Giáo trình Hóa học vô cơ - Chương 2: Trạng thái rắn

Chöông II : TRAÏNG THAÙI RAÉN

II.1 CHAÁT TINH THEÅ VAØ CHAÁT VOÂ ÑÒNH HÌNH

1.Chaát tinh theå:

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.

SiO₂

(Cristobalite)

2. Chaát voâ ñònh hình:

Chaát voâ ñònh hình coù caáu truùc gaàn nhö caáu truùc chaát

loûng

SiO₂Voâ ñònh hình

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.

Keát luaän:Traïng thaùi tinh theå luoân beàn hôn traïng thaùi voâ

ñònh hình.

1

3. Ñôn tinh theå vaø ña tinh theå

a) Ñôn tinh theå : Laø moät tinh theå hoøan chænh.

Ví duï: Vieân kim cöông

Tinh theå pheøn nhoâm -kali

b) Ña tinh theå: Taäp hôïp caùc tinh theå nhoû, keát tinh

choàng chaát leân nhau vaø cheøn eùp nhau.Tuy nhieân,

caùc thoâng soá cuûa maïng tinh theå vaãn khoâng bò thay

ñoåi

Trong töï nhieân caùc chaát thöôøng naèm döôùi daïng caùc

ña tinh theå. Raát hieám gaëp caùc ñôn tinh theå trong töï

nhieân

2

II.2 HEÄ TINH THEÅ

1. Caùc yeáu toá ñoái xöùng cuûa tinh theå

a) Taâm ñoái xöùng laø ñieåm giöõa cuûa taát caû

caùc ñoaïn thaúng noái töø baát kyø ñieåm naøo

treân beà maët naøy sang beà maët kia cuûa tinh

theå vaø ñi qua noù.

b) 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.

c) Truïc ñoái xöùng laø ñöôøng thaúng maø khi

quay tinh theå xung quanh noù 360^othì tinh

theå truøng vôùi hình n laàn, n ñöôïc goïi laø

baäc cuûa truïc.

(Hình beân coù truïc ñoái xöùng baäc 4 (L₄)

3

2. Caáu taïo beân trong tinh theå

Maïng tinh theå ñöôïc taïo thaønh töø caùc maët maïng. Ñieåm

giao nhau cuûa caùc maët maïng laø caùc nuùt maïng.

Maët maïng (a) vaø maïng tinh theå vôùi oâ cô baûn(b)

OÂ cô baûn laø hình khoái nhoû nhaát taïo neân maïng tinh theå

.

Moãi oâ cô baûn ñöôïc ñaëc tröng baèng

giaù trò 3 caïnh (a,b,c) vaø 3 goùc (α, β,

γ). Moãi chaát coù moät oâ cô baûn vôùi

caùc giaù trò caïnh vaø goùc xaùc ñònh, vì

vaäy chuùng laø caùc thoâng soá oâ cô baûn

cuûa maïng tinh theå.

Caùc tieåu phaàn (ion, nguyeân töû, phaân töû) phaân boá taïi

nuùt maïng.

4

CsCl

Ar

I₂

2. Caùc heä tinh theå vaø oâ maïng cô sôû cuûa chuùng

Maïng tinh theå coù toái thieåu moät yeáu toá ñoái xöùng. Coù

taát caû 32 toå hôïp yeáu toá ñoái xöùng öùng vôùi 32 lôùp tinh

theå. 32 lôùp tinh theå naøy ñöôïc quy veà 7 heä tinh theå. Ñoù

laø:

Heä tam taø (triclinic) coù taâm ñoái xöùng. Khoâng

coù truïc vaø maët ñoái xöùng.

a ≠ b ≠ c ; α ≠ β ≠ γ ≠ 90^o

K₂Cr₂O₇; CuSO₄.5H₂O.

Heä ñôn taø (monoclinic) coù 1 truïc ñoái xöùng

baäc 2 vaø 1 maët phaúng ñoái xöùng hoaëc chæ coù

moät trong hai yeáu toá ñoái xöùng naøy.

a ≠ b ≠ c ; α = γ = 90^o; β ≠ 90^o

Löu huyønh ñôn taø (S_β), thaïch cao (CaSO₄.2H₂O).

