Bài giảng Hóa học chất rắn: Chương 1 và 2 - Trần Vũ Diễm Ngọc

Bài giảng Hóa học chất rắn: Chương 1 và 2 - Trần Vũ Diễm Ngọc được biên soạn với các nội dung chính sau: Giới thiệu hóa học chất rắn; Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết bài giảng tại đây!

HÓA HỌC CHẤT RẮN

(Solid State Chemistry)

Giảng viên: PGS.TS Trần Vũ Diễm Ngọc

Email: ngoc.tranvudiem@hust.edu.vn

1

1 Giới thiệu hóa học chất rắn

Hóa học chất rắn nghiên cứu về cấu trúc, tính chất hóa học, tính chất vật lý, chế tạo và

ứng dụng của vật rắn

1

Chất rắn: là 1 trạng thái tồn tại của vật chất, trong đó các phần tử cấu tạo (phần

tử, nguyên tử, ion) tập hợp ở trạng thái bền vững

Do liên kết bền vững, chất rắn có hình dạng và kích thước nhất định, không bị

biến đổi theo hình dạng bình chứa như chất lỏng, khí

Nghiên cứu về chất rắn là nghiên cứu về vật liệu (khoa học và công nghệ chế

tạo vật liệu)

Khoa học vật liệu: vật lý chất rắn và hóa học chất rắn

1 Giới thiệu hóa học chất rắn

 Cấu trúc: nguyên tử, vật liệu (đơn giản, phức hợp)

 Các dạng phản ứng: điện hóa, ô xi hóa – khử, hòa nguyên, axit –

bazo, …Động học các phản ứng.

 Các phương pháp chế tạo vật rắn: điện hóa, luyện kim bột, đốt

cháy, sol-gel, CVD, trùng hợp polyme …

 Các phương pháp xác định đặc tính vật rắn: phương pháp hóa

học, vật lý

2.1 Cấu trúc nguyên tử

2 Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu

Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương (proton & nơtron) và

các điện tử mang điện tích âm (electron) chuyển động xung quanh hạt nhân theo

một quỹ đạo xác định

5

2.1 Cấu trúc nguyên tử

Khối lượng nguyên tử

Đơn vị khối lượng (amu)

+ Khối lượng của mỗi proton: mp =1.67 x 10 -27kg (~ 1.67 x 10-24g);

 Liên kết kim loại

 Liên kết Van Der Walls

7

2.1 Cấu trúc nguyên tử

9

Là phần tử nhỏ nhất của 1 chất ở trạng thái tự do mà có thể mang đầy đủ tính chất của chất đó

Liên kết công hóa trị: Liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử hợp chất hoặc đơn chất bằng

cặp e dùng chung

2.1 Cấu trúc nguyên tử

2 Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu

Liên kết ion: Liên kết tạo được bởi lực hút giữa ion + và

Các nguyên tử, nguyên tố hóa học có tính chất khác nhau

- Đặc trưng liên kết giữ KL và PK: NaCl

9

2.1 Cấu trúc nguyên tử

11

Liên kết kim loại: liên kết sinh ra bởi lực hút tĩnh điện giữa các e tự do và các

ion dương, các e gắn kim loại với nhau tạo liên kết kim loại

2.1 Cấu trúc nguyên tử

2 Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu

Liên kết Van der Waals

- Hiệu ứng lưỡng cực tức thời và tương tác lưỡng cực,

- Lực liên kết giữa các phân tử với nhau

- Liên kết Van der Waals yếu

- Nguyên nhân duy nhất mà các khí hiếm liên kết với nhau, và hình thức trội hơn của

tương tác giữa các hình thái điện tử trung hoà với tất cả các liên kết bão hoà của

chúng

11

2.2 Cấu trúc vật liệu

 Đơn tinh thể:là một khối đồng nhất có cùng kiểu mạng và

hằng số mạng, có phương không đổi trong toàn bộ thể tích

 Đa tinh thể: tập hợp của nhiều đơn tinh thể có cùng cấu trúc

thông số mạng nhưng định hướng khác nhau

Mạng tinh thể: Nối tâm các nguyên tử sắp xếp trật tự bằng các đường thẳng

tưởng tượng

Vô định hình: các nguyên tử sắp xếp không trật tự

( 1 nguyên tử bao bọc bởi nguyên tử 1 cách ngẫu nhiên)

2 Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu

2.2 Cấu trúc vật liệu Lập phương tâm khối (A2): Cr; W; Mo; Feα

a 3

15

2 Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu

2.2 Cấu trúc vật liệu Sáu phương xếp chặt (A3): Zn; Mg; Tiα, Be, Cd, Zr

• APF = 0.74 • c/a = 1.633

17

2.2 Cấu trúc vật liệu

Mật độ lý thuyết (g/cm3)

where n = số nguyên tử/ô cơ sở

A = khối lượng nguyên tử

VC= Thể tích ô cơ sở = a3for cubic

2.2 Cấu trúc vật liệu Mật độ lý thuyết (g/cm3)

Cấu trúc tinh thể các nguyên tố

2 Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu

2.2 Cấu trúc vật liệu

21

• Dioxides – Rutile (TiO2) – Anatase (TiO2) – Brookite (TiO2) – Cassiterite(SnO2) – Pyrolusite(MnO2)25

Hemi-Oxides (M2O)

• Nước đá (H2O): Lục giác

• Cuprite (Cu2O).

 Các oxit có công thức chung MO:

• Oxit kim loại hoá trị 2 nếu có tỷ lệrM2+/rO2−nằm trong ~0,414 - 0,732

• Liên kết chủ yếu là liên kết ion thì có mạng lưới tinh thể thuộc kiểu NaCl

27

Các oxit có công thức chung MO:

Hợp chất có tỷ lệrcation/ranion~ 0,225 - 0,414 và

liên kết chủ yếu là ion thì có cấu trúc kiểu ZnO

 Các oxit có công thức chung M2O3:

Các oxit Al2O3(corun), Fe2O3(hêmatit), Cr2O3, Ga2O3, Ti2B3

29

Các oxit có công thức chung MO2:

- Rutin, Anatas, Brookite (TiO2)

- Ôxit silic (SiO2)

- ZrO2…

 Các oxit có công thức chung MO2:

o Rutin (TiO2): Tứ diện

Ti4+: O2-= 1:2

31

o Anatase (TiO2): Tứ diện

 Các oxit có công thức chung MO2:

o Brookite (TiO2) – Trực thoi

33

o A2+bao quanh bởi 4O

2-o B3+bao quanh bởi 6 O

2-37

Các chất giữa các oxit: Illmenite: FeTiO3

43

Các chất giữa các oxit: Pyrôclo A2B2O7

Nhóm khoáng vật chứa đất hiếm

(Na,Ca,…)2(Nb,Ti…)2O6.F.OH

45