Tài liệu Hslc1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HÓA GIÁO TRÌNH HÓA LÝ SILICAT 1 (Dùng cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật hóa học silicat) Tác giả: PGS.TS. NGUYỄN VĂN DŨNG Đà Nẵng, 2015 MỤC LỤC Mục lục ........................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 : SILICAT TRONG TRẠNG THÁI RẮN ........................................... 3 1.1. Trạng thái tập hợp của vật chất ....................................................................... 6 1.2. Khái niệm về mạng tinh thể ............................................................................. 9 1.3. Ví dụ một số cấu trúc tinh thể điển hình của chất rắn ................................... 14 1.4. Tinh thể lý tưởng và tinh thể thật ................................................................. 15 1.5. Đơn tinh thể và đa tinh thể ............................................................................ 19 1.6. Quá trình kết tinh ........................................................................................... 22 1.7. Các dạng kiên kết hóa học trong vật chất silicat .......................................... 24 1.8. Phân loại cấu trúc mạng lưới tinh thể silicat ................................................. 26 1.9. Sự phân cực ................................................................................................... 28 1.10. Các định luật cơ bản của hóa học tinh thể ................................................... 30 1.11. Dung dịch rắn trong silicat .......................................................................... 32 1.12. Cấu trúc silicat tinh thể ................................................................................ 37 CHƯƠNG 2 : SILICAT TRONG TRẠNG THÁI LỎNG NÓNG CHẢY ............ 38 2.1. Trạng thái lỏng của vật chất và những gỉ thuyết cấu trúc chất lỏng .............. 39 2.2. Tính chất đặc biệt của cấu trúc chất lỏng nóng chảy silicat .......................... 40 2.3. Tính chất hỗn hợp nóng chảy silicat .............................................................. 42 CHƯƠNG 3 : TRẠNG THÁI KEO TRONG SILICAT ......................................... 43 3.1. Những khái niệm cơ bản ................................................................................ 46 3.2. Hiện tượng hóa keo trong hệ đất sét-nước .................................................... 50 CHƯƠNG 4 : PHẢN ỨNG VẬT CHẤT TRẠNG THÁI RẮN-MỞ ĐẦU ............ 51 4.1. Đặc tính và các loại cơ chế của quá trình khuếch tán .................................... 53 4.2. Sự hoán vị của các nguyên tử, ion trong quá trình khuếch tán ...................... 56 CHƯƠNG 5 : CƠ CHẾ PHẢN ỨNG TRẠNG THÁI RẮN ................................... 57 CHƯƠNG 6 : ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG TRONG TRẠNG THÁI RẮN ............. 60 CHƯƠNG 7 : TÍNH CHẤT DIỄN BIẾN LIÊN TỤC CỦA PHẢN ỨNG VẬT CHẤT TRẠNG THÁI RẮN ............................................................................. 64 CHƯƠNG 8 : ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VẬT CHẤT TRONG TRẠNG THÁI RẮN ................................................... 67 8.1. Ảnh hưởng của thành phần hạt của phối liệu ................................................ 69 8.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên quá trình phản ứng vật chất ở trạng thái rắn .............................................................................................................................. 70 8.3. Khả năng phản ứng của chất rắn.................................................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 73 PHẦN THỨ NHẤT TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA SILICAT CHƯƠNG 1: SILICAT TRONG TRẠNG THÁI RẮN Nguyên tố silic, ký hiệu hoá học Si, khối lượng nguyên tử 28,09, số thứ tự trong Bảng Phân Hạng Tuần Hoàn là 14, thuộc Phân Nhóm Chính nhóm 4. Silic chiếm 27% khl vỏ quả đất mà chúng ta có thể nghiên cứu được. Là nguyên tố chủ yếu trong các khoáng vật và đất đá (giống như cacbon trong thành phần của tất cả các chất hữu cơ, là nguyên tố quan trọng nhất của giới thực vật và động vật) Trong thiên nhiên silic tồn tại dưới dạng các hợp chất : SiO2 (chẳng hạn như cát, thạch anh, dilatômit là một dạng SiO2 vô định hình) và dưới dạng muối của axit silicic - là muối chứa ôxy của silic (các silicat), và chúng chiếm 86.5% trọng lượng vỏ trái đất. Phổ biến nhất trong thiên nhiên là các aluminôsilicat, nghĩa là silicat mà trong thành phần của nó có nhôm. Chẳng hạn như trường thạch, mica, cao lanh... Các đất đá phức tạp phổ biến nhất như granit, gnai cấu tạo từ các tinh thể thạch anh, fenspat và mica. Các axit silicic và các silicat: SiO2 là một ôxit axit, nó ứng với các axit silicic ít tan trong nước, công thức chung nSiO2.mH2O. Tách ra được ở trạng thái tự do: Axit octôsilicic H4SiO4. Vd silicat từ axit này: khoáng ôlivin (Mg,Fe)2SiO4 hay 2FeO.SiO2 (ôctôsilicat manhê và sắt); Axit metasilicic H2SiO3. Vd silicat từ axit này: khoáng vôlastônit CaSiO3 hay CaO.SiO2 (mêtasilicat canxi) Axit pôlisilicic: không có bằng chứng về sự tồn tại của