CÁC KHÁI NI M C B N V C U T O VÀ LIÊN K T NGUYÊN T
Liên k t đ ng hóa tr
Liên kết hóa trị được hình thành khi hai hoặc nhiều nguyên tử chia sẻ các điện tử ở lớp ngoài cùng Chẳng hạn, nguyên tử clo có 7 điện tử ở lớp ngoài cùng, trong khi nguyên tử hydro chỉ có 1 Hai nguyên tử clo và hydro sẽ liên kết hóa trị với nhau bằng cách chia sẻ điện tử lớp ngoài cùng, tạo thành phân tử HCl Sự liên kết hóa trị của phân tử HCl được minh họa trong hình 1.1.
Liên kết động hóa trị là mối quan hệ giữa các nguyên tử trong phân tử, thể hiện tính chất liên kết giữa các điện tử hóa trị với hạt nhân, đồng thời cũng là liên kết có tính chất động.
Ngoài ra, góc nghiêng gi a các nguyên t c đnh nên v t li u có liên k t đ ng hóa tr có kh n ng bi n d ng d o kém.
Liên k t ion
Liên kết ion là loại liên kết giữa các nguyên tử có ít electron ở lớp ngoài cùng, tạo thành cation, và các nguyên tử có nhiều electron, nhận thêm electron để trở thành anion Chẳng hạn, nguyên tử natri có 1 electron ở lớp ngoài cùng, dễ dàng bị mất, trong khi nguyên tử clo có 7 electron, dễ dàng nhận thêm 1 electron để đạt 8 electron Khi natri mất 1 electron, nó trở thành ion dương, còn clo nhận thêm electron trở thành ion âm Liên kết ion được hình thành nhờ lực hút giữa các ion mang điện tích trái dấu, tạo nên cấu trúc bền vững Trong phân tử NaCl, liên kết ion thể hiện rõ ràng, với tính chất mạnh mẽ của liên kết này, giúp các nguyên tử gắn chặt với nhau Tuy nhiên, liên kết ion cũng có tính giòn cao, khả năng dẫn điện kém, và có điểm nóng chảy cao, dẫn đến những đặc tính hóa học riêng biệt.
Liên k t kim lo i
Trong nguyên tử kim loại, có ít đi các nguyên tử hóa trị ở lớp ngoài cùng và liên kết yếu với hạt nhân Các nguyên tử dần dần bị ion hóa thành ion dương, trong khi các electron trở thành electron tự do Những electron này không bị ràng buộc bởi bất kỳ nguyên tử nào Năng lượng liên kết là tổng hợp (cân bằng) của lực hút giữa ion dương và electron tự do, và lực đẩy giữa các ion dương Sự cân bằng này tạo ra liên kết kim loại, như thể hiện trong hình 1 Liên kết này mang lại cho kim loại những tính chất đặc trưng như tính kim loại, tính ánh kim, độ dẫn nhiệt, độ dẫn điện và khả năng biến dạng dẻo.
Khi ánh sáng chiếu vào, điển hình là các nguyên tử trong kim loại sẽ bị kích thích, dẫn đến hiện tượng phát ra sóng ánh sáng phù hợp với tần số của ánh sáng chiếu vào Điều này giải thích tại sao kim loại có khả năng phản chiếu ánh sáng, thể hiện tính chất ánh kim của chúng.
Dòng điện là sự chuyển động có hướng của các electron Khi nối hai đầu dây kim loại vào một nguồn điện, các electron tự do nhận năng lượng và di chuyển theo hướng nhất định, giữ cho liên kết giữa các nguyên tử không bị phá hủy Do đó, kim loại có tính dẫn điện tốt Hiện tượng dẫn nhiệt cũng có thể giải thích tương tự dựa vào sự truyền nhiệt năng của các electron tự do và ion dương.
Tính dẻo của kim loại là khả năng biến đổi hình dạng dưới tác động của lực mà không bị phá hủy, nhờ vào sự di chuyển của các ion trong cấu trúc tinh thể Khi kim loại bị biến hình, các ion chuyển động và liên kết với nhau, giữ vững vị trí tương quan của chúng Kim loại có cấu trúc tinh thể giản đơn và sít chặt, với các mặt tinh thể có sự chênh lệch rõ rệt, tạo nên sự tương tác giữa các lớp Kết quả là kim loại có thể dễ dàng tạo hình dưới tác động của lực mà không bị hư hại, ví dụ như có thể cán, dát mỏng hoặc kéo thành sợi mà vẫn giữ được tính chất cơ học của nó.
Liên k t y u Van-der-Waals
Trong nhiều phân tử có liên kết hóa trị, do sự khác nhau về tính ơm điển hình của các nguyên tử, các phân tử có thể tạo thành và phân tán các phân tử khác nhau Liên kết Van-der-Waals là liên kết do sự hút nhau giữa các nguyên tử hay phân tử, và liên kết này rất yếu, dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ Do đó, vật liệu có liên kết này có nhiệt độ nóng chảy thấp.
Do đó, đơy còn g i là liên k t b c hai S đ liên k t Van-der-Waals đ c th hi n trên hình 1.4
Trong vật liệu thông thường, không chỉ có thuần túy mà còn có các liên kết đa dạng và phức tạp giữa các thành phần Mỗi loại vật liệu đều có một cấu trúc liên kết đặc trưng, quyết định tính chất của nó Ví dụ, trong thép carbon, thành phần chính là sắt và carbon, với các liên kết kim loại quyết định tính chất của thép Ngoài ra, trong thép, còn tồn tại các pha trung gian giữa sắt và carbon, có liên kết ion và một số cấu trúc liên quan đến hóa trị.
