Bài giảng Vật lý chất rắn - Bài 2: Liên kết trong tinh thể

Nội dung text: Bài giảng Vật lý chất rắn - Bài 2: Liên kết trong tinh thể

1. Baøi 2
2. I. Baûnchaátcuaûcaùclöcïtöôngtaùctrongtinhtheå § KhiñöahainguyeântöûA vaøB laïigaànnhauchuùngbaétñaàu töôngtaùcvôùinhau. >>neáunaênglöôïngcuûaheägiaûm,löïchuùtgiöõacaùcnguyeân töûthaéng à chuùngcoùtheåtaïoneânphaântöûAB oånñònh. >> neáunaênglöôïngcuûaheätaêng, chuùngñaåynhau à chuùng khoângtheåtaïothaønhphaântöû. § Giöõacaùcnguyeântöûcoùtheåcoùlöïchaápdaãn, löïctöøvaøñieän taùcduïng. § Ñaùnhgiaùnaênglöôïnghuùtgiöõahainguyeântöûôûcaùchnhau khoaûnga do caùcloaïilöïcnoùitreânñiñeánkeátluaän: Baûnchaátcuûacaùclöcïhuùttrongtinhtheålaølöïcñieän . NaênglöôïnghuùtcoùdaïngUhuùt = A/r vôùiA laømoäthaèngsoá
3. § Muoántaïocaùcheäoånñònhtöøcaùcnguyeântöûhoaëcphaântöû, giöõa chuùngkhoângnhöõngcaàncoùlöïchuùtmaøcoøncaàncoùlöïcñaåy. Tuy coùtheåcoùnguoàngoáckhaùcnhau, caùclöïcñaåycoùmoätñaëcñieåm chunglaøgiaûmnhanhtheokhoaûngcaùchr giöõacaùcnguyeântöû: n naênglöôïngñaåycoùdaïngUñaåy = B/r vôùiBlaømoäthaèngsoá vaø n>>1 . Noùichung, naênglöôïngtöông taùcgiöõahainguyeântöûtrong tinhtheålaømoäthaømcuûa khoaûngcaùchr giöõachuùng, goàmcoùhaiphaàn U (r) = Uhuùt + Uñaåy . Ñoàthòbieåudieãnsöïphuï thuoäccuûaU vaøor coùdaïng ñieånhìnhnhöôûhình beân
4. II. Caùcloaïilieânkeáttrongchaátraén ² Söïkhaùcnhaugiöõacaùcloaïilieânkeáttrongtinhtheåkhoâng phaûido baûnchaátcuûatöôngtaùcmaøôûsöïkhaùcnhautrongsöï phaânboácuûaelectrontrongcaùcnguyeântöû. Khiñöacaùc nguyeântöûlaïigaànnhauñeåtaïoneântinhtheåchaátraén, do töông taùcgiöõachuùngcoùsöïphaânboálaïicuûacaùcelectrontrongcaùc nguyeântöû. ± Quaùtrìnhphaânboálaïiñieäntíchkhiñoùthoûamaõnñieàukieän baûotoaønñieäntíchtrongtoaønheävaøcoùxuhöôùngsaochocaùc nguyeântöûcoùlôùpvoûngoaøicuøngñaàyelectron. ± Caùcnguyeântöû thöïchieänsöïphaânboálaïiñieäntíchbaèng caùchnhöôønghoaëcthuelectron, taäptheåhoaùcaùcelectron ( moätphaàn, toaønboä) hay chædo söïbieándaïngcaùclôùpvoû electron.
5. Caùcloaïilieânkeát: lieânkeátsôcaáp • Lieân keátsôcaáp : electron hoaùnñoåihoaëcgoùpchung electron . Lieânkeátmaïnh(100 -1000 KJ/mol hoaëc1 -10 eV/nguyeântöû) • LieânkeátIon: töôngtaùcCoulomb maïnhgiöõacaùcion aâm ( nguyeântöûnhaäntheâmelectron ) vaøcaùcion döông( caùc nguyeântöûmaátelectron ) Víduï-Na+ Cl- • Lieânkeátñoànghoùatrò: caùcphaântöûgoùpchungelectron ñeå baõohoøahoùatrò. VíduïH2 • Lieânkeátkimloaïi : caùcnguyeântöûbòion hoùa, maátmoätvaøi electron töøvuønghoùatrò. Caùcelectron taïothaønhmoätbieån electron , giöõchocaùcgoácnguyeântöûôûñuùngvòtrí.