chúng. Tuy nhiên các muối của chúng (silicat) rất phong phú. Vd muối từ axit giả sử này khoáng ôctôklaz KAlSi3O8 (hay K2O.Al2O3.6SiO2) (trisilicat aluminôkali) khoáng caolinit H4Al2Si2O9 (hay Al2O3.2SiO2.2H2O) mica trắng H4K2Al6Si6O24 (hay K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O) amian CaMg3Si4O12 (hay CaO.3MgO.4SiO2) Các silicat đặc biệt phổ biến trong thiên nhiên. Fenspat (trường thạch), mica, đất sét, amian, hoạt thạch (talc, 3MgO.4SiO2.H2O) và nhiều khoáng vật khác đều là các silicat thiên nhiên. Hợp chất silicat nhân tạo: Thuỷ tinh tan Na2SiO3, K2SiO3 (người ta điều chế: nấu nóng chảy SiO2 và NaOH hay K2CO3 hay Na2CO3). Giống thuỷ tinh, tan được trong nước. Khi tan trong nước gọi là thuỷ tinh lỏng. Các vật liệu gốm, thuỷ tinh, ximăng, vật liệu chịu lửa: vật liệu silicat nhân tạo. Nguyên liệu chính để sản xuất chúng là SiO2 và các silicat thiên nhiên. Sau quá trình nung, nấu xảy ra những biến đổi các hợp chất silicat ban đầu biến thành các hợp chất silicat mới, có cấu trúc mới. Quá trình đó xảy ra ở nhiệt độ cao như thế nào? Cấu trúc các khoáng thay đổi theo nhiệt độ, những biến đổi thù hình, sự hình thành các hợp chất (khoáng) mới, sự hình thành pha lỏng, sự biến đổi thành phần pha, sự tái kết tinh, sự hình thành vi cấu trúc mới của vật liệu như thế nào? Tất cả những điều này chúng ta sẽ nghiên cứu trong học phần Hoá Lý Silicat của chúng ta. Vật liệu silicat: dùng để nói chung các vật liệu vô cơ không kim loại thu được bằng quá trình xử lý nhiệt các nguyên liệu thiên nhiên hay nhân tạo có chứa các hợp chất silic (chủ yếu là các hợp chất silic thiên nhiên như điôxit silic SiO2 và các khoáng silicat). Như vậy là cái tên silicat cũng được chọn để chỉ cho một ngành sản xuất công nghiệp lấy nguyên liệu cơ bản là điôxyt silic và các khoáng silicat. Lưu ý: trong các tài liệu nước ngoài đôi khi người ta dùng từ ceramics để chỉ thay cho từ silicate. 1. TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT Như ta đã biết, vật chất thông thường tập hợp ở ba dạng rắn, lỏng, khí. Chất rắn lại được phân biệt về mặt cấu trúc ra thành hai loại: rắn tinh thể và rắn không tinh thể (vô định hình), hiện nay người ta có thể phân thêm một loại thứ ba nữa là rắn vi tinh thể. Để dễ phân biệt về mặt cấu trúc và tính chất, chúng ta xếp loại các chất khảo sát như sau: khí, rắn tinh thể, chất lỏng - chất rắn vô định hình - chất rắn vi tinh thể. Trên thực tế trong 3 loại cấu trúc trên thì kiểu cấu trúc tinh thể là thường gặp nhất và chiếm đa số các chất rắn, kiểu cấu trúc vô định hình và vi tinh thể ít gặp hơn. Các chất rắn có cấu trúc tinh thể: tất cả kim loại, các hợp kim, phần lớn các chất vô cơ, rất nhiều polymer. 1.1. Chất khí Các nguyên tử sắp xếp hổn loạn, thực chất là hoàn toàn không có trật tự. Khoảng cách giữa các nguyên tử không cố định mà hoàn toàn phụ thuộc vào thể tích của bình chứa, tức là có thể chịu nén. 1.2. Chất rắn tinh thể: Hoàn toàn ngược lại với chất khí, trong chất rắn tinh thể mỗi nguyên tử có vị trí hoàn toàn xác định, không những với các nguyên tử bên cạnh hay ở gần - trật tự gần - mà còn với cả các nguyên tử khác bất kỳ xa hơn - trật tự xa. Như vậy rắn tinh thể có cả trật tự gần và cả trật tự xa (chất khí thì hoàn toàn không có trật tự, cả xa lẫn gần). Như vậy đặc điểm của chất rắn tinh thể là có trật tự nhất định. Trật tự này không những gần, mà còn xa nữa ra toàn mạng tinh thể. Nghĩa là các nguyên tử của nó sẽ được sắp thành hàng lối, tuần hoàn theo 1 quy luật nhất định lặp đi lặp lại ra toàn mạng tinh thể theo cả ba chiều trong không gian, để tạo thành 1 kiểu mạng tinh thể nhất định. Như vậy chúng ta có thể xác định chính xác vị trí tiếp theo của một nguyên tử, ion trên cơ sở tịnh tiến theo 3 chiều theo quy luật hình học. Do sự sắp xếp trật tự nên theo các phương khác nhau hình thái sắp xếp và mật độ nguyên tử, tính chất của tinh thể cũng khác nhau, tạo nên tính dị hướng hay có hướng. Về mặt năng lượng vật chất tinh thể có năng lượng thấp hơn so với vật chất vô định hình, do đó vật chất vô định hình kém bền hơn vật chất tinh thể. Dưới tác động của nhiệt độ thích hợp (có những lúc nhiệt độ cao hơn bình thường trong quá trình sử dụng) các nguyên tử, ion có chuyển động nhiệt mạnh hơn, tạo điều kiện cho sự sắp xếp lại và tự nó chuyển thành trạng thái tinh thể. Chú ý đây là quá trình không thuận nghịch, nghìa là chất rắn tinh thể tự nó không thể chuyển thành dạng vô định hình (không thuận theo chiều giảm năng lượng). Chúng ta có sơ đồ sau đối với vật liệu silicat Lỏng Rắn Vô dịnh hình Rắn tinh thể Khi ta thực hiện quá trình đêhydrat hoá (khử nước) của các chất hydrôxyt Fe(OH)3, Al(OH)3, Cr (OH)3...ta nung nóng rất cẩn thận sẽ thấy xuất hiện hiệu ứng thu nhiệt tạo nên ôxyt vô định hình. Tiếp tục nung nóng ở nhiệt độ cao hơn rất nhanh chuyển sang hiêụ ứng toả nhiệt làm biến đổi dạng vô định hình chuyển sang ôxyt tinh thể. Vật liệu silicat có độ nhớt rất lớn ở trạng thái lỏng nóng chảy nên khi hạ nhiệt độ nó sẽ rắn thành vật chất thuỷ tinh (vô định hình) chứ không thành vật chất rắn tinh thể. Thuỷ tinh như vậy được xem như một chất lỏng quá