Bộ GIÁO DỤC VÀ DÀO TẠO
٥ ٧
TRƯỪNÍI ĐẠI HỌG Stf P«ẠM KỸ THUẬT THÀNH PH ' H CHl Mil
VẬT LIỆU DẠI CUƠNG
BỌ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC sư PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HÒ CHÍ MINH
5.Í5.C?Ịc^ịc 5|c^ịc
?Ịc؛ỊííỊc?Ịcí|c5|ííỊí5|cíỊc
TRÀN THÉ SAN
GIÁO TRÌNH
VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LỜI GIỚI THIỆU
Vật liệu cơ khí trong khoảng vài chục năm gần đây đã có các bước
tiến mạnh mẽ. được coi là cách mạng vật liệu trong cuộc đại cách mạng
công nghệ, bao gồm công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, và công nghệ
vật liệu. Trong lĩnh vực vật liệu cơ khí, từ vật liệu kim loại, chất dẻo, gốm,
thủy tinh cho đến vật liệu composite, cũng đang phát triển rất mạnh. Nhiều
loại liệu mới ra đời với xu hướng các tính chất ngày càng đa dạng hem, dễ
gia công hơn, giá thành rẻ hơn, và đáp ứng ngày càng tốt hơn các yêu cầu
của cuộc cách mạng khoa học và công nghệ.
Trong đào tạo và dạy nghề, môn học Vật liệu cơ khí cũng đang có các
thay đổi đáng kể cả về nội dung lẫn chương trình, trang bị cho người học
những kiến thức cơ bản và tổng quát, cho phép họ có khả năng phát triển
các kiến thức đã học để học thêm và ứng dụng vào thực tiễn nhằm đáp ứng
yêu câu ngày càng cao của quá trình hội nhập quốc tế.
Cuốn sách này dựa trên chương trình đào tạo bậc đại học các ngành
Kỹ thuật Cơ khí, Quản lý Công nghiệp, Công nghệ Chế tạo máy, Kỹ thuật
Công nghiệp, Thiết kế máy, Cơ tin Kỹ thuật... với nội dung bao (Ịuát các
vân đê cơ bản của vật liệu kim loại, chât dẻo, thủy tinh, và vật liệu gôm. Các
chương chính bao gồm:
□ Cấu trúc nguyên tử và liên kết nguyên tử.
□ Cấu trúc của kim loại và gốm.
u Cấu trúc polymer kỳ thuật.
□ Các khuyết tật trong cấu trúc vật liệu rắn.
□ Các quá trình khuếch tán
□ Tính chất cơ học của vật liệu cơ khí.
□ Các quá trình phá hủy vật liệu cơ khí
□ Giản đồ phase và chuyển biến phase trong vật liệu kỹ thuật.
□ Các loại vật liệu cơ khí thông dụng.
Trong từng chương đều có các bài tập và bài giải sử dụng kiến thức
trong chương đó. Cuối mồi chương đều có các câu hỏi và bài tập nâng cao,
nhằm giúp bạn đọc ôn tập và vận dụng kiến thức để giải các bài tập có tính
thực tiễn. Các câu hỏi và bài tập này có mức độ khó khác nhau. Đe thực
hiện chúng, cần vận dụng kiến thức đã nêu trong từng chương và cả các
chương trước dó. Nếu hoàn thành hơn một nửa số câu hỏ ؛và bà ؛tập, n.gười
dọc dã có đủ kiến thức dể có thể tự học thêm và nâng cao tiình độ.
Cuốn sách này dUng cho sinh vỉên dạ ؛học, cao dẳng các chiuyên
ngành cơ khi, dồng thờí ١à tài liệu tham khảo cho các kỹ sư và các nhà quản
lý công nghiệp, các thầy cô giáo dang công tác tạỉ các trường dạy nghề boặc
các trường chuyên nghiệp ؛dồng thơ ؛rất hữu ích cho những người quan ؛tâm
dến lĩnh vực vật liệu cơ khi.
Tác giả
GIÁO TRÌNH VẠT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
MỤC LỤC
MỤC LỤC
LỜI NÓI Đ Ầ U ............................................................................................ 3
MỤC LỤC ................
5
CHƯƠNG /. CÁU TRÚ C NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN K ÉT LIÊN
NGUYÊN TỬ
I. Cấu trúc nguyên tử .........................................................................13
1.1
Khái niệm ...........................................................................13
2.1
Điện tử trong nguyên từ ...................................................14
3.1
Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học........................... 21
II. Liên kết nguyên t ử ......................................................................... 22
2.1.
Năng lượng và lực liên kết...............................................22
2.2. Các liên kết nguyên tử....................................................... 25
2.3. Các liên kết thứ cấp...........................................................30
2.4. Phân tử................................................................................32
2.5. Ôn tập và nâng cao............................................................33
CHƯƠNG 2. CÁU TRÚC CỦA KIM LOẠI VÀ GÓM
I.
Cấu trúc tinh t h ể ......................................................................... 37
1.1
Khái niệm cơ bản...............................................................37
2.1
Khối cơ b ản ...................................................