Hình 1.4 Liên k t Van-der-Waals
S S P X P NGUYÊN T TRONG V T CH T
Ch t khí
Trong chất khí, các nguyên tử di chuyển tự do và không có trật tự cố định Khoảng cách giữa các nguyên tử không ổn định, và tính chất của chất khí có thể thay đổi khi bị nén.
Ch t l ng
Trong chất lỏng, các nguyên tử có xu hướng xếp sít nhau trong những nhóm nhỏ trong không gian hình cầu có đường kính khoảng 0,25nm Chất lỏng không có tính chất chịu nén và các không gian hình cầu này luôn luôn hình thành và lặp lại một cách ngẫu nhiên Do đó, chất lỏng chỉ có trật tự gần mà không có trật tự xa.
Ch t r n
Nuc đnh nhóm nh nguyên t trong không gian hình cầu trong chất lỏng là quá trình đông đặc, giúp chúng không b tan ra Khi các không gian hình cầu chứa nhóm nh nguyên t đạt điều kiện phù hợp, các nguyên t s p s p l i có tr t t và hàng l i theo quy luật nhất định sẽ hình thành nên một mạng tinh thể Quá trình này dẫn đến việc hình thành chất rắn tinh thể từ chất lỏng, được gọi là quá trình kết tinh.
Ngoài ra, một số vật liệu, trong trạng thái lỏng có độ sệt cao, khi đông đặc sẽ chuyển sang trạng thái rắn mà các nguyên tử không được sắp xếp linh hoạt Chất rắn tạo thành có cấu trúc giống như chất lỏng trước đó, nhưng không có cấu trúc tinh thể giống như chất rắn tinh thể, dẫn đến chất rắn vô định hình Ví dụ điển hình về chất rắn vô định hình là thạch anh (SiO2) Trong trường hợp này, sự chuyển pha từ lỏng sang rắn diễn ra thông qua quá trình đông đặc.
Vật liệu có cấu trúc có thể chia thành hai loại chính: cấu trúc tinh thể và cấu trúc vô định hình Kim loại, hợp kim và phần lớn các chất vô cơ đều có cấu trúc tinh thể, trong khi nhiều polyme lại có cấu trúc vô định hình Tùy thuộc vào bản chất của vật liệu và tính chất làm nguội, vật liệu có thể có cấu trúc tinh thể hoặc vô định hình Chẳng hạn, trong điều kiện làm nguội bình thường, silica (SiO2) không đủ thời gian để sắp xếp lại, dẫn đến cấu trúc vô định hình Ngược lại, khi làm nguội nhanh chóng, silica có đủ thời gian để sắp xếp theo trật tự nhất định, tạo thành cấu trúc tinh thể.
Hợp kim nanomet, với cấu trúc tinh thể nhỏ gọn và tốc độ làm nguội nhanh (trên 10^4 độ C/s), tạo ra vật liệu vi tinh thể Finemet là một ví dụ điển hình, chứa các hạt kim loại siêu mịn với kích thước nanomet.
M NG TINH TH
Khái nit kim lo i siêu m n
Trong chất rắn tinh thể, các nguyên tử được sắp xếp theo một cấu trúc có trật tự, với khoảng cách gần và xa giữa chúng Chất rắn tinh thể có trật tự gần và trật tự xa, với các nguyên tử xếp thành hàng và tạo thành một mạng tinh thể Khi các nguyên tử được sắp xếp theo quy luật, chúng hình thành các đỉnh thẳng, giao nhau tại các vị trí gọi là nút mạng Hình 1.5 minh họa hình dạng mạng tinh thể của chất rắn tinh thể.
Hình 1.5 Hình nh m ng tinh th
Trong mạng tinh thể, nút mạng chỉ chứa một nguyên tử hoặc ion Khi mạng tinh thể hợp chất hóa học có các liên kết ion hoặc đồng hóa trị, một nút mạng có thể chứa nhiều nguyên tử, lúc này gọi là nút phức Do sự sắp xếp có trật tự theo quy luật lặp lại trong không gian ba chiều, hình thái sắp xếp và mật độ nguyên tử có thể khác nhau, tạo nên tính đa dạng.
1.3.2 Ô c s , ký hi u ph ng vƠ m t a Ô c s
Trong không gian ba chiều, các chất điển hình (ion, nguyên tử, phân tử) được sắp xếp theo một trật tự nhất định, tuân theo quy luật nhất định Mỗi cấu trúc này có thể tìm được hình không gian tương ứng, được gọi là ô cấu trúc Tính chất của hình không gian một ô cấu trúc gắn liền với thông số mạng hay hàng số mạng Hình 1.6 minh họa hình dạng một ô cấu trúc gắn trong hệ tọa độ Oxyz.
Ô c s và h t a đ mô t ô c s c a m ng tinh th được xác định bởi 6 đ i l ng, bao gồm các c nh c a ô c s a, b, c và ba ph ng Ox, Oy, Oz Các góc giữa các đo n th ng này được ký hiệu là và .
nh trên hình 1.6 T ng quan gi a các đ i l ng này quy t đnh hình dáng c a ô c s B ng 1.1 th hi n các h tinh th theo hình dáng ô c s
B ng 1.1 Các h tinh th theo hình dáng ô c s
Chính ph ng (b n ph ng) a = b ≠ c = = 90
Nút m ng t ng ng v i các t a đ l n l t trên các tr c t a đ Ox, Oy, Oz đư ch n đ c đ t trong d u móc vuông [x, y, z] Giá tr âm bi u th b ng x, y, z c Ch s ph ng
Phương trình đường thẳng đi qua hai nút mảng xác định được phương Các phương song song với nhau có tính chất giống nhau, do đó có hệ số phương giống nhau Tuy nhiên, các phương không song song nhưng có hệ số vị trí tương đương sẽ có tính chất giống nhau tạo nên hệ phương.
