4
Chơng 1
Cấu trúc tinh thể và sự hình thành1.1. Cấu tạo và liê n kế t nguyê n tử
nguyê n tử = hạ t nhâ n + electron = (proton + nơtron) + electron
nơtron không mang điệ n
proton mang điện dơng = điệ n tí ch của electron ng/tử trung hoà
Khá i niệ m cơ bả n về cấ u tạ o nguyê n tử
Cấu hì nh electron (electron configuration) chỉ rõ: số lợng tử chí nh (1, 2, 3...), ký
hiệ u phâ n lớp (s, p, d...), số lợng electron thuộc phân lớp (số mũ trê n ký hiệ u phâ n
lớp). Ví dụ: Cu có Z = 29 có cấ u hì nh electron là 1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
6
3d
10
4s
1
qua đó biế t
đ ợc số electron ngoà i cùng (ở đâ y là 1, hóa trị 1).
Các kim loạ i chuyể n tiế p: Fe có Z = 26: 1s
2
2s
Là liê n kế t của hai (hoặ c nhiề u) nguyê n tử góp chung nhau một số electron hóa trị để
có đủ tá m electron ở lớp ngoà i cùng. Có thể lấ y ba ví dụ nh sau (hì nh 1.1).
Clo có Z=17 (1s
2
2s
2
2p
6
3s
2
3p
5
), có 7e ở lớp ngoà i cùng, 2 nguyê n tử Cl mỗi nguyê n tử
góp chung 1 electron để lớp ngoà i cùng 8e (hì nh 1.1a). +

a) b) c) Hì nh 1.1.


KL nhóm IB (Cu, Ag, Au), IIB (Zn, Cd, Hg) trao e cá c nguyê n tố : VIB (O, S...),
VIIB (H, F, Cl, Br, I). Cá c ôxit kim loạ i nh Al
2
O
3
, MgO, CaO, Fe
3
O
4
, NiO... có xu thế
mạ nh với tạ o liê n kế t ion.

Liê n kế t ion cà ng mạ nh khi lớp ngoà i cùng (cho) chứa í t e, nhậ n nằ m cà ng gầ n
hạ t nhâ n.
Liên kế t không đị nh hớng (đị nh hớng thì xác suấ t liê n kế t lớn nhấ t theo
phơng nối tâ m cá c nguyê n tử), vậ t liệ u có liê n kế t ion thì tí nh giòn cao.
C


Hì nh 1.3.
Sơ đồ liên kết kim loại

c. Liê n kế t kim loại (
c. Liê n kế t kim loại (c. Liê n kế t kim loại (
c. Liê n kế t kim loại (
hì nh 1.3)

o Đ/n: là liê n kế t trong đó cá c cation kim loạ i nhấ n chì m trong đá m mây electron tự
do.
o
Nă ng lợng liê n kế t là tổng hợp (câ n bằ ng) cá c ion kim loạ i có vị trí xá c
đị nh. Các nguyê n tố nhóm Ia có tí nh kim loạ i điể n hì nh, cà ng dị ch sang bê n
phả i tí nh chấ t kim loạ i cà ng giả m, tí nh đồng hóa trị trong liê n kế t cà ng tă ng.


1.2.1. Chất khí
1.2.1. Chất khí1.2.1. Chất khí
1.2.1. Chất khí
Trong chấ t khí có sự sắ p xế p nguyê n tử một cá ch hỗn loạ n không có hì nh dạng,
kí ch thớc xác đị nh.
1.2.2.
1.2.2.1.2.2.
1.2.2. Chất rắn tinh thể
Chất rắn tinh thểChất rắn tinh thể
Chất rắn tinh thể

Li
+
F
-
Me
+

Ion dơng
Mâ y
Electron
Chất rắn tinh thể :
- Trật tự gần, mà còn có cả trật
tự xa.
- Các kiể u mạ ng tinh thể xá c
đị nh: lậ p phơng, lục giá c,...
(hì nh 1.4)
Hì nh 1.4. Sơ đồ mạ ng tinh thể
6
1.2.3.
1.2.3.1.2.3.
1.2.3. Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể
Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thểChất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể
Chất lỏng, chất rắn vô đị nh hì nh và vi tinh thể
a.
a.a.
a.