38
II. cấu trúc tinh thể của kim loại...................................................39
2.1. cấu trúc tinh thể lập phương tâmm ặt................................39
2.2. cấu trúc tinh thể lập phương tâmkhối...............................41
2.3. cấu trúc tinh thể lục giác xếp chặt....................................41
III. cấu trúc tinh thể của vật liệu g ố m ........................................... 44
3.1. Số phối trí và tỷ số bán kính ion........................................44
3.2. cấu trúc tinh thể kiểu A X .................................................48
3.3. cấu trúc tinh thể kiểu AmXp ............................................. 50
5
Mực LỤC__________________________________ GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CiưCƠNG
3.4. Cấu trúc tinh thể kiểu AmBnXp ........................................ 5]1
3.5. Mật độ - trọng lượng riêng của vật liệu gốm.....................5 2
3.6. Gốm silicate........................................................................53
3.7. Carbon................................................................................ 55؛
IV. Các hệ tinh th ể ...............................................................................5(6
4.1. Phưong và mặt tinh th ể ...................................................... 59
4.2. Cấu trúc tinh thể xếp c h ặ t..................................................6(6
V. Vật liệu tinh thể và vật liệu vô định h ìn h .................................. 7(0
5.1. Vật liệu tinh thể ................................................................. 7(0
5.2. Vật liệu vô định h ìn h ......................................................... 72
Ôn tập và nâng c a o .......................................................................75
CHƯƠNG 3. CÁU TRÚC POLYM ER
I.
Phân tử hydrocarbon................................................................... 85
II. Phân tử polym er............................................................................88
2.1. Khái niệm ...........................................................................88
2.2. Phân tử lượng và phân từ gram ........................................ 93
2.3. Hình dạng và cấu trúc phân t ử .......................................... 97
III. Phân loại polym er....................................................................... 100
٦. 1.
Polymer nhiệt dẻo và polymer nhiệt rắ n ........................100
3.2. Copolymer........................................................................ 101
3.3. Polymer tinh th ể ............................................................... 102
Ôn tập và nâng cao.....................................................................1' 07
CHƯƠNG 4. SAI LỆC H VÀ KHUYÉT TẬT TRONG CẤU TRỨ C
VẬT RẮN
I.
Sai lệch đ iểm ...............................................................................113
1.1. Sai lệch điểm trong kim lo ạ i........................................... 113
1.2. Sai lệch điểm trong vật liệu g ố m ................................... 115
6
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI C Ư Ơ N G _________________________________ -
I!. Tạp chất trong chất r ắ n ............................................................117
2.1. Tạp chất trong kim !oại................................................... 117
2.2. Dung dlch rắn ...................................................................118
2.3. Tạp chất trong gốm.......................................................... 120
2.4. Sai lệch điểm trong polymer........................................... 121
2.5. Xác định thành phần........................................................ 121
III. Các loạỉ khuyết tật khạc và cấu trUc đa tinh thể ..................122
3.1. Lệch - sai lệch dường..................................................... 122
3.2. Sai lệch mặt .....................................................................125
3.3. Kích thước hạt tinh t h ể ................................................... 129
Ôn tập và nâng c a o ...................................................................131
CHƯƠNG5. SỰ K H U EC H TÁ N
I.
Cơ chế khuếch tá n ..................................................................... 135
II. Khuếch tán trạng tháỉ ٠ ổn định.............................................. 139
III. Khuếch tán trạng tháí - không ổn định .................................141
IV. Các yếu tố ảnh hưởng dến khuếch tán ...................................145
V. Khuếch tán trong vật lỉệu gốm và polymer ...........................150
Ôn tập và nâng c a o ................................................................... 152
CHƯÍ^G 6.T ؛NH CHAT Cơ h ọ c
I.
ứ n g suất và bỉến dạng...............................................................157
1.1 Thừ kéo và nén dUng tâm ................................................158
2.1 Dạng hình học của trạng thái ứng suất........................... 161
II. Bíến dạng dàn hồỉ...................................................................... 162
2.1. Quan hệ ứng suất - biến dạng .......................................162
2.2. Tinh dàn hồ ؛trễ .............................................................. 167
2.3. Tinh chất dàn hồi của vật l؛ệu .......................................168
7
MỤC LỤC_____________________________________ GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI cư ơ íN G
III. Tinh chất Cơ h ؟c của vật líệu.....................................................170
3.1. Các tinh chất kéo............................................................... 171
3.2. Tinh dẻo..............................................................................175
3.3. D ộdaỉpháhủy .................................................................178
3.4. ứ ng suất và biến dạng thực.............................................. 179
IV. Cơ tinh của vật lỉệu gốm .............................................
183
V. Cơ tinh của vật lỉệu polym er....................................................... 185
5.1. Đặc tinh ứng su ất-b iến dạng......................................... 185
5.2. Biến dạng vĩ m ô ............................................................... 187
VI. Độ cứng.......................................................................................... 188
6.1. Độ cứng của vật liệu kim loại.......................................... 188
6.2. Độ cứng của vật liệu gốm................................................194
6.3. Độ cứng và độ bền xé rách của polymer........................195
VII. ٠ ộ cứng và độ bền xé rách của polym er..................................195
7.1. Biến thiên tinh c h ấ t...........................................................195
7.2. Các yếu tố thiết kế/an toàn ............................................. 196
ô n tập và nâng c a o ...................................................................... 199
CHƯƠNG 7. S ự P H Á H Ủ Y
I.