Heä taø phöông (orthorhombic) coù vaøi truïc

ñoái xöùng baäc 2 vaø vaøi maët phaúng ñoái

xöùng hoaëc moät trong hai yeáu toá ñoái

xöùng naøy.

a ≠ b ≠ c ; α = β = γ = 90^o

Löu huyønh taø phöông (S_α), baritin (BaSO₄).

5

Heä tam phöông (rhombohedral) coù ít nhaát

moät truïc ñoái xöùng baäc 3.

a = b = c ; α = β = γ ≠ 90^o

Canxit (CaCO₃), NaIO₄.3H₂O.

Heä töù phöông (tetragonal) coù moät truïc

ñoái xöùng baäc boán.

a = b ≠ c ; α = β = γ = 90^o

SnO₂, CaWO₄.

Heä luïc phöông (hexagonal) coù moät truïc

ñoái xöùng baäc 6.

a = b ≠ c ; α = β = 90^o, γ = 120^o

Thaïch anh (SiO₂), nephelin (NaAlSiO₄).

Heä laäp phöông (cubic) coù 3 truïc ñoái xöùng

baäc boán.

a = b = c ; α = β = γ = 90^o

NaCl, CaF₂.

6

II.3 CAÙC KIEÅU MAÏNG TINH THEÅ

1.Soá phoái trí

Soá phoái trí laø soá tieåu phaàn bao quanh gaàn nhaát ñoái vôùi

tieåu phaàn trung taâm.

2. Caùc kieåu maïng tinh theå.

Döïa treân caùc tieåu phaàn ôû nuùt maïng vaø löïc lieân keát giöõa

chuùng, ngöôøi ta phaân chia caùc tinh theå thaønh boán kieåu

maïng tinh theå : maïng nguyeân töû, maïng phaân töû, maïng

ion vaø maïng kim loaïi^.

Maïng phaân töû goàm caùc phaân töû huùt nhau baèng löïc Van

der Waals.

Argon (Ar)

XeF₂

XeF₄

Chaát coù maïng phaân töû thöôøng coù ñoä cöùng thaáp, nhieät ñoä

noùng chaûy thaáp, moät soá tan nhieàu trong dung moâi khoâng

cöïc, tan ít trong dung moâi coù cöïc.

Soá phoái trí tính baèng soá tieåu phaàn phaân boá xung quanh

tieåu phaàn trung taâm.

Ar coù soá phoái trí 12

Phaân töû XeF₂vaø XeF₄coù soá phoái trí 8

7

Maïng nguyeân töû ñöôïc taïo thaønh töø caùc nhöõng nguyeân töû.

Caùc nguyeân töû lieân keát vôùi nhau baèng löïc lieân keát coäng

hoùa trò theo 3 chieàu khoâng gian. Quy luaät phaân boá caùc

nguyeân töû trong maïng tinh theå ñöôïc quyeát ñònh bôûi kieåu

lai hoùa caùc orbitan nguyeân töû.

Kim Cöông

ZnS

SiO₂

Maïng nguyeân töû raát beàn, cöùng, nhieät ñoä noùng chaûy cao,

khoù bay hôi vaø haàu nhö khoâng tan trong baát cöù loaïi

dung moâi naøo.

Soá phoái trí cuûa 1 nguyeân töû baèng soá lieân keát coäng hoùa

trò σ coù ñöôïc vôùi caùc nguyeân töû xung quanh.

ZnS : Zn vaø S ñeàu coù soá phoái trí 4. (sp³)

SiO₂: Si coù phoái trí 4(sp³), O coù soá phoái trí 2(sp)

Kim cöông. C coù soá phoái trí 4(sp³)

8

Maïng ion taïo thaønh töø caùc ion ngöôïc daáu naèm ôû nuùt

maïng. Caùc ion huùt nhau baèng löïc huùt tónh ñieän. Hôïp

chaát ion coù nhieät ñoä noùng chaûy cao, khoù bay hôi, khaù

cöùng, moät soá lôùn deã tan trong nöôùc taïo thaønh ion bò

hydrat hoùa. Coù tính daãn ñieän trong traïng thaùi noùng chaûy

vaø trong dung dòch ñieän ly.