lạnh. Các tinh thể của các hợp chất (khoáng) mới tạo thành hay được hoà tan vào trước đó chỉ có thể tái kết tinh ra khỏi pha lỏng nóng chảy mà thôi, còn bản thân pha lỏng nóng chảy sẽ bị quá lạnh chuyển thành pha thuỷ tinh. 1.3. Chất lỏng, chất rắn vô định hình và vi tinh thể: 1. Chất lỏng: Giống rắn tinh thể: nguyên tử có xu hướng tiếp xúc (sít) nhau, tuy nhiên chỉ theo những nhóm nhỏ của 1 không gian hình cầu khoảng 0.25 nm, do vậy nó cũng không có tính chịu nén (co thể tích lại như chất khí) Khác rắn tinh thể : Trong không gian hình cầu kể trên các nguyên tử tuy có sắp xếp trật tự nhưng không ổn định, do chuyển động nhiệt nên trạng thái này luôn sẽ bị phá vỡ, rồi lại hình thành với các nguyên tử khác và ở nơi khác...nghĩa là luôn ở trạng thái động. Cấu trúc như vậy gọi là có trật tự gần, với những nhóm nhỏ nguyên tử sít nhau một cách trật tự. Cấu trúc này thực ra rất quan trọng khi chất lỏng kết tinh, khi làm nguội những nhóm nhỏ này cố định lại (không bị tan đi), lớn đần lên và tạo nên trật tự xa bằng cách lập lại vị trí theo quy định, tức cấu trúc tinh thể. Chất lỏng chỉ có trật tự gần nên có tính đẳng hướng. Mật độ xếp chặt (tỉ lệ giữa thể tích do nguyên tử chiếm chổ với tổng thể tích) của chất lỏng kém chất rắn nên khi kết tinh hay đông đặc thường kèm theo giảm thể tích (co ngót). 2. Chất rắn vô định hình (không tinh thể) Ơ một số chất trạng thái lỏng nóng chảy có độ nhớt cao, các nguyên tử, ion không đủ linh hoạt để sắp xếp lại theo chuyển pha lỏng-rắn, chất rắn tạo thành không có cấu trúc tinh thể và gọi là chất rắn vô định hình. Về mặt cấu trúc có thể coi các vật thể vô định hình là chất lỏng rắn lại với các yếu tố gây nên bởi ba động nhiệt bị loại trừ Thuỷ tinh là chất rắn vô định hình điển hình nên từ này còn được dùng để chỉ trạng thái vô định hình của các vật liệu thường có cấu trúc tinh thể (ví dụ như kim loại thuỷ tinh). Các chất rắn vô định hình có tính đẳng huớng tức là có tính chất như nhau theo mọi phương. Tuy nhiên điều này cũng chỉ là quy ước, nó phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện sản xuất (chủ yếu là điều kiện làm nguội) Đối với chất rắn vô định hình như thuỷ tinh thạch anh, được tạo nên từ những đơn vị cấu trúc [SiO4]4- thì trong trường hợp - Làm nguội bình thường: SiO2 → thuỷ tinh thường (vô định hình) Khi làm nguội vô cùng chậm: thuỷ tinh sẽ có cấu trúc tinh thể Còn đối với các chất rắn tinh thể như kim loại và hợp kim ta thấy: - Làm nguội bình thường → tinh thể. - Làm nguội với tốc độ vô cùng lớn (> 104-105 0C/s) → vô định hình. Ta có đường biểu diễn nhiệt độ - thời gian khi làm nguội chất lỏng nóng chảy như sau: a) đường kết tinh b) đường làm lạnh cứng chất thuỷ tinh. 3. Chất rắn vi tinh thể: Khi làm nguội rất nhanh (trên dưới 10 000 0C/s) các vật liệu tinh thể kể trên chúng ta sẽ nhận đuợc cấu trúc tinh thể nhưng với kích thước hạt rất nhỏ (cỡ nm), vật liệu này có tên gọi là vi tinh thể (finemet hay nanomet) 2. KHÁI NIỆM VỀ MẠNG TINH THỂ 2.1. Tính đối xứng Tính đôi xứng là tính chất ứng với một biến đổi hình học, các điểm, đường, mặt tự trùng lặp lại. Tính đối xứng là một trong những đặc điểm quan trọng của mạng tinh thể. Tính đối xứng thể hiện ra ở hình dáng bên ngoài cấu trúc bên trong cũng như những tính chất của tinh thể. Nghiên cứu tính đối xứng không chỉ tạo cơ sở lí luận giải thích các hiện tượng có thể thấy ở vật thể kết tinh mà còn dự đoán các tính chất của tinh thể và sử dụng nó một cách hợp lý. Các loại đối xứng của mạng lưới tinh thể: - Tâm đối xứng: bằng phép nghịch đảo qua tâm chúng trùng lại nhau. - Trục đối xứng: các điểm có thể trùng lặp nhau bằng cách quay quanh trục một góc , số nguyên n = 2 / được gọi là bậc của trục đối xứng, chỉ tồn tại các n = 1,2,3,4,6. - Mặt đối xứng: bằng phép phản chiếu gương qua một mặt phẳng, các mặt sẽ trùng lặp lại. 2.2. Ô mạng cơ sở và ký hiệu nút, phương, mặt tinh thể 1. Ô cơ sở Hình không gian nhỏ nhất đặc trưng cho quy luật sắp xếp theo trật tự của các chất điểm (ion, nguyên tử, phân tử) trong mạng lưới gọi là ô mạng cơ sở. Khi trình bày các kiểu mạng ta chỉ cần đưa ra ô cơ sở của nó là đủ. Do tính đối xứng, từ một ô cơ sở ta có tthể tịnh tiến theo 3 chiều đo trong không gian sẽ được mạng tinh thể. Giải thích các ký hiệu trên ô mạng cơ sở: a, b, c là 3 vectơ đơn vị tương ứng với 3 trục toạ độ Ox, Oy,Oz a, b c là môđun của 3 vectơ đó, là kích thước của ô cơ sở hay còn gọi là hằng số mạng (thông số mạng) bởi vì cvhúng đặc trưng cho từng nguyên tố hoá học hat đơn chất , ,  là 3 góc hợp bởi 3 vectơ đơn vị. Tuỳ thuộc vàop tương qua giữa các cạnh và góc chúng ta có 7 loại ô mạng cơ sở hay chúng ta có 7 hệ tinh thể khác nhau và 14 ô mạng Bravais. 2. Nút mạng Nối tâm của các nguyên tử, ion sắp xếp theo quy luật bằng các đường thẳng tưởng tượng sẽ cho ta hình ảnh của mạng tinh thể, trong đó nơi giao nhau của các đường thẳng được gọi là nút mạng Nút mạng tương ứng với các toạ độ lần lượt trên các trục toạ độ Ox, Oy, Oz. Biểu diễn [x,y,z], giá trị âm biểu thị bằng [x,y,z] (có dấu trừ trên chỉ số tương ứng). 