Phá hủy.......................................................................................... 209
1.1. Các kháỉ niệm co bản ......................................................209
1.2. Phá hủy dẻo ......................................................................210
1.3. Phá hủy dòn ....................................................... ...............212
II. Nguyên lý cơ học phá hUy.......................................................... 212
2.1. Tập trung ứng suất.................................................... ........212
2.2. Độ dai phá h ủ y ................................................................. 215
2.3. ứ ng dụng co hộc phá hủy trong thiết k ế .........................217
III.
Phá hUydOn vật liệu gốm ......................................................221
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CươNG
________________________________MỤC LỤC
IV.
Phá hủy vật liệu polymer........................................................ 222
V.
Độ dai va đ ậ p ....................................................................... 223
5.1. Các phương pháp đo độ dai va đập.................................224
5.2. Sự chuyển tiếp dẻo - dòn................................................225
VI.
Phá hủy m ỏ i............................................................................. 227
6.1. ứng suất chu k ỳ .............................................................. 228
6.2. Đường cong
s - N .......................................................... 229
6.3. Hình thành và lan truyền vết nứt m ỏ i............................ 232
6.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tuổi bền m ỏ i........................ 232
VII. Biến dạng d ã o ...........................................................................235
7. 1. Ảnh hưởng của ứng suất và nhiệt đ ộ .............................236
ô n tập và nâng cao ................................................................ 242
CHƯƠNG 8. GIẢN ĐÔ PHASE
I.
Các khái niệm cơ b ả n ................................................................ 245
1.1. Giới hạn hòa ta n ....................... ...................................... 245
1.2. Phase................................................................................. 246
1.3. Cấu trúc vi m ô..................................................................247
1.4. Cân bằng phase................................................................ 247
II. Giản đồ phase hai cấu tử cân b ằng........................................... 248
2.1. Hệ hài cấu tử hòa tan vô hạn..........................................248
2.2. Phân tích giản đồ phase................................................... 251
2.3. Hệ hai cấu tử hòa tan có hạn ở trạng thái rắn................. 255
2.4. Giản đồ cân bằng có phase trung gian............................ 26(k
2.5. Các phản ứng cùng tích và bao tinh............................... 261
2.6. Chuyển biến phase đồng nhất..........................................262
III. Giản đồ phase Fe - c ................................................................ 263
3.1. Giản đồ phase Fe - FeaC ............................................... 263
MỤC LỤC_____________________________________ GIÁO TRÌNH VẬT Liệu ĐẠI c ư ư N G
3.2. cấu trúc vi mô trong hợp kim Fe -
c ............................ 266
3.3. Hợp kim trước cùng tích ................................................ 269
3.4. Hợp kim sau cùng tíc h .................................................... 271
ô n tập và nâng c a o ....................................................................275
CHƯƠNG 9. CÁC CHUYẺN BIÉN PH A SE T R O N G VẬT LIỆU
KỸ THUẬT
I.
Chuyển biến phase trong vật liệu kim loại............................. 279
1.1. Các khái niệm cơ bản.......................................................280
1.2. Động học của chuyển biến trạng thái rắn ....................... 280
1.3. Các chuyển biến nhiều phase.......................................... 282
II. Thay đổi cấu trúc và tính chất trong họp kim sắt - carbon.283
2.1. Giản đồ chuyển biến đẳng nhiệt......................................283
2.2. Tính chất cơ học của hợp kim Fe -
c ............................. 296
2.3. Martensite ram.................................................................. 200
III. Hóa bền tiết p h ase...................................................................... 304
3.1. Nhiệt luyện ...................................................................... 304
3.2. Cơ chế hóa bền ................................................................ 307
IV. Quá trình kết tinh, nóng chảy, và chuyển tiếp hóa thủy tinh
trong vật liệu p o ly m er.............................................................. 310
4.1. Quá trình kết tinh trong polym er....................................310
4.2. Quá trình nóng chảy của polymer ..................................311
4.3. Chuyển tiếp thủy tinh hóa .............................................. 312
4.4. Các nhiệt độ nóng chảy và chuyển tiếp thủy tinh hóa ...312
ô n tập và nâng c a o ................................................................... 315
CHƯƠNG 10. VẬT U Ệ U C ơ KH Í THÔNG DỤNG
I.
