Read CHUONG%204(5).pdf text version

Chng 4.

LIÊN KT CÁC H NGNG T. CU TO VÀ TÍNH CHT

4.1. i cng v tinh th 4.1.1. c trng v cu trúc a. Khái nim Nu gi thit các phn t cu to nên vt cht là các nguyên t, ion hoc phân t, thì tinh th là trng thái mà ó, các phn t sp xp trong không gian to nên mt quy lut nào ó. V mt hình hc, các phn t cu to c xem nh nhng cht im, quy lut ca nhng cht im này là tính i xng và hoàn toàn trong không gian tinh th. Do vy, tinh th thng nhn mt hình thái nht nh di dng mt a din nào ó. Khi làm ngui t t mt dung dch bão hòa hay mt cht lng, chuyn ng nhit ca các ht gim, nhng phân t, nguyên t hay ion tp hp li và phân b, sp xp thành mng li không gian vi mt cu trúc xác nh. Khi ó ta có mt tinh th, hay quá trình này gi là quá trình kt tinh. Trong thc t, các cht rn tinh th c to thành t nhiu tinh th rt nh (khong 10 ­ 20 µm) nh hng khác nhau. Các cht rn nh vy gi là a tinh th. Vi nhng tinh th to nên cht rn nh mt tinh th duy nht c gi là n tinh th. b. Tính cht - Tính bt ng hng ca tinh th: Trong tinh th, các n v cu trúc liên kt vi nhau bng nhng liên kt hóa hc và c phân b mt cách tun hoàn theo nhng quy lut nht nh to thành mt mng li không gian u n, mc dù chúng có th ng hng vi mt vài tính cht nào ó. Ví d: Tinh th mui n dng lp phng, ng hng v tính quang hc, nhng d hng v nhiu tính cht nh: tính c hc, tính dn in,... Tính bt ng hng th hin ch nhiu tính cht vt lý nh bn c hc, s khúc x ánh sáng, tính dn nhit, tính dn in, cng, tc hòa tan,... có giá tr khác nhau theo nhng hng khác nhau. - Lc hút gia các ht (nguyên t, phân t, ion) trong mi trng thái tinh th luôn là lc hút tnh in. Ví d tinh th cu to t các phân t trung hòa in thì s nh hng tng i gia chúng có th liên quan ti s có mt ca lng cc in trong ht. - Tính nh v nht nh trong vùng không gian tinh th: nhit thng, các phân t dao ng quanh v trí cân bng vi mt biên nht nh, nhng nhit càng tng, biên dao ng càng ln. - Mi tinh th trong quá trình kt tinh ph thuc vào các yu t sau: + Tính i xng: Thông thng mt cht có thành phn hóa hc càng n gin thì mng li tinh th có tính i xng càng cao. + T l gia bán kính các loi ht trong mng li.

54

+ Lc tng tác gia các ht (bao gm mnh, tính nh hng ca các mi liên kt gia các ht). + iu kin bên ngoài (nhit , áp sut,...), ôi khi cng nh hng n cu trúc ca tinh th. 4.1.2. Các h tinh th Mng li tinh th có th coi nh c cu to bi nhng hình hp mà nh là các cu t ng nht (nguyên t, phân t, ion).

Hình 21. Mng li tinh th Mt hình hp c bit gi là t bào s ng (hay ô mng c s) c xác nh bng s kt hp mt s iu kin sau ây: - T bào s ng phi có tính i xng cao. - S góc ô vuông phi nhiu nht. - Th tích phi nh nht. Trong tinh th hc, h thng ta c chn làm 3 trc i qua mt im mng và trùng vi phng ca 3 cnh ca t bào s ng. Các trc a, b, c, các góc , , , cng nh các cnh a0, b0, c0 ca t bào s ng (c s dng làm n v dài ng vi trc a, b, c) c quy nh thng nht nh sau:

Hình 22. T bào s ng và h trc ta qui c Các cnh a0, b0, c0, các góc , , , c gi là hng s mng. Có 7 h tinh th: H tam tà, h n tà, h trc thoi, h tam phng, h t phng, h lc phng, h lp phng. 4.1.3. Các mng li Brave (Bravais) Trong ô mng Brave c la chn tuân theo nguyên tc ca ô mng c s, ngha là tính i xng ca nó c gi nguyên nh toàn mng, s góc ô vuông nhiu nht và th tích nh nht.

55

Sau ây là các mng Brave:

Tam tà n tà T giác

Trc giao

Trc thoi

Lp phng

Lc giác

Hình 23. Mi bn mng Brave Trong mng Brave có tính i xng cao nht ca h tinh th. Tuy nhiên tinh th thng có tính i xng thp hn. Trong mng, ngoài các yu t i xng thông thng, xut hin hàng lot yu t i xng c trng cho mng không gian. Ngoài s a dng ó, trong cu trúc tinh th còn bt gp nhiu hin tng th hin ch vô s yu t i xng cùng loi song song. 4.2.Tinh th ion 4.2.1. Liên kt hóa hc trong tinh th ion a. Khái quát mô hình ion và s hình thành tinh th ion * Mô hình ion c hình thành trên c s - Tinh th ca các cht mà nút mng ca chúng c hình thành bi nhng cation và anion hình cu vi mt bán kính xác nh. - Lc tng tác gia các ion trên nút mng là lc hút tnh in không nh hng. * S hình thành tinh th ion Trong nhng tinh th ion, các nguyên t bin thành các ion dng hay âm xen ln nhau, và s c kt này có c là do s hút tnh in gây nên. Khi ó các nút li

