Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 2: Liên kết trong tinh thể - Lê Khắc Bình
Baøi 2
I. Baûn chaát cuaû caùc löcï töông taùc trong tinh theå
§ Khi ñöa hai nguyeân töû A vaø B laïi gaàn nhau chuùng baét ñaàu
töông taùc vôùi nhau.
>> neáu naêng löôïng cuûa heä giaûm, löïc huùt giöõa caùc nguyeân
töû thaéng à chuùng coù theå taïo neân phaân töû AB oån ñònh.
>> neáu naêng löôïng cuûaheä taêng, chuùng ñaåy nhau à chuùng
khoâng theå taïo thaønh phaân töû.
§ Giöõa caùc nguyeân töû coù theå coù löïc haáp daãn, löïc töø vaø ñieän
taùc duïng.
§ Ñaùnh giaù naêng löôïng huùt giöõa hai nguyeân töû ôû caùch nhau
khoaûng a do caùc loaïi löïc noùi treân ñi ñeán keát luaän :
Baûn chaát cuûa caùc löcï huùt trong tinh theå laø löïc ñieän .
Naêng löôïng huùt coù daïng Uhuùt = A/r vôùi A laø moät haèng soá
§ Muoán taïo caùc heä oån ñònh töø caùc nguyeân töû hoaëc phaân töû, giöõa
chuùng khoâng nhöõng caàn coù löïc huùt maø coøn caàn coù löïc ñaåy. Tuy
coù theå coù nguoàn goác khaùc nhau, caùc löïc ñaåy coù moät ñaëc ñieåm
chung laø giaûm nhanh theo khoaûng caùch r giöõa caùc nguyeân töû :
naêng löôïng ñaåy coù daïng Uñaåy = B/rn vôùi B laø moät haèng soá vaø
n >>1 .
Noùi chung, naêng löôïng töông
taùc giöõa hai nguyeân töû trong
tinh theå laø moät haøm cuûa
khoaûng caùch r giöõa chuùng ,
goàm coù hai phaàn
U (r) = Uhuùt + Uñaåy .
Ñoà thò bieåu dieãn söï phuï
thuoäc cuûa U vaøo r coù daïng
ñieån hình nhö ôû hình beân
II. Caùc loaïi lieân keát trong chaát raén
² Söï khaùc nhau giöõa caùc loaïi lieân keát trong tinh theå khoâng
phaûi do baûn chaát cuûa töông taùc maø ôû söï khaùc nhau trong söï
phaân boá cuûa electron trong caùc nguyeân töû . Khi ñöa caùc
nguyeân töû laïi gaàn nhau ñeå taïo neân tinh theå chaát raén, do töông
taùc giöõa chuùng coù söï phaân boá laïi cuûa caùc electron trong caùc
nguyeân töû .
± Quaù trình phaân boá laïi ñieän tích khi ñoù thoûa maõn ñieàu kieän
baûo toaøn ñieän tích trong toaøn heä vaø coù xu höôùng sao cho caùc
nguyeân töû coù lôùp voû ngoaøi cuøng ñaày electron.
± Caùc nguyeân töû thöïc hieän söï phaân boá laïi ñieän tích baèng
caùch nhöôøng hoaëc thu electron , taäp theå hoaù caùc electron (
moät phaàn, toaøn boä ) hay chæ do söï bieán daïng caùc lôùp voû
electron .
Caùc loaïi lieân keát : lieân keát sô caáp
• Lieân keát sô caáp : electron hoaùn ñoåi hoaëc goùp chung
electron . Lieân keát maïnh (100 -1000 KJ/mol hoaëc 1 -10
eV/nguyeân töû )
• Lieân keát Ion: töông taùc Coulomb maïnh giöõa caùc ion aâm
( nguyeân töû nhaän theâm electron ) vaø caùc ion döông ( caùc
nguyeân töû maát electron ) Ví duï - Na+ Cl-
• Lieân keát ñoàng hoùa trò: caùc phaân töû goùp chung electron ñeå
baõo hoøa hoùa trò . Ví duï H2
• Lieân keát kim loaïi : caùc nguyeân töû bò ion hoùa, maát moät vaøi
electron töø vuøng hoùa trò. Caùc electron taïo thaønh moät bieån
electron , giöõ cho caùc goác nguyeân töû ôû ñuùng vò trí.
1) Lieân keát ion
â á
• Söï taïo thaønh lieân keát ion :
1. Söï ion hoùa xuaát hieän do söï chuyeån
electron töø nguyeân töû naøy sang
nguyeân töû khaùc
Ion = nguyeân töû tích ñieän
Anion = nguyeân töû tích ñieän aâm
Cation = nguyeân töû tích ñieän döông
2. Caùc ion traùi daáu huùt nhau bôûi löïc töông taùc
Coulomb maïnh :
3. Lieân keát ion khoâng coù höôùng : caùc nguyeân töû coù theå
bò huùt vaøo nhau töø baát kyø höôùng naøo.
