Chuyên đề cấu trúc tinh thể.

CHƯƠNG 2:
CẤU TRÚC TINH THỂ


Vật liệu kết tinh:

Các nguyên tử sắp
xếp tuần hoàn trong
không gian

Vật liệu vô định hình:

Các nguyên tử sắp
xếp không tuần
hoàn trong không
gian

2


Đ¹i c¬ng vÒ tinh thÓ
1. Mạng lưới tinh thể (cấu trúc tinh thể) là mạng lưới không gian
ba chiều trong đó các nút mạng là các đơn vị cấu trúc (nguyên
tử, ion, phân tử ...)
2. Tinh thể được cấu tạo từ các vi hạt (nguyên tử, phân tử, ion)
liên kết chặt chẽ với nhau và sắp xếp theo một trật tự tuần
hoàn trong không gian. Mỗi vi hạt luôn dao động nhiệt quanh
vị trí cân bằng của nó.

3

1. Pha rắn được hình thành khi lực hút giữa các nguyên
tử, phân tử hoặc ion đủ mạnh để thắng được các lực
phân ly (do nhiệt, do cơ học,…)
2. Trong chất rắn, các nguyên tử, phân tử hoặc ion có
khuynh hướng sắp xếp để đạt độ trật tự cao (đối
xứng).
3. Tùy thuộc bản chất của lực liên kết giữa các nguyên
tử, phân tử hoặc ion các chất rắn có thể chia thành
* tinh thể ion
(NaCl, CaF2)
* tinh thể cộng hóa trị
(kim cương)
* tinh thể kim loại (Fe, K)
* tinh thể phân tử (nước đá, He rắn…
4


Đơn tinh thể (single crystal): các
nguyên tử sắp xếp trật tự trong toàn bộ
không gian (trật tự xa).
Các vật rắn đơn tinh thể có tính dị
hướng, tức là các tính chất vật lí của
chúng (độ bền, độ nở dài, độ dẫn nhiệt,...)
thay đổi theo các hướng khác nhau.

Đa tinh thể (polycrystal): gồm
các đơn tinh thể kích thước nhỏ
định hướng ngẫu nhiên.
Các vật rắn đa tinh thể có tính

đẳng hướng, tức là các tính chất vật
lí của chúng theo mọi hướng đều
giống nhau.

5


MẠNG KHÔNG GIAN là sự phát triển khung tinh thể
trong không gian ba chiều, trong đó các nguyên tử (hoặc phân tử)
được nối với nhau bằng các đường thẳng. Giao điểm của các
đường thẳng được gọi là nút mạng. Mỗi nút mạng đều được bao
quanh giống nhau.
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:
- Hằng số mạng: a, b, c, α, β, γ .
- Số đơn vị cấu trúc: n
- Số phối trí.
- Độ đặc khít.

6


Lập phương
đơn giản

Lập phương
tâm khối

Lập phương

tâm mặt

→ Các nhóm cơ sở này lặp đi lặp lại trong không gian để tạo thành mạng tinh thể
7


8

Heọ laọp
phửụng

Heọ tửự phửụng

Heọ trửùc
thoi

sc

bcc

fcc


Heọ maởt
thoi

Heọ tam taứ

Heọ ủụn
taứ

Heọ luùc
phửụng

9


10


KIỂU XẾP CẦU
Coi các đơn vị cấu trúc (nguyên tử, phân tử, ion) là các quả cầu cứng
và đồng nhất. Trên một lớp có 2 cách sắp xếp các quả cầu này:

Cách 1: đặc khít
nhất gọi là đặc khít
sáu phương.

Cách 2: Xếp theo kiểu
lập phương tâm khối

a
a 2
a 3 =4r
11


• Các tiểu phân tạo nên tinh thể có xu hướng sắp xếp đặc khít nhất
(năng lượng cực tiểu).
• Những tiểu phân cùng bán kính có hai kiểu sắp xếp đặc khít nhất

trong khơng gian là:

Lập phương đặc khít
– Fcc

(face centered cubic)
Lớp thứ tư sẽ lặp
lại vò trí nằm trên
lớp thứ nhất. Chu
kỳ
sắp
xếp
là
ABCABC…

Lục phương đặc khít –
Hcp
(Hexagonal Close Packed)
Chu kỳ sắp xếp là
ba lớp (lớp thứ ba
nằm trên lớp thứ
nhất) ABAB…
12


Hốc tứ diện

B

A

A

Hốc bát diện

C
B

C

A
A

B

LËp ph ¬ng t©
m mÆ
t
A

A

B
B

A
B
A
Lôc ph ¬ng chÆ
t khÝt

A
13


Mạng lục phương chặt khít
a

b

2a 6
3

a
¤ c¬ së

a

a

a

a

a = 2.r

a 6
3
a 3
2

• Số quả cầu trong một ô cơ sở: 4.1/6 + 4.1/12 + 1 = 2
• Số phối trí của mỗi nguyên tử kim loại là 12
• Độ đặc khít: 74%

14


Hốc tứ diện và hốc bát diện

Hèc tø diÖn

Hèc b¸t diÖn
15


Xác định số hốc tứ diện và bát diện trong mạng lục
phương chặt khít (lpck)

T
T

O

T

Lôc ph ¬ng chÆ
t khÝt

Số hốc tứ diện: 4

Số hốc bát diện: 2
16


Cấu trúc lập phương tâm diện
B

A

A
C
B
A
LËp ph ¬ng t©
m mÆ
t

C
A

B

Số quả cầu trong một ô cơ sở: 6.1/2 + 8.1/8 = 4
+ Số phối trí: 12
17


Xác định các hốc tứ diện và bát diện trong
mạng lập phương tâm mặt (lptm)

O
T

O
LËp ph ¬ng t©
m mÆt

Số hốc tứ diện: 8 hốc
Số hốc bát diện: 1 + 12.1/4 = 4 hốc
18


Cấu trúc lập phương tâm khối
a
a 2
a 3 =4r

• Số quả cầu trong một ô cơ sở: 1 + 8.1/8 = 2
• Số phối trí của mỗi nguyên tử kim loại bằng 8
• Độ đặc khít: 68%

19


SC
simple cubic

BCC
body centered cubic

FCC
face centered cubic
20


r

2a

r
2a

a

a = 2r
Lập phương
đơn giản sc

a

3a

a

2a = 4r

3a = 4r

Lập phương

tâm diện fcc

Lập phương
tâm khối bcc
21


thể
tíchcác
nguyên
tửtrongômạng
PD =
thể
tíchô
mạng

Packing Density

Với cấu trúc BCC
a 3= 4r ⇒
a = (4r)/ 3
⇒ a3 = (64r3)/3
3

3
(8
π
r
)/3
(8πr )/3

PD =
=3
3
(64r ) / 3 3
a
24 3πr3
3π
=
= 0,68 =
3 =
8
3× 64r

68%

22


Tớnh c khớt ca mng lc phng cht khớt
a

b
2a 6
3
a

Ô cơsở

a

a
a

a

a =2.r

a 6
3
a 3
2

S qu cu trong mt ụ c s: 4.1/6 + 4.1/12 + 1 = 2
Tổng thể tích các quả cầu
= 74 %
Thể tích của một ô cơ sở

23


Tính độ đặc khít của mạng lập phương tâm mặt

a
a
a 2 = 4.r
Số quả cầu trong một ô cơ sở: 6.1/2 + 8.1/8 = 4
Tæng thÓ tÝch c¸c qu¶ cÇu
= 74 %
ThÓ tÝch cña mét « c¬ së
24

25