6. 1)1) LiLieeânân kekeáátt iionon • Söïtaïothaønhlieânkeátion : 1. Söïion hoùaxuaáthieändo söïchuyeån electron töønguyeântöûnaøysang nguyeântöûkhaùc Ion = nguyeântöûtíchñieän Anion = nguyeântöûtíchñieänaâm Cation= nguyeântöûtíchñieändöông 2. Caùcion traùidaáuhuùtnhaubôûilöïctöôngtaùc Coulomb maïnh: 3. Lieânkeátion khoângcoùhöôùng: caùcnguyeântöûcoùtheå bòhuùtvaøonhautöøbaátkyøhöôùngnaøo.
7. LiLieeânân kekeáátt iionon Lieân keátion laøsöïlieânkeátgiöõacaùcion traùidaáu. Söïxuaáthieän cuûacaùcion do caùcnguyeântöûkhaùcloaïinhöôøngvaøthuñieäntöû khiñöôïclaïigaànnhau. Víduï : nguyeântöûNa nhöôøngmoätelectronchonguyeântöûClvaø trôûthaønhion döôngvôùilôùpvoûngoaøi8 electron: Na : 2s22p63s1 Na+ : 2s22p6 trongkhiñoùnguyeântöûClkhinhaäntheâmmoätelectrontrôûthaønh ion aâmvôùilôùpvoûngoaøicuøngcoù8 electron: Cl : 2s22p63s23p5 Cl- : 3s23p6 .
8. LiLieeânân kekeáátt iionon • Söïchuyeånelectron laømgiaûmnaênglöôïngcuûaheänguyeântöû, nghóalaøsöïchuyeånelectron laøcoùlôïiveàmaëtnaênglöôïng. •Chuùyùkíchthöôùctöôngñoáicuûacaùcion : Na co laïivaøClnôû ra. Lieânkeátion : raátmaïnh, khoângñònhhöôùng
9. LiLieeânân kekeáátt iionon Moãi ion vôùilôùpvoûngoaøiñaàyelectronñöôïcxemnhömoätquaû caàuraénvôùibaùnkínhion xaùcñònh. Chuùngcoùxuhöôùngkeùoñeán mìnhtoáiñacaùcion ngöôïcdaáu. Soáion toáiñañoùñöôïcquyñònhbôûityûsoár+/ r- .
10. Baùnkínhion ( Ao ) Li+ : 0,68 Na+ : 0,95 K+ : 1,33 Rb+ : 1,48 Cs+ : 1,67 F- : 1,36 Cl- : 1,81 Br- : 1,95 I- : 2,16 Khitaïothaønhtinhtheå, moãiion coùxuhöôùngkeùoñeánmìnhtoái ñacaùcion ngöôïcdaáu. Soáion toáiñañoùñöôïcquyñònhbôûityûsoácuûacaùcbaùnkínhion . Caùccaáuhìnhseõmaáttínhoånñònhneáucaùcion döôngquaùnhoû ( caùcion + coùtheådòchchuyeåndeãdaøngtheocaùcchoãhoång). Ngöôïclaïi, neáutyûsoár+/ r- taêngñeánmoätmöùcnaøoñoùseõlaøm thayñoåicaáuhìnhtheochieàutaêngcuûasoáphoáitrík .