56

là do các ion dng hoc âm ln lt chim gi, các ion này liên kt vi nhau bng liên kt ion. Vì liên kt ion là loi liên kt bn không nh hng, không bo hoà, nên mng li ion có c im: + Có bn cao, cng cao. + Tuân theo nguyên lý sp xp c khít nht. + Tính dn in, dn nhit kém. Ví d: Trong mng tinh th ion NaCl có s phi trí bng 6. Ô mng c s có dng hình lp phng. Các ion Na+ nm tâm và trung im các cnh hình lp phng, các ion Cl- nh và im gia các mt hình lp phng. Nu xem các ion các nút mng nh nhng qu cu tip xúc vi nhau thì i vi mi ion ta s tìm thy mt bán kính xác nh và không i, khi ta chuyn t trng thái cht này sang hp cht khác. Các cation có bán kính nh hn bán kính ca nguyên t kim loi tng ng. Các cation nói chung có bán kính ion nh hn so vi các anion. Các giá tr ca bán kính theo angstrom (A0): ClI1,81 2,16 Na+ K+ 0,95 1,33 Na K 1,92 2,38

b. Nng lng mng li hp cht ion Nng lng mng li ca mt hp cht ion kt tinh là nng lng c gii phóng trong quá trình hình thành mt mol phân t tinh th t nhng ion riêng r (ký hiu là U, thng quy c có du tr). Ví d: NaCl. Uml = - 766kJ/mol. Nng lng mng li quyt nh bn, hòa tan và nhiu tính cht khác ca tinh th. Công thc thc nghim xác nh nng lng mng li theo Booc ­ Lanê (Born và Landé):

U ml = - NAz 2 e 2 1 (1 - ) r n

n- h s y Booc, c xác nh t tinh th chu nén ca ion Vi NaCl, n = 9,1; LiF, n = 5,9; NaBr, n = 9,5 N - s Avogaro A - hng s Malung, ph thuc cu trúc mng li tinh th ; vi NaCl, A = 1,748.

57

Công thc gn úng xác nh nng lng mng li theo Kapustinxki:

U ml = -1071,5. z c .z a . v rc + ra

[kJ/mol]

zc, za - s in tích ca cation và anion. rc, ra ­ bán kính ca cation và anion tính ta A0.

v

- s ion trong n v công thc. Vi CaCl2 thì

v = 3.

4.2.2. Cu trúc ca tinh th ion Do tính không nh hng ca lc hút tnh in gia các ion trong tinh th ion, nên cu trúc tinh th ion v cn bn là do s tng quan gia bán kính cation và anion quyt nh. Ví d: Trong tinh th NaCl

Trong tinh th NaCl, mi loi ion to thành mt mng li lp phng tâm din. Mi ion c bao quanh bi 6 ion khác du gn nht nm ti nh ca hình bát din u mà tâm là ion trên. S phi trí là 6. 4.2.3. Tính cht ca tinh th ion Tính cht các hp cht ion phn nhiu c quyt nh bi cu trúc ca tinh th và lc tng tác gia các ion trong tinh th. Các hp cht ion có rn, nhit nóng chy, nhit sôi tng i cao, giãn n nhit cng nh chu nén tng i nh. Yu t này là do lc tng tác tnh in gia các ion tng i ln. H s giãn n nhit cng ph thuc vào nng lng mng li ion: H s giãn n nhit càng ln khi in tích ca các ion càng nh và khong cách gia các ion càng ln. Ví d, khong cách gia các ion tng theo th t NaF, NaCl, NaBr, NaI, nên h s giãn n cng tng theo th t trên. Các hp cht ion là nhng cht dn in trng thái nóng chy: Các tinh th ion rn và dòn hn, dòn ca chúng là do khi ion di ch thì lc y ca các ion tích in cùng du bt u thng lc lc hút gia các ion khác du, và tinh th d b phá v. Vì vy trng thái rn, các ion không có tính dn in.

58

Bng 4. Nhit nóng chy các tinh th ion (0C) Anion FClBrIOHS2O2 - 2

Cation Li+ 848 610 550 449 473 1570 220 Na+ 995 800 750 662 321 1180 283

Nhit nóng chy cao, cho thy các hp cht ion có nng lng ln. 4.3. Tinh th kim loi 4.3.1. Liên kt hóa hc trong tinh th kim loi a. Mô hình "khí electron" ca ru và Loren (Drude, Lorentz) Theo mô hình này, các electron có kh nng tách khi nguyên t và di ng tng i t do trong nguyên t to thành mt ám "khí electron". S tng tác gia "khí electron" này vi ion dng kim loi các nút mng là nguyên nhân ca lc liên kt kim loi. Da trên mô hình này, ta có th gii thích mt s tính cht vt lý ca kim loi nh: tính dn nhit, dn in, tính cng, kh nng hp th và phn x ánh sáng,... Tuy nhiên vi mô hình trên, khó khn trong vic gii thích nhit dung ca kim loi. J/(kg K) = 2.389x10-4 kcal/(kg oC) 1 kJ/(kg K) = 0.2389 kcal/(kg oC) 1 kcal/(kg oC) = 4,186.8 J/ (kg K) Theo thuyt ng hc ca cht khí, trong tinh th kim loi, các electron t do phi có phn óng góp vào nhit dung chung ca tinh th kim loi là 3/2R (R - hng s khí = 8,3144J/mol.K = 1,98 cal/mol.K). iu này mâu thun vi kt qu thc nghim là phn óng góp ca "các khí electron" là không áng k.