3. Chỉ số phương Phương là đường thẳng đi qua các nút mạng, biểu diễn bằng [u v w], các phương song song có tính chất hoàn toàn như nhau nên sẽ cùng chỉ số phương với lấy theo phương tương ứng đi qua gốc toạ độ O. Các phương điển hình của hệ lập phương. 4. Chỉ số Miller của mặt tinh thể Mặt tinh thể phẳng và được tạo nên bởi ít nhất là 3 nút mạng. Mạng tinh thể gốm các mặt tinh thể giống nhau, song song, cách đều nhau. Ký hiệu (h k l). Xác định (h k l) như sau: Tìm giao điểm của 3 mặt phẳng trên ba trục Ox, Oy, Oz Xác định độ dài đoạn thẳng từ gốc toạ độ đến giao điểm, xong lấy giá trị nghich đảo. Quy đồng mẫu số chung. Tử số chính là (h k l) cần tìm Người ta không xác định chỉ số Miller của các mặt tinh thể đi qua gốc toạ độ. 2.3. Mật độ nguyên tử Có khái niệm này vì các nguyên tử, ion được xem như những quả cầu và không thể nào xếp chặt chúng đặc kín hoàn toàn. Chúng ta xem xét các định nghĩa sau: - Mật độ xếp: Đánh giá mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử. - Số phối trí (số sắp xếp, số toạ độ): số lượng nguyên tử cách đều gần nhất một nguyên tử đã cho. Số phối trí càng lớn chứng tỏ mạng tinh thể càng dày đặc. - Lổ hổng: là không gian trống trong mạng tinh thể, được xem là đường kính của quả cầu lờn nhất có thể đặt lọt được vào không gian trống đó. 3. VÍ DỤ MỘT SỐ CẤU TRÚC TINH THỂ ĐIỂN HÌNH CỦA CHẤT RẮN Nói chung kiểu ô mạng tinh thể đơn giản không xếp chặt mà nguyên tử , ion chỉ chiếm ở các nút mạng thường ít gặp, thường gặp hơn là kiểu ô mạng tinh thể xếp chặt, có ion xếp ở giữa ô mạng cơ sở hay nằm ở các mặt (như lập phương tâm khối hay tâm mặt) Ví dụ lập phương tâm khối Số lượng nguyên tử thuộc về ô này n = 8 đỉnh * 1/8 + 1 ở giữa = 2 nguyên tử Ví dụ lập phương tâm mặt Số lượng nguyên tử thuộc về ô này n = 8 đỉnh * 1/8 + 6 mặt * 1/2 = 4 nguyên tử Ví dụ sáu phương xếp chặt Số lượng nguyên tử thuộc về ô này n = 12 đỉnh * 1/6 + 2 giữa mặt + 3 = 6 nguyên tử 4. TINH THỂ LÝ TƯỞNG VÀ TINH THỂ THẬT Phân loại tinh thể thật và tinh thể lý tưởng Tinh thể lý tưởng: đặc trưng bởi tính chất hình học hoàn chỉnh, các nút mạng sắp xếp cân đối và đúng trật tự trong không gian. Những điểm nút hoàn toàn đối xứng. Tinh thể thật: dưới tác dụng của môi trường, nhiệt độ, áp suất, dòng điện, ánh sáng, từ trường... làm cho mạng lưới có nhiều sai sót (khuyết tật cấu trúc), cấu trúc không hoàn chỉnh so với tinh thể lý tưởng. Có bốn loại khuyết tật tinh thể là khuyết tật điểm, đường, mặt và khối. Ở đây chúng ta chỉ xét khuyết tật điểm, chúng là những khuyết tật chỉ vào cỡ khoảng cách giữa các nguyên tử, nó làm sai lệch mạng tinh thể và, ở một mức độ nhất định, ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của tinh thể. Có ba loại khuyết tật điểm: nút trống, nguyên tử xen kẻ giữa các nút mạng và nguyên tử tạp chất xen kẻ (một số sách còn chia ra: khuyết tật Shotkin và Frenken, khuyết tật do tạp chất lạ, về cơ bản chúng cũng như nhau) Nút trống là nút mạng tinh thể bị bỏ trống, nó xuất hiện ở nhiệt độ bất kỳ cao hơn nhiệt độ không tuyệt đối (do chuyển động nhiệt), tồn tại một nồng độ cân bằng của các nút trống cũng như cúa các nguyên tử xen kẻ trong mạng ở các nhiệt độ khác nhau, nhiệt độ càng cao thì nồng độ nút trống càng cao, càng gần nhiệt độ nóng chảy càng lớn. Gọi là cân bằng vì tình trạng nút trống không tĩnh, một nguyên tử sau khi chiếm nút trống, do chuyển động nhiệt lại rời di. Nút trống là loại khuyết tật điểm quan trọng nhất, chúng gia tốc tất cả các quá trình liên quan đến sự dịch chuyển nguyên tử như sự khuyếch tán, quá trình thiêu kết bột... 5. ĐƠN TINH THỂ VÀ ĐA TINH THỂ 5.1. Đơn tinh thể Nếu chất rắn tinh thể mà ta có là một khối mạng đồng nhất, nghĩa là có cùng kiểu và hằng số mạng cũng như phương không đổi trong toàn bộ thể tích (nghĩa là không có sự gián đoạn) thì được gọi là đơn tinh thể. Trong thiên nhiên một số khoáng vật có thể tồn tại dưới dạng đơn tinh thể, chúng có hình dáng xác định và bề mặt ngoài nhẵn, đó là những mặt phẳng nguyên tử giới hạn mà thường là những mặt xếp chặt nhất. Đơn tinh thể có tính chất đặc thù là dị hướng, vì theo các phương khác nhau thì mật độ xếp chặt nguyên tử cũng khác nhau. Trong sản xuất silicat hầu như không sử dụng đơn tinh thể, nó được dùng rộng rãi trong công nghiệp điện tử ở dạng bán dẫn. 5.2. Đa tinh thể: 1. Hạt: Trong thực tế chúng ta hầu như chỉ gặp các vật liệu đa tinh thể (sự phát triển các thông số mạng không ra toàn thể tích mà bị gián đoạn). Nó gồm rất nhiều tinh thể nhỏ (cỡ m) được gọi là hạt tinh thể hay đơn giản là hạt. Các hạt tuy cùng cấu trúc và thông số mạng nhưng phương lại định hướng khác nhau (mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên giới hạt như hình [Ở đây ta xét hệ đa tinh thể gồm 1 pha] Từ mô hình chúng ta thấy: Mỗi hạt là một khối tinh thể hoàn toàn đồng nhất, xét về mặt này từng hạt đều thể hiện tính dị hướng Các hạt tuy có mạng và thông số giống nhau nhưng có phương lệch nhau, tức là tính đồng nhất về phương mạng không giữ được trong toàn khôi mạng, vì thế lại thể hiện tính đẳng hướng (còn gọi là đẳng hướng giả vì mỗi phần của nó-hạt- vẫn giữ tính dị hướng) Biên hạt có cấu trúc “hổn hợp” do ảnh hưởng của phương cấu trúc khác nhau