11. Víduï : Vôùi NaCl, tyûsoárNa/rCl = 0,54 : quanh Na+ coù6 ion Cl- ( k = 6) daãn ñeáncaáutruùctinhtheånhöhìnhbeân. ( Quanhmoätion Cl- coù12 ion Cl- ). Vôùi CsCl, tyûsoárCs/rCl = 0,92 : quanhion döôngCs+ coù8 ion Cl- baoquanh à caáuhìnhlaäpphöông
12. TTinhinh ttheheåå iionon Caùctinhtheåion khoângdaãnñieän. Löïctónhñieängiöõacaùcion töôngñoáimaïnh. Chaátraénion cöùng, coùñieåmnoùngchaûycao
13. 22)) LiLieeânân kekeáátt ññooààngng hohoùùaa ttròrò • Tronglieânkeátñoànghoùatrò, caùcelectron goùp chunggiöõacaùcnguyeântöû. VíduïñôngiaûnnhaátlaøphaântöûH2, trongñoù electron chuyeånñoängôûgiöõacaùchaïtnhaânnhieàu hônlaøtrongtöøngnguyeântöû, nhôøñoùtaïoralieân keátgiöõahainguyeântöû. Söïtaïothaønhlieânkeátñoànghoùatrò: Chiaseûcaùcelectron hoùatrò •Coùtheåmoâtaûbôûisöïphuûcuûacaùcquyõñaïo •LieânkeátñoànghoùatròcoùtínhñònhhöôùngCAO. Lieânkeát-theochieàucaùcquyõñaïophuûnhaunhieàunhaát
14. LiLieeânân kekeáátt ññooààngng hohoùùaa ttròrò MoätnguyeântöûvôùiN’electron hoùatròcoùtheåcoùsoálieânkeát ñoànghoùatròtoáiñabaèng8-N’. Víduï : 2 2 6 2 5 v Nguyeân töûCl coùZ Cl =17 (1s 2s 2p 3s 3p ) N’= 7 , 8 -N’= 1 -> chæcoùtheåtaïomoätlieânkeátñoàng hoùatròtaïothaønhphaântöûCl2 Cl= Cl v Nguyeân töûSi coù4 electron hoùatròN’= 4 , 8 -N’= 4. Do ñoù nguyeântöûSicoùtheåtaïo4 lieânkeátñoànghoùatrò.
15. TTinhinh ttheheåå ññooààngng hohoùùaa ttròrò CaùcnguyeântoáthuoäcnhoùmIV cuûaBaûngTuaànhoaøncoù4 electron ôûlôùpvoûngoaøicuøng: C : 2s2 2p2 Si : 3s2 3p2 Ge : 4s2 4p2 a-Sn: 5s2 5p2 Xuhöôùngchungcuûacaùcnguyeântöûnaøykhitaïothaønhchaát raénlaøtaïovôùi4 nguyeântöûlaâncaän4 moáilieânkeátñoànghoùa trò( baèngcaùchgoùpchungcaùcelectronngoaøi). Caùclieânkeát ñoùñònhhöôùngdöôùigoùc10905 ñoáivôùinhau.
16. TTinhinh ttheheåå ññooààngng hohoùùaa ttròrò Quanh1 nguyeântöûbaátkìcoù4 nguyeântöûnaèmôûñænhcuûacaùctöù dieänñeàuvaønguyeântöûñangxeùtnaèm ôûtaâmcuûatöùdieänñoù. Caùchsaépxeáp nhövaäycuûacaùcnguyeântöûC daãnñeán maïngkieåukimcöông. Ñaëcñieåmnoåibaätcuûalieânkeátñoànghoùatròlaøtínhñònhhöôùng. Caùctinhtheånguyeântöû( ñoànghoùatrò) thöôønggioøndo lieânkeát ñoànghoùatròkhoângchopheùpcaùcnguyeântöûdòchchuyeåntöông ñoáimaøkhoânglaømñöùtlieânkeátgiöõachuùng. Caùctinhtheåñoànghoùatròcoùnhieätñoänoùngchaûycao, ñoäraénvaø ñoäbeàncao.
17. Phaànlieânkeátion cuûalieânkeáttrongcaùctinhtheå2 thaønhphaàn Tinhtheå Phaànion TinhtheåPhaànion Treân thöïcteá, raátíttinh theåcoùlieânkeátthuaànion Si 0,00 SiC 0,18 CuCl 0,75 hoaëcthuaànñoànghoùatrò. Ge 0,00 CuBr 0,74 Noùichung, caùctinhtheåcoùù ZnO 0,62 lieânkeátphalaãn( lieânkeát ZnS 0,62 AgCl 0,86 ZnSe 0,63 AgBr 0,85 lai). ZnTe 0,61 AgI 0,77 ÔÛ baûng beân cho thaáy CdO 0,79 CdS 0,69 MgO 0,84 phaàntraêmcuûalieânkeát CdSe 0,70 MgS 0,79 ion tronglieânkeátlaicuûa CdTe 0,67 MgSe 0,79 moätsoátinhtheå. InP 0,44 LiF 0,92 InAs 0,35 NaCl 0,94 InSb 0,32 RbF 0,96 GaAs 0,32 GaSb 0,26
18. 33)) LiLieeânân kekeáátt kkimim loaloaïïii § CaùcnguyeântoáñöùngñaàucaùcChu kì cuûaBaûngTuaànhoaøncoùelectronngoaøi lieânkeáttöôngñoáiyeáuvôùihaïtnhaân. Khiñöacaùcnguyeântöûlaïigaànnhau, caùcelectronngoaøithoaùtkhoûicaùc nguyeântöû ( do coùsöï phuûcuûacaùc haømsoùng) vaødòchchuyeåntöïdo trong toaønmaïngtinhtheå. § Söïphaânboácaùcñieäntíchaâmkhaùñoàngñeàu. Söïlieânkeátxuaát hieändo töôngtaùccuûacaùcion döôngvôùikhíelectronbao quanhchuùng. § Ñeåcoùlôïiveàmaëtnaênglöôïng, moãinguyeântöûkeùoveàmình toáiñacaùcnguyeântöûkhaùcdaãnñeánsöïhìnhthaønhcaáutruùcxeáp chaët, k = 12 .
