Chương 1 : Cấu tạo vật chất

+) liên kết có cấu trúc dị hướng và bền vững không có tính dẻo +) không dẫn điện do không có điện tử tự do.. Nguyễn Văn Dũng. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố[r]

Trang 1

TS Nguyễn Văn Dũng 8/3/2015 Tài liệu có bản quyền Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào

Chương I: Cấu tạo vật chất

 Cấu tạo nguyên tử

 Cấu tạo phân tử

 Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn

Trang 2

I Cấu tạo nguyên tử

 Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử

 Nguyên tử là phần cơ bản nhất của vật chất

 Mô hình nguyên tử Bohr (giải Nobel vật lý 1922 về lý thuyết

cấu trúc nguyên tử và cơ học lượng tử) được chấp nhận rộng

rãi:

o Hạt nhân: chứa proton mang điện dương và neutron

không mang điện ( ngoài ra còn có một số hạt khác )

- Tồn tại lực đẩy tĩnh điện giữa các protons nhưng protons và neutrons được liên kết chặt với nhau nhờ “lực

mạnh” ( strong force )

 Lực mạnh chỉ có tác dụng trong khoảng cách rất nhỏ (≤ 10 -15 m)

 Khi protons và neutrons được đặt rất gần nhau, lực mạnh lớn hơn lực đẩy tĩnh điện giữa các protons  liên kết giữa protons và neutrons tạo thành hạt nhân

Trang 3

Structure of an atom

 Có kích thước và khối lượng rất nhỏ so với hạt nhân

 Mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo hình cầu (vỏ điện tử) có bán kính xác định

 Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng của điện tử

 Quỹ đạo gần hạt nhân nhất có mức năng lượng thấp nhất và ngược lại

o Điện tử :

Trang 4

 Số lượng điện tử phân bố trên các lớp vỏ điện tử (bao gồm một số phân lớp)

theo qui luật:

- số điện tử điền đầy phân lớp: 2(2l+1)

- số điện tử điền đầy lớp: 2n 2

Trang 5

 Các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng (xa hạt nhân nhất) có mức năng lượng

lớn nhất

 đóng vai trò quan trọng nhất trong tương tác nguyên tử cũng như phản

ứng hóa học bởi vì các điện tử này có thể tương tác với các điện tử lớp ngoài cùng của các nguyên tử lân cận.

 Các điện tử lớp ngoài cùng gọi là điện tử hóa trị  xác định hóa trị của

nguyên tử

 Khi lớp vỏ ngoài cùng chứa đầy điện tử  nguyên tử không nhận thêm

điện tử  nguyên tố trơ (Ar, Ne, Kr…)

 Bởi một nguyên nhân nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử 

ion dương

 Nguyên tử nhận điện tử  ion âm

Trang 6

 Lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và điện tử

Năng lượng điện tử (xét nguyên tử hydro)

 Lực ly tâm khi điện tử chuyển động xung quanh điện tử

 Điều kiện cân bằng lực (giữ điện tử chuyển động trên quỹ đạo nhất định)

2 2

9 2

2 2

1

/ 10

9 4

1

C Nm

k

r

kq r

q

kq F

r o

p e

k q

v

r

v m r

kq F

2 2

1

m e : khối lượng điện tử = 9,1x10 -31 kg

q e : điện tích của điện tử = 1,6x10 -19 C

Vận tốc chuyển động của điện tử càng lớn khi bán kính của quĩ đạo c/đ càng nhỏ

F 1

F 2 v

r

Trang 7

 Động năng của điện tử (KE- kinetic energy)

2

1

v m

1 2 2 2

J r

q k r

kq v

m PE

m N E

kq

2 19 2

2 9

2

10 53 ,

0 10

18 , 2 2

10 6 , 1 /

10 9 2

Trang 8

 Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ

hơn năng lượng ion hóa  điện tử bị

kích thích  chuyển sang mức năng

lượng cao hơn

 Điện tử ở trạng thái kích thích có xu

thế chuyển về mức năng lượng thấp hơn

và giải phóng năng lượng dưới dạng bức

xạ

Năng lượng ion hóa

Trang 9

Các thuật ngữ thông dụng

 Điện tử hóa trị: các điện tử ở lớp ngoài cùng  xác định hóa trị của nguyên tử

 Năng lượng ion hóa: năng lượng cần cung cấp nhỏ nhất để tách được 1 điện tử khỏi

nguyên tử để tạo thành ion dương

 Ái lực điện tử: năng lượng phóng thích khi điện tử kết hợp với nguyên tử trung tính