Hình 1.7 là ví d v ch s ph ng Ví d , h ph ng g m các ph ng: Д110], Д011], Д101]… d Ch s c a m t tinh th
M t tinh th là m t ph ng đ c t o nên b i các nút m ng (ít nh t là 3 nút m ng)
Các mặt tinh thể có thể được phân loại thành các mặt song song, mặt chéo và mặt đối diện Các mặt tinh thể song song có tính chất hoàn toàn giống nhau và có cùng ký hiệu chéo Miller (hkl), đây là cách biểu diễn các mặt tinh thể trong hệ thống tinh thể.
Các b c xác đnh ch s Miller:
B c 1: Tìm giao đi m c a m t ph ng trên 3 tr c Ox, Oy, Oz
B c β: Xác đ nh đ dƠi đo n th ng t g c t a đ đ n các giao đi m, l y giá tr nghch đ o v i quy c đ dài c nh c a ô c s lƠ ắ1”
B c γ: Quy đ ng m u chung, l y các giá tr t s , ta s đ c ch s Miller (hkl)
Chú ý: Không xác đnh các m t đi qua g c t a đ Các m t tuy không song song v i nhau nh ng có các ch s v giá tr tuy t đ i h, k, l gi ng nhau t o nên h m t {hkl}
Hình 1.7 Ví d v ch s ph ng
Ví d , các b c xác đnh ch s Miller c a m t KEG trong hình 1.8
Xác đ nh đ dƠi đo n th ng t g c t a đ đ n các giao đi m 1 1 2
Hình 1.8 Ví d xác đ nh ch s Miller c a các m t tinh th
M t đ nguyên t
M t đ x p là m c đ dƠy đ c c a nguyên t trong m ng tinh th đ c xác đnh theo ph ng, m t ho c trong toàn b th tích
M t đ x p theo ph ng Ml, m t đ x p theo m t Ms và m t đ x p theo th tích
Mv l n l t đ c xác đnh theo công th c: m l m s m v
Trong bài viết này, chúng ta sẽ thảo luận về các khái niệm liên quan đến chiều dài, diện tích và thể tích của các nguyên tố Các ký hiệu L, S, V sẽ được sử dụng để biểu thị các thông số này Sắp xếp (sắp trí) là quá trình đánh giá một nguyên tố và các thuộc tính khác của nó, trong đó sắp xếp đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí của nguyên tố Số lượng nguyên tố được sắp xếp càng lớn thì độ chính xác trong việc đánh giá các thuộc tính của chúng càng cao So với các thông số khác, việc đánh giá nguyên tố dựa trên sắp xếp phản ánh chính xác hơn các tính chất của nguyên tố đó.
Do mạng tinh thể được cấu tạo từ các nguyên tử, ion có dạng hình cầu, nên dù có xếp sít nhau thì vẫn luôn tồn tại khoảng không gian trống giữa các hình cầu Không gian trống đó được gọi là lỗ hổng Kích thước lỗ hổng được đánh giá bằng đường kính của các nguyên tử nhỏ nhất có thể đặt vào không gian trống đó Hình dạng và kích thước lỗ hổng phụ thuộc vào cấu trúc mạng tinh thể Kích thước lỗ hổng đóng vai trò quyết định cho phép các nguyên tử khác loại xen kẽ vào và quyết định đến sự thay đổi cấu trúc của vật liệu, dẫn đến thay đổi tính chất của vật liệu.
C U TRÚC TINH TH I N HÌNH C A CH T R N TINH TH
Ch t r n có liên k t kim lo i
Xét trong điều kiện lưỡng tính cho kim loại nguyên chất, các nguyên tử (ion) thường có xu hướng xếp sít chặt với kiểu mạng đơn giản nhất là lớp phân tử tứ diện, lớp phân tử khối, và lớp giác xếp chặt Lớp phân tử khối A2 có cấu trúc hình lập phương cân bằng, trong đó các nguyên tử (ion) nằm ở các đỉnh và tâm khối Mạng lớp phân tử khối ký hiệu là A2 hay gọi tắt là mạng BCC (body-centered cubic) Hình dạng mạng lớp phân tử khối A2 được thể hiện trong hình 1.9.
S l ng nguyên t cho m i ô c s : nnt= 8 (đnh) × 1/8 + 1 (gi a) = 2 nguyên t ng kính nguyên t dnt có m i quan h v i thông s m ng a nh sau: nt d a 3
M i nguyên t trong m ng A2 luôn đ c bao b c b i 8 nguyên t g n nh t v i kho ng cách ng n nh t dnt và 6 nguyên t t ng đ i g n v i kho ng cách a nên s s p x p là 8 (8 + 6) M t tinh th x p ch t nh t là {110} M t đ th tích là 68%
Trong m ng tinh th A2 có 2 lo i l h ng, l h ng 8 m t có kích th c 0,154dnt n m tâm các m t bên {110} và gi a các c nh a; và l h ng 4 m t có kích th c
Mạng A2 có nhiều loại hình dạng và kích thước đầu nh nhỏ hơn 0,3 dnt, trong đó các kim loại thường gặp bao gồm Feα, Cr, Mo và W Các cấu trúc này đóng vai trò quan trọng trong việc định hình các tính chất của các thành phần bên trong.
