Giáo trình Hóa học vô cơ - Bài 2: Các khái niệm cơ bản về chất rắn
Baøi 2: Caùc khaùi nieäm cô baûn veà chaát raén
Noäi dung caàn naém: 1. Caùc khaùi nieäm:
Chaát tinh theå – chaát voâ ñònh hình.
Heä tinh theå
Caáu taïo beân trong tinh theå
Caùc kieåu maïng tinh theå
Caùc kieåu caáu truùc tinh theå
Tinh theå thöïc vaø khuyeát taät caáu truùc (noäi dung phuï)
Hieâïn töôïng ña hình vaø ñoàng hình.
2. Phaân bieät cho ñöôïc khaùi nieäm kieåu maïng tinh theå vaø kieåu caáu truùc tinh theå .
3. Naém ñöôïc caùch quan nieäm kieåu maïng tinh theå cuûa hôïp chaát.
4. Hieåu ñöôïc aûnh höôûng cuûa caùch saép xeáp maïng ñeán tính chaát vaät lyù vaø hoùa
hoïc cuûa chaát raén.
Taøi lieäu: trang 211- 225 saùch Hoùa Ñaïi cöông 2000, GS Nguyeãn Ñình Soa
1). Chaát tinh theå vaø chaát voâ ñònh hình.
a) Chaát tinh theå coù caùc tieåu phaân saép xeáp traät töï theo nhöõng quy luaät laëp ñi laëp laïi
nghieâm ngaët trong toaøn boä tinh theå.
Do ñoù chaát tinh theå coù:
- caáu truùc vaø hình daùng xaùc ñònh.
coù traät töï xa
coù tính dò höôùng
coù nhieät ñoä noùng chaûy xaùc ñònh
b) chaát voâ ñònh hình coù caáu truùc nhö caáu truùc chaát loûng
Do ñoù chaát voâ ñònh hình coù:
Caáu truùc vaø hình daùng khoâng xaùc ñònh.
Coù traät töï gaàn
Coù tính ñaúng höôùng
Coù nhieät ñoä noùng chaûy khoâng xaùc ñònh.
Ñaây laø traïng thaùi giaû beàn
Keát luaän: tinh theå vaø voâ ñònh hình laø hai traïng thaùi toàn taïi cuûa chaát raén trong ñoù traïng
thaùi voâ ñònh hình luoân coù naêng löôïng cao hôn vaø keùm beàn hôn traïng thaùi tinh theå. Chæ
coù quaù trình chuyeån traïng thaùi voâ ñònh hình thaønh traïng thaùi tinh theå khoâng coù quaù
trình chuyeån ngöôïc laïi. Quaù trình naøy luoân toaû nhieät.
Trong töï nhieân caùc chaát chuû yeáu toàn taïi döôùi daïng tinh theå hay voâ ñònh hình? Taïi sao?
c) Phaân bieät khaùi nieäm ñôn tinh theå vaø ña tinh theå.
2). Heä tinh theå
Caùc yeáu toá ñoái xöùng cuûa tinh theå:
Caùc yeáu toá ñoái xöùng laø cô sôû ñeå thieát laäp heä tinh theå. Caùc yeáu toá ñoái xöùng goàm coù :
taâm, maët vaø truïc. (xem hình 5.5 trang 213)
Taâm ñoái xöùng laø ñieåm giöõa cuûa taát caø caùc ñoaïn thaúng noái töø baát kyø ñieåm naøo treân beà
maët naøy sang beà maët kia cuûa tinh theå vaø ñi qua noù.
Maët phaúng ñoái xöùng laø maët phaúng phaân chia tinh theå ra laøm hai phaàn maø phaàn naøy laø
aûnh cuûa phaàn kia trong göông.
Truïc ñoái xöùng laø ñöôøng thaúng maø khi quay tinh theå xung quanh noù 360o thì tinh theå
truøng vôùi hình n laàn, n ñöôïc goïi laø baäc cuûa truïc.
