31
(111)
[211]
Dolomit. Song tinh cơ học phát hiện lần đầu tiên trên mẫu tự nhiên (Fairbairn và Hawks,
1941). Đó là song tinh f (hình 5.13, bảng 5.7) và ứng lực S = 2tg16°22’

= 0,587.
5.5 ĐẶC TÍNH HOÁ LÍ CỦA TINH THỂ LIÊN QUAN VỚI CẤU
TRÚC CỦA CHÚNG
Giữa cấu trúc của tinh thể và các tính chất hoá lí của chúng có mối liên quan chặt chẽ.
Một số tính chất nhạy cảm với cấu trúc, liên quan nhiều đến loại đơn vị cấu trúc, cách sắp
xếp các nguyên tử; bao gồm các tính chất cơ học như tính cát khai, độ cứng, hoặc như hình
thái tinh thể, song tinh. Một số tính chất vật lí khác lại chịu ảnh hưởng chủ yếu của cấu
hình đi
ện tử của nguyên tử và dạng liên kết hoá học, như tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, độ
giãn nhiệt. Ví dụ, độ dẫn điện cao của kim loại sinh ra nhờ sự tồn tại của các điện tử tự do,
tính chất này thể hiện không chỉ khi kim loại ở trạng thái rắn mà cả khi nóng chảy.
Tuy nhiên, đa số các tính chất liên quan đồng thời với đặc đi
ểm phân bố các đơn vị
cấu trúc lẫn dạng liên kết giữa chúng. Các biến thể đa hình (kim cương và graphit, calcit và
aragonit, disten và silimanit…) cho thấy những bằng chứng rõ nhất về vai trò quyết định
của loại cấu trúc và dạng liên kết tới tính chất hoá lí của chất kết tinh. Ví dụ sau về các
biến thể đa hình của carbon thể hiện rõ ràng mối liên quan đó (bảng 5.8, hình 5.14).
Bảng 5.8.
Tính chất của ba biến thể carbon
Biến thể
Số phối
trí
Dạng liên kết

nhận thấy có sự biến đổi song song của độ cứng và nhiệt độ nóng chảy cùng với sự thay
đổi thành phần hoá học. Vì thế, một số tính chất cơ và nhiệt thường được xem xét đồng
thời. Các tinh thể có mối liên kết ion thường đặc trưng bởi tỉ trọng và độ cứng trung bình,
nhiệt độ nóng ch
ảy cao, độ dẫn nhiệt và dẫn điện thấp. Độ dẫn điện của các tinh thể ion
kém, vì các ion rất bền vững, chúng không dễ dàng thu nạp electron hoặc đẩy chúng đi.
Các tinh thể có mối liên kết đồng cực thường có độ cứng cao, chịu nhiệt, cách điện.
Độ cứng cao liên quan với lực rất mạnh của mối liên kết đồng cực. Trái lại, các chất với
mối liên k
ết kim loại có độ dẫn điện cao, nhưng độ cứng thường thấp đến trung bình. Liên
kết tàn dư (van der Waals) có lực liên kết yếu, vì thế các tinh thể với mối liên kết này
thường mềm, đôi khi dẻo, nhiệt độ nóng chảy thấp. Ảnh hưởng của dạng liên kết tới một số
tính chất hoá lí của tinh thể được thể hiện trong bảng 5.9.
Các hợp chất tự nhiên thườ
ng chịu sự chi phối hết sức phức tạp của quá trình và môi
trường thành tạo; vì thế, rất hiếm khi chúng chứa một dạng liên kết, đa phần là hai hoặc
nhiều dạng liên kết cùng tồn tại. Trong các hợp chất dị liên kết này, các tính chất chịu ảnh
hưởng của mọi dạng liên kết bên trong. Thông thường tính chất có hướng rất rõ. Ví dụ,
trong khoáng vật graphit, mối liên kết đồng cực rất m
ạnh gắn các nguyên tử carbon thành
từng lớp mỏng; các lớp gắn với nhau bằng mối liên kết van der Waals yếu, vì thế mặt cát
khai có hướng song song với mặt lớp (hình 5.15).
Bảng 5.9.
Một số tính chất đặc trưng cho các dạng liên kết (L.K.)
Tính chất L.K. ion L.K. cộng hoá trị L.K. kim loại
L.K.
van der Waals
Lực Mạnh Rất mạnh
Dao động,
thường trung bình