K₂[TiCl₆]

Soá phoái trí laø soá tieåu phaàn bao quanh tieåu phaàn trung

taâm

NaCl: Na vaø Cl coù soá phoái trí 6

CsCl: Cs vaø Cl coù soá phoái trí 8

K₂[TiCl₆]: K coù soá phoái trí 4 (tieåu phaàn phoái trí laø ion

phöùc hexaclorotitanat(IV)). Ti coù soá phoái trí 6 tieåu phaàn

phoái trí laø Cl)

9

Maïng kim loaïi ñöôïc ñaëc tröng baèng caùc ion döông naèm ôû

nuùt maïng tinh theå vaø coù lieân keát kim loaïi giữa chuùng.

Caùc kim loaïi vaø hôïp kim coù loaïi maïng naøy. Coù aùnh

kim, deã daùt moûng, keùo daøi, daãn ñieän vaø daãn nhieät toát,

ña soá khaù cöùng.

Na

Cu

Mg

Soá phoái trí tính baèng soá nguyeân töû kim loïai bao quanh

Na Coù soá phoái trí 8

Cu coù soá phoái trí 12

Mg coù soá phoái trí 12

10

3. Caùc kieåu caáu truùc tinh theå

Döïa vaøo ñaëc ñieåm lieân keát vaø khoaûng caùch giöõa caùc

tieåu phaàn, ngöôøi ta phaân chia caùc tinh theå thaønh 4 kieåu

caáu truùc tinh theå: caáu truùc phoái trí, caáu truùc ñaûo, caáu

truùc maïch vaø caáu truùc lôùp.

Caáu truùc phoái trí coù ñaëc tröng laø moãi tieåu phaân ñöôïc bao

quanh bôûi soá tieåu phaàn ñôn (nguyeân töû, ion ñôn) baèng

lieân keát maïnh. Thuoäc loaïi caáu truùc naøy coù maïng

nguyeân töû , maïng ion vaø maïng kim loaïi.

Ví duï: Kim cöông, SiO₂, NaCl , Mg…

Caáu truùc ñaûo coù ñaëc tröng laø taïi nuùt maïng coù phaân töû hay

ion phöùc taïp lieân keát vôùi caùc tieåu phaân xung quanh

baèng löïc Van der Waals hay löïc huùt tónh ñieän. Thuoäc

loaïi caáu truùc naøy coù maïng phaân töû vaø maïng ion coù ion

phöùc taïp

Ví duï: K₂[TiCl₆], XeF₄, Ar…

11

Caáu truùc lôùp coù ñaëc tröng laø taïo lieân keát coäng hoùa trò

theo hai chieàu trong khoâng gian. Caùc lôùp lieân keát vôùi

nhau nhôø löïc Van Der Waals. Granit, CdI₂, Al(OH)₃,

Pd(CN)₂…Trong tinh thể có thể có thêm các lọai liên kết

khác như liên kết ion, liên kết hydro…

AB₂

Al(OH)₃

AB₃

12

Caáu truùc maïch coù ñaëc tröng taïo lieân keát coäng hoùa trò theo

moät höôùng trong khoâng gian. Caùc maïch naøy lieân keát vôùi

nhau baèng lieân keát Van Der Waals. Trong tinh thể có

thê có thêm các lọai liên kết khác như liên kết ion, liên

kết hydro…

PdCl₂

AB₂

MgCl₂.2H₂O

AB₄

CaCrF₅

TLTK :Dr S.J. Heyes

http://www.chem.ox.ac.uk/icl/heyes/structure_of_solids/strucsol.html

13

II.4 TINH THEÅ THÖÏC VAØ KHUYEÁT TAÄT CAÁU

TRUÙC

1. Tinh theå lyù töôûng

Tinh theå lyù töôûng laø tinh theå :

- Söï saép xeáp caùc tieåu phaàn coù tính tuaàn hoøan khoâng gian

nghieâm ngaët.

- khoâng coù khuyeát taät caáu truùc.

Caùc ñôn tinh theå coù theå ñöôïc coi laø tinh theå lyù töôûng.

2. Tinh theå thöïc

Tinh theå thöïc laø tinh theå:

-Tính tuaàn hoøan khoâng gian cuûa söï saép xeáp caùc

tieåu phaân luoân bò vi phaïm.

- Coù khuyeát taät caáu truùc.

Caùc ña tinh theå laø caùc tinh theå thöïc.

