Vật liệu học Vật liệu học

Cấu trúc chương trình1: Đại cương về tinh thể 2: Một số loại giản đồ pha 3: Tính chất của vật liệu 4: Một số loại vật liệu... HUI© 2006 General Chemistry: Slide 4 of 48Trạng thái rắn • C

Vật liệu học

VT 1/2011

Cấu trúc chương trình

1: Đại cương về tinh thể

2: Một số loại giản đồ pha

3: Tính chất của vật liệu

4: Một số loại vật liệu

Đại cương về tinh thể

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 4 of 48

Trạng thái rắn

• Chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình

• Chất rắn tinh thể

+ Có khả năng tự kết tinh thành các hạt nhiều mặt, nhiều  cạnh, nhiều chóp. 

+  Góc tạo bởi hai mặt tương ứng của tinh thể luôn luôn có  giá trị không đổi.

+  Bên trong tinh thể các nguyên tử, phân tử, ion được 

phân bố một cách tuần hòan theo những quy luật nhất  định tạo thành mạng lưới không gian đều đặn.

+  Nhiệt độ nóng chảy của tinh thể xác định và không thay  đổi trong suốt quá trình nóng chảy.

+  Có tính định hướng.

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 5 of 48

Mạng tinh thể

• Mạng tinh thể là một tập hợp vô hạn các nút (nguyên tử, phân tử hoặc ion) sắp xếp theo một trật tự nhất định

• 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

Thơng số mạng





 z

y x

c

b a

 Mỗi ô mạng cơ sở tương ứng với một hình hộp có 6 thông số mạng gồm 3 độ dài

a, b, c và 3 độ lớn của các góc , , .

Dựa vào các cạnh và các góc trên ô mạng cơ sở, chia ra 7 hệ tinh thể nguyên thuỷ gọi là 7 mạng lưới Brave đơn giản.

Lập phương Khối lập phương a = b = c  =  =  = 90 0

Bốn phương Lăng trụ thẳng, đáy vuông a = b, c  =  =  = 90 0

Trực thoi Lăng trụ thẳng, đáy chữ nhật a, b, c  =  =  = 90 0

Mặt thoi Các mặt đều là hình thoi a = b = c  =  =   90 0

Sáu phương Lăng trụ thẳng, đáy hình

thoi (2 góc ở đỉnh đều 60 0 )

 = 120 0

Ba nghiêng Khối hộp bất kì a  b  c       90 0

Hệ tinh thể Mạng tinh thể

Sáu phươn

Ba phương

Các kiểu mạng tinh thể

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 16 of 48

Mạng tinh thể và cách sắp xếp khít

nhất

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 17 of 48

Hốc trong tinh thể

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 18 of 48

Sự sắp xếp các quả cầu

LẬP PHƯƠNG ĐƠN GiẢN

- Đỉnh là các nguyên tử kim loại hay ion dương kim loại

- Số phối trí = 6

- - Số đơn vị cấu trúc: 1

Lập phương tâm khối (BCC)

r

r

r r

a

a 2

4

3

a

R 

Lục giác xếp chặt

I

O

G L

Bài tập

• Xác định mối quan hệ giữa a (hằng số

mạng) và R (bán kính nguyên tử),

n (số nguyên tử trong 1 ô),

số nguyên tử gần nhất đối với 1 nguyên tử,

Mv% (mật độ thể tích)

Ms% (mật độ sắp xếp ở mặt phẳng) của bcc

và fcc?

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 26 of 48

Số ion chứa trong một tế bào

Tâm khối Tâm diện Nguyên tử

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 27 of 48

Mật độ xếp khít và tỷ số bán kính ion

• Mật độ xếp khít (P)

– P = N x Vc/Vtb

– P = 1 4/3 πr 3 /a 3 = 0.52

– Như vậy cầu chiếm 52% và 48% rỗng

– Tính P đối với mạng lập phương

Tâm mặt

Tỷ số bán kính (độ xếp khít)

Tính toán một số thông số

• Bài 1: 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 Ao Cho Ni = 59

VD2: Đồng kết tinh theo kiểu lập phương tâm mặt.

a Tính cạnh của hình lập phương của mạng tinh thể và khoảng cách ngắn nhất giữa hai tâm của hai nguyên tử đồng trong mạng,

• Sắt thay đổi từ BCC sang FCC ở 910o C Bán kính nguyên tử sắt trong hai cấu trúc

là 1,258 Ao (BCC) và 1,292Ao (FCC) Tính

% thay đổi thể tích?

VD4: Rh có bán kính nguyên tử là 0,1345nm và khối lượng riêng là 12,42g/cm 3

Xác định xem Rh có cấu trúc tinh thể là BCC hay FCC?

M=

V% của hệ lập phương đơn giản.