59

Bng 5. Nhit dung c th ca mt s kim loi thông thng Kim loi K Be Al Se Mg Sb Cu Mn Hg Mo Nhit dung riêng ca kim loi - cp (kJ/kg K) 0.75 1.83 0.91 0.32 1.05 0.21 0.39 0.48 0.14 0.25 (kcal/kg C) 0.180 0.436 0.22 0.077 0.243 0.05 0.092 0.114 0.033 0.06 Pt Cd Cr Co Bi Cd Au Fe Pb Ni

o

Kim loi

Nhit dung riêng ca kim loi - cp (kJ/kg K) 0.13 0.23 0.46 0.42 0.13 0.23 0.13 0.46 0.13 0.54 (kcal/kgoC) 0.032 0.055 0.11 0.1 0.03 0.055 0.031 0.108 0.031 0.106

b. Mô hình di nng lng Mô hình này da trên c s v electron không nh c (tc là electron chuyn ng trên các MO chung ca toàn phân t). Trên c s này, thuyt MO thích hp trong vic mô t liên kt kim loi. Các trng thái electron ây cng c hình dung nh các trng thái electron không nh c trong phân t benzen hay trong các h electron không nh c trong phân t có h liên kt liên hp.

Hình 24. S hình thành di nng lng ca MO không nh c Gii thích theo mô hình trên: - i vi phân t có s t hp ca N obitan nguyên t s cho N/2 MO liên kt và N/2 MO phn liên kt vi các mc nng lng ri rc, gián on.

60

- Trong tinh th kim loi, s nguyên t vô cùng ln, nên s AO cng vô cùng ln. Vì vy, s t hp các AO này cng cho mt s vô cùng ln các MO, và nh th hiu các mc nng lng s vô cùng nh. Khi ó s phân b mc nng lng gn nh liên tc và tp hp các mc nng lng nm sát nhau c gi là di nng lng. - Khi hiu nng lng gia các mc phn liên kt thp nht và các mc liên kt cao nht càng nh trên nguyên t trong tinh th kim loi thì s xy ra s xen ph các di nng lng. Ví d:

Hình 25. Di nng lng i vi tinh th Li 4.3.2. Cu trúc trong tinh th kim loi Trong tinh th kim loi thng mi nguyên t hay ion kim loi c bao bc bi 12 hay 8 nguyên t cùng loi (s phi trí bng 8 hoc 12). Các ion hoc nguyên t kim loi trong mng li liên kt vi nhau nh các mây electron t do không nh ch và không c nh vào mt nguyên t nào. Trong tinh th kim loi các nguyên t kim loi nm cnh nhau nh "mây electron hoá tr" xen ph ln nhau, nên mi electron hoá tr s chu tác dng ng thi in trng ca nhiu nguyên t. Vì vy electron hoá tr có th chuyn t nguyên t này sang nguyên t khác mà không cn tiêu th nng lng. ó là nhng electron t do trong tinh th. Các nguyên t kim loi c sp xp mt cách khít nht ng vi mt s phi trí cc i. Vì các nguyên t kim loi c coi là hình cu, nên cách sp xp này c coi là cách sp xp mt qu cu khít nht. Ba kiu mng tinh th ca hu ht kim loi là: lc phng, lp phng tâm din và lp phng tâm khi.

Lc phng,

Lp phng tâm din

Lp phng tâm khi.

Hình 26. Các kiu mng tinh th kim loi

61

Hình 27. Mt s dng cu trúc tinh th trng thái c bn Bng 6. Kin trúc tinh th ca các kim loi: Li 3 K 3 Rb 3 Cs 3 Be 2 Ca 1,2 Sr 1 Ba 3 Sc 1,2 Y 2 La 1,2 Ti 2,3 Zr 2,3 Hf 2,3 V 3 Cr 3 Mn Te 2 Re 2 Fe 1,3 Ru 1,2 Os 1,2 Co 1,2 Rh 1 Ir 1 Ni 1,2 Pd 1 Pt 1 Cu 1 Ag 1 Au 1 Zn 2 Cd 2 Hg -

Nb Mo 3 Ta 3 2,3 W 3

Trong ó: S 1- Ch mng li lp phng tâm din; S 2- Ch mng li lc phng; S 3- Ch mng li lp phng tâm khi; 4.3.3. Tính cht ca kim loi Tinh th kim loi có nhng tính cht c bit nh: kh nng bin dng àn hi, d dn in, dn nhit, ánh kim,...