Vật liệu kim loại............................................................................319
1.1. Hợp kim s ắ t..................................................................... 319
10
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CươNG____________________________________MỤC LỤC
1.2. Kim loại và hợp kim màu.............................................. 333
II. Vật liệu gốm ................................................................................ 344
2.1. Thủy tin h ................................................................................345٠'
2.2. Thủy tinh - gốm .............................................................. 346
2.3. Vật liệu gốm chịu nhiệt...................................................346
2.4. Bột m ài............................................................................. 347
III. Vật liệu polym er.........................................................................348
3.1. Chất d ẻ o ...........................................................................348
3.2. Vật liệu đàn hồi .............................................................. 351
3.3. Một số vật liệu polymer khác..........................................353
ô n tập và nâng c a o .......................................................................355
11
CHƯƠNG 1
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
Chương 1
CÂU TRÚC NGUYÊN TỪ VÀ
LIÊN KÉT LIÊN NGUYÊN TỪ
٠:٠
Nội dung chính:
□ Hai mô hình nguyên từ và các khác biệt giữa hai mô hình này
□ Nguyên lý cơ lượng tử và các mức năng lượng điện tử
□ Đồ thị năng Iưọng - khoảng cách giữa hai nguyên tử hoặc ion
□ Các loại liên kết chính: liên kết kim loại, ion, đồng hóa trị, và liên
kết van der Waals.
I. Cấu trúc nguyên tử
1.1 Khái niệm
Nguyên tử có cấu tạo gồm nhân chứa các hạt proton và neutron, và
các điện tử chuyển động xung quanh nhân. Cả điện tử và proton đều có điện
lượng với giá trị 1.60 X 10.. c , điện tích âm đối với điện từ và dương đối
với proton; neutron là loại hạt trung hòa điện. Các hạt cơ bản này có khối
lượng rất nhỏ; ؟roton và neutron có khối lượng gần bằng nhau, 1.67 X 10"^^
kg, lớn hơn nhiêu so với khôi lưọrng điện tử, 9.11 X 10"^ ؛kg.
Nguyên tố hóa học được đặc trưng bằng số proton trong nhân, được
gọi là so nguyên tử (Z). Đối với nguyên tử trung hòa điện, số nguyên tử z
băng sô điện tử. Sô nguyên tử là sô nguyên, từ 1 cùa hydro đên 92 của urani,
cao nhất trong các nguyên tố tự nhiên.
Khối lượng nguyên tử (A) của nguyên tử thực tế là tổng khối lượng
các proton và neutron trong nhân. Tuy số proton là như nhau cho mọi
nguyên tử của cùng một nguyên tố, nhưng số neutron (AO có thể khác nhau.
Do đó các nguyên tử của một nguyên tố có thể có nguyên tử lượng khác
nhau, được gọi là các đông vị. Trọng lượng nguyên từ (nguyên tử lượng)
của nguyên tô hóa học là trọng lượng trung bình của các đồng vị có trong tự
nhiên. Đơn vị khối lượng nguyên tử (amu) có thể được dùng để tính toán
ríẹuyên tử lượng. Đơn vị đo quy ước 1 amu là 1/12 khối lượng nguyên tử
đông vị phổ biến nhất của carbon, carbon 12 ( ١^C) (A = 12.00000), còn được
gọi là đơn vị carbon. Theo quý ước này, khối lượng của proton và neutron
hcri lóm hơn đơn vị, và
A -Z + N
( 1. 1)
13
GIÁO TRÌNH VẶT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
CHƯƠNG 1
Có thểr chuyên biệt nguyên tử lượng của nguyên tố hoặc phân tử lượng
f
của họp chât dựa trên cơ sở amu/nguyên tử hoặc phân từ, hoặc theo khôi
lượng mole. Trong một mole vật chât, có 6.023 X 10١ 23 (sô- Avogadro)
nguyên tử hoặc phân tử. Hai đại lưọrng này có quan hệ:
1 amu/nguyên tử - Ig/mol
Ví dụ, nguyên tử luọng của Fe là 55.85 amu/ngiiyên tử, tuơng đưong 55.85 g/mol.
1.2 Điện tử trong nguyên tử
> Mô hình nguyên tử
Klioảng cuối thế kỷ 19, các nhà vật lý nhận thấy sử dụng Cơ học
Newton không thế giải thích được một số hiện tượng điện tử. Sau đó, họ
thiết lập các nguyên lý và định luật về các hệ thống ở mức nguyên tử và
dưới nguyên tử, được gọi là cơ học lượng tử. Kiến thức về hành vi của điện
tử trong nguyên tử và trong vật rắn tinh thể là rất cần thiết để hiểu các khái
niệm cơ học lượng tử.
Một trong các mô hình đơn giản đầu tiên là mô hình nguyên tử do
Niels Bohr đề xuất, trong đó, các điện tử được giả thiết là quay xung quanh
nhân nguyên tử trên các quỹ đạo rời rạc, và vị trí của điện tử được xác định
trên quỹ đạo chuyển động của điện tử đó, hình 1.1.
Nguyên lý thứ hai của cơ học lượng tử là năng lượng của các điện tử
được lượng tử hóa; nghĩa là các điện từ chỉ được phép có các giá trị năng
lượng xác định. Điện tử có thể thay đổi năng lượng, nhưng khi thực hiện
điều này phải theo bước nliảy lượng tử, đến mức năng lượng cao hơn cho
phép (với sự hấp thu năng lượng), hoặc đến mức năng lượng thấp hơn (giải
phóng năng lưọmg). Các năng lưọrng điện tử được phép này liên quan với
các mức hoặc trạng thải năng lượng.