Tinh theå coù toái thieåu moät yeáu toá ñoái xöùng. Coù taát caû 32 toå hoäp yeáu toá ñoái xöùng öùng vôùi
32 lôùp tinh theå. 32 lôùp tinh theå naøy ñöôïc quy veà 7 heä tinh theå. (seõ trình baøy sau)
7 heä tinh theå:
Heä tam taø coù taâm ñoái xöùng. Khoâng coù truïc vaø maët ñoái xöùng. K2Cr2O7; CuSO4.5H2O. a
b c ; 90o
Heä ñôn taø coù 1 truïc ñoái xöùng baäc 2 vaø 1 maët phaúng ñoái xöùng hoaëc chæ coù moät trong
hai yeáu toá ñoái xöùng naøy. Löu huyønh ñôn taø (S), thaïch cao (CaSO4.2H2O). a b c ;
= = 90o; 90o
Heä taø phöông coù vaøi truïc ñoái xöùng baäc 2 vaø vaøi maët phaúng ñoái xöùng hoaëc moät trong
hai yeáu toá ñoái xöùng naøy. Löu huyønh taø phöông (S), baritin (BaSO4). a b c ; =
= = 90o
Heä tam phöông coù ít nhaát moät truïc ñoái xöùng baäc 3. Canxit (CaCO3), NaIO4.3H2O. a =
b = c ; = = 90o
Heä töù phöông coù moät truïc ñoái xöùng baäc boán. SnO2, CaWO4. a = b c ; = = = 90o
Heä luïc phöông coù moät truïc ñoái xöùng baäc 6. Thaïch anh (SiO2), nephelin (NaAlSiO4). a
= b c ; = = 90o , = 120o
Heä laäp phöông coù 3 truïc ñoái xöùng baäc boán. NaCl, CaF2. a = b = c ;
= = = 90o
Ghi chuù: laø goùc giöõa a va øb , laø goùc giöõa a vaø c vaø laø goùc giöõa b vaø c.
3). Caáu taïo beân trong tinh theå
Hình daïng cuûa tinh theå phaûn aùnh söï saép xeáp beân trong theo traät töï laëp ñi laëp laïi cuûa
caùc oâ cô baûn taïo ra maïng tinh theå. OÂ cô baûn laø hình khoái nhoû nhaát taïo neân maïng tinh
theå baèng caùch saép chuùng theo 3 chieàu trong khoâng gian. Moãi oâ cô baûn ñöôïc ñaëc tröng
baøng 3 caïnh (a,b,c) vaø 3 goùc (, , )
4)Nhöõng kieåu caáu truùc chính cuûa hôïp chaát voâ cô.
Tuøy theo baûn chaát cuûa caùc tieåu phaân taïo thaønh chuùng, caùc maïng tinh theå coù theå laø ion,
nguyeân töû(coäng hoùa trò hay kim loaïi) vaø phaân töû. Döïa theo khoaûng caùch giöõa caùc
nguyeân töû (hay ion) ngöôøi ta phaân bieät caùc caáu truùc ñaûo, maïch, lôùp vaø phoái trí.
Trong caùc ñaûo, maïch vaø lôùp , ngöôøi ta coù theå taùch rieâng ra nhöõng nhoùm nguyeân töû ,
chuùng taïo thaønh caùc ñaûo rieâng bieät (ñaûo) hay noái vôùi nhau taïo thaønh maïch hoaëc lôùp.
Trong moät loaïi chaát raén coù theå ñoàng thôøi coù nhieàu loaïi lieân keát, ñieàu naøy laøm cho caáu
taïo cuûa chaát raén voâ cô raát phong phuù. Tuøy thuoäc vaøo soá chieàu khoâng gian coù lieân keát
maïnh (lieân keát ion, lieân keát coäng hoùa trò, lieân keát kim loaïi) lieân keát maïnh maø chaát coù:
Kieåu caáu truùc ñaûo ( Chæ coù moät loaïi lieân keát yeáu Van Der Walls cho caû ba chieàu
khoâng gian hoaëc lieân keát ion ba chieàu khoâng gian cho hôïp chaát ion coù ion phöùc taïp
höõu haïn )
I2 – chæ coù lieân keát Van Der Walls giöõa caùc phaân töû I2. Töù phöông
Ar(r) – chæ coù lieân keát Van der Walls giöõa caùc nguyeân töû Ar. Laäp phöông.
K2[PtCl6] – coù ion PtCl62- lôùn, giöõa caùc ion K+ vaø PtCl62- coù lieân keát ion. ( Ba2[XeO6])
SF6 – chæ coù lieân keát Van Der Walls giöûa caùc phaân töû SF6.
H2O – lieân keát hydro taïo neân caùc phaân töû (H2O)n vôùi n = 2, 3 4… vaø caùc phaân töû naøy
noái vôùi nhau baèng lieân keát van der Walls.
Kieåu caáu truùc maïch ( Lieân keát coäng hoùa trò öu tieân theo moät chieàu khoâng gian taïo
neân caùc phaân töû hay ion voâ haïn)
SbF5 – caùc nhoùmbaùt dieän SbF6 noái nhau nhôø hai caàu flor bôûi lieân keát coäng hoùa trò cho
nhaän. Phaân töû voâ haïn.
Na2[AlF5] – caùc nhoùm baùt dieän AlF6 noái nhau nhôø hai caàu flor bôûi lieân keát coäng hoùa
trò cho nhaän. Ion voâ haïn.
CdCl2.2NH3 , CoCl2.2H2O – clo ñoùng vai troø caàu noái.