Hình 28. S bin dng không àn hi ca kim loi Gii thích: - Kh nng bin dng ca kim loi c gii thích bi tính không nh hng ca lc liên kt và tính ng nht ca các cu t. Khi xy ra bin dng có s trt ca các mt li so vi nhau. - Mc dù trên các MO ã bão hòa, thì s chuyn ng ca electron không tuân theo mt phng xác nh. Nhng theo mô hình di nng lng thì trong mng tinh th kim loi luôn tn ti nhng MO t do (không có electron), có mc mng lng gn vi các MO bão hòa electron. Do ó, khi có s tng tác ca in trng ngoài, các electron

62

d chuyn lên các MO t do và t ó có s di chuyn electron theo phng ca in trng ngoài. ó là nguyên nhân ca tính dn in ca kim loi. - Kim loi có in tr nh, in tr kim loi là h qu s khuch tán ca electron khi gp ion dao ng. - Kh nng bin dng ca kim loi cho phép nhng nguyên t chim v trí mi mà không làm t liên kt. Cng do nguyên nhân này mà kim loi in hình có nhit nóng chy thp. 4.4. Tinh th nguyên t 4.4.1. Liên kt hóa hc trong tinh th nguyên t Trong tinh th nguyên t, các cu t là nhng nguyên t, liên kt vi nhau bng liên kt cng hóa tr. Vì vy tinh th nguyên t còn c gi là tinh th cng hóa tr. Ví d: kim cng, than chì, Sn, Ge, BN, GaAs,... S phi trí ca nguyên t trong tinh th nguyên t thng có giá tr t 1 ­ 8. i vi n cht trng thái tinh th, s phi trí thng bng 8 tr s th t ca nhóm nguyên t ó. iu này c gii thích bi quy tc bát t. Khi ó, h in t thun li v mt nng lng. Bng 7. Ch s ph trí ca mt s nguyên t Chu k 2 3 4 I Li ­ 8 Na ­ 8 K­8 II Be ­ 12 Mg ­ 12 Ca ­ 12 S phi trí các nguyên t các nhóm III B ­ 5(7) Al ­ 12 Ga ­ 1 IV C­4 Si ­ 4 Ge ­ 4 V N­1 P­3 As ­ 3 VI O­1 S­2 Se ­ 2 VII F­1 Cl ­ 1 Br ­ 1

Sn (dng ): Thit "xám'dng bt; còn vi thit "trng"(dng ) có cu trúc hình bát din. Mt s hp cht AB to thành tinh th kiu nguyên t, khi tng s in t hóa tr ca A và B bng 8. Tho mãn iu kin này có các hp cht ca các nguyên t thuc nhóm I và VII (nh CuCl); II và VI (nh ZnS); III và V (nh BN) và IV (nh SiC). Cn chú ý rng, nguyên t các nguyên t nhóm IA và mt phn IIA do có âm in thp, nên chúng d dàng ion hóa to thành tinh th ion. Nhiu cht có kh nng to thành tinh th nguyên t nh các liên kt cho nhn, các liên kt này xut hin gia nhng nguyên t khác nhau ca các phân t riêng bit khi cht chuyn sang trng thái rn. Chng hn vi BeF2:

F Be F Be F F F F Be F Be F

63

4.4.2. Cu trúc mng li kim cng Tinh th kim cng có cu trúc t din. Các nguyên t cacbon nm tâm và nh ca t din u liên kt vi nhau bng liên kt cng hoá tr. Khong cách C ­ C bng 1,54A0, khong cách này bng khong cách C ­ C ca hidrocacbon no. Cu trúc này c lp li trong toàn b tinh th kim cng. Vì mi nguyên t cacbon liên kt vi 4 nguyên t cacbon gn nht nên kim cng có rt nhiu tính cht riêng.

Các liên kt C ­ C trong tinh th kim cng

Hình 29. Cu trúc tinh th kim cng Khi lng riêng ca kim cng là 3,52 g/cm³ 4.4.3. Tính cht ca tinh th nguyên t rn ln, Nhit nóng chy và nhit sôi cao, cng cao. Chúng là cht cách in hay bán dn. Không luôn luôn tuân theo trit nguyên lý sp xp c khít nht, vì các nguyên t phi sp xp phù hp vi phng liên kt. 4.4.4. Cht cách in, cht bán dn Tính dn in ca kim loi, cht bán dn và cht cách in u có th c gii thích trên c s mô hình di nng lng.

Hình 30. Di nng lng i vi tinh th cng hóa tr

64

Vùng hóa tr: Là vùng có nng lng thp nht theo thang nng lng, là vùng mà in t b liên kt mnh vi nguyên t và không linh ng. Vùng dn: Vùng có mc nng lng cao nht, là vùng mà in t s linh ng (nh các in t t do) và in t vùng này s là in t dn, có ngha là cht s có kh nng dn in khi có in t tn ti trên vùng dn. Tính dn in tng khi mt in t trên vùng dn tng. Vùng cm (hay min cm): Là vùng nm gia vùng hóa tr và vùng dn, không có mc nng lng nào và do ó in t không th tn ti trên vùng cm. i vi tinh th cng hóa tr (chng hn tinh th kim cng), các di nng lng ng vi MO liên kt và di phn liên kt (di dn in) nm cách bit nhau (bi giá tr ). Vi cht bán dn hay cht cách in thì di hóa tr hoàn toàn bo hòa electron, trong khi ó di dn in hoàn toàn còn trng (theo gin trên). Khi electron chuyn t vùng MO lên vùng MO*, thì trong di dn in mi chuyn ng t do di tác dng ca in trng ngoài. Khác vi kim loi, các tinh th cng hoá tr do có có min "cm", nên s dch chuyn electron lên các MO* òi hi phi tiêu tn mt nng lng nht nh là . Vì vy, mt cht s là cht cách in, khi min "cm" quá rng k c khi có s tng tác ca nng lng in, in t. Lúc này các electron không th chuyn ng lên min dn. Trong thc t, iu kin thng, mt cht c coi là cht cách in, khi rng ca min "cm" có giá tr vào khong 3eV. Vi cht bán dn thì rng ca min "cm" nh hn. Bng 8. rng ca min "cm" ca mt s nguyên t Tinh th