Lieân keát ion
â á
Lieân keát ion laø söï lieân keát giöõa caùc ion traùi daáu. Söï xuaát hieän
cuûa caùc ion do caùc nguyeân töû khaùc loaïi nhöôøng vaø thu ñieän töû
khi ñöôïc laïi gaàn nhau .
Ví duï : nguyeân töû Na nhöôøng moät electron cho nguyeân töû Cl vaø
trôû thaønh ion döông vôùi lôùp voû ngoaøi 8 electron :
Na : ...2s22p63s1
Na+ : ... 2s22p6
trong khi ñoù nguyeân töû Cl khi nhaän theâm moät electron trôû thaønh
ion aâm vôùi lôùp voû ngoaøi cuøng coù 8 electron :
Cl : ...2s22p63s23p5
Cl- : ... 3s23p6 .
Lieân keát ion
â á
• Söï chuyeån electron laøm giaûm naêng löôïng cuûa heä nguyeân töû ,
nghóa laø söï chuyeån electron laø coù lôïi veà maët naêng löôïng.
•Chuù yù kích thöôùc töông ñoái cuûa caùc ion : Na co laïi vaø Cl nôû
ra.
Lieân keát ion : raát maïnh, khoâng ñònh höôùng
Lieân keát ion
â á
Moãi ion vôùi lôùp voû ngoaøi ñaày electron ñöôïc xem nhö moät quaû
caàu raén vôùi baùn kính ion xaùc ñònh . Chuùng coù xu höôùng keùo ñeán
mình toái ña caùc ion ngöôïc daáu.
Soá ion toái ña ñoù ñöôïc quy ñònh bôûi tyû soá r+ / r- .
Baùn kính ion ( 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
Khi taïo thaønh tinh theå , moãi ion coù xu höôùng keùo ñeán mình toái
ña caùc ion ngöôïc daáu.
Soá ion toái ña ñoù ñöôïc quy ñònh bôûi tyû soá cuûa caùc baùn kính ion
. Caùc caáu hình seõ maát tính oån ñònh neáu caùc ion döông quaù nhoû
( caùc ion + coù theå dòch chuyeån deã daøng theo caùc choã hoång ).
Ngöôïc laïi, neáu tyû soá r+ / r- taêng ñeán moät möùc naøo ñoù seõ laøm
thay ñoåi caáu hình theo chieàu taêng cuûa soá phoái trí k .
Ví duï : Vôùi NaCl, tyû soá rNa/rCl = 0,54 :
quanh Na+ coù 6 ion Cl- ( k = 6) daãn
ñeán caáu truùc tinh theå nhö hình beân.
( Quanh moät ion Cl- coù 12 ion Cl- ).
Vôùi CsCl, tyû soá rCs/rCl = 0,92 :
quanh ion döông Cs+ coù 8 ion Cl-
bao quanh à caáu hình laäp phöông
Tinh theå ion
å
Caùc tinh theå ion khoâng daãn ñieän .
Löïc tónh ñieän giöõa caùc ion töông ñoái maïnh.
Chaát raén ion cöùng , coù ñieåm noùng chaûy cao
2) Lieân keát ñoàng hoùa trò
â á à
ù
• Trong lieân keát ñoàng hoùa trò , caùc electron goùp
chung giöõa caùc nguyeân töû.
Ví duï ñôn giaûn nhaát laø phaân töû H2, trong ñoù
electron chuyeån ñoäng ôû giöõa caùc haït nhaân nhieàu
hôn laø trong töøng nguyeân töû, nhôø ñoù taïo ra lieân
keát giöõa hai nguyeân töû .
Söï taïo thaønh lieân keát ñoàng hoùa trò :
Chia seû caùc electron hoùa trò
• Coù theå moâ taû bôûi söï phuû cuûa caùc quyõ ñaïo
• Lieân keát ñoàng hoùa trò coù tính ñònh höôùng CAO.
Lieân keát - theo chieàu caùc quyõ ñaïo phuû nhau nhieàu nhaát
Lieân keát ñoàng hoùa trò
â á à
ù
Moät nguyeân töû vôùi N’ electron hoùa trò coù theå coù soá lieân keát
ñoàng hoùa trò toái ña baèng 8-N’.
Ví duï :
v
Nguyeân töû Cl coù Z Cl =17 (1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 )
N’ = 7 , 8 - N’ = 1 -> chæ coù theå taïo moät lieân keát ñoàng
hoùa trò taïo thaønh phaân töû Cl2
Cl = Cl
Nguyeân töû Si coù 4 electron hoùa trò N’ = 4 , 8 - N’ = 4. Do ñoù
nguyeân töû Si coù theå taïo 4 lieân keát ñoàng hoùa trò.
v
Tinh theå ñoàng hoùa trò
å à
ù
Caùc nguyeân toá thuoäc nhoùm IV
cuûa Baûng Tuaàn hoaøn coù 4
electron ôû lôùp voû ngoaøi cuøng :
C : … 2s2 2p2
Si : … 3s2 3p2
Ge : … 4s2 4p2
α-Sn : … 5s2 5p2
Xu höôùng chung cuûa caùc nguyeân töû naøy khi taïo thaønh chaát
raén laø taïo vôùi 4 nguyeân töû laân caän 4 moái lieân keát ñoàng hoùa
trò ( baèng caùch goùp chung caùc electron ngoaøi ). Caùc lieân keát
ñoù ñònh höôùng döôùi goùc 10905 ñoái vôùi nhau.
