử liên kết với nhau bằng lực liên kết cộng

hóa trò theo 3 chiều không gian. Quy luật phân bố các
nguyên tử trong mạng tinh thể được quyết đònh bởi kiểu
lai hóa các orbitan nguyên tử.
Kim Cương

ZnS

SiO2

Mạng nguyên tử rất bền, cứng, nhiệt độ nóng chảy cao,
khó bay hơi và hầu như không tan trong bất cứ loại
dung môi nào.
Số phối trí của 1 nguyên tử bằng số liên kết cộng hóa
trò σ có được với các nguyên tử xung quanh.
ZnS : Zn và S đều có số phối trí 4. (sp3)
SiO2: Si có phối trí 4(sp3), O có số phối trí 2(sp)
Kim cương. C có số phối trí 4(sp3)

8


Mạng ion tạo thành từ các ion ngược dấu nằm ở nút

mạng. Các ion hút nhau bằng lực hút tónh điện. Hợp
chất ion có nhiệt độ nóng chảy cao, khó bay hơi, khá
cứng, một số lớn dễ tan trong nước tạo thành ion bò
hydrat hóa. Có tính dẫn điện trong trạng thái nóng chảy
và trong dung dòch điện ly.

K2[TiCl6]

Số phối trí là số tiểu phần bao quanh tiểu phần trung
tâm
NaCl: Na và Cl có số phối trí 6
CsCl: Cs và Cl có số phối trí 8
K2[TiCl6]: K có số phối trí 4 (tiểu phần phối trí là ion
phức hexaclorotitanat(IV)). Ti có số phối trí 6 tiểu phần
phối trí là Cl)

9


Mạng kim loại được đặc trưng bằng các ion dương nằm ở

nút mạng tinh thể và có liên kết kim loại giữa chúng.
Các kim loại và hợp kim có loại mạng này. Có ánh
kim, dễ dát mỏng, kéo dài, dẫn điện và dẫn nhiệt tốt,
đa số khá cứng.

Na

Cu

Mg

Số phối trí tính bằng số nguyên tử kim lọai bao quanh
Na Có số phối trí 8
Cu có số phối trí 12
Mg có số phối trí 12

10


3. Các kiểu cấu trúc tinh thể
Dựa vào đặc điểm liên kết và khoảng cách giữa các
tiểu phần, người ta phân chia các tinh thể thành 4 kiểu
cấu trúc tinh thể: cấu trúc phối trí, cấu trúc đảo, cấu
trúc mạch và cấu trúc lớp.
Cấu trúc phối trí có đặc trưng là mỗi tiểu phân được bao

quanh bởi số tiểu phần đơn (nguyên tử, ion đơn) bằng
liên kết mạnh. Thuộc loại cấu trúc này có mạng
nguyên tử , mạng ion và mạng kim loại.
Ví dụ: Kim cương, SiO2, NaCl , Mg…
Cấu trúc đảo có đặc trưng là tại nút mạng có phân tử hay

ion phức tạp liên kết với các tiểu phân xung quanh
bằng lực Van der Waals hay lực hút tónh điện. Thuộc
loại cấu trúc này có mạng phân tử và mạng ion có ion
phức tạp
Ví dụ: K2[TiCl6], XeF4, Ar…

11


Cấu trúc lớp có đặc trưng là tạo liên kết cộng hóa trò

theo hai chiều trong không gian. Các lớp liên kết với
nhau nhờ lực Van Der Waals. Granit, CdI2, Al(OH)3,
Pd(CN)2…Trong tinh thể có thể có thêm các lọai liên kết

khác như liên kết ion, liên kết hydro…

AB2

Al(OH)3

AB3

12


Cấu trúc mạch có đặc trưng tạo liên kết cộng hóa trò theo

một hướng trong không gian. Các mạch này liên kết với
nhau bằng liên kết Van Der Waals. Trong tinh thể có
thê có thêm các lọai liên kết khác như liên kết ion, liên
kết hydro…