[eV]

Kim cng 6,00

Si 1,10

Ge 0,70

Sn (dng ) 0,08

T bng trên ta thy, kim cng là cht cách in, các tinh th trên là cht bán dn. 4.5. Tinh th phân t 4.5.1. Liên kt hóa hc trong tinh th phân t Trong tinh th phân t, mng li không gian c cu to bi các phân t nh CO2, I2, H2O, N2,... cng nh nguyên t ca các khí tr.

Hình 31. Mô hình tinh th phân t ca iôt

65

4.5.2. Cu trúc ca tinh th phân t Nhng tinh th ca các khí tr là nhng tinh th phân t n gin nht v mt cu trúc. Vì phân t ca khí tr là phân t n nguyên t, nên cu t ca tinh th là nguyên t hình cu. Lc tng tác ây ch là lc khuch tán không nh hng. Nhng tinh th phân t thng gp nht là tinh th ca các hp cht hu c. Do có s tham gia ca liên kt cu ni hiro nên nc á có cu trúc t din. Cu trúc này có xp ln ngha là có t khi nh. Vì vy OoC, nc á nh hn nc.

Hình 32. Cu trúc t din c nc á Mi phân t nc có kh nng to 4 mi liên kt hiro vi 4 phân t khác nm chung quanh và hình thành cách sp xp kiu t din trong nc á. S bn hóa cu trúc ca nc á có th xy ra không nhng do có mt các ion l trng ca nó, mà còn do a thêm vào nhng phân t to c liên kt hiro vi các phân t nc. ng thi cu trúc ca nc c làm bn, khi nc còn nm trng thái lng và khi trn ln nó vi cht khác. 4.5.3. Tính cht ca tinh th phân t. Tinh th phân t có cng nh, vì nng lng tng tác gia các phân t có giá tr nh (liên kt bi lc van de van - lc này yu hn so vi liên kt hóa hc), nên nhit nóng chy ca chúng thp. Các tinh th phân t tan tt, nhng s la chn các dung môi ph thuc vào bn cht ca các cht, mà trc ht vào phân cc gia chúng và kh nng hình thành liên kt hiro. Các tinh th phân t dòn, cng thp, chúng không có tính dn in (tr nhng cu trúc kiu grafít cha h thng chung liên kt pi không nh ch). 4.6. Cht rn vô nh hình, tinh th lng và trng thái lng 4.6.1. Cht rn vô nh hình Cht rn vô nh hình là nhng cht rn mà v cu trúc vi mô không có s phân b mt cách tun hoàn u n các cu t c bn trong toàn khi cht rn. Ví d: Thy tinh, cao su, nha,... Các cht rn vô nh hình thông thng c sn xut khi mt cht lng nht b làm lnh rt nhanh, vì th không có thi gian các mt li tinh th thông thng có th to thành. Cht rn vô nh hình có tính ng hng, ngha là nhng tính cht vt lý nh: in tr, dn in,.. u ging nhau theo mi hng.

66

Cht rn vô nh hình không có nhit nóng chy xác nh. Khi nhit tng, tính linh ng ca các ht tng theo và cht rn vô nh hình chuyn sang trng thái lng. Sut trong quá trình nóng chy, nhit luôn thay i. Trong nhng iu kin khác nhau, khi chuyn t trng thái nóng chy sang trng thái rn, nhiu n cht nh Se, S, P, cng nh nhiu hp cht nh, (c bit là các oxit SiO2, GeO2, As2O3,...) có th tn ti dng tinh th hay dng vô nh hình. Chng hn nh cao su, thy tinh. Do nhiu hiu ng khác nhau, s kt tinh có th b cn tr và khi làm lnh di nhit kt tinh, cht nóng chy chuyn thành cht lng quá lnh. i vi nhiu cht trong iu kin quá lnh, ti mt khong nhit quá lnh, ti mt khong nhit xác nh, nht tng nhanh dn n s ngng hoàn toàn ca chuyn ng tnh tin và ta có trng thái thy tinh. V mt cu trúc, khi to thành thy tinh, các t din [SiO4]4- trong pha lng không chuyn v dng trt t, mà tn ti trong cht rn mt cách không trt t, hay vô dnh hình. Thy tinh là mt cht rn vô nh hình ng nht, có gc silicát (SiO2), thng c pha trn thêm các tp cht có tính cht theo ý mun. Thy tinh thun SiO2 (còn gi là thy tinh thch anh). Có hai hp cht thông thng hay c b sung vào cát trong công ngh nu thy tinh nhm gim nhit nóng chy ca nó xung khong 1.000 °C. Mt trong s ó là sô a (cacbonat natri Na2CO3), hay b tt (tc cacbonat kali K2CO3). Thy tinh c s dng rng rãi trong xây ng, làm cha (chai, l, cc, chén, ly, tách,... v.v) hay vt liu trang trí. 4.6.2. Tinh th lng Tinh th lng là các cht lng hu c có trt t cu trúc. Tinh th lng chim v trí trung gian gia cht lng và cht rn. Do tng tác c bit, gia các phn t cu to tinh th lng có sp xp theo trt t nht nh, th hin tính d hng nh tinh th, nhng chúng li có linh ng nh cht lng. Mt s tinh th lng (trung gian gia tinh th và vô nh hình), ngay c thy tinh cng th hin tính d hng nhng d hng gián on ch có cht kt tinh. Mt s hp cht hu c có th tn ti trng thái tinh th lng. Khi nóng chy, các cht này tr thành tr thành mt cht lng c. Khi tip tc un nóng, thì ti mt nhit nht nh, cht lng này tr nên trong sut và ng thi cng tr nên ng hng v tính chit quang. mng li tinh th, các phân t ca các hp cht trên nh hng song song vi nhau. Khi nóng chy, chúng có kh nng chuyn ng t do, tuy nhiên khi ó vn tn ti nhng gm hàng triu phân t mà trong ó vn còn s nh hng song song ca các phân t. S tng tác gia ánh sáng và các khu vc ó vi mt s phân b có trt t và gây nên hin tng chit quang kép. Chuyn ng tnh tin tng cùng vi s tng ca nhit và ti nhit nht nh, trt t trong các "" phân t b phá v. Ti nhit này, hp cht trên chuyn t trng thái tinh th lng sang trng thái ng hng bình thng. iu kin cn thit ca vic xut hin trng thái tinh th lng là phân t ca hp cht phi có mt dng thích hp (mch dài) và phi có mt momen lng cc vnh cu