Tinh theå ñoàng hoùa trò
å à
ù
Quanh 1 nguyeân töû baát kì coù 4
nguyeân töû naèm ôû ñænh cuûa caùc töù
dieän ñeàu vaø nguyeân töû ñang xeùt naèm
ôû taâm cuûa töù dieän ñoù. Caùch saép xeáp
nhö vaäy cuûa caùc nguyeân töû C daãn ñeán
maïng kieåu kim cöông.
Ñaëc ñieåm noåi baät cuûa lieân keát ñoàng hoùa trò laø tính ñònh höôùng.
Caùc tinh theå nguyeân töû ( ñoàng hoùa trò ) thöôøng gioøn do lieân keát
ñoàng hoùa trò khoâng cho pheùp caùc nguyeân töû dòch chuyeån töông
ñoái maø khoâng laøm ñöùt lieân keát giöõa chuùng.
Caùc tinh theå ñoàng hoùa trò coù nhieät ñoä noùng chaûy cao, ñoä raén vaø
ñoä beàn cao.
Phaàn lieân keát ion cuûa lieân keát trong caùc tinh theå 2 thaønh phaàn
Tinh theå Phaàn ion
Tinh theå Phaàn ion
Treân thöïc teá , raát ít tinh
theå coù lieân keát thuaàn ion
hoaëc thuaàn ñoàng hoùa trò .
Noùi chung, caùc tinh theå coùù
lieân keát pha laãn ( lieân keát
lai ).
Si
SiC
Ge
0,00
0,18
0,00
CuCl
CuBr
0,75
0,74
ZnO
ZnS
ZnSe
ZnTe
0,62
0,62
0,63
0,61
AgCl
AgBr
AgI
0,86
0,85
0,77
CdO
CdS
CdSe
CdTe
0,79
0,69
0,70
0,67
ÔÛ baûng beân cho thaáy
phaàn traêm cuûa lieân keát
ion trong lieân keát lai cuûa
moät soá tinh theå.
MgO
MgS
0,84
0,79
0,79
MgSe
InP
InAs
InSb
0,44
0,35
0,32
LiF
NaCl
RbF
0,92
0,94
0,96
GaAs
GaSb
0,32
0,26
3) Lieân keát kim loaïi
â á
ï
§ Caùc nguyeân toá ñöùng ñaàu caùc Chu kì
cuûa Baûng Tuaàn hoaøn coù electron ngoaøi
lieân keát töông ñoái yeáu vôùi haït nhaân.
Khi ñöa caùc nguyeân töû laïi gaàn nhau,
caùc electron ngoaøi thoaùt khoûi caùc
nguyeân töû ( do coù söï phuû cuûa caùc
haøm soùng ) vaø dòch chuyeån töï do trong
toaøn maïng tinh theå .
§ Söï phaân boá caùc ñieän tích aâm khaù ñoàng ñeàu . Söï lieân keát xuaát
hieän do töông taùc cuûa caùc ion döông vôùi khí electron bao
quanh chuùng.
§ Ñeå coù lôïi veà maët naêng löôïng , moãi nguyeân töû keùo veà mình
toái ña caùc nguyeân töû khaùc daãn ñeán söï hình thaønh caáu truùc xeáp
chaët , k = 12 .
Lieân keát kim loaïi trong Na
Electron khoâng ñònh xöù
Lieân keát kim loaïi trong Mg
§ Magnesium coù caáu truùc electron ôû lôùp voû ngoaøi 3s2. Caû hai
electron ñoù ñeàu trôû neân khoâng ñònh xöù neân “ bieån electron” coù
maät ñoä gaáp ñoâi so vôùi Na. Caùc ion coøn laïi cuõng coù ñieän tích
döông gaáp ñoâi à löïc huùt giöõa caùc ion vaø bieån electron maïnh
hôn.
§ Caùc nguyeân töû Magnesium coù baùn kính hôi nhoû hôn caùc
nguyeân töû Na vaø do ñoù caùc electron khoâng ñònh xöù naèm gaàn caùc
haït nhaân hôn. Moãi nguyeân töû Mg coù 12 laân caän gaàn nhaát ( Na
chæ coù 8 laân caän gaàn nhaát ). Caû hai ñieàu ñoù laøm cho lieân keát giöõa
caùc Mg maïnh leân nhieàu.
Mg coù nhieät ñoä noùng chaûy cao.
Tải về để xem bản đầy đủ
30 trang
28540
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở vật lý chất rắn - Bài 2: Liên kết trong tinh thể - Lê Khắc Bình", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_co_so_vat_ly_chat_ran_bai_2_lien_ket_trong_tinh_th.pdf