Chất lỏng
Chất lỏngChất lỏng
Chất lỏng
Trong phạ m vi hẹ p (khoả ng 0,25nm) cá c nguyê n tử chấ t lỏng có xu thế tiế p xúc
(xí t) nhau tạ o thà nh cá c đá m nhỏ, do vậ y không co lạ i khi né n nh chấ t khí , cá c
đá m nguyê n tử nà y luôn hì nh thà nh và tan rã . Chấ t lỏng chỉ có trậ t tự gầ n, không có
trậ t tự xa.
Giữa cá c đá m có khoả ng trống do đó mậ t độ xế p của chấ t lỏng thấ p, khi đông đặ c
thờng kè m theo giả m thể tí ch (co ngót).
b.

1.5c).
a) c)

Hì nh 1.5. Cấu trúc khối tứ diện [ SiO
4
]
4-
(a), thủy tinh thờng SiO
2
(b)
thủy tinh tinh thể SiO
2
(c)
c.
c. c.
c. Chất rắn vi tinh thể
Chất rắn vi tinh thểChất rắn vi tinh thể
Chất rắn vi tinh thể
Cũng với vậ t liệ u tinh thể kể trên khi là m nguội từ trạ ng thá i lỏng rấ t nhanh (trê n
dới 10
4
độ/s) sẽ nhậ n đợc cấu trúc tinh thể nhng với kí ch thớc hạ t rấ t nhỏ (cỡ
nm), đó là vậ t liệ u có tê n gọi là vi tinh thể (còn gọi là finemet hay nanomet).
Tóm lạ i cá c vật liệ u có ba kiể u cấ u trúc: tinh thể (thờng gặ p nhấ t), vô đị nh

mặ t phẳ ng đ ợc gọi là đối xứng gơng. Gọi n = 2

/

là bậ c đối xứng, chỉ có n =
1, 2, 3, 4, 6; ký hiệ u L
1
, L
2
, L
3
, L
4
, L
6
.
n=2 (L
2
) n=3 (L
3
) n=4 (L
4
) n=6 (L
6

Nút mạng
Nút mạ ng tơng ứng với vị trí các nguyê n tử trong mạ ng tinh thể .
c.
c.c.
c. Chỉ số phơng
Chỉ số phơngChỉ số phơng
Chỉ số phơng
Phơng là đ ờng thẳ ng đi qua cá c nút mạ ng, đ ợc ký hiệ u bằ ng [u v w]; Ba chỉ
số u, v, w là ba số nguyê n tỷ lệ thuậ n với tọa độ của nút mạ ng nằ m trê n phơng
đóở gần gốc tọa độ nhất (hì nh 1.7).
z
[110]
[111]
[100]
[010]
[001]
8
[110], [011], [101], [1
1
0], [01
1
], [
1
01], [
1
10], [0
1
1], [10
1
], [
11
0], [0
11
], [
1
0
1
] (cá c
đ ờng chéo)
d. Chỉ số Miller của mặt tinh thể

lục giáclục giác
lục giác
Chỉ số Miller - Bravais với hệ có bốn trục tọa độ Ox, Oy, Ou, Oz (hì nh 1.9). Chỉ số
Miller - Bravais đợc ký hiệ u bằng (h k i l), trong đó chỉ số thứ ba i (của trục Ou) có
quan hệ : i = - (h + k)
Hã y thử so sá nh hai chỉ số nà y cho cá c mặ t trong hệ lục giá c đợc trì nh bà y ở hì nh
1.9:
mặ t chỉ số Miller chỉ số Miller - Bravais
ABHG (100) (10
1
0)
BCIH (010) (01
1
0)
AGLF (110) (1
1
00)
ABCDEF (001) (0001)
ACIG (1120)