67

hay momen cm ng. Vi iu kin này, các phân t mi có kh nng tng tác vi các phân t bên cnh và dn n s nh hng song song ca chúng. 4.6.3. Trng thái lng a. Khái nim Khi làm ngui các cht trng thái khí, hay nén các cht khí tht mnh, lc tng tác gia các phân t bt u tri hn nng lng chuyn ng ca chúng, và nhit xác nh (riêng cho tng cht), cht khí chuyn qua trng thái lng. Cht lng là mt trng thái vt cht khá ph bin, mà các phân t cu to nên nó có liên kt không cht so vi liên kt rn và có hình dng ph thuc vào vt cha nó. b. Liên kt trong cht lng Lc liên kt trong cht lng c quyt nh bi cu to hình hc và cu to electron ca nguyên t hay phân t trong cht lng. Tùy theo s liên kt hóa hc gia các phân t, ngi ta phân bit cht lng có cc hay không có cc ( = 0) . Khi kim loi trng thái lng, lc liên kt gia các nguyên t là lc liên kt kim loi. Mà bn cht ca liên kt kim loi là liên kt không có hng, nên có th cho phép các nguyên t liên kt thay i v trí ca mình mà không cn phi bt t. Vì vy kim loi in hình phi có im nóng chy thp và im sôi cao. Ngha là trng thái lng ca kim loi phi ng vi mt khong nhit rng. Ví d, Gali là cht lng nhit t 32 ­ 22400C. Nhng a s kim loi, c bit là các nguyên t d, thì gia các nguyên t ngoài vic xut hin liên kt kim loi còn xut hin liên kt nguyên t (liên kt có hng trong không gian), dn n s tng mnh nhit nóng chy ca chúng. Vi mui chy lng, thì lc liên kt gia cation và anion là tng tác tnh in ging tinh th ion. Khi trng thái nóng chy, th tích cht lng thng ch thay i 10% so vi ban u. iu ó có ngha là khong cách gia các cu t ch bin thiên khong vài phn trm (do có s bay hi). c. Cu trúc ca cht lng Kt qu nghiên cu cho thy cht lng tn ti nhng nhóm phân t mà trong ó các phân t cng c phân b theo mt trt t nào ó, c gi là trt t gn. Tuy nhiên các nhóm này liên tc c hình thành ri t "gii tán". trng thái lng, các phân t dao ng chung quanh mt v trí cân bng tm thi trong mt nhóm ri chuyn ng tnh tin sang mt v trí cân bng khác. Nhit càng cao thì thi gian c trú ca phân t mt nhóm càng ngn. Vì vy, nhit càng cao trng thái lng càng gn vi trng thái khí. d. Tính cht ca cht lng Sc cng b mt c nh ngha là lc cng trên mt n v chiu dài ct ngang b mt. Trong h o lng quc t, sc cng b mt c o bng Newton trên mét (N.m-1). Hoc có th nh ngha sc cng b mt là công c hc thc hin khi lc cng làm cho din tích b mt thay i mt n v o din tích.

68

Sc cng b mt ca cht lng ph thuc vào nng lng tng tác gia các phân t (hoc các nguyên t) ca cht. Khi un nóng cht lng, lc tng tác gia các tiu phân ca nó yu i, và sc cng b mt gim xung. nhit nào ó, sc cng b mt bng không, gi là nhit ti hn. Cht lng có khuynh hng làm gim sc cng b mt bng cách gim din tích b mt, ó là nguyên nhân làm cht lng d to thành nhng git khi cu có ng kính khác nhau và các git d nhp li thành git ln. Thi gian di ch cht lng là công tiêu th vn chuyn cht lng theo ng ng ph thuc vào nht cht lng. nht là tính cht các lp cht lng cn li s chuyn ng ca lp này i vi lp kia, là thông s i din cho ma sát trong ca dòng chy.