Ob٠٥i ٠،٠ct٠٠o Q،٠ỹ đạ ٥ei٥ctron
Hạt nhân
___
^
__
١
_
Hình 1.1 Sơ đô mô hình nguyên tử Bohr
14
CHƯƠNG 1
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
0
۶
٠٧
3Ơ
G>
/ỉ =
@ )
/J= 2
3
35
;v
jT
2P.V
2s y
-5
-1
X
10 " ١^
.ế
,1
-10
.2
/2=1
-1 5
(iX)
X
10 -la
15
(bỉ
Hình 1.2 (a) Ba trạng thái năng lượng điện tử của nguyên tử hydro theo mô
hình Bohr. (b) Các trạng thái năng ỉưọmg của ba lóp điện tử theo cơ học sóng.
Các trạng thái này không biến thiên với năng lượng một cách liên tục;
nghĩa là các trạng thái luôn luôn cách nhau theo các giá trị năng lượng hữu
hạn. Chẳng hạn, các trạng thái được phép của nguyên tử hydro theo mô hình
Bohr được nêu trên hình 1.2. Các năng lượng này được lấy theo giá trị âm,
với zero là quy chiếu cho điện tử tự do (không liên kết). Điện tử trong
nguyên từ hydro sẽ chỉ chiếm một trong các trạng thái (năng lượng) này.
Tuy nhiên, mô hình nguyên tử Bohr còn có một số hạn chế, do không
có khá năng giải thích nhiều hiện tượng liên quan đến điện tử. Giải pháp cho
vấn đề này là mô hĩnh cơ học sónạ, trong đó điện tử được coi là đồng thời
có cả các tính chất hạt và tính chat sóng. Với mô hình này, điện tử không
còn được coi là hạt chuyển động trên quỹ đạo rời rạc nữa; thay vào đó, vị trí
của điện từ được coi là xác suất của điện tử đó ở các vị trí khác nhau xung
quanh nhân nguyên từ. Nói cách khác, vị trí được biểu thị theo phân bố xác
suât, còn gọi là mây điện tử. Hình 1.3 so sánh mô hình Bohr và mô hình cơ
học sóng của nguyên tử hydro.
IS
CHƯƠNG 1
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
> Các số luọng tử
Sử dụng cơ học sóng, có thể đặc trưng hóa từng điện từ trong nguyên
tử bằng bốn đại lượng, được gọi là số lượng tử. Kích thước, hình dạng, định
hướng không gian của mật độ xác suât điện từ được chuyên biệt theo ba sô
lượng từ. Hơn nữa, các mức năng lượng Bohr được tách ra thành các phân
lớp, và các số lượng từ quyết định số lượng trạng thái trong từng phân lớp
này. Các lớp được chuyên biệt bằng số lượng tử chính n, nhận các giá trị
nguyên bắt đầu từ 1; đôi khi các lớp này được ký hiệu bằng chữ K, L, M, N,
0 ,..., ứng với n = 1,2, 3, 4, 5,..., Bảng 1.1. Đây cũng là số lượng tử duy
nhất liên quan với mô hình nguyên từ Bohr, được coi là đại diện cho khoảng
cách trung bình giữa điện tử và nhân trong nguyên tử tự do.
Hình 1.3 So sảnh phân bố điện từ giữa (a) mô hình nguyên tử Bohr và (b)
mô hình theo cơ học sóng.
16
CHƯƠNG 1
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
Bảng l . l SỐ lượng trạng thái điện tử khả dụng trong một số lớp và phân lớp
__ _
điện tử.
_________
Số lượng tử
chính, n
Lớp
1
K
L
Sô electron
Phân lóp
Số trạng thái
s
1
2
P
3
6
1
2
p
3
6
d
5
10
1
2
p
3
6
d
5
10
M
N
Lớp
Phân lớp
18
٠
32
14
Số lượng tử thứ hai, l, biểu thị phân lớp, ký hiệu theo các chữ s, p, d,
/... ; liên quan với hình dạng của phân lóp. Ngoài ra, số lượng phân lớp được
giới hạn theo số lượng tử chính n. số lượng trạng thái năng lượng của từng
phân lớp được xác định bằng số lượng tử thứ ba, m/, số lượng tử từ. Phân
lớp s, chỉ có một trạng thái năng lượng, còn các phân lớp p, d ,f, lần lượt có
3, 5, 7 trạng thái, Bảng 1.1. Khi không có từ trường ngoài, các trạng thái
trong từng phân lớp là đồng nhất với nhau. Tuy nhiên, khi có từ trường, các
trạng thái phân lớp này trở nên hoi khác nhau vê năng lượng, do đó m/, hoặc
l, được gọi là số moment lượng tử từ
Mồi điện tử đều có moment spin, định hướng lên hoặc xuống, số
lượng tử đặc trưng cho moment này là số lượng tử thứ tư, ký hiệu là /Wj,
hoặc s, nhận hai giá trị khả dĩ là - 1/2 và + 1/2, biểu thị chiều spin.
Mô hình Bohr được cơ học sóng nâng cấp, bổ sung thêm ba số lượng
tử mới, xác định các phân lớp trong từng lớp điện tử, hình 1.3.
