Tài liệu Bài giảng hóa học chất rắn

8/28/2021 HÓA HỌC CHẤT RẮN (Solid State Chemistry) Giảng viên: PGS.TS. Trần Vũ Diễm Ngọc Email: [email protected] 1 1 1. Giới thiệu hóa học chất rắn Hóa học chất rắn nghiên cứu về cấu trúc, tính chất hóa học, tính chất vật lý, chế tạo và ứng dụng của vật rắn 2 2 1 8/28/2021 1. Giới thiệu hóa học chất rắn Chất rắn: là 1 trạng thái tồn tại của vật chất, trong đó các phần tử cấu tạo (phần tử, nguyên tử, ion) tập hợp ở trạng thái bền vững. Do liên kết bền vững, chất rắn có hình dạng và kích thước nhất định, không bị biến đổi theo hình dạng bình chứa như chất lỏng, khí Nghiên cứu về chất rắn là nghiên cứu về vật liệu (khoa học và công nghệ chế tạo vật liệu) Khoa học vật liệu: vật lý chất rắn và hóa học chất rắn 3 1. Giới thiệu hóa học chất rắn Chế tạo Cấu trúc Đặc trưng Tính chất 4 2 8/28/2021 1. Giới thiệu hóa học chất rắn  Cấu trúc: nguyên tử, vật liệu (đơn giản, phức hợp)  Các dạng phản ứng: điện hóa, ô xi hóa – khử, hòa nguyên, axit – bazo, …Động học các phản ứng.  Các phương pháp chế tạo vật rắn: điện hóa, luyện kim bột, đốt cháy, sol-gel, CVD, trùng hợp polyme …  Các phương pháp xác định đặc tính vật rắn: phương pháp hóa học, vật lý 5 5 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương (proton & nơtron) và các điện tử mang điện tích âm (electron) chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo xác định. 6 6 3 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Khối lượng nguyên tử Đơn vị khối lượng (amu) + Khối lượng của mỗi proton: mp =1.67 x 10-27 kg (~ 1.67 x 10-24 g); + me ~ 9.11 x 10-31 kg 7 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Các dạng liên kết  Liên kết ion  Liên kết cộng hóa trị  Liên kết kim loại  Liên kết Van Der Walls 8 8 4 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Là phần tử nhỏ nhất của 1 chất ở trạng thái tự do mà có thể mang đầy đủ tính chất của chất đó. Liên kết công hóa trị: Liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử hợp chất hoặc đơn chất bằng cặp e dùng chung - Phân tử không phân cực: trọng tâm e- trùng e+ - Phân tử phân cực: trọng tâm e- và e+ cách nhau 1 khoảng l 9 9 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Liên kết ion: Liên kết tạo được bởi lực hút giữa ion + và - Các nguyên tử, nguyên tố hóa học có tính chất khác nhau. - Đặc trưng liên kết giữ KL và PK: NaCl  Liên kết ion càng mạng thì lớp ngoài cùng chưa ít e, nhằm nằm gần hạt nhân.  Liên kết ko dị hướng  Vật liệu có tính giòn cao 10 5 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Liên kết kim loại: liên kết sinh ra bởi lực hút tĩnh điện giữa các e tự do và các ion dương, các e gắn kim loại với nhau tạo liên kết kim loại 11 11 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.1 Cấu trúc nguyên tử Liên kết Van der Waals - Hiệu ứng lưỡng cực tức thời và tương tác lưỡng cực, - Lực liên kết giữa các phân tử với nhau - Liên kết Van der Waals yếu. - Nguyên nhân duy nhất mà các khí hiếm liên kết với nhau, và hình thức trội hơn của tương tác giữa các hình thái điện tử trung hoà với tất cả các liên kết bão hoà của chúng. 12 12 6 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Mạng tinh thể: Nối tâm các nguyên tử sắp xếp trật tự bằng các đường thẳng tưởng tượng  Đơn tinh thể:là một khối đồng nhất có cùng kiểu mạng và hằng số mạng, có phương không đổi trong toàn bộ thể tích.  