PdCl2
AB2

MgCl2.2H2O

AB4

CaCrF5

TLTK :Dr S.J. Heyes
/>
13

II.4 TINH THỂ THỰC VÀ KHUYẾT TẬT CẤU
TRÚC
1. Tinh thể lý tưởng
Tinh thể lý tưởng là tinh thể :
- Sự sắp xếp các tiểu phần có tính tuần hòan không gian
nghiêm ngặt.
- không có khuyết tật cấu trúc.
Các đơn tinh thể có thể được coi là tinh thể lý tưởng.
2. Tinh thể thực

Tinh thể thực là tinh thể:
-Tính tuần hòan không gian của sự sắp xếp các
tiểu phân luôn bò vi phạm.
- Có khuyết tật cấu trúc.
Các đa tinh thể là các tinh thể thực.
3. Các kiểu khuyết tật cấu trúc
Khuyết tật điểm gồm hai lọai:
+ Khuyết tật lỗ trống. Nút mạng
trống
+ Khuyết tật xen kẽ. Tiểu phân phân
bố ở giữa các nút mạng hay tiểu
phân lạ thay thế tiểu phân của nút
mạng.

14


Khuyết tật đường (lệch): Đầu biên của một mặt mạng bò

đứt cụt trong tinh thể (Ví dụ: đường AB)
Khuyết tật bề mặt:Là hệ quả của khuết tật điểm và
khuyết tật đường, thể hiện trên mặt tinh thể hay trên
biên giới giữa hai tinh thể.

II.5 HIỆN TƯNG ĐA HÌNH
Hiện tượng đa hình là hiện tượng một chất (đơn
chất hay hợp chất) có thể tồn tại dưới nhiều dạng
tinh thể khác nhau.
Ví dụ: Carbon có 3 đa hình: Kim cương, grafit,
carbin
Oxyhydroxyt sắt(III) có 3 đa hình: α - FeOOH,
β - FeOOH và γ - FeOOH.

Kim cương
grafit
Nhiệt độ chuyển hóa đa hình: Là nhiệt độ co sự
chuyển từ đa hình này sang đa hình khác.

15


Sự chuyển hóa hỗ biến: Là sự chuyển hóa thuận
nghòch giữa hai đa hình ở nhiệt độ chuyển hóa.(áp
suất không đổi) Ví dụ Sđơn

tà

⇌ Stà

phương

ở to =

95,5oC
Sự chuyển hóa đơn biến: Là sự chuyển hóa bất
thuận nghòch giữa hai đa hình. Ví dụ: Kim cương →
grafit

II.6 HIỆN TƯNG ĐỒNG HÌNH
VÀ DUNG DỊCH RẮN
1.Hiện tượng đồng hình: Các chất khác nhau có cùng
lọai tinh thể có thể đồng thời kết tinh tạo thành một lọai
tinh thể trong đó các tiểu phần của chúng thay thế lẫn
cho nhau. Sản phẩm thu được là một dung dòch rắn thay
thế.

16


Ví dụ: Olivin là dung dòch rắn thay thế giữa Fe2SiO4 và
Mg2SiO4

Sơ đồ mạng tinh thể dung dòch rắn FeMgSiO4 của Olivin
trong đó vòng tròn đỏ là Fe2+, vòng xanh nhạt là Mg2+,
vòng xanh lớn là O2-, còn Si+4 nằm trong tâm tứ diện của
4 ion O2-

2.Dung dòch rắn: Là chất rắn có mạng tinh thể được tạo
thành bởi tiểu phần của hai hay nhiều chất , mà các tiểu

phần này sắp xếp vô trật tự đối với nhau.

17


Dung dòch rắn thay thế: Tiểu phần thay thế nhau ở nút
mạng.
Điều kiện tạo dung dòch rắn thay thế:
- Các lọai tiểu phần
phải có kích thước
gần bằng nhau.
- Có tính chất hóa
học gần giống nhau.
Ví dụ: dung dòch rắn
Zn – Cu, Dung dòch
rắn KCl – KBr…
Dung dòch rắn xâm nhập: Tiểu phần xâm nhập vào
giữa các nút mạng.
Điều kiện tạo thành dung dòch rắn xâm nhập:
Kích thước tiểu phần
xâm nhập rất nhỏ so
với kích thước các
tiểu phần trong mạng
tinh thể.
Ví dụ: các dung dòch
rắn xâm nhập giữa
hydro và các kim
lọai quý (Pt, Pd…)

18

19