Sơ đồ các mức năng lượng đầy đủ của các lớp và phân lớp điện tử, sử
dụng mô hình cơ học sóng, được nêu trên hình 1.4. Từ sơ đô này có thê
nhận thây: ( 1) số lượng tử chính, n, càng nhỏ, mức năng lượng càng thâp;
chẳng hạn, năng lượng trạng thái l í nhỏ hơn so với 2s, và 2s nhỏ hơn 3s....,
(2) trong từng lớp, năng lượng ở mức phân lớp tăng theo giá trị của sô lượng
17
CHƯƠNG 1
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
từ /. Ví dụ, năng lượng trạng thái 3d lớn hơn 2>p, và 3/? lớn hơn 3í ; (3) có thể
có sự chồng chập về năng lượng của trạng thái trong một lớp với các trạng
thái trong lớp kế cận, đặc biệt là các trạng thái d \ầ f, chẳng hạn, năng lượng
của trạng thái 3d lớn hơn 3s.
Số lượng tử diínli, n
----^
Hình 1.4 Sơ đồ các mức năng lượng điện tử trong các lớp và phân lớp
khác nhau.
> Cấu hình điện tử
Phần trên đã khái quát về các trạng thái điện tử - các giá trị năng
lượng được phép đối với điện tử. Để xác định cách thức điện tử điền vào các
mức năng lượng, cần sử dụng nguyên lý loại trừ Pauli, một trong các khái
niệm quan trọng của cơ học lượng tử. Nguyên lý này cho biết, mỗi trạng
thái điện tử chỉ có thể có không quá hai điện tử với các spin ngược nhau. Do
đó, các phân lóp s, p, d,f, chỉ có thể lần lượt chứa tối đa 2, 6, 10, và 14 điện tử;
Bảng 1.1 liệt kê số lượng điện tử tối đa có thể chiếm chỗ trong từng lóp chính.
Trong thực tế, không phải mọi trạng thái khả dĩ trong nguyên từ đều
được điền đầy điện tử. Đối với hầu hết các nguyên tử, các điện tử lần lượt
điền đầy từ các trạng thái năng lượng thấp nhất khả dĩ trong các lớp và phân
lớp điện tử, mỗi trạng thái có tôi đa hai điện tử (với spin ngược nhau). Sơ đô
câu trúc năng lượng của nguyên tử Na được nêu trên Hình 1.5. Khi tât cả
các điện tử chiếm các mức năng lượng thấp nhất khả dĩ, tuân theo các quy
18
GIÁO TRÌNH VẬT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
CHƯƠNG 1
luật xác định, nguyên tử được coi là ờ trạng thái nền. Tuy nhiên, vẫn có thể
có các chuyển tiếp điện tử lên mức năng lượng cao hoTì. cấu trúc, hoặc cấu
hình diện tử, của nguyên tử biểu thị cách thức điện tử điền vào hoặc chiếm
chỗ các trạng thái năng lượng. Theo quy ước, số lượng điện tử trong từng
phân lớp được biểu thị theo số mũ sau ký hiệu lớp - phân lớp. Ví dụ, cấu
hình điện tử của hydro, heli, và Na, lần lượt là b ',
và ls^2s^2p^3s\
Bảng 1.2 liệt kê cấu hình điện tử của một số nguyên tố phổ biến.
Hình 1.5 Sơ đồ điền đầy các trạng thái năng lượng của nguyên tử Na.
Trong cấu hình điện tử cần đặc biệt chú ý các điện từ, chiếm lớp điền
đầy ngoài cùng, được gọi là điện tử hóa trị. Các điện tử này là rất quan
trọng; chúng tham gia vào liên kết giữa các nguyên tử để tạo thành các khối
nguyên tử và phân tử. Hcm nữa, nhiều tính chất vật lý và hóa học của chất
rắn dựa trên các điện tử hóa trị này.
Ngoài ra, một số nguyên tử được coi là có “cấu hình điện tử bền“\
nghĩa là, các trạng thái trong lớp điện tử (hóa trị) ngoài cùng được điền đầy
hoàn toàn. Nói chung, điều này tưcmg ứng sự chiếm chỗ các trạng thái s \à p
cho lớp ngoài cùng với tổng số là 8 điện tử, chẳng hạn, neon, argon, và
krypton; ngoại lệ là heli, chỉ chứa hai điện tử lí. Các nguyên tố này, He, Ne,
Ar, Kr, và Xe, được gọi là khí trơ, hầu như không có tính phản ứnậ hóa học.
Một sô nguyên tử của các nguyên tô có lớp hóa trị chưa được điên đây, có
thể đạt được cấu hình điện tử bền bằng cách nhận thêm hoặc cho bớt điện tử
để tạo thành các ion tích điện, hoặc bằng cách sử dụng chung điện tử với các
nguyên tử khác. Đây là cơ sở của một số phản ứng hóa học và các loại liên
kết nguyên tử trong chất rắn.
19
GIÁƠ t r I n h V ậ t l iệ u d ạ i c ư ơ n g
CHƯƠNG 1
f
۶
ệ
Bảng 1.2 Câu hình điện tử của một sô nguyên tô.