Câu 2: Tính khối lượng riêng của tinh thể Cu theo g/cm3, biết Cu kết tinh theo mạng tinh thể lập phương tâm mặt và bán kính của

Cu là 1,2Ao Cho Cu = 64

• Nếu tọa độ có dấu âm thì trên đầu chỉ số

tương ứng ghi dấu –

G x

y

z E'

1

Xác định các phương tinh thể (màu đỏ) sau:

Tọa độ và chỉ số Miller

• Vị trí 1đv cấu trúc trong ô mạng

cơ sở được xđ bởi 3 tọa độ

(x,y,z) hay (a,b,c) Qui ước:

• a= 1 trên trục x hay a

• b =1 trên trục y hay b

• c =1 trên trục z hay c

Tọa độ điểm P (1,1,1), N(½,½,1)

Trong tinh thể học, thường dùng chỉ

số Miller để kí hiệu tọa độ của 1

mặt lưới của ô mạng cơ sở.

Mặt lưới của ô mạng cơ sở là một

- Nếu giá trị âm, đặt dấu gạch

ngang (-) trên kí hiệu chữ

hay số

a0

c0

b0

VD

Ký hiệu trong hệ sáu phương

• Dùng 4 trục x 1 , x 2 , x 3 , z.

* Ký hiệu phương [uvwr]

• p, q, r là tọa độ điểm trong hệ

q

p w

p

q v

2

;3

2

Bài tập

• Xác định mối quan hệ giữa a (hằng số

mạng) và R (bán kính nguyên tử),

n (số nguyên tử trong 1 ô),

số nguyên tử gần nhất đối với 1 nguyên tử,

Mv% (mật độ thể tích)

Ms% (mật độ sắp xếp ở mặt phẳng) của bcc

và fcc?

Khoảng cách giữa các mặt tinh thể

là khoảng cách gần nhất giữa các mặt tinh thể

cùng chỉ số Miller (hkl) song song:

Trong hệ lập phương a = b = c

2

2 2

2 2

2 2

1 90

c

l b

k a

h

a d







Bài tập

• So sánh d111 và d200 trong Pb (Fcc), cho

rPb = 4,95 A0

Một số bài tập

• Đồng (Fcc) có bán kính nguyên tử là 1,278 Ao

Tính khối lượng riêng của Cu Cho MCu =63,5

• Sắt thay đổi từ Bcc sang Fcc ở 9100 C Ở

nhiệt độ này, bán kính nguyên tử của sắt

trong hai cấu trúc là 1,258 A0 (Bcc) và 1,292

A0 (Fcc) Tính % thể tích thay đổi

Cấu trúc các tinh thể vô cơ

Cấu trúc dạng hợp chất ion AB

• NaCl: CsCl

Ô cơ sở FCC của Cl - Ô cơ sở BCC: Cs + ở đỉnh, nCS =1

Na + chiếm các lỗ hổng Cl - ở tâm khối, nCl- =1

R + r = a/2

nCl- = 4, nNa+ = 4 2

3

a r

R  

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 55 of 48

5.4.3 Các kiểu mạng lưới tinh thể

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 56 of 48

2 Mạng lưới phân tử

Các tiểu phân cấu trúc là

những phân tử (trừ khí

hiếm), chúng hút nhau

bằng lực hút yếu Van der

Waals, đôi khi cả liên kết

hydro Vì vậy, cấu trúc

mạng lưới phân tử dễ nóng

chảy, dễ hóa hơi, tương đối

mềm.

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 57 of 48

3 Mạng lưới tinh thể ion

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 58 of 48

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 59 of 48

• Độ bền của mạng lưới tinh thể đặc

trưng bởi

• U (năng lượng mạng lưới tinh thể)

N số Avogadro, M: hằng số

Madelung, e điện tích electron, Z

cách ngắn nhất 2 ion, n hệ số borh

(9-10)

) / 1 1

(

2

n r

Z Z

NMe U

HUI© 2006 General Chemistry: Slide 60 of 48

CaF2

Một số dạng khác

Các khuyết tật trong mạng tinh thể

Nguyên tắc:

• Đảm bảo về kiểu mạng, về kiểu nút cation – anion trong tinh thể

• Trung hòa về điện

• Tuân theo quy luật của phản ứng hóa học

mạng

Bài tập

• Xác định cơ chế hình thành các nút trống sau theo Schottky và Frenken :

Thêm LiCl vào CaCl2

Thêm CaCl2 vào LiCl

Thêm Al2O3 vào SiO2

Thêm Al2O3 vào NiO

Bài tập

• Viết cơ chế mất trật tự của các lớp chất sau:

Một oxi trống trong MgO

Một ion Ca2+ thay thế cho Ba2+ trong BaCl2Một ion Na+ thay thế cho Ba2+ trong BaCl2

Các bài tập

1 Giả sử có X3+ thay thế Mg2+ trong MgO

• a, Viết phương trình cấu trúc cho sự thay thế

• b, Nếu tỉ lệ X3+/Mg2+ =0,25 Tính tỉ lệ

số cation/ số anion

Kiểm tra 15p

• Xác định cơ chế hình thành các nút trống sau theo Schottky và Frenken :

Thêm BaCl2 vào CaCl2

Thêm CaCl2 vào AlCl3

Thêm SiO2 vào Al2O3

Thêm NiO vào Al2O3

Giải: a, 2XMg* + VMg’’  0

b, 100Mg2+ có 25X3+ +12,5VMg => tổng số cation là 125

100Mg2+ => 100O

2-25X3+ => 37,5O

2-Tổng anion = 137,5

 Tỉ số cation/anion = 125/137,5 = 0,91