của các hạt chung quanh, vì vậy không duy trì được cấu trúc quy luật của tinh thể mà lại có sắp xếp không trật tự (xô lệch) như là vô định hình, thường là kém sít chặt và có tính chất khác với bản thân các hạt. Người ta chỉ có thể nhìn thấy rõ cấu trúc đa tinh thể của vật liệu (cấu trúc tạo nên bởi các hạt có kích thước rất nhỏ liên kết nhau) dưới kính hiển vi quang học. Một vật liệu gốm điển hình thường chứa các hạt kích thước vào khoảng từ 1 đến 50 μm, ngoài ra còn có pha thuỷ tinh và các lổ xốp. Như vậy gốm là một vật liệu có cấu trúc đa tinh thể, đa pha (đa tinh thể: pha rắn là đa tinh thể, đa pha: gồm 3 pha rắn, lỏng, hơi) Người ta đưa ra khái niệm vi cấu trúc của vật liệu. Đó chính là sự bố trí sắp xếp của các hạt, các pha và biên giới giữa chúng để tạo nên cấu trúc bên trong của vật liệu. Vi cấu trúc của vật liệu thường được diễn tả bằng bản chất và số lượng của các pha tồn tại trong nó, kể cả lổ xốp, số lượng tương đối, kích thước, hình dạng, sự định hướng và phân bố giữa chúng. Trong hình chúng ta nhìn thấy rõ vi cấu trúc của một số vật liệu. Vật liệu đa tinh thể 1 pha: chẳng hạn các kim loại, bao gồm các đa tinh thể, các khuyết tật biên giới hạt và các khuyết tật lổ trống. Vật liệu đa tinh thể, đa pha, hệ 1 cấu tử: chẳng hạn như gốm Al2O3. Hệ gồm pha rắn đa tinh thể và pha khí trong các lổ xốp. Vật liệu đa tinh thể, đa pha, hệ nhiều cấu tử: chẳng hạn như sứ. Hệ gồm pha rắn đa tinh thể , pha thuỷ tinh nền và các lổ xốp. Phụ lục: Trong kim loại học (kết tinh kim loại và các hợp kim) người ta còn đưa ra các khái niệm độ hạt, siêu hạt, textua. Chúng ta sẽ xét sơ qua chúng như sau: Độ hạt:đó chính là kích thước trung bình (là khoảng cách giữa hai mép đối diện hay là đường kính) của các hạt trong vi cấu trúc. Độ hạt to hay nhỏ có ảnh hưởng rất lớn đến các tính chất của vật liệu, đặc biệt là tính chất cơ học Chúng ta có thể cảm nhận được độ lớn của hạt hay tinh thể khi quan sát chổ vỡ của nó qua độ xù xì, gợn hat của nó. Trong kim loại học để xác định độ hạt ngươid ta thường dùng các cấp hạt theo tiêu chuẩn ASTM. Các hạt có độ lớn khác nhau được phân thành 16 cấp chính đánh số từ 00,0,1,2,...,14 theo trật tự hạt nhỏ dần. Siêu hạt: Đến lượt mỗi hạt nó lại bao gồm nhiều thể tích nhỏ hơn (khoảng 0.1-10 μm) với phương mạng lệch nhau một góc rất hnỏ (1-2 0) được gọi là các siêu hạt Bỏ hình 1.20d (Vật liệu học cơ sở, tr.46) Textua (tổ chức định hướng): khi đa tinh thể có textua nghĩa là phương mạng của các hạt đuợc sắp xếp theo 1 hướng ưu tiên nào đó, vật liệu lúc này sẽ mất tính đẳng hướng mà lại thể hiện tính dị hướng. 6. QUÁ TRÌNH KẾT TINH Ta có thể chia quá trình kết tinh ra làm 3 giai đoạn: quá trình phát sinh (tạo mầm), phát triển (phát triển mầm) và trưởng thành (đơn tinh thể lớn lên hay sự hình thành hạt) của mạng tinh thể. Giai đoạn tạo mầm: mầm là các nhóm cấu tử (hay các đám hạt, tế bào tinh thể), trong đó các phần tử vật chất của nó được cố định lại để sắp xếp theo quy luật chuỗi nút và mặt mạng hình thành nên tế bào tinh thể. Các nhóm này có thể bị phá huỷ do chuyển động nhiệt, nhưng ở chổ khác các nhóm cấu tử mới lại được sing ra. Động lực của quá trình này: khi nồng độ dung dịch tăng lên hay nhiệt độ của dung dịch giảm xuống, sự chuyển động của các hạt vật chất (được hoà tan) trong dung dịch sẽ chậm dần lại, các hạt sẽ liên kết lại với nhau. Giai đoạn phát triển mầm: Số lượng các nhóm cấu tử (tế bào tinh thể) tăng dần lên và không bị tan ra nữa (khi đã đạt đến kích thước tới hạn rth ) để hình thành nên mạng tinh thể có kích thước lớn hơn. Như vậy là một đơn tinh thể mới (hạt tinh thể) đã thực sự được hình thành với kích thước rất nhỏ (vào khoảng <= 100 A0). Động lực của quá trình này: khi nồng độ dung dịch tăng lên, nhiệt độ hạ xuống thì trạng thái dung dịch theo xu hướng tăng độ nhớt sẽ ngăn cản quá trình phá huỷ các nhóm cấu tử. Khi đã đạt đến kích thước tới hạn rth thì sự phát triển lên về kích thước của mầm là quá trình tự nhiên vì làm giảm năng lượng tự do. Giai đoan trưởng thành của mạng tinh thể: do sự hình thành các ô mạng mới ở bề mặt làm tinh thể lớn dần lên. Tại tất cả các mặt của tinh thể, trong điều kiện hoá lý thuận lợi, đồng thời xảy ra quá trình trên đây. Góc giữa các mặt của tinh thể luôn tương ứng với nhau, đối với tinh thể của vật chất đồng nhất, luôn luôn không đổi (định luật bảo toàn góc Steno) Tốc độ tự tịnh tiến song song của bề mặt tinh thể khi tinh thể lớn lên gọi là tốc độ trưởng thành của tinh thể. Điều kiện chuẩn để kết tinh: là điểm giao nhau giữa đường tốc độ tạo mầm và tốc độ kết tinh. Đường có nét đứt biểu diễn sự gia tăng độ nhớt của hệ trong quá trình kết tinh. Trong giai đoạn trưởng thành của mạng tinh thể, nếu như sẽ hình thành nên một đơn tinh thể (ứng với một điều kiện nào đó), thì đó là quá trình lớn lên của đơn tinh thể. Còn nếu là đa tinh thể, thì đó là quá trình hình thành các hạt như sau: Trong khi các mâm sinh ra trước phát triển lên thì trong dung dịch vần tiếp tục sinh ra các mầm mới, quá trình cứ xảy ra như vậy cho đến khi các mầm đi đến gặp nhau và chất lỏng kết tinh hết, cuối cùng được một tổ chức đa