Hình 1.9 a) Hình nh m ng l p ph ng tơm kh i A 2 trong không gian vƠ b) ô c s c a m ng A 2
M ng chính ph ng tơm kh i ch khác m ng l p ph ng tơm kh i A2 t ng quan gi a các c nh a = b c b M ng l p ph ng ỏâm m t A 1
Mạng lưới phẳng tôm mật A1 có ô cấu trúc hình lập phương với các nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương và tâm của các mặt bên Ký hiệu mạng lưới phẳng tôm mật A1 là A1, trong khi cấu trúc tinh thể này thuộc loại mạng FCC (face-centered cubic) Hình ảnh mạng lưới phẳng tôm mật A1 với ô cấu trúc được thể hiện trong hình 1.10.
S nguyên t trong m t ô c s : nnt = 8 (đnh) × 1/8 + 6 (m t) × 1/2 = 4 nguyên t ng kính nguyên t dnt có m i quan h v i thông s m ng a nh sau: nt d a 2
Các nguyên t x p sít nhau theo ph ng đ ng chéo a) b)
Hình 1.10 a) Hình nh m ng l p ph ng tơm m t A 1 trong không gian vƠ b) ô c s m ng l p ph ng tơm m t A 1
M i nguyên t bao quanh b i 12 nguyên t g n nh t v i kho ng cách dnt nên s s p x p là 12 Các m t tinh th dƠy đ c nh t là h {111} M t đ x p là 74%
Mạng A1 có hai loại lưới: lưới 8 mặt với kích thước 0,414dnt, nằm trung tâm khối và giữa các cạnh, và lưới 4 mặt với kích thước 0,225dnt, nằm ở vị trí 1/4 đường chéo khối tính từ đỉnh Số lượng lưới của mạng A1 ít hơn mạng A2, nhưng kích thước lưới lại lớn hơn Các kim loại có kiểu mạng này bao gồm Fe, Ni, Cu, và Al Mạng lục giác xếp chặt A3 là một hình lăng trụ lục giác đầu, với các nguyên tử nằm trên các đỉnh, tâm của hai mặt đáy và các đỉnh của khối lăng trụ cách đều nhau Mạng lục giác xếp chặt còn được gọi là mạng HCP (hexagonal close-packed), và hình dạng mạng lục giác xếp chặt A3 được thể hiện trong hình 1.11.
Hình 1.11 a) Hình nh m ng l c giác x p ch t A 3 trong không gian vƠ b) ô c s
S nguyên t trong m t ô c s là: nnt = 1β (đnh) × 1/6 + 2 (gi a m t) × 1/2 + 3 (tâm) = 6 nguyên t
Nguyên tố xếp sít nhau theo các mặt đáy với tỉ lệ tích hợp đạt 74% Trong mạng A3c, có 4 mặt và 8 mặt Kim loại điển hình cho mạng lục giác xếp chặt là Zn Cấu trúc mạng tinh thể của kim loại điển hình được trình bày trong bảng 1.2.
B ng 1.2 C u trúc tinh th c a m t s kim lo i
Kim lo i C u trúc tinh th Bán kính nguyên t (nm) Kim lo i C u trúc tinh th Bán kính nguyên t (nm)
Ch t r n có liên k t đ ng hóa tr
Kim cương là một dạng tinh thể của cacbon với cấu trúc electron là 1s² 2s² 2p², trong đó số lượng electron tham gia liên kết là N = 4, và số lượng liên kết hóa học là 4 Mỗi nguyên tử cacbon trong kim cương có 4 nguyên tử xung quanh, tạo nên cấu trúc đặc biệt Hình 1.12 minh họa cấu trúc của kim cương.
Ô c s c a m ng kim c ng A 4 được tạo thành trên cơ sở ô c s m ng A1 và có thêm 4 nguyên tử bên trong với các tỉ lệ (1/4, 1/4, 1/4); (3/4, 3/4, 1/4); (1/4, 3/4, 3/4); (3/4, 1/4, 3/4) Các nguyên tử carbon đều có liên kết hóa trị với năng lượng liên kết lớn, vì vậy kim cương có độ cứng rất cao, cao nhất trong thang độ cứng.
Hình 1.13 Hình nh m ng graphit
Graphit là một dạng tinh thể có cấu trúc gồm 6 lớp phẳng, trong đó các nguyên tử được sắp xếp theo hình lục giác đều Trong mỗi lớp, các nguyên tử carbon liên kết chặt chẽ với nhau, tạo thành một mạng lưới vững chắc Khoảng cách giữa các nguyên tử trong cùng một lớp lục giác khá nhỏ, trong khi khoảng cách giữa các lớp lục giác lại lớn hơn và được kết nối với nhau bằng lực Van-der-Waals Chính vì vậy, graphit dễ dàng tách lớp và có tính chất mềm mại hơn so với kim cương Graphit rất phổ biến và được coi là một trong những chất rắn có độ cứng thấp nhất.
Sợi carbon được cấu tạo từ các nguyên tử carbon với cấu trúc mạng là các mặt phẳng lục giác giống như graphit, chứa các liên kết đồng hóa trị và liên kết yếu Van-der-Waals Cấu trúc sợi carbon có độ bền cao hơn rất nhiều so với nhiều vật liệu khác Ưu điểm của sợi carbon bao gồm độ bền cao, trọng lượng nhẹ, khả năng kháng hóa chất, chịu nhiệt tốt và giãn nở nhiệt thấp Do đó, sợi carbon hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong ngành hàng không, công nghiệp ô tô, vũ trụ, quân sự và thể thao Tuy nhiên, giá thành của loại vật liệu này khá đắt.
