Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 1: Cấu trúc tinh thể của vật rắn (Phần 3)

Bài giảng Vật lí chất rắn - Chương 1: Cấu trúc tinh thể của vật rắn (Phần 3) cung cấp cho học viên những kiến thức về các loại liên kết trong chất rắn như sự liên kết của các nguyên tử, liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại, liên kết Hiđrô, liên kết Van der Walls,... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

VẬT LÍ CHẤT RẮN

Phạm Đỗ Chung

Bộ môn Vật lí chất rắn – Điện tử Khoa Vật lí, ĐH Sư Phạm Hà Nội

136 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội

• Cấu trúc tinh thể của vật rắn (Crystallography)

1 Mạng không gian, ô sơ cấp

2 7 hệ tinh thể

3 Các yếu tố đối xứng trong mạng không gian

4 14 ô mạng Bravais

5 Ô đơn vị (vs ô sơ cấp)

6 Chỉ số Miller của đường thẳng, mặt phẳng mạng

7 Một số cấu trúc tinh thể đơn giản

8 Nhiễu xạ trên cấu trúc tuần hoàn

11 Các loại liên kết trong vật rắn

1 Sự liên kết của các nguyên tử

Sự liên kết của các nguyên tử

Mạng không

gian

Gốc

Mạng tinh thể

Gốc hình cầu cứng

Các cấu trúc xếp chặt

Gốc liên kết với nhau

Các loại tinh thể (ion, cộng hoá trị, kim loại,…)

Sự liên kết của các nguyên tử

tuần hoàn trong không gian tạo thành tinh thể.

được giữ cân bằng trong tinh thể bằng các liên

kết.

thành các loại khác nhau.

Cách phân loại liên kết

• Không phân loại theo loại tương tác

nguyên tử và trong tinh thể

Nguyên tử phân bố lại electron bằng cách cho,

nhận hoặc tập thể hóa electron:

• Bảo toàn điện tích

• Nguyên tử có lớp vỏ electron đầy

Phân loại liên kết

Sự liên kết của các nguyên tử

phân tử lại với nhau.

phân tử không co lại thành một

điểm.

• Điều kiện tạo liên kết là năng

lượng cực tiểu:

1 Lực đẩy giữa ion vs ion cực tiểu

2 Lực đẩy giữa electron vs

Thế năng tương tác giữa

hai nguyên tử

Liên kết ion

Liên kết ion hình thành khi một nguyên tố có năng

lượng ion hoá tương đối thấp kết hợp với một

nguyên tố có ái lực electron cao.

•Năng lượng ion hoá I: năng lượng cần cung cấp để

tách một electron ra khỏi nguyên tử trung hoà

•Ái lực electron A: năng lượng thu được khi một

electron được thêm vào nguyên tử trung hoà.

Liên kết ion

n ij ij

ij

r

B r

ö ç

ç è

æ

+

± pe

B p

R

e N

NaCl hai chiều

Fig 2.9, p21, WD Callister, Fundamentals of Materials, 5th

Tinh thể ion

• Liên kết ion là liên kết tầm xa giữa hai điện tích

trái dấu, không có tính định hướng

Tinh thể ion

Liên kết cộng hoá trị

Hàm sóng nguyên tử phủ nhau

Tập trung điện tích ở khoảng giữa các nguyên tử

Có tính định hướng cao Fig 11, p67, C Kittel, Introduction to Solid state physics, 8th

Bài toán liên kết của 2 nguyên tử

2 nguyên tử và 1 electron

2 2

ˆH = - Ñ - Z e A - Z e B + Z Z e A B

Năng lượng cơ bản:

Năng lượng trung bình

S c c c

c

H c

c H

c H

c E

B A

2 B

2 A

AB B

A BB

2 B AA

2 A

2

2 +

+

+

+

=

!"# = % &'∗( * !' + ,-)&-dr = % &'∗(E' + ,-)&-dr

!'' = % &'∗( * !' + ,-)&'23 = % &'∗(E' + ,-)&'23

!'' = E' + % &'∗,-&'23 = E' + % 4',-dr

5 = % &'∗&-dr

Phân tử H2+

!"# = % &'∗( * !' + ,-)&-dr = % &'∗(E' + ,-)&-dr

!#' = % &-∗ ( * !- + ,')&'dr = % &-∗ (E- + ,')&"dr

Do tính đối xứng nên: E A =E B , V A =V B =V Ta có:

!"# = !"# = % &'∗,-&-dr + E' % &'∗&-dr

!"# = !"# = ℎ + E'3 < 0

Năng lượng liên kết, phản liên kết

VD: “ion H2+”

0

B A

AB

-

-E H

ES H

ES H

E

H

H E

từ đó:

Năng lượng liên kết, phản liên kết

!" = $%% + $%'

1 + )

!* = $%% − $%'

1 − )

Phân tử He2?

Quy tắc 8-N

Các liên kết cộng hóa trị bão hòa

•Mỗi nguyên tử hóa trị N liên

kết với 8-N nguyên tử khác

phương

Tinh thể cộng hóa trị

cương có năng lượng liên kết là 7,30 eV trên một

nguyên tử (712 kJ/mol).

Tinh thể cộng hóa trị

Điển hình: kim cương, graphite,…

Fig 3.16&3.17, p48, WD Callister, Fundamentals of Materials, 5th

Liên kết kim loại

Liên kết kim loại

Một số kim loại điển hình

Liên kết kim loại

• Bản chất của liên kết kim loại là tương tác

giữa đám mây electron mang điện âm và các iôn dương được sắp xếp đều đặn.

• Để tối ưu năng lượng, các ion tại nút mạng

kéo về phía mình tối đa các ion khác hình thành cấu trúc xếp chặt.

• Luôn có ở nguyên tố nhóm 1

• Liên kết mạnh ở nhóm nguyên tố là KLCT

(Nhiệt độ nóng chảy & điểm sôi cao)

Tinh thể kim loại

Liên kết Hydro

Hiđrô kết hợp với hai

nguyên tử khác

• Khi nguyên tử hiđrô liên kết với nguyên tử có độ âm

điện lớn thì electron của nó sẽ bị hút sang phía

nguyên tử kia

• Nguyên tử hiđrô trở nên tích điện dương

• Nguyên tử này có khả năng tạo thêm một liên kết

nữa nguyên tử mang điện âm.

Một nguyên tử hiđrô liên kết với hai

nguyên tử khác.

Fig 2.11, p26, WD Callister, Fundamentals of Materials, 5th

Hợp chất có chứa Hydro & F, O, N, C,

Cl, S.

Liên kết Hydro gây nên sự kết hợp các

phân tử, sự polyme hoá.

AND: đóng vai trò chủ chốt trong cơ

Liên kết Van der Walls

• electron chuyển động tương

đối với hạt nhân tạo ra

mômen lưỡng cực.

• Mômen lưỡng cực làm phân

cực các nguyên tử lân cận. Lực Van der Waals.

Fig 2.12&2.13, p25, W D Callister, Fundamentals of Materials, 5th

Liên kết Van der Walls

• Liên kết Van der Waals là một liên kết rất phổ

biến

nguyên tử trung hòa và có tác dụng ở

khoảng cách lớn

hiện ra khi các loại liên kết khác không xảy ra,

chẳng hạn khi có sự liên kết giữa các nguyên

tử có lớp electron đầy, hoặc giữa các phân tử

bão hoà

Tinh thể phân tử (tinh thể khí trơ)

chặt

thấp

Hydro, Clo, CO2, nhiều hợp chất hữu cơ, các khí

trơ hoá rắn thì tạo thành tinh thể phân tử.

Tổng kết

• Có nhiều loại liên kết trong tinh thể, nhưng hầu

như đều hình thành từ tương tác tĩnh điện giữa các

electron mang điện âm và các lõi nguyên tử mang

điện dương.

• Trong từng trường hợp cụ thể lực hút và lực đẩy

được thể hiện dưới các dạng khác nhau (liên kết

ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại,…)