Tài liệu Cấu tạo chất đại cương. tập 2, trạng thái ngưng tụ của các chất

L¢M NGäC THIÒM (Chñ biªn) L£ KIM LONG CÊu t¹o chÊt §¹I C¦¥NG TËp 2 Tr¹ng th¸i ng−ng tô cña c¸c chÊt NHµ XUÊT B¶N §¹I HäC QUèC GIA Hµ NéI 2 MỤC LỤC Lời nói đầu Phần III. Trạng thái ngưng tụ của các chất Chương 11. Các hệ ngưng tụ - Liên kết và cấu trúc tinh thể 11.1. Mở đầu 11.2. Các căn cứ để phân loại trạng thái 11.3. Trạng thái rắn 11.3.1. Tinh thể và chất vô định hình 11.3.2. Khái niệm về các hệ tinh thể 11.3.3. Phương pháp nghiên cứu tinh thể 11.3.4. Đặc điểm cấu trúc tinh thể 11.4. Liên kết hóa học trong tinh thể 11.4.1. Liên kết trong tinh thể ion 11.4.2. Liên kết hoá học trong mạng tinh thể kim loại 11.4.3. Liên kết trong mạng tinh thể nguyên tử 11.4.4. Liên kết trong mạng tinh thể phân tử 11.5. Hiện tượng đồng hình và đa hình 11.5.1. Hiện tượng đồng hình 11.5.2. Hiện tượng đa hình 11.6. Một số trạng thái khác 11.6.1. Trạng thái tinh thể lỏng 11.6.2. Dung dịch rắn 11.6.3. Trạng thái Plasma Chương 12. Một số phương pháp phổ áp dụng trong cấu tạo chất 12.1. Mở đầu 12.2. Cơ sở phương pháp phổ phân tử 12.2.1. Sự xuất hiện của phổ 12.2.2. Sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật chất 12.2.3. Một số các đại lượng đặc trưng thường dùng 12.2.4. Phổ kế 12.3. Phổ nhiễu xạ tia X   12.3.1. Nguyên lý của nhiễu xạ tia X! 12.3.2. Nguyên tắc ghi phổ Rơnghen (tia X) 12.3.3. Một vài ứng dụng của phổ tia X 12.4. Phổ electron 12.4.1. Đặc điểm chung 12.4.2. Một số ứng dụng 12.5. Phổ dao động của phân tử hai nguyên tử 12.5.1. Các mức năng lượng Trang 5 7 7 8 8 9 9 10 14 16 20 20 40 46 49 50 50 50 51 51 52 52 60 60 61 61 61 64 65 65 66 67 67 69 69 70 72 72 3 12.5.2. Phổ dao động hấp thụ 12.5.3. Phổ dao động - quay 12.5.4. Ứng dụng của phổ dao động - quay (phổ IR) trong hóa học 12.6. Phổ quay của phân tử hai nguyên tử 12.6.1. Các mức năng lượng quay 12.6.2. Phổ quay hấp thụ 12.6.3. Ứng dụng 12.7. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR 12.7.1. Khái niệm mở đầu 12.7.2. Sự cộng hưởng từ hạt nhận 12.7.3. Ứng dụng phổ NMR vào hóa học Phụ lục Tài liệu tham khảo 4 73 75 75 80 80 80 81 82 82 83 86 99 115 Lời nói đầu Đổi mới phương pháp giảng dạy môn “Cấu tạo chất đại cương” được trình bầy theo chương trình chuẩn do hội đồng ngành Hoá ĐHQG Hà Nội thông qua, nhằm cung cấp các bài giảng cho sinh viên năm thứ nhất ngành Hoá. Nội dung bài giảng bao gồm những kiến thức cơ bản về cấu tạo chất được quy tụ trong 3 phần: Phần I. Cấu tạo nguyên tử − Định luật tuần hoàn Phần II. Cấu tạo phân tử − Liên kết hóa học Phần III. Trạng thái ngưng tụ của các chất Toàn bộ kiến thức của 3 phần là những kiến thức cơ bản, cần thiết chuẩn bị cơ sở cho sinh viên có thể tiếp thu được các môn hóa học cụ thể ở những năm kế tiếp. Do đặc thù của môn Cấu tạo chất là sự tổng hợp kiến thức Toán − Lý − Hoá, có tính khái quát cao và khá trừu tượng nên việc giảng dạy môn này ở năm thứ nhất thường gặp mâu thuẫn giữa yêu cầu trang bị kiến thức sâu, rộng với sự hạn chế về thời gian và mức độ chuẩn bị kiến thức nền của toán lý. Để dung hoà điều này, chúng tôi cho rằng nội dung giáo trình phải được thể hiện dưới dạng mô tả bằng bảng biểu, đồ thị, hình vẽ trực giác kết hợp với nhiều dạng bài tập minh hoạ, tránh những dẫn giải rườm rà hoặc sa vào các thuật toán không cần thiết làm lu mờ ý nghĩa khoa học của vấn đề. Chúng tôi hy vọng cuốn “Cấu tạo chất đại cương” sẽ đáp ứng được yêu cầu là xây dựng những khái niệm cơ sở cho sinh viên năm đầu ở bậc đại học. Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã động viên, khuyến khích chúng tôi biên soạn tập cuốn giáo trình này và rất mong bạn đọc đóng góp xây dựng cho tập sách ngày càng hoàn thiện. Hà Nội, tháng 10 năm 2012 Tác giả 5 6 PHẦN III TRẠNG THÁI NGƯNG TỤ CỦA CÁC CHẤT Chương 11 CÁC HỆ NGƯNG TỤ - LIÊN KẾT VÀ CẤU TRÚC TINH THỂ Mục tiêu Cần tập trung vào các vấn đề: chương 11 1. Các khái niệm về hệ ngưng tụ. Tinh thể và trạng thái vô định hình. Khái niệm về các hệ tinh thể: Mạng lưới, nút lưới, tế bào cơ sở… 2. Một số đặc điểm của cấu trúc tinh thể: Sự sắp xếp các quả cầu khít nhất. Độ compact. Tỷ số bán kính ion dương và âm. Khối lượng riêng của tinh thể. 3. Liên kết trong tinh thể ion: Đặc điểm của loại liên kết này. Năng lượng và các phương pháp xác định chúng 4. Liên kết trong mạng tinh thể kim loại: Các nét đặc trung của loại liên kết này. Lý thuyết vùng nămg lượng để giải thích tính dẫn và bán dẫn của vật liệu. Miền dẫn Phương pháp Born-Lande Miền cấm Phương pháp Kapustinski Năng lượng mạng Lập phương Phương pháp Born-Haber Chỉ số Miller Bốn phương Mật độ xếp khít (độ compact) Lập phương đơn giản Sáu phương Tế bào cơ sở Lập phương nội tâm Ba phương Phương trình Bragg Lập phương mặt tâm Trực thoi Hằng số mạng Đa hình… Đồng hình Một xiên Dung dịch rắn miền hóa trị Ba xiên Plasma Một số từ Mạng tinh thể khoá Nút mạng 7 11.1. MỞ ĐẦU Nói chung, vật chất tồn tại ở ba trạng thái: Rắn (R), Lỏng (L) và Khí (K). Nói một chất ở trạng thái này hay trạng thái khác là tuỳ thuộc xem chúng đang ở vào những điều kiện xác định nào. Nói cách khác, trạng thái tập hợp của các chất không phải là cố định mà thay đổi tuỳ theo điều kiện tồn tại của chúng. 11.2. CÁC CĂN CỨ ĐỂ PHÂN LOẠI TRẠNG THÁI Muốn biết vật chất tồn tại ở trạng thái nào, ta căn cứ vào các yếu tố chính sau đây: − Chuyển động nhiệt của hạt cho biết sự phân bố và khuynh hướng chiếm toàn bộ thể tích không gian xác định. Yếu tố này được đánh giá bằng động năng chuyển động nhiệt của hạt (T). − Lực hút giữa các hạt. Sự liên kết các hạt lại với nhau thành những tập hợp chặt chẽ với những cấu trúc xác định là yếu tố khá đặc trưng cho từng trạng thái. Yếu tố này được đánh giá bằng thế năng tương tác giữa các hạt (U). Ở trạng thái khí, động năng chuyển động nhiệt lớn hơn nhiều lần thế năng tương tác giữa các hạt. Các hạt (phân tử khí) chuyển động gần như tự do (chuyển động Brown), chúng va chạm đàn hồi với nhau và với thành bình. Chuyển động này bao gồm cả chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay lẫn chuyển động dao động. Ở trạng thái lỏng, động năng của chuyển động nhiệt không trội hơn nhiều so với thế năng tương tác giữa các hạt. Chuyển động của chất lỏng vẫn bị ràng buộc bởi lực van der Waals không thể tự do được. Vì vậy, chất lỏng có thể tích xác định nhưng không có hình dạng xác định. Ở trạng thái tinh thể, thế năng tương tác giữa các hạt lớn hơn hẳn động năng chuyển động nhiệt của các hạt, do đó, các hạt được sắp xếp thành những cấu trúc xác định. Trong trường hợp này, hạt hầu như vẫn còn khả năng dao động quanh vị trí cân bằng. Để dễ hình dung những điều vừa trình bày trên đây, ta có thể tóm tắt những đặc trưng chính đối với các trạng thái vật chất trong bảng 11.1. Bảng 11.1. Các đặc trưng chính đối với các trạng thái vật chất Trạng thái Các đặc trưng 8 Rắn (R) Lỏng (L) Khí (K) − Chuyển động Dao động Tịnh tiến, quay, dao động Tịnh tiến, quay, dao động − Khoảng cách giữa các hạt (d) Nhỏ, cỡ kích thước hạt Tăng lên, quá cỡ kích thước hạt Khá lớn − Quan hệ giữa U và T U>T U=T U - Xem thêm -