tinh thể gồm các hạt. Chúng ta có thể thấy: - Từ mỗi mầm tạo nên một hạt - Các hạt xuất phát từ mầm sinh ra trước có nhiều thời gian để phát triển nên hạt sẽ to hơn, ngược lại các hạt từ mầm sinh sau sẽ nhỏ hơn. Kích thước các hạt sẽ không thể hoàn toàn đồng nhất, song thông thường sự chênh lệch sẽ không lớn. - Do các mầm định hướng trong không gian một cách ngẫu nhiên nên phương mạng ở các hạt sát cạnh nhau không đồng hướng, lệch nhau một cách đáng kể, do đó xuất hiện vùng biên giới hạt với mạng tinh thể bị xô lệch. 7. CÁC DẠNG LIÊN KẾT HÓA HỌC TRONG VẬT CHẤT SILICAT Nguyên tử vật chất có xu hướng muốn đạt đến trạng thái trong đó lớp vỏ điện tử ngoài cùng được lấp đầy bởi các điện tử để đạt đến sự bền vững- đó là sự hình thành các liên kết hoá học. 7.1. Liên kết ion Nguyên tử nhận thêm hay mất đi một số điện tử sẽ trở thành ion. Xét hợp chất NaCl. Nguyên tử natri sẵn sàng mất đi một điện tử lớp ngoài cùng để trở thành cation. Đối với các nguyên tử chỉ thiếu 1 hay 2 điện tử lớp ngoài cùng (ví dụ nguyên tứ clo) sẽ thu nhận điện tử để hoàn chỉnh lớp vỏ ngoài cùng và trở thành anion. Điện tích của các cation là số oxy hoá (số hoá trị) của chúng, ứng với số điện tử mà chúng thu nhận hay mất đi. Các khoáng vật có liên kết ion: lớp halogen, cacbônat, sunphat và sunphua. Ví du: Halit (thạch cao) CaSO4.2H2O, canxit CaCO3, đôlômit CaMg(CO3)2, pyrit FeS2, chancôphyrit CuFeS2. Các khoáng vật nhóm này có độ bền giảm nhanh và có tính hoà tan khi tác dụng vói nước. Các loại đá tạo bởi các khoáng vật có liên kết ion thì dễ bị phá hoại do các tác dụng phong hoá, dễ bị biến đổi. 7.2. Liên kết cộng hoá trị Đối với các nguyên tử không có xu hướng mạnh mẽ nhường hay nhận điện tử, khi tạo thành hợp chất hoá học, các nguyên tử này sẽ có các điện tử góp chung để hoàn chỉnh lớp vỏ ngoài cùng của chúng, tạo thành liên kết cộng hoá trị. Các khoáng vật có liên kết loại này thường khó bị hoà tan khi tác dụng với nước, chúng có độ bền cơ học cao, kết tinh sít đặc, màu sặc sỡ hay sẫm, khối lượng riêng lớn. Trong các hợp chất của silic thì chẳng hạn SiC có liên kết cộng hoá trị đặc trưng, còn SiO2 thì có liên kết ion-cộng hoá trị, trong đó liên kết ion chiếm 50%. 7.3. Liên kết giữa các phân tử với nhau (liên kết yếu hay liên kết Van der Walls) Trong nhiều phân tử có liên kết cộng hoá trị, do sự khác nhau về độ âm điện của các nguyên tử, trọng tâm điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện được tạo thành và phân tử bị phân cực. Liên kết Van der Waals là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử hay phân tử bị phân cực như vậy. Liên kết này yếu, rất dễ bị phá vỡ khi tăng nhiệt độ nên vật liệu có liên kết này có nhiệt độ chảy thấp. Đây còn gọi là liên kết bậc hai. Người ta còn phân biệt ra một loại liên kết nữa là liên kết hổn hơp, có nghĩa là trong các vật liệu này vừa có liên kết cộng hoá trị vùa có liên kết ion và liên kết nước. Chẳng hạn như các khoáng vật sét thứ sinh, các hợp chất hữu cơ. 8. PHÂN LOẠI CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI TINH THỂ SILICAT 8.1. Những khái niêm cơ bản 1. Bán kính ion hiệu quả Ta có thể coi ion trong mạng lưới tinh thể có dạng hình cầu không bị nén ép và bán kính của ion lúc đó gọi là bán kính ion hiệu quả. Như vậy là bán kính ion hiệu quả của một ion náo đó trong mạng tinh thể không bằng khoảng cách từ nhân đến vành điện tử ngoài cùng của nó khi nằm ở trạng thái tự do. Ta có l (khoảng cách giữa những mặt của mạng không gian) = ra + rk. Đơn vị đo là Ao. Gônsmit tìm ra bán kính ion của một số ion bằng thực nghiệm và Pauling thì bằng lý thuyết lượng tử, và chúng đã phù hợp nhau. ra rk l 2. Nguyên lý sắp xếp chặt chẻ và số phối trí Cho phép chúng ta về mặt lý thuyết đánh giá mức độ bền vững của 1 cấu trúc. Nếu cấu trúc bền vững thì phải có sự tiếp xúc giữa anion-anon và anion-cation. Ngoài ra đều là những cấu trúc không bền vững. Macmut đã dùng con đường hình học tìm ra tỉ lệ bán kính giũa cation và anion tạo cấu trúc không gian thành hình đa diện sao cho bền vững nhất. Hình không gian tam diện (ba đỉnh, các đỉnh là anion): rc/ra = 0.155 hay (0.155-0.225) Hình không gian tứ diện (bốn đỉnh, các đỉnh là anion): rc/ra = 0.225 hay (0.225-0.414) Hình không gian bát diện (sáu đỉnh, các đỉnh là anion): rc/ra = 0.411 hay (0.414-0.732) Hình không gian tám đỉnh (ví dụ hình lập phương, 8 đỉnh là 8 anion): rc/ra = 0.732 (0.732-1) Hình sắp xếp chặt chẻ 10, 12 đỉnh trở lên (các đỉnh là các anion): rc/ra >=1 Số đầu tiên là trị số tối ưu, lúc này hình không gian tương ứng bền vững nhất. Số trong ngoặc đơn chính là khoảng tỉ lệ rc/ra trên thực tế (tỉ lệ này dao động đối với các ion khác nhau). Đa diện Ba đỉnh Bốn đỉnh Sáu đỉnh Tám đỉnh Mười đỉnh Mười hai đỉnh Số anion txúc với cation 3 anion 4 anion 6 anion 8 anion 10 anion 12 anion rc/ra 0.155-0.225 0.225-0.414 0.414-0.732 0.732-1 >=1 >=1 Số phối trí 3 4 6 8 10 12 Cùng một cation có thể có vài số phối trí khác nhau trong các hợp chất khác nhau hay có số phối trí khác nhau ở các dạng thù hình khác nhau (tính chất của các dạng thù hình cũng thay đổi khác nhau). Ví dụ: Ion Al3+ trong khoáng silimanit Al2O3.SiO2 có 1/2 ion Al3+ có số phối trí 4 và 1/2 có số phối trí 6. Silimanit có trọng lượng riêng  = 3.25 g/cm3, chỉ số chiết xuất Nm = 1.658 . Ion Al3+ trong khoáng kianit cũng có cùng công thức hoá học Al2O3.SiO2 nhưng tất cả Al3+ đều ở dạng số phối trí 6. Kianit có trọng lượng riêng  = 3.6 g/cm3, chỉ số chiết xuất Nm = 1.722. 