F = .S .

F là lc cn thit làm chuyn dch lp cht lng này so vi lp cht lng kia. S : là din tích tip xúc gia hai lp cht lng.

: là hiu s tc hai lp.

: là khong cách hai lp.

: Là nht, ph thuc vào bn cht ca các cht, khi tng nhit nht các cht lng u gim.

Th nguyên ca nht: "khi lng/ dài × thi gian", trong h CGSE nó tng ng g/cm.s. n v này gi là poaz (P) và bng lc ma sát trên 1cm2, nu nhng lp cách nhau 1cm có tc chuyn ng khác nhau 1cm/s. nht ca cht lng khác nhau khá nhiu. Khi tng nhit , nht ca cht lng gim, iu này có liên quan n s gim lc tng tác gia các tiu phân. Ví d, gim ca nc khi un nóng t 0 n 900C gim 5 ln. Thông thng nhit sôi ca các cht lng tng khi phân t khi ca chúng tng, vì lúc này lc tng tác tng do cng tính ca lc khuch tán. S tng phân cc ca các phân t dn n s tng lc nh hng và do ó cng dn n s tng nhit sôi. i vi các hirocacbon có liên kt ôi, nhit sôi tng cùng vi s tng ca h liên hp, vì trong trng hp này kh nng phân cc hóa tng và do ó làm tng lc liên kt gia các phân t. 4.7. Hp cht cao phân t (polime) 4.7.1. Cu trúc và c im Các polime c hình thành khi các phân t thông thng kt hp vi nhau thành mch dài, do các liên kt hóa hc c hình thành gia chúng. Khi ó nu các phân t ban u ging nhau (A), thì to thành phân t ln polime ng th kiu: - A ­ A ­ A ­ A ­ A - (A là gc ca phân t ban u).

69

Các Polime thng phân nhánh gm các phân t rt dài, dài ca chúng vt quá dày ca chúng hàng chc nghìn ln. Có 2 loi cu trúc polime: dng viên và dng bó. Cu trúc polime dng viên: khi to thành t các monome, chúng d b nt ra theo ng ranh gii phân cách gia các viên và d b phá v. Nu các viên xp cht hn, khi ranh gii gia chúng b xói mòn, thì vt liu polime tr nên trong sut và bn. Nh vy vi cu trúc dng viên, nht ca dung dch cht polime rt nh. Vi cu trúc dng bó: các mch phân t ln t hp vi nhau, thu c nhng tp hp thng, ó là nhng bó phân t ln. iu này xy ra là do các phân t ln riêng r không th co tròn li thành viên. 4.7.2. Tính cht và ng dng. a. Tính cht Vt liu polime rt ph bin trong thc t, do nhiu nguyên nhân: - S a dng v các tính cht ca vt liu polime: rn và mm, àn hi, do, nh,... - Tng i d ch to thành sn phm. - Tng i r và d kim nguyên liu (than, du m, khí). - Bn i vi tác dng hóa hc - bn vi s n mòn. Có 3 loi bin dng tn ti vt liu polime: - Bin dng àn hi, - Bin dng àn tính cao. - Bin dng chy. Khi có tác ng bên ngoài lên polime thì cu trúc ca nó c xây dng li dn dn - c gi là s hi phc. S bin dng àn hi có liên quan n s bin i góc hóa tr gia các nguyên t trong mch polime. S bin dng chy gây ra bi s chuyn dch các phân t ln i vi nhau, lúc này các polime s th hin nh cht lng. b. ng dng * S hoà tan polime Polime a nc: polime có cu trúc mch thng có th tan hoc trng mnh trong nc. Thuc loi này có các nhóm có cc cha các nguyên t O và N trong thành phn phân t, các nguyên t này to liên kt vi hidro. làm dung môi cho các loi polime, ngi ta s dng các hidrocacbon: benzen, xng, axeton, ru,...iu này c gii thích do nhng phân t nh ca dung môi i vào polime và gây nên quá trình trng lên ca polime trong dung môi. Mt s polime có nht cao và có tính dính cao, là do trong dung dch polime cha các phân t ln và tng tác mnh. Kh nng kt dính càng cao khi tng nng ca polime trong dung dch và khi h nhit . Dung dch polime thuc loi này là h và sn. * Nu chy polime Polime khi nu chy tn ti 2 dng: hp cht do nóng và hp cht cng nóng.