3. Caùc kieåu khuyeát taät caáu truùc

Khuyeát taät ñieåm goàm hai loïai:

+ Khuyeát taät loã troáng. Nuùt maïng

troáng

+ Khuyeát taät xen keõ. Tieåu phaân phaân

boá ôû giöõa caùc nuùt maïng hay tieåu

phaân laï thay theá tieåu phaân cuûa nuùt

maïng.

14

Khuyeát taät ñöôøng (leäch): Ñaàu bieân cuûa moät maët maïng bò

ñöùt cuït trong tinh theå (Ví duï: ñöôøng AB)

Khuyeát taät beà maët:Laø heä quaû cuûa khueát taät ñieåm vaø

khuyeát taät ñöôøng, theå hieän treân maët tinh theå hay treân

bieân giôùi giöõa hai tinh theå.

II.5 HIEÄN TÖÔÏNG ÑA HÌNH

Hieän töôïng ña hình laø hieän töôïng moät chaát (ñôn

chaát hay hôïp chaát) coù theå toàn taïi döôùi nhieàu daïng

tinh theå khaùc nhau.

Ví duï: Carbon coù 3 ña hình: Kim cöông, grafit,

carbin

Oxyhydroxyt saét(III) coù 3 ña hình: α - FeOOH,

β - FeOOH vaø γ - FeOOH.

Kim cöông

grafit

Nhieät ñoä chuyeån hoùa ña hình: Laø nhieät ñoä co söï

chuyeån töø ña hình naøy sang ña hình khaùc.

15

Söï chuyeån hoùa hoã bieán: Laø söï chuyeån hoùa thuaän

nghòch giöõa hai ña hình ôû nhieät ñoä chuyeån hoùa.(aùp

suaát khoâng ñoåi) Ví duï S_{ñôn taø}⇌ S_{taø phöông}ôû t^o=

95,5^oC

Söï chuyeån hoùa ñôn bieán: Laø söï chuyeån hoùa baát

thuaän nghòch giöõa hai ña hình. Ví duï: Kim cöông →

grafit

II.6 HIEÄN TÖÔÏNG ÑOÀNG HÌNH

VAØ DUNG DÒCH RAÉN

1.Hieän töôïng ñoàng hình: Caùc chaát khaùc nhau coù cuøng

loïai tinh theå coù theå ñoàng thôøi keát tinh taïo thaønh moät loïai

tinh theå trong ñoù caùc tieåu phaàn cuûa chuùng thay theá laãn

cho nhau. Saûn phaåm thu ñöôïc laø moät dung dòch raén thay

theá.

16

Ví duï: Olivin laø dung dòch raén thay theá giöõa Fe₂SiO₄vaø

Mg₂SiO₄

Sô ñoà maïng tinh theå dung dòch raén FeMgSiO₄cuûa Olivin

trong ñoù voøng troøn ñoû laø Fe²⁺, voøng xanh nhaït laø Mg²⁺,

voøng xanh lôùn laø O^2-, coøn Si⁺⁴naèm trong taâm töù dieän cuûa

4 ion O^2-

2.Dung dòch raén: Laø chaát raén coù maïng tinh theå ñöôïc taïo

thaønh bôûi tieåu phaàn cuûa hai hay nhieàu chaát , maø caùc tieåu

phaàn naøy saép xeáp voâ traät töï ñoái vôùi nhau.

17

Dung dòch raén thay theá: Tieåu phaàn thay theá nhau ôû nuùt

maïng.

Ñieàu kieän taïo dung dòch raén thay theá:

- Caùc loïai tieåu phaàn

phaûi coù kích thöôùc

gaàn baèng nhau.

- Coù tính chaát hoùa

hoïc gaàn gioáng nhau.

Ví duï: dung dòch raén

Zn – Cu, Dung dòch

raén KCl – KBr…

Dung dòch raén xaâm nhaäp: Tieåu phaàn xaâm nhaäp vaøo

giöõa caùc nuùt maïng.

Ñieàu kieän taïo thaønh dung dòch raén xaâm nhaäp:

Kích thöôùc tieåu phaàn

xaâm nhaäp raát nhoû so

vôùi kích thöôùc caùc

tieåu phaàn trong maïng

tinh theå.

Ví duï: caùc dung dòch

raén xaâm nhaäp giöõa

hydro vaø caùc kim

loïai quyù (Pt, Pd…)

18

19