9. SỰ PHÂN CỰC Như trên đã nói, chúng ta coi ion là một hình cầu không bị nén ép, trọng tâm của điện tích âm trùng với trọng tâm điện tích dương. Đó là những ion không phân cực. Thực tế dưới tác dụng của điện truờng, từ trường hay ánh sánh...tâm của điện tích âm và điện tích dương không trùng nhau, hình dạng không còn là hình cầu, ion đã trở thành lưỡng cực...Tồn tại một mômen cảm ứng lưỡng cực m như sau: m =  e.d = . E với: e: tích điện chuyên động, d: khoảng cách giữa các trọng tâm của nhân; : hệ số cản trở sự phân cực (độ phân cực) đo bằng sự thay đổi thể tích của ion bị biến dạng (cm3.1024 ). Người ta phân biệt các loại phân cực sau: Sự phân cực điện tử (e): chùm tia sáng trông thấy có tác dụng làm hoán vị điện tử của ion. Có thể coi như không thay đổi theo nhiệt độ. Trên thực tế phân cực điện tử rất nhỏ so với phân cực nguyên tử, Sự phân cực nguyên tử (a): chùm tia hồng ngoại (có chiều dài sóng lớn) làm biến đổi nhân nguyên tử. Có thể coi như không thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ. Phân cực định hướng: điện trường ngoài tác dụng làm cho những phân tử bị phân cực theo phương tương ứng của điện trường. Sự phân cực này làm cản trở sự chuyển động nhiệt của phân tử. Ta có:  = a + e Mức độ phân cực cũng có thể đánh giá qua hằng số tổn thất điện môi .  = E0/E trong đó E 0: lực điện trường giữa hai bản cực của tụ điện chân không, E: lực điện trường giữa hai bản cực của cùng tụ điện, cùng thế hiệu nhưng giữa hai bản cực của tụ điện chứa vật chất đang xét. Ta có công thức sau đối với 1 g vật chất  1 1  *  2 d Còn nếu áp dụng công thức này cho 1 mol vật chất   1 M 4N M  *  *  2 d 3 Trong đó M: trọng lượng phân tử,  là hệ số phân cực, N: số Avôgađrô. Người ta tính ra được: M = 2.54. 10-24. Anion phân cực yếu nhưng bản thân chúng rất dễ bị phân cực, cation phân cực mạnh nhưng bản thân nó tương đối khó bị phân cực. Vai trò chính của đối tượng phân cực là ôxy vì độ phân cực của ion ôxy rất lớn so với độ phân cực của các ion Si4+, Al3+, Mg2+, Na+ v.v...Do đó nếu tăng hàm lượng ion ôxy trong các hợp chất silicat làm cho độ phân cực của hợp chất tăng lên, tính chất của silicat cũng thay đổi theo mức độ phân cực. Số phối trí càng lớn, nghĩa là số ion xung quang càng nhiều thì nói chung ion đó thể hiện sự phân cực yếu. Người ta dùng hiện tượng phân cực các ion trong mạng lưới để giải thích tác dụng của chất khoáng hoá (không phải là liên kết phân cực như đã nói ở phân trước).Chất khoáng hoá đuợc xem như là một lượng nhỏ các tác nhân phân cực đưa vào phối liệu có tác dụng tăng tốc độ phản ưng. Chất khoáng hoá không tạo nên hợp chất mới với cấu tử ban đầu và cũng không kết hợp với sản phẩm để tạo nên hợp chất mới, vì vậy chúng cũng không tồn tại trong thành phần của sản phẩm. Cơ chế của nó được giải thích như sau: Khi có sự thay thế đồng hình đặc biệt các ion có hoá trị lớn, hay có sự xâm nhập của ion lạ (tạp chất) sẽ sinh ra sự không cân bằng điên tích gây nên sai sót cấu trúc, làm cho mạng lưới tinh thể biến đạng không đều, mạng lưới không gian cũng bị phân cực không đồng đều. Kết quả làm giảm nhiệt độ nóng chảy và làm tăng tốc độ phản ứng. Thực chất tác dụng của một chất khoáng hoá không riêng lẻ cho một phan ứng nào mà xảy ra trong một loạt phản ứng trong suốt quá trình tạo silicat. Ví dụ - Thay đổi cấu trúc vật chất phối liệu: tăng nhanh tốc độ phân huỷ vật chất ở nhiệt độ thấp để sinh ra các chất trung gian có hoạt tính hoá học cao. - Chất khoáng hoá làm tăng tốc độ phân huỷ đá vôi, đôlômit...(phân huỷ vật chất khi nung nóng) - Chất khoáng hoá làm tăng nhanh quá trình biến đổi đa hình SiO2 và đạt dạng thù hình hoạt tính nhất - Chất khoáng hoá làm tăng nhanh tốc độ phản ứng pha rắn và làm xuất hiện pha lỏng sớm - Chất khoáng hoá làm giảm độ nhớt pha lỏng, làm tăng nhanh quá trình phản ứng hoặc kết khối vật chất khi có mặt pha lỏng - Chất khoáng hoá làm tăng nhanh quá trình kết tinh. Một số ví dụ về loại và ứng dụng của chất khoáng hoá (hay là tác nhân phân cực) Hơi nước làm tăng tốc độ của quá trình nóng chảy, hoà tan hay kết tinh vật liệu silicat. Các halogen, CO và CO2 Na+ ở nhiệt độ cao có tác dụng mạnh đến quá trình tạo khoáng forsterit.và tridimit (một dạng thù hình của SiO2). Ngược lại, nó lại giảm rất mạnh tốc độ phản ứng tạo mullit. B3+ tăng nhanh tốc độ phản ứng tạo mullit nhung lại làm giảm quá trình tạo tridimit Fe3+ có tác dụng đồng thời cho quá trình tạo mullut và tridimit hoá SiO2. Chất khoáng hoá 4% ôxyt Fe2O3 hoặc 2% B2O3, 1% CeO, 1% Li2O tăng nhanh quá trình mullit hoá đất sét, caolin. 