phân tử khi nóng
chảy
Tnc và Dn dao
động. Ở dạng
nguyên tử khi nóng
chảy
Tnc thấp, Dn cao.
Ở dạng phân tử
khi nóng chảy
Độ hoà tan
Hoà tan trong dung
môi phân cực thành
dung dịch chứa ion
Khó hoà tan
Không hoà tan, trừ
trong acid hoặc
trong dung dịch
kiềm nhờ phản ứng
hoá học
Hoà tan trong
dung môi hữu cơ
thành dung dịch 33
Cấu trúc
Không hướng, cấu
trúc có đối xứng và
số phối trí cao
Có hướng, cấu

graphit (mối liên
kết yếu)
Tính chất L.K. ion L.K. cộng hoá trị L.K. kim loại
L.K.
van der Waals
Lực Mạnh Rất mạnh
Dao động,
thường trung bình
Yếu
Cơ
Độ cứng trung bình
đến cao tuỳ thuộc
khoảng cách ion
và điện tích, ròn
Độ cứng cao
Độ cứng thấp đến
trung bình, rèn
được, uốn được, dễ
dát mỏng
Mềm, đôi khi dẻo
Điện
Dẫn điện kém khi ở
thể rắn, dẫn điện tốt
khi ở thể lỏng
Cách điện khi ở
thể rắn và nóng
chảy
Dẫn điện tốt
Cách điện khi ở
thể rắn và lỏng

Cấu trúc
Không hướng, cấu
trúc có đối xứng và
số phối trí cao
Có hướng, cấu
trúc có tính đối
xứng và số phối trí
thấp
Không hướng, cấu
trúc có đối xứng và
số phối trí cao
Không hướng,
đối xứng thấp liên
quan với hình
dạng phân tử
Ví dụ
Halit NaCl, fluorit
CaF
2
, phần lớn
khoáng vật
Kim cương C,
sphalerit ZnS,
phân tử O
2
, phân
tử chất hữu cơ,
graphit (mối liên
kết mạnh)
Đồng Cu, bạc Ag,

nhiên, nếu một chất không hoà tan không có nghĩa là liên kết của nó không phải liên kết
phân cực – liên kết ion. Thật vậy, chẳng hạn đối với các oxit, năng lượng liên kết giữa các
ion trong oxit lớn hơn trong các halogenur kiềm và lớn đến mức hằng số điện môi của nư-
ớc không đủ
để bứt các ion ra khỏi tinh thể.
Ngoài ra, một số hợp chất, thường có mối liên kết đồng cực, dưới ảnh hưởng của hằng
số điện môi lớn của dung môi phân cực, có thể phân li thành các ion trong dung dịch, mặc
dù ở trạng thái kết tinh chúng không phải là hợp chất ion (ví dụ HCl, HBr).
5.5.2 Tính chất điện
Sự tồn tại của những điện tử tự do trong mạng tinh thể tạo cho kim loại những tính
chất vật lí đặc biệt: dẫn điện, dẫn nhiệt, không thấu quang, ánh kim (năng lực phản quang
cao). Các điện tử di chuyển tự do trong kim loại, nhưng không thể bứt ra ngoài mạng do bị
ngưỡng thế năng chặn lại. Để vượt qua ngưỡng thế năng này, đ
iện tử cần tiêu thụ một
công. Nếu khi đó dùng năng lượng của tia sáng thì hiệu ứng bứt điện tử gọi là hiệu ứng
quang điện. Hiệu ứng tương tự có thể quan sát thấy ở các hợp chất với liên kết đồng cực.
Điện tử, sau khi bứt khỏi quỹ đạo, vẫn ở lại bên trong tinh thể đã tạo nên độ d
ẫn điện cho
các chất này (hiệu ứng quang điện bên trong). Trong điều kiện bình thường (không có
chiếu xạ) các chất như vậy không phải là chất dẫn điện, kể cả khi ở trạng thái kết tinh lẫn
khi nóng chảy.
Trong các tinh thể ion cũng quan sát thấy hiệu ứng quang điện bên trong, năng lượng
bứt điện tử bằng đúng thế năng ion hoá. Không có chiếu xạ, tinh th
ể ion cũng như hợp chất
liên kết đồng cực không dẫn điện. Nhưng khác với hợp chất đồng cực, các chất ion dẫn
điện khi nóng chảy, lúc đó tính dẫn điện xuất hiện bởi sự dịch chuyển của chính các ion.
Các chất với cấu trúc khuyết tật thường có những tính chất rất đặc biệt. Ví dụ, trường
hợp về tính dẫn
điện của AgI. Chất này được biết ở ba biến thể. Hai biến thể nhiệt độ thấp