70

Polime do nóng khi un nóng b mm ra và nóng chy, còn khi làm lnh chúng hóa cng. Thuc kiu này có polietylen, polistirol, capron,...chúng gm nhng phân t ln hoc phân nhánh, các phân t này khi un nóng chúng không b khâu li" thành cu trúc li. Polime cng nóng khi un nóng s không nóng chy và không hòa tan, do xy ra phn ng gia các polime ca chúng to thành cu trúc dng li. Thuc kiu này có nha phenolfomanehit, nha này là c s ca bakelit, cacbolit. T chúng ngi ta ch to các sn phm cng và bn nh: thân máy in thoi, v dng c in,... * S hóa do các vt liu iu kin tinh khit các polime không có tính àn hi cao, tuy nhiên có th to polime cng có kh nng bin dng àn hi cao bng cách thêm vào chúng nhng cht thp phân t nào y có kh nng làm tng ng thi tính do ca vt liu. Cht thp phân t nh th gi là cht do hóa. Cht do hóa s dng có tính c trng: nht cao, ít bay hi. Mc ích ch yu cht thp phân t khi a vào polime là h nhit thy tinh hóa ca polime, bin chúng mm hn và m rng vùng bin dng àn tính cao mà ó polime c s dng. Chng hn: nhit thng, polivinyclorua là polime rt cng, có nhit thu tinh hóa +750C. Thêm thêm dibutylftalat có th h nhit thy tinh hóa i 1000C và thu c vt liu có tính mm và tính àn hi khác nhau. * S si bt ca polime Các cht do xp hp thành mt nhóm cht do c bit, ó là nhng vt liu tng i mi. Nó c s dng ch to các toa làm lnh, các thit b làm lnh, các phao tiêu,...Nó c iu ch bng cách cho nha tng hp vào bt c, bt này rn li di dng t ong cha các l nh, hoc bng cách thi khí vào cht do ã c làm mm. Trong k thut xây dng, ngi ta s dng ch yu các cht do r t ong. to chúng, ngi ta ép mt s lp giy i dng t ong. Sau ó tm lên bng nhng cht nha nhân to ri bít mt u hoc c hai u bng cht do bn chc hn. * n các polime. h giá thành polime, ngi ta thêm vào chúng cht n: m hóng, cao lanh, mt ca,...cht n làm thay i tính cht polime: làm gim t trng, làm tng bn. * Cu tng hóa các polime. Nhm mc ích là c nh các phân t ln vi nhau nh hình thành các liên kt hóa hc gia chúng và chuyn thành cht do. Quá trình này tin hành không cn cht ph gia, nh quá trình a ngng t gia nhng nhóm chc t do ca các phân t lân cn. Quá trình nh th gi là s hóa cng. Ví d: S lu hóa cao su.

...- CH = CH - ... +S8 ...- CH = CH - ... ...- CH - CH - ... Sn Sn

...- CH - CH - ...

71

* Gii thiu mt s hp cht cao phân t. - Polietylen (PE): c dùng làm cht do trong k thut in, bao bì, dùng dân dng,... - Higt density polietylen (HDPE): c iu ch t nha PE có cho thêm cht chng oxy hoá, cht n nh và cht màu cn thit. c im quan trng là loi nha này rt do, bn hóa cao. - Polistyren: c dùng làm vt liu cách in, sn xut mt s dng c quang hc, dng c vn phòng,... - Polivinylclorua (PVC): c dùng làm vt liu cách in, ng nc, vi che ma,... - Polivinylaxetat: có kh nng kt dính tt vào thy tinh, kim loi, g,... nên c dùng ch to sn và keo dán. - Polimetylmetacrylat: có tính chu nhit, chu va chm và bn c hc cao (chu c 700 kg/cm2), nên c dùng làm kính khó v. - Polibutadien: c dùng làm cao su nhân to. - Poliamit: c dùng kéo t dt vi may mc. c bit dùng may áo cu ha. - Poliphenolfomandehit: + Nu dùng xúc tác H+, ly d phenol, to ra novolac: c dùng to sn, vecni.

OH CH2

[

OH CH2

]

OH

n

+ Khi dùng xúc tác OH-, ly d fomandehit, c poli zezol:

OH HOCH2 CH2

[

OH CH2

]

OH CH2OH

n

CH2OH

CH2OH

- Poliurefomanehit: c dùng làm keo dán, cht do, pha sn.

NH CO NH CH2 NH CO NH CH2 N CH2 NH CO NH

CO NH CH2OH

- Poli epoxit: dùng làm keo dán,...

72

Câu hi và bài tp

1. Hãy nêu cu trúc và tính cht ca tinh th? Ý ngha ca t bào s ng? Các mng li Brave? 2. Hãy nêu cu trúc và tính cht ca tinh th nguyên t. Cho ví d. Gii thích vì sao kim cng, than chì, than hot tính u c cu to bi s liên kt ca cacbon, nhng kim cng li có cng ln nht? 3. Hãy nêu cu trúc và tính cht ca tinh th phân t? Cho ví d. 4. Hãy nêu cu trúc và tính cht ca tinh th ion? Cho ví d. Khái nim v ch s phi trí. Ý ngha ca nó trong vic gii thích bn cht ca liên kt trong tinh th. 5. Hãy nêu cu trúc và tính cht ca tinh th kim loi? Cho ví d. 6. ng dng "mô hình di nng lng" gii thích mt s tính cht vt lý ca kim loi. 7. Phân tích các kiu mng tinh th ca kim loi so sánh xác nh tính cng và tính do ca kim loi. Gii thích ng dng ca nó trong công ngh vt liu kim loi. 8. So sánh s khác nhau gia cht rn vô nh hình và cht rn tinh th? 9. Khái nim tinh th lng và trng thái lng? Ý ngha ca sc cng b mt và nht. 10. Hãy nêu mt s ng dng thc t ca hp cht cao phân t (polime)?

73

Information

A

20 pages

Report File (DMCA)

Our content is added by our users. We aim to remove reported files within 1 working day. Please use this link to notify us:

Report this file as copyright or inappropriate

97930