2% FeCl3 làm tănh nhanh quá trình kết khối corun 0.5% Na2F + 2% CaO làm tăng nhanh tốc độ biến đổi quăczit. Phụ gia ổn đinh: ngược lại với phụ gia khoáng hoá, phụ gia này làm giảm hay ngăn chặn quá trình biến đổi chất trong quá trình phản ứng tạo silicat. Trong quá trình sản xuất clinke xi măng porlăng, phải ngăn chặn quá trình khoáng 2CaO.SiO2 chuyển hoá thành khoáng -2CaO.SiO2 làm tăng thể tích tới 11%, làm sản phẩm nứt tả thành bột, chất lượng sản phẩm thấp, không có cường độ cao. Muốn vậy người ta phải dùng phụ gia ổn định là 0.5% hợp chất P, As, B... Gạch chịu lửa cao cấp ZrO2 ở nhiệt độ cao dễ chuyển từ dạng đơn tà sang tứ phương, nở thể tích làm giảm chất lượng sản phẩm. Muốn ngăn chặn quá trình này tốt nhất cho một lượng MgO nhất định vào phối liệu. 10. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA HÓA HỌC TINH THỂ 10.1. Định luật Gônsmit (1926) Cấu trúc mạng tinh thể của vật chất quyết định bởi số lượng đơn vị cấu trúc, kích thước và tính chất phân cực của những đơn vị cấu trúc đó. Đơn vị cấu trúc mạng lưới có thể là những ion, nguyên tử, tổ hợp ion, hay là những phân tử. Chúng ta rút ra những nhận xét sau: Hoá trị và số thứ tự nguyên tử (trọng lượng nguyên tử) không ảnh hưởng đến cấu trúc mạng lưới tinh thể. Kích thước ở đây có nghĩa là phải tuân theo tỉ lệ rc/ra, tương ứng với định luật phối trí (đã nói ở trên) sao cho sắp xếp chặt chẻ nhất đối với mạng lưới không gian nhất định. Yêú tố phân cực của những đơn vị cấu trúc, tức xét sự phân cực của ion (hay nguyên tử, phân tử) trong mạng lưới. Một hiện tượng phải xét tổng hợp đến cả hai yếu tố kích thước và phân cực là hiện tượng đồng hình. Đó chính là “vật chất có thành phần hoá học khác nhau nhưng đồng thời được kết tinh theo một mạng tinh thể như nhau”, nghĩa là có sự hoà tan có giới hạn hoặc vô hạn của một số đơn vị cấu trúc vào trong mạng lưới tinh thể của vật chất, tạo nên tinh thể bị thay thế hay tinh thể lẫn (dung dịch rắn). Vấn đề này chúng ta sẽ xét trong những phần sau. Tổng quát định luật Gônsmit: S = f(n, rc/ra, ) 10.2. Định luật Capustinit Nói về năng lượng mạng lưới của tinh thể. “Năng lượng mạng lưới, tính chất năng lượng mạng lưới quyết định bởi số lượng đợn vị cấu trúc, kích thước đơn vị cấu trúc mạng lưới đó. Trong một số trường hợp năng lượng mạng lưới còn phụ thuộc vào tính chất phân cực của những đơn vị cấu trúc mạng lưới” Biểu thức toán học của định luật Capustinit cho một hợp chất AmBn như sau u  256.1 * n *W *W r r 1 c 2 a Trong đó u: năng lượng mạng lưới tinh thể, n: số ion có trong phân tử, W1,W2: hoá trị của ion, rc, ra: bán kính của cation và anion. Năng lượng mạng lưới tinh thể được hiểu như sau Là năng lượng cần thiết phải tiêu tốn để tách những ion khỏi mạng lưới vật chất vô tận (là công tiêu tốn phá vỡ mạng lưới, bằng tổng của lực kéo f1 và lục đẩy f2 giữa các ion nằm trong mạng lưới) Chính bằng năng lượng toả ra khi liên kết nhưng ion đó lại thành cấu trúc có mạng lưới tinh thể mới (năng lượng sắp xếp mạng lưới mới), không tính hiệu ứng nhiệt của phản ứng tạo thành mạng lưới mới. Công thức tính năng lượng mạng lưới tinh thể: - Công thức tính lực kéo f1 W *W * e f  l 1 1 2 2 2 Trong đó e: điện tích của điện tử l: khoảng cách giữa các ion W1, W2: hoá trị của các ion - Công thức tính lực đâỷ f2 f  2 B l ml Trong đó B: hằng số m: phụ thuộc cấu trúc tinh thể và nằm trong khoảng 6-12 - Tổng lực tác dụng lên ion là: 2 W *W * e B f =a. f1 - b.f2 = a *  b* l l 1 2 ml 2 Trong đó a, b hệ số phân bố ion trong mạng lưới , phụ thuộc vào một loại tinh thể cụ thể của vật chất đã cho. a được tính theo bảng (xem trong sách Hoá lý silicat), b và B được tính theo thực nghiệm. - Năng lượng mạng lưới được tính như sau: 2 e l u  N * a * W * W * (l  ) l m 1 2 Dựa trên công thức Capustinit, Ferman đề ra công thức tính năng lượng mạng lưới tinh thể đơn giản hơn (nhưng không chính xác bằng) như sau: u = 256.1 (x.a + y.b) x-số cation trong phân tử y-số anion trong phân tử. a, b-phần năng lượng cho cation và anion đưa vào mạng lưới tinh thể . - Ngoài ra người ta có thể tính năng lượng mạng lưới tinh thể theo phương pháp kiểm tra thực nghiệm của Bo và Gabec, khá chính xác, sai số chỉ khoảng 5%. - 10.3. Nguyên lí Pauling Khi xét cấu trúc một mạng lướit Pauling đưa ra 5 nguyên lí cơ bản sau 1. Mỗi cation được xem như bao xung quanh nó bởi các anion ở các đỉnh góc của hình đa diện. Khoảng cách giữa anion và cation ở các đỉnh góc phải bằng nhau và bằng tổng rc + ra. Số phối trí của cation bằng số góc của hình đa diện đều và tuân theo tỉ lệ rc/ra. Nguyên lí này về thực chất không hoàn toàn đúng. - Chẳng hạn đối với các hợp chất silicat, có cấu trúc nhóm phức tạp, không phải hệ ở dạng đa diện đều, đặc biệt khi có các cation kích thước lớn như Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Be2+ - Các cation không phải chỉ có một số phối trí mà có nhiều số phối trí khác nhau - Nguyên lí cũng không đúng khi mạng tinh thể có cấu trúc mà bên trong không có cation chiếm chổ. 2. Tổng lực của mọi cation bao xung quang anion nào đó và nằm trong một cấu trúc khối không gian sẽ có xu hướng dẫn tới cân bằng điện tích với anion đó. “tổng lực tác dụng điện tích (hoá trị) của tất cả cation lên 1 anion sẽ bằng hoá trị anion đó” Lực liên kết tĩnh điện (giữa cation và anion) a của một mạng lưới không gian được tính như sau