NE٢iiy۶T١ to
Kvhih]
;
٠
fw٦ n g iiv P T ١m
H y d ro fo il
H
ذ
HgUjui
He
2
L ittiiu m
B G i٦lllutr،
Boron
u
Carbon
r
N itrogen
N
o
FluorlriG
Neoil
SodLim
M a g iG S li
AJuminum
smcon
Pho.phoajs
Sulfar
C hlcrine
A rg o n
Potassluo
Calcium
S candJi
Be
B
Wa
Nig
Al
51
p
5
Cl
AT
K
c.a
5c
T itanium
V'anadiun
Chrom ium
Tl
V
Cr
Iron
Nln
F.
Cohalt
NicKel
Copper
Z iric
C alLum
G erm anium
SeieiUum
Brom ine
K ^ ^ to n
Co
Nl
C-U.
Zn
Ca
1ﻟﻞ
1ءء
د
4
ة
ج
٠٣
،
8
لأ
Ne
C an h ìn h pl،٠í t r n n
10
1:
12
1د
14
1ة
1ء
1؟
18
1و
20
2:
22
2د
24
25
2ج
27
28
2و
30
31
Ce
32
5ج
Br
Kr
3ة
34
35
3ء
1لء2لء
1ةع2،ﺻﺗد
1ض2ﻟﺰةﻧم
1ءل2ﺳﺔﻋﻞ
1تء2ءءةﻟذ
\ ا2 ا2?
1ةء2ءزذش3ض
1ﻗو2لء۶ 3ﻟذ
ا5ع2ﺗﻣﺔﺗﻞ35ل3ﻟ م
1ءذ2ﺷﻣﺰ؛ﻟذ3ض
3ء»ء
1ء٤2ﺛﻣﺔﻟذ3ﻟﻞ3ﻟ م
1ﺋﻊ2 > ة د3ﻟﻞ3<ءر
1ض2 ﺑ ض3ﻟذ3؛ ز
1ءذ2ﻣﺰةﻧم3ءذ3 ز٠
1ض2 ^ةلء3ﻟﻞ3ءء ؛ءء
1ﺗﻞ2ﺗﻣﺔﻟذ3ﻟذ3لءذءم
1ةع2 >ﺗﻞء3 ﻳﺎ3ءض3ﻋﺎﻋس
1ض2ﻣﺰةﻟذ3ﻟذ3 ءﻟذءز4.٠ل
1ءذ2ﻣﺰةﺗذ3ﻟذ3 ز٠3س4ﺗو
1ﻗذ2 ﺳﺔﻟذ3لء3ءﻫﺔءء4ا؛
1تء2ﺛﻣﺔﻟذ3ض
3ءم3؛ ه4ﻟذ
ى2 ^ذض3ض
3ءز3ض4ض
ى2زةض۶3لء3 ءم3ل۶4ﻟذ
1ءء2ﺗﻣﺔﺗم3ﻟذ3ءز3س4ﻟذ
1ض2ﺗﻣﺔتء3ءل3 ءة3س٠4اء
1ﻗذ2ﺛﻣﺔض3ض
3ر٠ء3س٠4ءء
1 ﺗﺎ2 >ﺗﻠﻞ3ﻻ3 ءم3 ﻟ ﻪ٠لءي4ا>ر
1ض2ﻣﺰةﻟذ3ﻟذ3ءز3 ا ه٠4ء٤4ﻟﻣﺰ
1 ل ﺀ2 ل ﺀ2 س
3
ﻟ ﺬ3 ز
ا3 ه
ا٠ 4 ﺀ
ﻵ
۶
1ل٤2 ﻟ ﻞ2 ص3 ﻳﻞ3 ا م3 ﻟ ﻪ٠4 ة ﺀ4 ص
1ض2 ﺛ ﻤ ﺔ ل ﺀ3 ﺀﺀ3 ا ز3 ﻫ ﺈ ه4 ؛ ﺀ4 ۶
1 د2 ^ذض3ض
3 ا ز3 ا ه٠4ءء4ؤ
Trong một số trường hợp chuyên biệt, các p h n lớp s \ à p kết hợp vớỉ
nhau để tạo thành quỹ dạo lai spf, trong dó n là số quỹ đạo/7 tham gia vào
quỹ dạo lai, có thể có giá trị, 1, 2, hoặc 3. Các nguyên tố phân nhOm 3A,
4A, 5A trên Bảng tuân hoàn Mendelejev, hình 1.6, hâu hết dêu tạo thành các
quỹ dạo lai. Lực truyền dộng hình thành quỹ dạo lai là trạng thái năng lượng
thấp hơn cho các diện tử hóa trị. Dối với carbon, mức lai spS có tầm quan
trọng hàng dầu trong hóa học hữu cơ và polymer. Hình dạng của quỹ dạo
spS quyết định giá trị góc 109. (tứ diện) trong chuỗi mạch polymer.