thừa ở khoảng giữa các nút mạng (hình 5.16 và 5.17).
Dưới tác dụng của bức xạ, một trong cặp điện tử của oxy bị bứt ra; làm xuất hiện mộ
tâm màu dạng lỗ trống. Tính chất quang học cũng ph
ụ thuộc rất nhiều vào dạng liên kết
hoá học. Các hợp chất ion có tính chất quang học không thay đổi, dù ở trạng thái kết tinh
hay dung dịch. Hợp phần điện của tia tới làm biến dạng lớp vỏ điện tử của ion. Độ khúc xạ
của từng ion là thước đo độ biến dạng (độ phân cực) của chúng, tăng tỉ lệ thuận với kích
thước ion và tỉ
lệ nghịch với độ bền vững của lớp vỏ điện tử. Trong các hợp chất ion, anion
đóng vai trò quyết định tới độ khúc xạ và giá trị này tăng tỉ lệ thuận với điện tích (xem
bảng 5.10).

Hình 5.17.
Mô hình cấu trúc thạch anh bình thường(a)và thạch anh ám khói khuyết tật (b): Al
3+
+ H
+
thay thế Si
4+
36

Bảng 5.10.
Sự phụ thuộc của độ khúc xạ vào kích thước và điện tích của ion
Ion
F
−
O

1,00
0,98
0,5
0,74
0,3
Trong cấu trúc đối xứng (phối trí) cũng như trong dung dịch, độ khúc xạ ion là kết quả
tổng hợp của tất cả các ion bị phân cực. Đối với cấu trúc không đối xứng, độ khúc xạ cũng
được quyết định bởi sự biến dạng của ion; nhưng hiện tượng này gây ra không chỉ do hợp
phần điện của tia sáng mà còn do điện trường của các ion kề bên tạo ra s
ự phân cực một
chiều. Hiện tượng này được dùng trong hoá tinh thể để xét đoán cấu trúc tinh thể. Các tinh
thể ion, trừ muối của các kim loại chuyển tiếp và nguyên tố đất hiếm, thường trong suốt và
không màu.
Chất đồng cực (với liên kết cộng hoá trị) khác hẳn các chất ion về tính chất quang học
do chúng có những điện tử đồng thời thuộc hai nguyên tử. Tuy nhiên, độ bền vững củ
a mối
liên kết lại dao động rất lớn: cực bền ở kim cương, yếu hơn ở silic hoặc ZnS, ở thiếc yếu
đến mức chất này có nhiều tính kim loại. Sự giảm độ bền vững của mối liên kết kéo theo
sự hấp thụ phổ ánh sáng bước sóng dài. Ở những chất này, tính quang dẫn xuất hiện khi
chúng được chiếu bởi những những tia có bước sóng tương đươ
ng với dải phổ hấp thụ của
chúng. Kim cương có tính quang điện trong vùng phổ cực tím, silic - ánh sáng nhìn thấy,
riêng thiếc được đặc trưng bởi độ dẫn kim loại.
Hợp chất đồng cực có giá trị chiết suất cao, tương ứng với ánh kim cương (theo phân
loại trong khoáng vật học). Chúng thường có màu và không trong suốt. Trong dung dịch,
đặc điểm phân bố điện tử khác hẳn trong tinh thể, vì vậy tính chất quang h
ọc cũng khác
hẳn. Đây chính là đặc điểm cơ bản mà hợp chất đồng cực khác với hợp chất ion.
Đối với các chất có mối liên kết trung gian ion - đồng cực thì mức độ chuyển tiếp ảnh
hưởng đến giá trị chiết suất (bảng 5.11).