Silic cacbon thường được kết hợp với các vật liệu khác để tạo thành một vật liệu hữu hình Khi được ngâm tẩm với nhựa dẻo và nung, nó tạo thành polyme gia cường silic cacbon (thường gọi là silic cacbon) với tính chất bền trên trục lực rất cao và rất cứng, tuy nhiên vật liệu này trở nên giòn hơn Silic cacbon cũng có thể kết hợp với các vật liệu khác, chẳng hạn như than chì, để tạo thành vật liệu tổng hợp cacbon-cacbon gia cường, có khả năng chịu nhiệt rất cao Cấu trúc fullerene.
Cấu trúc fullerene C60 được trình bày trong hình 1.15, bao gồm 60 nguyên tử carbon sắp xếp trên một mặt cầu theo định dạng của 12 ngũ giác và 20 lục giác Các ngũ giác không tiếp xúc với nhau mà liên kết với nhau qua các lục giác Một phân tử fullerene C60 có hình dạng giống quả bóng đá với nhiều múi Cấu trúc này có độ đối xứng tròn và độ bền rất cao Fullerene được sử dụng rộng rãi trong một số ứng dụng y sinh, bao gồm thiết kế các chất tương phản MRI hiệu suất cao và chất tương phản hình ảnh tia.
X, li u pháp quang đ ng và cung c p thu c và gen
Hình 1.15 C u trúc fullerence e C u trúc c a SiO 2
Mạng tinh thể SiO2 có cấu trúc dạng tam giác đều, trong đó mỗi ion Si +4 được bao quanh bởi bốn ion O 2- Do đó, khối tinh thể này tạo thành ion (SiO4) 4-, đảm bảo tính trung hòa điện tích của hai ion O 2- trong cấu trúc mạng tinh thể.
Phương thức và điều kiện tạo thành có thể khác nhau, dẫn đến các cấu trúc khác nhau trong khi làm người chậm Khi làm người chậm, thu được sự chính xác cao, trong khi làm người nhanh lại thể hiện được sự tinh tế.
Ch t r n có liên k t ion
C u trúc tinh th có liên k t ion ph thu c vào hai y u t :
- T s c a s l ng ion âm trên s l ng ion d ng: t s này là c đ nh đ i v i t ng ch t, ph thu c vào s l ng đi n t tham gia liên k t, đ m b o tính trung hòa v đi n c a h th ng
Tính chất của ion dương và ion âm liên kết với nhau tạo thành các liên kết không định hình Do đó, trong môi trường tinh thể, các ion có xu hướng sắp xếp để đạt được cấu trúc ổn định nhất với năng lượng tối thiểu.
Mạng tinh thể của hợp chất với liên kết ion có cấu trúc đơn giản (A1, A2), nhưng sự phân bố các ion trong mạng này khá phức tạp, do đó được coi là mạng phức tạp Có thể hình dung mạng tinh thể của hợp chất hóa học với liên kết ion được tạo thành trên cơ sở của các ion âm, trong đó các ion dương liên kết với nhau để tạo thành một phần hoặc toàn bộ các lớp mạng.
C u trúc polyme
Trong c u trúc tinh th c a kim lo i và các ch t vô c , ô c s ch t o nên b i s l ng h n ch nguyên t (ion) Còn polyme đ c t o nên b i r t nhi u phân t mà m i phân t l i g m hàng tri u nguyên t
M ch polyme đ c s p x p và liên k t v i nhau b ng liên k t y u Van-der-Waals
S s p x p này có th có tr t t t o nên c u trúc tinh th ho c không tr t t t o nên tr ng thái vô đnh hình.
D ng thù hình
Thù hình (đa hình) lƠ s t n t i hai hay nhi u c u trúc m ng tinh th khác nhau c a cùng m t nguyên t hay m t h p ch t hóa h c M i c u trúc khác bi t đó đ c g i là m t d ng thù hình
Quá trình thay đ i c u trúc t d ng thù hình này sang d ng thù hình khác đ c g i là chuy n bi n thù hình Theo chi u nhi t đ t ng, các d ng th hình đ c ký hi u , ,
, … Do có s thay đ i v c u trúc nên tính ch t c a v t li u c ng thay đ i r t l n Các y u t nh h ng đ n chuy n bi n thù hình là nhi t đ và áp su t
Ví d , s t có hai ki u m ng A2 và A1 D i 911C, s t có ki u m ng A2 g i là
Fe Trong kho ng 911÷1.392C, s t chuyêrn sang ki u m ng A1 g i là Fe T 1.392C đ n 1.539C, m ng tinh th c a s t l i chuy n v A2, g i là Fe Do đó, Fe, Fe, Fe là các d ng thù hình c a s t.
SAI L CH M NG TINH TH
Sai l ch đi m
Sai lầm là một khái niệm có kích thước rất nhỏ, được định nghĩa theo ba chiều trong không gian, và bao quanh một điểm Sai lầm này có thể được hình dung như một nút trống, với nguyên tử xen kẽ và tụ tập lại.
Độ dao động nhiệt độ xung quanh vị trí cân bằng của một hệ thống phân bố năng lượng không đều, dẫn đến sự di chuyển của các nguyên tử ra khỏi nút mạng Sau khi rời khỏi nút mạng, các nguyên tử có thể chuyển sang vị trí xen kẽ giữa các nút mạng, tạo thành cấu trúc xen kẽ Tăng nhiệt độ sẽ làm tăng năng lượng của nút mạng, khiến chúng di chuyển từ nút mạng này sang nút mạng khác Ví dụ, ở nhiệt độ 20-25°C, trong hệ thống có khoảng 10^-13% nút mạng; trong khi ở nhiệt độ gần điểm nóng chảy, có khoảng 0,01% nút mạng (tương đương với 1 nút mạng trên 10^4 nguyên tử) Nút mạng là loại khuyết tật quan trọng, ảnh hưởng đến tất cả các quá trình liên quan đến sự dịch chuyển nguyên tử như khuếch tán và thiêu kết.