19. Lieân keátkimloaïitrongNa Electron khoângñònhxöù
20. LieânkeátkimloaïitrongMg § Magnesium coùcaáutruùcelectron ôûlôùpvoûngoaøi3s2. Caûhai electron ñoùñeàutrôûneânkhoângñònhxöùneân“bieånelectron”coù maätñoägaápñoâiso vôùiNa. Caùcion coønlaïicuõngcoùñieäntích döônggaápñoâi à löïchuùtgiöõacaùcion vaøbieånelectron maïnh hôn. § CaùcnguyeântöûMagnesium coùbaùnkínhhôinhoûhôncaùc nguyeântöûNa vaødo ñoùcaùcelectron khoângñònhxöùnaèmgaàncaùc haïtnhaânhôn. MoãinguyeântöûMgcoù12 laâncaängaànnhaát( Na chæcoù8 laâncaängaànnhaát). Caûhaiñieàuñoùlaømcholieânkeátgiöõa caùcMg maïnhleânnhieàu. Mg coùnhieätñoänoùngchaûycao.
21. Lieânkeátkimloaïitrongcaùcnguyeântoáchuyeåntieáp Caùcelectron khoângñònhxöùtrongcaùckimloaïichuyeåntieáp coùtheålaøcaùcelectron 3d vaø4s. Caøngcoùnhieàuelectron ñöôïc giaûiphoùnglieânkeátcaøngmaïnh. Caùckimloaïichuyeåntieápcoùnhieätñoänoùngchaûycaovaøñieåm soâicao.
22. TTinhinh ttheheåå kkimim loaloaïïii § Tinhtheåkimloaïidaãnñieäntoát § Lieân keátkimloaïichopheùpcaùcion ôûcaùcnuùtmaïng dòchchuyeåntöôngñoáixamaøkhoângphaùvôõlieânkeát: kimloaïicoùñoädeûocao( deãkeùothaønhsôïi) § Caùckimloaïinaëngcoùlieânkeátraátchaéc. Chuùngcoù nhieätñoänoùngchaûycaovaøñoäbeàncôhoïclôùn.
23. 4)4) LiLieeânân kekeáátt ththöùöù cacaáápp Lieân keátthöùcaáp ( lieânkeátvan derWaals) laølieânkeát vaätlyù( traùivôùilieânkeáthoùahoïctrongñoùcoùsöïdi chuyeånelectron ) ñöôïctaïothaønhdo töôngtaùccuûa caùclöôõngcöïcñieäncuûanguyeântöûhoaëcphaântöû. Lieânkeátnaøyyeáu, ~0,1eV/nguyeântöûhay~10 kJ/mol. Lieânkeátvan derWaals töôngtaùcgiöõahailöôõngcöïcñieän Lieânkeátgiöõacaùcphaântöû: löïcvan derWaals
24. Caùcloaïilöôõngcöïcñieän Haïtnhaânnguyeântöû Haïtnhaânnguyeântöû Maâyelectron Maâyelectron Nguyeân töûñoáixöùng Löôõngcöïcñieäncaûmöùng veàmaëtñieäntích Löôõngcöïcdo bieándaïng
25. Nguoàngoáccuûalöïcvan derWaals Löôõngcöïcthaênggiaùngtöùcthôøi TrongphaântöûñoáixöùngnhöH2noùichungkhoângcoùbieándaïng ñieänñeåtaïothaønhcaùcmieànmangñieändöôngvaøaâm. Ñieàuñoù ñuùngkhixeùttrungbình. Vìelectrons chuyeånñoängvaøôûmoätthôøiñieåmnaøoñoùchuùngôû moätñaàucuûaphaântöûlaømchoñaàuñoùmangñieän d-coønñaàukia taïmthôøithieáuseõmangñieän d+. hoaëc Ñieàuñoùcuõngxaûyravôùicaùcphaântöûñônnguyeântöû–caùcphaân töûkhítrô( He, Ne, ) Neáucaûhaielectrons cuûaHe ñoàngthôøi naèmveàcuøngmoätphíacuûanguyeântöû, haïtnhaânkhoângcoønbò chephuûbôûielectronôûthôøiñieåmñoù.