1,667
} = 0,133
1,534
LiBr

RbF
43
} = 40
3
1,784
} = 0,388
1,396
LiI

CsF
54
} = 52
2
1,955
} = 0,507
1,448
MgS

CaO
65
} = 46
19
2,271
} = 0,433
1,838

RbF
43
} = 40
3
1,784
} = 0,388
1,396
LiI

CsF
54
} = 52
2
1,955
} = 0,507
1,448
MgS

CaO
65
} = 46
19
2,271
} = 0,433
1,838
CaTe

BaS
75
} = 54

hạt kề nhau có mặt xếp cầu trùng hoặc gần trùng nhau. Trái lại, sự tồn tại của bố
n hướng
phân lớp trong tinh thể kim loại có cấu trúc chồng khít lập phương làm tăng lên rất nhiều
xác suất trùng hoặc gần trùng của các mặt xếp cầu trong hai tinh thể kề nhau. Như vậy, có
thể thấy, các kim loại có cấu trúc chồng khít lập phương là kim loại có tính rèn được cao
nhất.
5.5.5 Tính cát khai
Người đầu tiên thử giải thích hiện tượng cát khai trong tinh thể là O. Bravais. Xuất
phát từ học thuyết mạng tinh thể ông đề xuất giả thuyết là mặt cát khai {hkl} sẽ song song
với mặt có mật độ mạng lớn nhất, hay những mặt mạng nằm cách xa nhau nhất, tức là có
d
hkl
lớn nhất. Ý tưởng đó là chính xác nếu như các đơn vị cấu trúc trong tinh thể là các
phân tử đẳng thước như Bravais giả thiết. Trong trường hợp đó, rõ ràng là khoảng cách cực
đại sẽ tương ứng với lực liên kết yếu nhất và tạo điều kiện cho mặt cát khai đi qua. Tuy
nhiên cách giải thích giản đơn như vậy cho hiện tượng cát khai chỉ đúng với những trường
hợ
p không phức tạp, ví dụ đối với graphit.
Những thí nghiệm nhằm kiểm tra học thuyết cấu trúc tinh thể đã xác minh rằng trong
tinh thể của đa số các chất vô cơ thiếu vắng các phân tử. Các tinh thể này được cấu tạo từ
các nguyên tử riêng lẻ không gắn với nhau theo nhóm thành phân tử và vì thế không thể
xem chúng như các nút mạng. Các nguyên tử liên quan với nút mạng bằng những quy luật
phức tạp hơn – nhữ
ng định luật của hệ điểm quy tắc.
Ví dụ, các hằng số mạng sáu phương của magnesi kim loại là: a = 3,20, c = 5,20Å, c/a =
1,62. Nếu các nguyên tử magnesi phân bố theo các nút của mạng, thì theo như giả thuyết
của Bravais ta sẽ có cát khai theo mặt đáy. Tuy nhiên, magnesi kim loại không có cát khai.
Nguyên tử của nó xắp xếp theo cách chồng khít các quả cầu kiểu sáu phương với tỉ lệ rất
gần với tỉ số lí tưởng c/a bằng 1,633. Điề
u đó có nghĩa là không có bất kì một dị thường