Hình 1.16 Sai l ch đi m trong m ng tinh th b Nguyên t t p ch t
Trong thực tế, không có vật liệu nào là chắc tuyệt đối mà luôn có các tập chất lẫn vào Nguyên tắc tập chất có thể thay thế các nguyên tử nguyên mẫu hoặc xen kẽ giữa các nguyên tử nguyên mẫu tùy thuộc vào kích thước nguyên tử tập chất Do sự sai khác giữa đường kính nguyên tử nền và nguyên tử tập chất, nên khi thay thế cho nhau, luôn có một khoảng cách nhất định giữa chúng vì kích thước lỗ hổng luôn nhỏ hơn đường kính nguyên tử Các nguyên tử nền xung quanh lỗ hổng có xu hướng xích lại gần nhau Trong nhiều trường hợp, chỉ cần tạo ra sai lệch này bằng cách đưa thêm một lượng đáng kể nguyên tử (của chất thứ hai) vào nền.
Tác động của các khuyết tật đến tính chất vật lý và hóa học của kim loại nguyên chất là rất lớn Các khuyết tật này có thể làm thay đổi đáng kể các tính chất của kim loại, đặc biệt là khi nồng độ của các khuyết tật này tăng lên Khi nồng độ khuyết tật cao, tính chất cơ học của kim loại sẽ bị suy giảm rõ rệt.
Sai l ch đ ng
Là lưới sai lệch có kích thước nhất định, hoạt động theo hai chiều và một chiều thứ ba, bao gồm các dạng như thẳng, cong và xoáy trôn Sai lệch đẳng có thể là một dãy các sai lệch đi kèm, bao gồm cả lưới biên và lưới xoắn.
Có th hình dung l ch biên đ c t o thành nh chèn thêm bán m t ABCD vào n a trên c a m ng tinh th lỦ t ng Mô hình l ch biên đ c th hi n trong hình 1.17
Sự xuất hiện của bán mặt ABCD khiến các mặt phẳng nguyên tử khác nằm ở hai phía trở nên không hoàn toàn song song với nhau Sự xô lệch này kéo dài theo đường AD, được gọi là trục lệch, và chính là biên của bán mặt, do đó được gọi là lạch biên.
V i s phân b nh v y, n a tinh th có ch a bán m t s ch u ng su t nén, n a còn l i ch u ng su t kéo L ch biên có nh h ng r t l n đ n quá trình bi n d ng d o
Hình 1.17 Mô hình l ch biên b L ch xo n
Hình dung về lò xo nén có thể được mô tả như sau: có một chất tinh thể được sắp xếp theo bán mạng ABCD, trong đó các nguyên tử ở vùng B đến A di chuyển theo hướng song song với nhau Tại A, sự chuyển động diễn ra mà không có sự thay đổi về hình dạng Lúc này, các nguyên tử trong mạng tinh thể không còn song song mà cách đều nhau, tạo thành một cấu trúc có dạng xoắn Đường AD là tâm của sự xoắn, vì vậy nó được gọi là trục lò xo.
Hình 1.18 Mô hình l ch xo n c L ch h n h p
Trong nhi u tr ng h p, m t l ch có đ c tr ng c a c l ch biên và l ch xo n g i là l ch h n h p.
Sai l ch m t
Sai lệch mặt có kích thước lớn theo hai chiều và nhỏ theo chiều thứ ba, tức là có dạng của mặt một (công, phẳng, uốn lượn) Sai lệch mặt bao gồm các loại biên giới hạt, biên giới siêu hạt và cấu trúc mặt ngoài tinh thể Biên giới hạt là
Vùng tiếp giáp giữa các hợp chất trong đa tinh thể được mô tả qua mô hình biên giới hợp chất Các nguyên tử trong vùng biên giới không sắp xếp theo trật tự mà tạo thành cấu trúc vô định hình Chiều dày biên giới hợp chất phụ thuộc vào độ tinh khiết của vật liệu; kim loại càng tinh khiết thì chiều dày biên giới hợp chất càng mỏng.
Hình 1.19 Mô hình biên gi i h t b Siêu h t
Siêu hạt là những vùng tinh thể có kích thước từ 10^2 đến 10^4 nm, với cấu trúc tinh thể khá hoàn chỉnh Chúng được định hình một cách đồng nhất và được ngăn cách bởi các biên giới siêu hạt.
Biên giới siêu hạt thực chất là những tương tác lẫn nhau giữa các lớp chất, tạo nên do những lớp chất cùng hoạt động trên những mặt phẳng song song và giữ nhau ở vị trí cân bằng Biên giới siêu hạt thường xuất hiện trong quá trình kết tinh lại, có tác động làm cản trở sự tương tác với các loại sai lệch điển hình khác, do đó đóng vai trò quan trọng trong quá trình biến đổi độ cứng của kim loại.
M t ngoài tinh th có hình thái t n t i khác so v i nh ng m t tinh th bên trong
Do các nguyên t m t ngoƠi không có đ s s p x p nh nguyên t bên trong nên chúng không s p x p theo tr t t quy đnh c a tinh th và t o thành vùng sai l ch.
Sai l ch kh i
Sai lệch có kích thước lớn theo ba chiều trong mảng tinh thể được phân thành sai lệch khối và sai lệch vi mô Sai lệch khối là những sai hỏng sinh ra khi nấu chảy, đúc hợp kim nhôm và các vật liệu khác Trong khi đó, sai lệch vi mô liên quan đến các pha thứ hai tồn tại trong hợp kim, ảnh hưởng đến tính chất cơ học và chất lượng vật liệu Những sai lệch này có thể được tạo ra để cải thiện độ bền hoặc tính chất vật liệu theo mong muốn Tùy thuộc vào cấu trúc, hình thái và kích thước của pha thứ hai, tính chất của vật liệu sẽ thay đổi khác nhau.