Hì nh 1.9.
Hệ tọa độ trong hệ
lục giá c

và các mặt
u
A
B
C
D
E
F
z
G
H
I
J
K
L
3
5
2
1
4
9
trong đó:


l, s, v lầ n lợt là chiề u dà i, diệ n tí ch, thể tí ch bị nguyê n tử (ion) chiế m chỗ,

L, S, V lần lợt là tổng chiề u dà i, diệ n tí ch, thể tí ch xem xét.
b.
b.b.
b. Số phối trí (số sắp xế p)
Số phối trí (số sắp xế p)Số phối trí (số sắp xế p)

Ô cơ sở là hì nh lậ p phơng, cạ nh bằ ng a, cá c nguyê n tử (ion) nằ m ở cá c đỉ nh và tâ m
khối (hì nh 1.10a, b và c). Số lợng nguyê n tử cho mỗi ô: n
v
= 8 đỉ nh. 1/8 + 1 giữa = 2
nguyê n tử
(a) (b) (c) d)

Thờng dùng cách vẽ tợng trng (hì nh c). Nguyê n tử nằ m xí t nhau theo phơng
<111>, do đó:
- đ ờng kí nh nguyê n tử d
ng.t
=

Hì nh 1.10.
Ô cơ sở mạng lập phơng
tâm khối (a, b), các lỗ hổng (c) và cách
xếp các mặt tinh thể {
100
}
và
{
110
}
(d)
10
nhng kí ch thớc đề u nhỏ, lớn nhấ t cũng không quá 30% kí ch thớc (đờng kí nh)
nguyê n tử.
Các kim loạ i có kiể u mạ ng A1 thờng gặ p là : Fe

, Cr, Mo, W.
Mạ ng chí nh phơng tâ m khối chỉ khác mạ ng A2 ở a = b c
b.
b.b.
b. Lập phơng tâm mặt A1
Lập phơng tâm mặt A1Lập phơng tâm mặt A1
Lập phơng tâm mặt A1


ng.t
=
2
2
a

, số sắ p xế p là 12.
o
Cá c mặ t tinh thể dà y đặ c nhấ t là họ {111}. Mậ t độ xế p thể tí ch M
v
=74%,
mạ ng A1 nà y là kiể u xếp dày đặ c hơn A2 và là một trong hai kiểu xế p dà y đặ c
nhấ t.
Có 2 loạ i lỗ hổng hì nh 4 mặ t và hì nh 8 mặ t nh trì nh bà y ở cá c hì nh 1.11c.
Loạ i bốn mặ t có kí ch thớc 0,225 d
ng.t
(đỉ nh1 và tâ m ba mặ t 2,3,4). Đá ng chú ý là
loạ i lỗ hổng hì nh tá m mặ t, nó có kí ch thớc lớn hơn cả , bằ ng 0,414d
ng.t
, nằm ở trung
tâ m khối và giữa cá c cạ nh a. So với mạ ng A2, mạ ng A1 tuy dà y đặ c hơn song số
lợng lỗ hổng lạ i í t hơn
mà kí ch thớc lỗ hổng lạ i lớn hơn hẳ n (0,225 và 0,41 so với
0,154 và 0,291). Chí nh điề u nà y (kí ch thớc lỗ hổng) mới là yế u tố quyế t đị nh cho
sự hòa tan dới dạ ng xen kẽ .
Khá nhiề u kim loạ i điể n hì nh có kiể u mạ ng nà y: sắ t (Fe

), Ni, Cu, Al với hằ ng
số a mạ ng lần lợt bằ ng 0,3656, 0,3524, 0,3615, 0,4049nm; ngoà i ra còn có Pb, Ag,
Au.


và {111} (d)