20
CHƯƠNG 1
GIÁO TRINH VẶT LIỆU ĐẠI CƯƠNG
1.3 Bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học
Tất cả các nguyên tố trong Bảng tuần hoàn Mendelejev đều được phân
loại dựa trên câu hình điện tử, hình ] .6. ơ đây, các nguyên tô được săp xêp,
theo số nguyên tử tăng dần, theo bảy hàng ngang, được gọi là chu kỳ. Các
nguyên tố được sắp xếp sao cho tất cả đều được đặt theo cột, còn gọi là
nhóm, có cấu trúc điện từ hóa trị tương tự nhau, do đó có các tính chất vật lý
và hóa học tương tự nhau. Các tính chất này thay đổi dần dần và có hệ
thống, khi dịch chuyển theo chiều ngang trong từng chu kỳ.
Các nguyên tố trong Nhóm 0, nhóm tận cùng bên phải, là các khí trơ, có
các lớp điện tử điền đầy với cấu hình điện tử bền. Các nguyên tố phân nhóm
VIIA và VIA lần lượt thiếu một hoặc hai điện tử so với cấu hình bền. Các
nguyên tố phân nhóm VIIA (F ١C1, Br, I, và At) đôi khi còn được gọi là nguyên
tố halogen. Các kim loại kiềm và kiềm thổ (Li, Na, K, Be, Mg, Ca,...) thuộc
các phân nhóm LA và HA, có một hoặc hai điện tử dư so với cấu hình bền. Các
nguyên tố trong ba chu kỳ dài, từ niB đến nB là các kim loại chuyển tiếp, có
các trạng thái điện tử d được điền vào chưa hoàn toàn, và trong vài trường hợp
có một hơặc hai điện tử ở lớp năng lượng cao hơn. Các nguyên tố thuộc phân
nhóm IIIA, rVA, và VA (B, Si, Ge, AS,...) có các đặc tính trung gian giữa kim
loại và phi kim loại do các cấu trúc điện từ hóa trị của chúng.
Kỉmỉoạỉ
Ví dụ
lA
1
28-.^
H
C u .
\Jũữ do
63, 64^
itA
3
1
Li
B.
c .
30.102
. 00.
ì ĩ
38
Rb
$r
Ệ S iì
87.02
c>
B.
.7
137 34
.0
ír
Ri
C223>
(2261
SO
٠
'٨ ' '؛١'
■
0
P h ild m
K íh iệ u
;H .V
iliA
N g u v ê n tủ k h ô i
,١٠
.0122
"٠ ٢
N٠
M٥
22...0 24.312
1.
20
K
SỐ n g u y ê n tử
A.
5 ...
٥ :؛
A k im
، ٠٠
Tĩ
AI
VHI
lU B
IV B
VB
V IB
21
22
23
24
Sc
44. 6،
9.
Y
. 8.1
R ٠r .
.o r ttl
s ٠h t s
V 1I8
2S
/
27
26
IVA
28
18
28
118
30
26862
31
Zn
Cu
G4
6154 6637 6672
4.
48
47
VA
VM
VUA
6
C Ã
. I 2jữ ١ỉ 14j 607
m m
٦ T "
. 1■ ؛٠
54.^ ■>؛
■ W '
28J086 80874 SZJ 064 30.53 m
32
33 . 34
S ó > .؛% ؟
A $r
72i 8 74822 7088: ·70٥t ٠. f Ì
m
ị
Ni
F.
Co
،.1
80’
S 0.842 S I .886 S 4.838 S S 847 S l . ì ỉ S . . 7I
51
50
52
41
40
43
44
42
4S
46
Sn
Sb
Mo
ki
2t
Nb
1c
Ru
M
CO
n ١
m r-. ؛iv -،١
9\22 82.81 8S .84 <88) 10107 102.81 1064 107J87 112.40 114,82 11668 121.75 0 m
·ĩ ؛ĩ ^
84
٠١
٠^
7؛
٠،)
82
n
74
76
77
78
72
7é
۶١»
T.
P t
8i
HT
٠w
T.
R»
ir
Pl
Mi
05
H.
178i . 180.8S 183.8S 186.2 1802 182J 18608 18687 200. 5« 20U 7 207.18 208.88 ( 2K 8
Ti
47. « )
V
Cí
S8
C.
S8
Pr
A â í·
n k to
s ٠r i ٠»
H ọ d â th iẻ m
Họ Actínide
S7
u
60
N0
138 81 140.12 14081 144.24
.8
80
81
82
Ac
<227)
Th
2324)4
p.
( 231)
62
63
64
65
66
Sm
Eu
GO
Tb
07
( 145)
93
u
23003
61
Pm
.
37)
67
H١
>
68
Er
6.
T .)
7D
Y٥
173i )4
71
Lu
174.87
150.35 151.86 15725 158.82 162.50 164.83 16726 163.93
1.1
08
m
102 103
88
87
84
85
86
Lw
Fn١
Md
N٠
Am
Cm
ữ
&
6k
Pu
( 247)
( 247)
1254) ( 2S D (256) (254) (257)
. 248)
(243)
(242)
f
١
^
H ình 1.6 Bảng tuân hoàn các nguyên tô. Các sô trong ngoặc đơn là phân tử
lượng của đông vị bên nhát hoặc phô biên nhât.
١
.^ ١
/
٠
۶
۶
21
- Xem thêm -
.PDF 
355 
1282 
94 