Vai trò c a sai l ch m ng tinh th
S xu t hi n c a các sai l ch m ng tinh th và s t ng tác gi a chúng làm nh h ng l n đ n tính ch t c a v t li u, đ c bi t lƠ c tính
Xét những ảnh hưởng của lực chảy đối với biến dạng dẻo của kim loại, trong quá trình biến dạng dẻo luôn có hai hiện tượng ngược nhau xảy ra Thứ nhất, khi biến dạng dẻo, mạng tinh thể bị xô lệch, một đỉnh lạch tịnh Khi một đỉnh lạch tịnh lớn hơn, nó sẽ tạo ra biến dạng Ngược lại, sự tác động giữa các lạch với nhau cũng tăng theo lường giảm một cách chuyển động của lạch, nghĩa là cần phải duy trì tác động biến dạng cần phải tăng ngược sức đẩy được lạch gây ra Kết quả là đỉnh của vật liệu được tăng lên Đây gọi là hiện tượng hóa bền biến dạng Lạch cũng đóng vai trò quan trọng trong việc giải thích các hiện tượng hóa bền bằng dung dịch rắn, hóa bền biên giới hạt và hóa bền pha thứ hai (hóa bền cấu trúc).
Nhìn chung, sự sai lệch trong tính chất vật liệu là điều không thể tránh khỏi Tuy nhiên, khi vật liệu bị chèn ép từ bên ngoài, nó sẽ tích tụ năng lượng, dẫn đến việc khi giá trị đạt đến ngưỡng cao hơn, sẽ xảy ra hiện tượng phá vỡ Các lực tiếp theo tác động lên bề mặt vật liệu sẽ làm cho nó trở nên dẻo hơn và chuyển thành vật thể lún, nghiêm trọng hơn, lúc này trong vật liệu sẽ xảy ra hiện tượng phá hủy.
KHÁI NI M N TINH TH VÀ A TINH TH
n tinh th
Nửa dẫn tinh thể là một khối đồng nhất, có kiểu và hướng sắp xếp nguyên tử đồng nhất trong toàn bộ thể tích, được gọi là lơ đẫn tinh thể Các dẫn tinh thể kim loại tồn tại trong tự nhiên nhưng rất hiếm Để có được dẫn tinh thể, cần phải sử dụng công nghệ nuôi trồng dẫn tinh thể Dẫn tinh thể có tính chất đặc thù là đồng hướng, vì theo các phương pháp xếp chặt nguyên tử khác nhau Trong sản xuất công nghiệp, khí hậu không sử dụng dẫn tinh thể, nhưng chúng được dùng rộng rãi trong ngành điện tử và bán dẫn Ví dụ, các dẫn tinh thể silic và germani được sử dụng làm các linh kiện bán dẫn như diode, transistor trong mạch vi điện tử.
Hình 1.20 a) Hình nh đ n tinh th trong th c t và b) mô hình c u t o đ n tinh th
1.6.2 a tinh th a tinh th g m r t nhi u đ n tinh th c m đ c g i là h t tinh th (h t) Chúng có cùng c u trúc và thông s m ng nh ng ph ng l i đ nh h ng khác nhau, mang tính ng u nhiên và liên k t v i nhau qua các vùng ranh gi i (biên gi i h t) Vì th , đa tinh th mang tính đ ng h ng gi Hình nh s đ c u trúc đa tinh th đ c th hi n trên hình 1.21
Biến giới hình thức chủ yếu của phòng mang các hệ thống xung quanh, dẫn đến cấu trúc hình hợp không đồng nhất Do đó, không duy trì được cấu trúc quy luật tinh thể mà thường có sắp xếp không trật tự, xô lệch và vô định hình, thường kém sít chặt với tính chất khác so với bản thân hợp chất.
Hình 1.21 Hình nh s đ c u trúc h t tinh th
Sự kết tinh là sự chuyển đổi của cấu trúc mạng tinh thể của kim loại khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn Một ví dụ điển hình cho quá trình kết tinh của kim loại là quá trình đúc kim loại trong khuôn.
Phân loại các kim loại và hợp kim của chúng được tạo ra trong trạng thái lỏng, sau đó được đổ vào các khuôn đúc, dẫn đến quá trình kết tinh Sau đó, sản phẩm sẽ trải qua các dạng gia công tiếp theo như rèn, dập, cán để trở thành các sản phẩm hoàn chỉnh hoặc bán thành phẩm Do đó, tính chất của vật liệu tạo thành chủ yếu phụ thuộc vào quá trình kết tinh và hình thành cấu trúc kim loại trong quá trình này.
Kim loại ở trạng thái lỏng có cấu trúc trật tự gần như không có trật tự xa Trong kim loại lỏng, các nhóm nguyên tử sắp xếp trật tự, chúng ở trạng thái cân bằng động, có khả năng tan ra rất nhanh chóng và chuyển đổi thành trạng thái khác So với chất khí hay chất rắn vô định hình, cấu trúc trạng thái lỏng gần giống trạng thái tinh thể, giúp cho chất lỏng có thể tinh chế thành mảng tinh thể một cách dễ dàng.