Kieåu caáu truùc lôùp (Lieân keát coäng hoùa trò öu tieân theo hai chieàu trong khoâng gian taïo
neân caùc phaân töû hay ion voâ haïn)
SnF4 – caùc baùt dieän SnF6 noái nhau nhôø 4 caàu flor bôûi lieân keát cho nhaän. Phaân töû voâ
haïn.
Na{AlF4] – caùc baùt dieän AlF6 noái vôùi nhau nhôø 4 caàu flor bôûi lieân keát cho nhaän. Ion
voâ haïn.
FeCl3 – caùc baùt dieän FeCl6 noái vôùi nhau theo hai chieàu khoâng gian nhôø 6 caàu clo. Phaân
töû (coù cöïc) voâ haïn. Al(OH)3, AlCl3.
MnCl2 – caùc baùt dieän MnCl6 noái nhau theo hai chieàu khoâng gian nhôø 6 caàu clo. Phaân
töû coù cöïc voâ haïn. CdI2 , Cd(OH)2.
Kieåu caáu truùc phoái trí ( Lieân keát vaø phaân boá ñeàu theo ba chieàu trong khoâng gian nhôø
caùc lieân keát maïnh)
NaCl – ion Cl- naèm ôû taâm moät hình baùt dieän ñeàu coù ñænh laø caùc ion Na+, töông töï, ion
Na+ naèm ôû taâm moät hình baùt dieän cuûa Cl-. Chuùng huùt nhau baèng löïc ion. Soá phoái trí
cuûa Na+ vaø Cl- ñeàu baèng saùu.
SiO2 – nguyeân töû Si naèm trong taâm töù dieän ñeàu coù ñænh laø nguyeân töû oxy, moät ngyeân
töû oxy noái vôùi hai nguyeân töû silic. Si coù phoái trí 4, O coù phoái trí 2. lieân keát giöûa Si vaø O
laø lieân keát coäng hoùa trò. Silic naèmôû traïng thaùi lai hoùa sp3.
ZnS – Nguyeân töû Zn naèm ôû taâm töù dieän ñeàu coù ñænh laø caùc nguyeân töû S, töông töï,
nguyeân töû S naèm ôû taâm töù dieän ñeàu coù ñænh laø nguyeân töû Zn. S vaø Zn ñeàu naèm ôû
traïng thaùi lai hoùa sp3. Chuùng ñeàu coù soá phoái trí 4. Lieân keát giöûa chuùng laø lieân keát coäng
hoùa trò coù cöïc.
-Fe - moät nguyeân töû saét ñöôïc bao quanh bôûi 12 nguyeân töû saét. Lieân keát giöûa chuùng
laø lieân keát kim loaïi. Soá phoái trí 12.
Kim cöông – moãi nguyeân töû carbon naèm trong moät töù dieän ñeàu taïo bôûi 4 nguyeân töû
carbon khaùc. Nguyeân töû carbon ôû traïng thaùi lai hoùa sp3. Carbon coù soá phoái trí 4.
5) Xaùc ñònh naêng löôïng maïng tinh theå ion
Naêng löôïng maïng tinh theå ion (U) Laø naêng löôïng toaû ra khi 1 mol chaát raén ñöôïc taïo
thaønh töø caùc ion ôû theå khí caàn tieâu toán ñeå phaù huûy tinh theå chuyeån thaønh caùc ion ôû theå
khí.
Veà trò tuyeät ñoái naêng löôïng naøy ñuùng baèng naêng löôïng phaù vôõ moät mol tinh theå
chuyeån thaønh ion.
Naêng löôïng naøy laø naêng löôïng toûa ra cuûa quaù trình:
A+(k) + B-(k) = AB (r) + U
Ñeå xaùc ñònh U baèng tính toaùn, thöôøng duøng phöông trình tính naêng löôïng maïng ion do
Kapustinski ñeà nghò: ( do noù ñôn giaûn vaø coù ñoä chính xaùc khaù cao)
Zc Za n
U
A
rc ra
ÔÛ ñaây:
A - laø haèng soá vaø baèng 1071,5 neáu U tính theo kJ/mol
N – laø soá ion trong coâng thöùc hôïp chaát ion
zc, za - laø ñieän tích cuûa cation vaø anion
rc , ra - laø baùn kính cuûa chuùng (Ao)
Ví duï: Tính U cuûa NaCl
n = 2 , rc + ra = 2,83 Ao
(1)(1) 2
U
1071,5 757,2kJ / mol
2,83
7) Hieän töôïng ña hình vaø hieän töôïng ñoàng hình
a) hieän töôïng ña hình
Coù moät hieän töôïng phoå bieán trong töï nhieân laø moät chaát coù theå toàn taïi döôùi nhieàu daïng
tinh theå khaùc nhau veà ñoái xöùng (caáu truùc) hay thoâng soá maïng. Hieän töôïng naøy goïi laø
hieän töôïng ña hình. Caùc daïng tinh theå naøy goïi laø caùc ña hình ( hay coøn goïi laø caùc thuø
hình)
Ví duï:
• Carbon coù 3 daïng thuø hình: kim cöông, graphit, carbin.