để tạo thành ion âm

 Định lý Virian:

PE KE

PE: thế năng trung bình E: tổng năng lượng

Trang 10

II Cấu tạo phân tử

 Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông

qua liên kết giữa các nguyên tử

 Khi hai nguyên tử được đặt gần nhau  các

điện tử hóa trị tương tác với nhau và với các hạt

nhân lân cận  tạo ra liên kết giữa hai nguyên tử

 hình thành phân tử

 Năng lượng của hệ thống hai nguyên tử liên kết

 tổng năng lượng của hai nguyên tử riêng rẽ 

tạo nên phân tử bền vững

 Nguyên lý cơ bản của sự tạo thành phân tử là

sự cân bằng giữa lực hút (F A ) và lực đẩy (F R )

giữa các nguyên tử xác lập tại khoảng cách cân

hỗ giữa các nguyên tử

Trang 11

2 CÁC LOẠI LIÊN KẾT GiỮA CÁC NGUYÊN TỬ

 Liên kết đồng hóa trị (cộng hóa trị)

 Liên kết Ion

 Liên kết kim loại

 Liên kết Van der Waal

Liên kết chủ yếu

Liên kết thứ cấp

Trang 12

a Liên kết đồng hóa trị (cộng hóa trị)

 Đặc trưng: góp chung điện tử của nguyên tử trong phân tử

 Xảy ra giữa các nguyên tử có độ âm điện gần bằng nhau

Trang 13

- Một số phân tử khác được tạo nên từ liên kết đồng hóa trị

Trang 14

- Đặc tính của liên kết đồng hóa trị:

+) do lực hút tĩnh điện mạnh giữa các điện tử góp chung và hạt nhân, liên kết đồng hóa trị bền vững nhất trong các loại liên kết  có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao ( ví dụ: kim cương )

+) không bị hòa tan trong các dung môi

+) liên kết có cấu trúc dị hướng và bền vững không có tính dẻo

+) không dẫn điện do không có điện tử tự do

Trang 15

b Liên kết ion

 Xảy ra giữa ion dương và ion âm

 Đặc trưng: có sự cho và nhận điện tử

 Giữa các nguyên tử có độ âm điện khác biệt lớn

4 r

q

q F

o





Lực coulomb

Trang 16

Một số phân tử khác được tạo nên từ liên kết ion

Trang 17

- Đặc tính của liên kết ion:

+) cứng, giòn và có nhiệt độ nóng chảy cao khi so với kim loại

+) hầu hết chất tạo thành từ liên kết ion bị hòa tan trong dung dịch có cực (ví dụ: nước)

+) không dẫn điện do không có điện tử tự do (các ion rất khó dịch chuyển) +) độ dẫn nhiệt thấp do các ion không thể chuyển các dao động nhiệt cho các ion lân cận

Trang 18

c Liên kết kim loại

 Nguyên tử kim loại chứa một vài điện tử hóa trị

 Khi các nguyên tử kim loại đặt gần nhau, các điện tử hóa trị dễ dàng tách rời khỏi hạt nhân riêng rẽ và trở thành điện tử tự do dùng chung giữa các ion  hình thành đám mây điện tử giữa các ion dương

 Các ion dương kim loại được liên kết với nhau bằng lực hút tương hỗ với các điện tử tự do  tạo nên cấu trúc lập phương diện tâm (FCC)

Trang 19

Metallic bond

- Đặc tính của liên kết kim loại:

+) liên kết có cấu trúc đẳng hướng  dẻo

+) độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao do chứa các điện tử tự do