1.7.2 Bi n đ i n ng l ng khi k t tinh
Trong quá trình tách pha, vật chất thường có xu hướng chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn khi nhiệt độ giảm Cụ thể, trong quá trình này, năng lượng tự do của trạng thái lỏng sẽ giảm xuống khi chuyển sang trạng thái rắn Hình 1.22 minh họa sự biến đổi năng lượng tự do của trạng thái rắn Fr và trạng thái lỏng Fl phụ thuộc vào nhiệt độ.
Hình 1.22 Bi n đ i n ng l ng khi k t tinh
- nhi t đ T = Ts, n ng l ng t do hai pha l ng và r n b ng nhau, Fl = Fr;
- nhi t đ T > Ts v t th t n t i tr ng thái l ng vì Fl < Fr;
- nhi t đ T < Ts v t th tr ng thái tinh th vì Fr < Fl
T i đi m nhi t đ Ts trong kim lo i có sự chuyển trạng thái từ l ng sang tinh th và ng c l i, dẫn đến hiện tượng k t tinh khi nung nóng Nhi t đ k t tinh hay nhi t đ nóng ch y chỉ có giá trị lý thuy t Trong điều kiện thông thường, khi lƠm ngu i, k t tinh không xảy ra do n ng l ng t do của hai trạng thái l ng và r n cân b ng nhau Do đó, s k t tinh thực chất xảy ra ở nhi t đ th p h n nhi t đ k t tinh lý thuy t Ts, tại đó n ng l ng pha l ng l n h n n ng l ng c a trạng thái r n S chênh l ch gi a nhi t đ k t tinh lý thuy t và nhi t đ k t tinh th c t g i lƠ đ quá ngu i, được tính theo công thức: ẤT = Ts - Tkt.
Ts - nhi t đ k t tinh lý thuy t (C)
Sự kết tinh của kim loại nguyên chất có thể thay đổi nhiệt độ rót từ 1 đến 2°C, tùy thuộc vào cách làm nguội khi kết tinh Nhiệt độ kết tinh thực tế trong khuôn cát thường cao hơn so với khuôn kim loại Do đó, không thể xác định một nhiệt độ kết tinh chung cho mọi môi trường Khi làm nguội một cách có ý thức, nhiệt độ kết tinh thực tế của kim loại nguyên chất có thể gần với lý thuyết, nhưng trong nhiều trường hợp, vẫn có thể xảy ra sai lệch.
1.7.3 Hai quá trình c a s k t tinh nhi t đ T < Ts s k t tinh x y ra đ c nh hai quá trình c b n n i ti p nhau là t o m m và phát tri n m m a T o m m
Quá trình hình thành các phân tử có cấu trúc tinh thể là nhóm trật tự gắn liền với kim loại, với kích thước được xác định rõ ràng Những phân tử này không bị phân tán mà phát triển thành các hạt tinh thể Có hai cách tạo ra các hạt này trong thực tế: qua phương pháp sinh và phương pháp ký sinh.
Mẫu sinh là một dạng của vật chất kim loại lỏng, không có cấu trúc giúp các phần tử trong đó Khi đó, những nhóm nguyên tử gần nhau có kích thước lớn (lớn hơn kích thước tại nhiệt độ nhất định) sẽ hình thành, không bị phân tán và phát triển thành chất rắn Đây là quá trình tạo ra mẫu sinh.
Kích th c t i h n đ c xác đnh theo công th c: c th v r 2 f
(1.5) trong đó: rth - kích th c t i h n;
fv - đ chênh n ng l ng t do gi a pha l ng và pha r n tính cho m t đ n v th tích
Khi kết tinh nhiệt độ thấp, sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì khả năng hình thành các nhóm trật tự trong chất lỏng càng cao Điều này dẫn đến việc có nhiều mầm mống sinh sản hơn, phụ thuộc vào điều kiện và kích thước của chúng.
M m ký sinh là sự tồn tại của các mầm m m trên bề mặt phần tử trong kim loại lỏng không đồng nhất Các phần tử này bao gồm các tập chất, bột ngẫu nhiên, bột than, bột silicon, và ngay cả các mảnh vụn của thành khuôn Các nhóm trật tự trên bề mặt các phần tử trong kim loại lỏng sẽ hình thành các bề mặt mới Do sự cạnh tranh giữa các phần tử này, mầm m m và kim loại lỏng tạo ra giá trị gia tăng, và càng nhiều nhóm trật tự tồn tại thì khả năng kích thích sự hình thành các mầm m m sẽ càng cao.
Sinh thái mầm mống là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển cây trồng Trong nhiều trường hợp, việc kết hợp các phần tử tự nhiên vào kim loại lỏng giúp quá trình kết tinh diễn ra nhanh chóng và hiệu quả hơn Điều này không chỉ thúc đẩy sự phát triển của mầm mà còn nâng cao năng suất cây trồng.
Khi mầm được phát triển đến kích thước tối ưu, quá trình này diễn ra tự nhiên nhằm giảm năng lượng tự do Trong quá trình phát triển, lớp sợi đóng vai trò quan trọng, giúp các nguyên tử bám dính chắc chắn vào mặt đất Trong điều kiện bình thường, mầm phát triển nhanh chóng theo nhiều phương hướng, tạo nên nhánh cây, đồng thời cũng phát triển nhanh theo hướng tỏa nhiệt Hình ảnh minh họa cho thấy sự phát triển mầm theo các nhánh cây Các mầm sau khi được tạo thành sẽ phát triển mảnh theo trục bậc nhất Tiếp theo, theo mức độ tăng trưởng, các nhánh bậc hai xuất hiện và bắt đầu vươn lên trên các trục bậc nhất Từ các trục bậc hai, các trục bậc ba được phân nhánh, cuối cùng tạo ra các khu vực giữa các nhánh cây.