Kim cöông chæ coù lieân keát coäng hoùa trò theo ba chieàu khoâng gian , kieåu caáu truùc phoái
trí. Raát cöùng, khoâng daãn ñieän, trong suoát. Heä laäp phöông
Graphít coù lieân keát coäng hoùa trò theo hai chieàu khoâng gian, chieàu coøn laïi lieân keát van
der Walls, taïo kieåu caáu truùc lôùp. Trong lôùp , ngoaøi lieân keát coøn lieân keát khoâng
ñònh choã. Meàm, daãn ñieän, ñen.Heä luïc phöông.
Graphit vaø kim cöông coù tính ñoái xöùng tinh theå khaùc nhau. Kim cöông thuoäc heä tinh
theå laäp phöông, graphit thuoäc heä tinh theå luïc phöông.
Carbin coù lieân keát coäng hoùa trò theo moät chieàu khoâng gian. Caùc maïch carbon noái vôùi
nhau baèng lieân keát Van Der Walls, taïo kieåu caáu truùc maïch.
• - Fe vaø -Fe coù cuøng kieåu ñoái xöùng – cuøng caáu truùc laäp phöông taâm khoái. Chuùng
chæ khaùc nhau ôû giaù trò thoâng soá maïng (a, b, c). Töø 768oC - Fe bieán thaønh -Fe
laøm cho töø tính maát ñi.
• Thuø hình NH4Cl beàn ôû nhieät ñoä thöôøng coù kieåu caáu truùc laäp phöông taâm khoái
(CsCl) vaø thuø hình NH4Cl beàn ôû nhieät ñoä cao coù kieåu caáu truùc laäp phöông ñôn
giaûn (NaCl).
• Löu huyønh taø phöông beàn döôùi 95,5oC vaø ñôn taø beàn treân 95,5oC.
Caùc daïng thuø hình coù theå chuyeån hoùa laãn nhau.
Tröôøng hôïp söï chuyeån hoùa naøy chæ xaûy ra theo moät chieàu thì ñöôïc goïi laø söï chuyeån
hoùa ñôn bieán.
Ví duï; Kim cöông chuyeån thaønh graphit; phoâtpho traéng chuyeån thaønh phoâtpho ñoû.
Tröôøng hôïp söï chuyeån hoùa xaûy ra theo caû hai chieàu thì ñöôïc goïi laø söï chuyeån hoùa hoã
bieán. Nhieät ñoä chuyeån hoùa goïi laø nhieät ñoä chuyeån hoùa ña hình.
Ví duï: Chuyeån hoùa cuûa löu huyønh ñôn taø vaø taø phöông ôû 95,5oC
b) Hieän töôïng ñoàng hình
Moät hieän töôïng khaùc khoâng keùm phaàn phoå bieán laø caùc chaát tinh theå khaùc nhau coù theå
keát tinh döôùi duøng moät daïng tinh theå. Ñieàu kieän: caùc chaát coù cuøng loaïi heä tinh theå vaø
caùc ion coù baùn kính töông ñöông.
Ví duï CaCO3 (canxit) , MgCO3 , FeCO3 coù cuøng heä tinh theå tam phöông. Caùc ion Ca,
Fe vaø Mg coù theå thay theá cho nhau trong caùc hôïp chaát treân. Baùn kính ion cuûa Ca2+ =
1,04, Mg2= = 0,74 vaø Fe2+ = 0,80 (Ao). Al3+(0,57Ao) vaø Fe3+(0,67Ao) thay theá ñoàng
hình trong caùc hôïp chaát FeOOH vaø AlOOH. KBr vaø KCl: caùc ion Br- (1,96Ao) , Cl-
(1,81Ao) thay theá nhau theo baát kyø tyû leä naøo trong KBr hay KCl.
Hieän töôïng ñoàng hình taïo laø moät nguyeân nhaân taïo ra hôïp chaát hoãn taïp vaø dung dòch
raén thay theá, trong ñoù coù söï thay theá ñeán moät möùc ñoä naøo ñoù giöõa caùc ion.
5 trang
17120
Free
Bạn đang xem tài liệu "Giáo trình Hóa học vô cơ - Bài 2: Các khái niệm cơ bản về chất rắn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_hoa_hoc_vo_co_bai_2_cac_khai_niem_co_ban_ve_chat.doc