Đa tinh thể: tập hợp của nhiều đơn tinh thể có cùng cấu trúc thông số mạng nhưng định hướng khác nhau. Tinh thể SiO2 Vô định hình: các nguyên tử sắp xếp không trật tự ( 1 nguyên tử bao bọc bởi nguyên tử 1 cách ngẫu nhiên) Vô định hình SiO2 13 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Hệ tinh thể 14 14 7 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu 14 kiểu mạng Lập phương Bốn phương Trực thoi Lục giác Đơn tà (1 nghiên) Tam tà (3 nghiêng) 15 15 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Lập phương tâm khối (A2): Cr; W; Mo; Feα • Phương xếp chặt nhất APF= 0.68 3 a a 2 a Adapted from Fig. 3.2(a), Callister & Rethwisch 8e. R a 16 8 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Lập phương tâm mặt (A1): Au; Ag; Cu; Al; Ni; Feγ • Phương xếp chặt nhất APF= 0.74 2a a 17 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu • APF = 0.74 Sáu phương xếp chặt (A3): Zn; Mg; Tiα, Be, Cd, Zr • c/a = 1.633 18 9 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Mật độ lý thuyết (g/cm3) Mật độ  = Khôi lượng nguyên tử trong 1 ô cơ ở Thể tích 1 ô cơ ở  = where nA VC NA n = số nguyên tử/ô cơ sở A = khối lượng nguyên tử VC = Thể tích ô cơ sở = a3 for cubic NA = Số Avogadro = 6.022 x 1023 atoms/mol 19 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Mật độ lý thuyết (g/cm3) 20 10 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Mật độ lý thuyết (g/cm3) 21 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Cấu trúc tinh thể các nguyên tố 22 22 11 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Bài tập 23 23 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu 24 12 8/28/2021 2. Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc vật liệu 2.2 Cấu trúc vật liệu Các ôxit đơn giản 25 25 Các ôxit đơn giản • Hemioxides – Cuprite (Cu2O) – Ice (H2O) • Monoxides – Periclase (MgO) – Wüstite (FeO) – Manganosite (MnO) – Lime (CaO) – Zincite (ZnO) – Bromellite (BeO) – Tenorite (CuO) • Sesquioxides – Corundum (Al2O3) – Hematite (Fe2O3) – Bixbyite (Mn2O3) • Dioxides – Rutile (TiO2) – Anatase (TiO2) – Brookite (TiO2) – Cassiterite(SnO2) – Pyrolusite(MnO2) 26 26 13 8/28/2021  Các oxit có công thức chung M2O: Hemi-Oxides (M2O) • Nước đá (H2O): Lục giác • Cuprite (Cu2O). 27 27  Các oxit có công thức chung MO: • Oxit kim loại hoá trị 2 nếu có tỷ lệ rM2+/rO2− nằm trong ~ 0,414 - 0,732 • Liên kết chủ yếu là liên kết ion thì có mạng lưới tinh thể thuộc kiểu NaCl 28 14 8/28/2021  Các oxit có công thức chung MO: Hợp chất có tỷ lệ rcation/ranion ~ 0,225 - 0,414 và liên kết chủ yếu là ion thì có cấu trúc kiểu ZnO. 29 29  Các oxit có công thức chung M2O3: Các oxit Al2O3 (corun), Fe2O3 (hêmatit), Cr2O3, Ga2O3, Ti2B3... 30 30 15 8/28/2021  Các oxit có công thức chung MO2: - Rutin, Anatas, Brookite (TiO2) - Ôxit silic (SiO2) - ZrO2… 31 31  Các oxit có công thức chung MO2: o Rutin (TiO2): Tứ diện Ti4+ : O2- = 1:2 32 32 16 8/28/2021  Các oxit có công thức chung MO2: o Anatase (TiO2): Tứ diện 33 33  Các oxit có công thức chung MO2: o Brookite (TiO2) – Trực thoi 34 34 17 8/28/2021  Các oxit có công thức chung MO2: o Tính tỷ trọng của TiO2 35 35  Các oxit có công thức chung MO2: o Zircon (ZrO2) Lập phương Bốn phương Đơn tà 36 36 18 8/28/2021  Các chất giữa các oxit: • • • • Spinel MgAl2O4 ; Hercynite FeAl2O4 Chromite FeCr2O4 Magnesiochromite MgCr2O4 o Spinel: AB2O4 (A: +2, B:+3) • • • • • Magnetite Fe2+Fe3+2O4 Magnesioferrite MgFe2O4 Gahnite ZnAl2O4 Ulvospinel TiFe2O4 Ringwoodite Mg2SiO4 37 37  Các chất giữa các oxit: o Spinel có 8 cation A chiếm 8 hốc tứ diện và các cation B chiếm 16 hốc bát diện tạo thành A8B16O32 o A2+ bao quanh bởi 4O2o B3+ bao quanh bởi 6 O2- 38 38 19 8/28/2021  Các chất giữa các oxit: o Spinel: 39 39  Các chất giữa các oxit: o Spinel: 40 40 20