Trang 20

Liên kết Van der Waal

 Hình thành từ sự tương tác giữa các lưỡng cực

Trang 21

 T/H: Đối với phân tử nước, tâm điện tử có xu hướng dịch chuyển về phía xa nguyên tử Hydro  hình thành lưỡng cực cố định  xuất hiện lực yếu giữa các phân tử nước

Trang 22

 T/H: Đối với polymer:

- Tâm điện tử dịch

chuyển về phía nguyên tử

chlorine

- Tâm điện tích dương

tập trung về phía nguyên

tử hydrogen

- Xuất hiện lực yếu

giữa H và Cl của các

chuỗi lân cận

Trang 23

III Lý thuyết vùng năng lượng

 Ứng dụng: Giải thích, phân loại vật liệu điện thành vật liệu dẫn điện, bán dẫn và cách điện (điện môi)

 Các điện tử của một nguyên tử được phân bố vào các lớp vỏ điện tử có mức năng lượng khác nhau

 Một số mức năng lượng được các điện tử lấp đầy

 Các mức năng lượng còn lại chỉ xuất hiện điện tử khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài (trạng thái kích thích)

 Khi các nguyên tử nằm sát nhau sẽ tạo thành một dãy năng lượng gần như liên tục  vùng các mức năng lượng

Trang 24

VD: Vùng năng lượng của kim loại Natri

 Nguyên tử riêng rẽ  tồn tại các mức năng lượng riêng biệt (gián đoạn)

Trang 25

 Nhiều nguyên tử nằm sát nhau  tồn tại vùng các mức năng lượng gần như liên tục

Vùng hóa trị

Vùng hóa trị và vùng dẫn chồng lấn lên nhau  tồn tại điện tử tự do ở vùng dẫn  Natri dẫn điện tốt

Mật độ nguyên tử: 10 23 cm -1

Vùng đầy

Trang 26

VD: kim cương (cấu tạo từ cacbon)

Nguyên tử cacbon riêng rẽ, điện tử phân bố vào các ô lượng tử theo qui luật Hund

Do mức năng lượng của phân lớp 2s xấp xĩ 2p nên

thực tế có 4 điện tử lớp ngoài cùng tham gia vào liên kết giữa các nguyên tử thay vì chỉ có 2 điện tử ở phân

lớp 2p  lúc này phân bố của các điện tử vào ô lượng

tử như sau

2s 2p

Liên kết với 4 nguyên

tử C lân cận

Trang 27

 Khi các nguyên tử C liên kết với nhau tạo nên vùng dẫn và vùng

hóa trị tách biệt nhau bằng vùng cấm có năng lượng lớn E g ( một vài eV)

 Không tồn tại điện tử trong vùng dẫn

 Độ dẫn điện kém  chất cách điện

Trang 28

kT  0,025 eV

Sơ đồ tổng hợp

Trang 29

Năng lượng vùng cấm của một số chất (25 o C)

Trang 30

Tác động của nhiệt độ

 0 o K: chất cách điện và chất bán dẫn không dẫn điện

 Tăng nhiệt độ lên 298 o K: chất cách điện vẫn không dẫn điện, chất bán dẫn trở nên dẫn điện do tác động của năng lượng nhiệt một vài điện tử sẽ chuyển từ vùng hóa trị sang vùng dẫn

* Nếu điện trường ngoài đủ lớn, chất cách điện và chất bán dẫn trở nên dẫn điện thậm chí ở 0K

Trang 31

Phân loại vật liệu

Phân loại vật liệu theo điện trở suất

Trang 32

Phân loại vật liệu theo độ từ tính

Không phụ thuộc

Phụ thuộc

Ví dụ • Khí hiếm

• Đa số hợp chất hữu cơ

• Các kim loại:

đồng, kẽm, bạc, vàng…

• Oxy

• Muối coban và niken

• kim loại kiềm, nhôm, bạch

Trang 33

Câu hỏi thảo luận

1 Vật liệu siêu dẫn (Thảo luận từng đôi)

2 Phương pháp tăng động lực học tập học phần “Vật liệu điện”?

(Thảo luận nhóm)

Định dạng
Số trang	33
Dung lượng	1,81 MB