26. Caùclöôõngcöïctöùcthôøisinhralöïchuùtgiöõacaùcphtöû Moätphaântöûcoùlöôõngcöïcñieäntöùcthôøikhiôûgaànmoätphaântöû khoângphaâncöïcôûthôøiñieåmñoùnoùseõtaïolöôõngcöïcñieäncaûmöùng chophaântöûnaøy Löôõngcöïc Hìnhbeânchothaáylöïcvan töùcthôøi caûmöùng derWaalscoùtheålieânkeátcaùc phaântöûñeåtaïoneânchaátraén. Taátnhieân, ôûthôøiñieåmsau ñoù, coùsöïsaépxeápkhaùccuûa söïphaânboáelectrondo chuùng chuyeånñoäng, nhöngluoân luoânñoàngboä.
27. Töông taùcù Van der Waals - London Theo lyùthuyeátcoåñieån, coùtheågiaûithíchlöïchuùtgiöõacaùcnguyeân töûkhítrôtrunghoøanhösau. Giaûthöûôûthôøiñieåmt nguyeântöû1 coùlöôõngcöïcñieäntöùcthôøip1. Löôõngcöïcnaøytaïoôûtaâmcuûanguyeântöû2 caùchnguyeântöû1 moät khoaûngr ñieäntröôøng. r E 2p1 E = 3 r p p1 2 Ñieäntröôøngnaøycaûmöùngmoâmenlöôõngcöïcñieäntöùcthôøip2ôû nguyeântöûthöù2 2ap p = aE = 1 2 r 3 trongñoù a laøñoäphaâncöïcelectron.
28. Theánaênghuùtcuûahailöôõngcöïcñieänp1vaøp2 2 1 2pp1 2 1 4ap1 Ur()»- 3 =- 6 4pe 0 r 4pe 0 r Töôngtaùctheocôcheánaøyluoânluoânlaøtöôngtaùchuùt, nguyeân töûcaøngôûgaànnhauthìlieânkeátcaøngmaïnh. Töôngtaùcnaøy, ñöôïcgoïilaø töôngtaùcVan derWaals- London, ñoùngvaitroøchínhtrongsöïduytrìmaïngtinhtheåkhí trô. Khiñöacaùcnguyeântöûlaïi gaànnhauhôn, löïcñaåygiöõachuùng taêngleân. Keátquaûthöïcnghieämchohay theáñaåycoùdaïng A Uñaåy (r) = r 12 C A U(r) = U (r) + U (r) = - + huùt ñaåy r 6 r 12
29. Moätsoátínhchaátcuûacaùctinhtheåkhítrô. Vôùiloaïilieânkeátnoùitreân, caùcnguyeântöûcoùxuhöôùngkeùo veàphiaùmìnhsoánguyeântöûlaân caäntoáiñadaãnñeánhìnhthaønhcaùc tinhtheåcoù caáutruùcxeápchaët : Laäpphöôngtaâmmaëtchoñasoá caùctinhtheåkhítrôvaøluïcgiaùcxeápchaëtvôùitinhtheåHe . Caùctinhtheåkhítrôlaøchaátñieänmoâitrongsuoátcoùnaêng löôïnglieânkeátnhoûvaønhieätñoänoùngchaûythaáp Ñieåmnoùngchaûycuûa caùctinhtheåkhítrô helium -269°C neon -246°C argon -186°C krypton -152°C xenon -108°C radon -62°C