Hóa học - Vật liệu học ngành hóa

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH CƠ SỞ ĐÀO TẠO MIỀN TRUNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU HỌC NGÀNH HÓA 2206041140 2 (2, 0, 4) Tài liệu tham khảo: 1, Vật liệu học cơ sở, Nghiêm Hùng, NXB KH & KT – 2002. 2, Vật liệu học , B.N. Arzamaxov, NXB Giáo dục – 2000. 3, Vật liệu cơ khí, KS Nguyễn Thị Yên, NXB Hà Nội - 2004 4, Bài giảng Vật liệu học, TS. Hà Văn Hồng 5, Giáo trình Vật liệu cơ khí, ThS. Châu Minh Quang Phần I: CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LiỆU Chương 1: CẤU TRÚC CỦA VẬT LiỆU 1.1 Cấu tạo và liên kết nguyên tử 1.1.1. Khái niệm cơ bản về cấu tạo nguyên tử - Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố hóa học không thể bị phân chia về mặt hóa học. + Hạt nhân ở tâm: (+) + Các e bao quanh hạt nhân: (-) + Ở trạng thái bình thường: trung hòa điện tích • Ở mức độ thông thường người ta thừa nhận nguyên tử được cấu tạo từ ba loại hạt cơ bản là electron (e), proton (p) và nơtron (n). LOAÏI HAÏT KHOÁI LÖÔÏNG (m) ÑIEÄN TÍCH (a) kg u Culong Quy öôùc Electron Proton Nôtron 9,109 .10-31 1,672. 10-27 1,675. 10-27 5,55 . 10-4 1,007 1,009 - 1,6021.10-19 + 1,6021.10-19 0,0 -1 +1 0,0 • Hạt nhân: Hạt proton: (+) Hạt nơtron: không mang điện Cấu tạo nguyên tử Cacbon Lớp điện tử: Gồm các điện tử cùng số lượng tử chính n Số lượng tử chính n: 1 2 3 4 5 6 7 Ký hiệu lớp lượng tử: K L M N O P Q Phân lớp điện tử: Gồm các điện tử cùng số lượng tử chính n và số lượng tử phụ l Số lượng tử orbitan l: 0 1 2 3 4 5 Ký hiệu phân lớp lượng tử: s p d f g h Hình dạng các đám mây 1s Đám mây s Sơ đồ đám mây điện tửcủa điện tử 1s Sơ đồ đám mây điện tử của điện tử 2s Hình cầu Hình dạng các đám mây Đám mây s Hình dạng các đám mây Đám mây s Đám mây 2p Hình dạng đám mây điện tử 2px Hình dạng 8 Hình dạng đám mây điện tử 2py Hình dạng đám mây điện tử 2pz Đám mây 2p Hình dạng các đám mây Đám mây 3d Hình dạng các đám mây Đám mây 3d Tổng kết 1.1.2. Liên kết nguyên tử -Liên kết cộng hóa trị -Liên kết ion -Liên kết kim loại 1.2. Sắp xếp nguyên tử trong vật chất Khí Lỏng Rắn Hình dạng Thể tích Khí Không xác định Không xác định Lỏng Không xác định Xác định Rắn Xác định Xác định Quá trình chuyển trạng thái Rắn Lỏng Khí Hóa hơi Ngưng tụ Nóng chảy Hóa rắn Requires Energy Liberates Energy Trạng thái rắn  Chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình- Chất rắn tinh thể + Có khả năng tự kết tinh thành các hạt nhiều mặt, nhiều cạnh, nhiều chóp. + Góc tạo bởi hai mặt tương ứng của tinh thể luôn luôn có giá trị không đổi. + Bên trong tinh thể các nguyên tử, phân tử, ion được phân bố một cách tuần hòan theo những quy luật nhất định tạo thành mạng lưới không gian đều đặn. + Nhiệt độ nóng chảy của tinh thể xác định và không thay đổi trong suốt quá trình nóng chảy. + Không có tính đẳng hướng. Trạng thái rắn - Chất rắn vơ định hình + Khơng cĩ khả năng kết tinh thành tinh thể cĩ hình dạng xác định. + Các cấu tử sắp xếp hỗn độn. + Khơng cĩ nhiệt độ nĩng chảy nhất định. + Cĩ tính đẳng hướng. Trạng thái rắn  Các kiểu mạng lưới tinh thể  Mạng lưới cộng hóa trị Được tạo thành từ những nguyên tử liên kết với nhau bằng lực liên kết cộng hóa trị Cộng hoá trị Dùng chung Electron Trạng thái rắn  Các kiểu mạng lưới tinh thể  Mạng lưới phân tử Các tiểu phân cấu trúc là những phân tử (trừ khí hiếm), chúng hút nhau bằng lực hút yếu Van der Waals, đôi khi cả liên kết hydro. Vì vậy, cấu trúc mạng lưới phân tử dễ nóng chảy, dễ hóa hơi, tương đối mềm. Trạng thái rắn  Các kiểu mạng lưới tinh thể  Mạng lưới tinh thể ion Được tạo thành từ những ion ngược dấu luân phiên nằm tại nút mạng và liên kết vớI nhau bằng lực hút tĩnh điện. NaCl: Trạng thái rắn  Các kiểu mạng lưới tinh thể  Mạng kim lọai Được đặc trưng bằng các ion dương nằm tại nút mạng và liên kết giữa chúng là liên kết kim lọai 1.3. Khái niệm về mạng tinh thể Ô cơ sở và thông số mạng tinh thể Thông số mạng    z yx c ba  Mỗi ô mạng cơ sở tương ứng với một hình hộp có 6 thông số mạng gồm 3 độ dài a, b, c và 3 độ lớn của các góc , , . Dựa vào các cạnh và các góc trên ô mạng cơ sở, chia ra 7 hệ tinh thể nguyên thuỷ gọi là 7 mạng lưới Brave đơn giản. Tọa độ và chỉ số Miller • Vị trí 1đv cấu trúc trong ô mạng cơ sở được xđ bởi 3 tọa độ (x,y,z) hay (a,b,c). Qui ước: • a= 1 trên trục x hay a • b =1 trên trục y hay b • c =1 trên trục z hay c Tọa độ điểm P (1,1,1), N(½,½,1) Trong tinh thể học, thường dùng chỉ số Miller để kí hiệu tọa độ của 1 mặt lưới của ô mạng cơ sở. Mặt lưới của ô mạng cơ sở là một mp bất kỳ có trong ô mạng đó. z (c) y(b) x (a) N P Chỉ số Miller • Mặt lưới cắt trục x tại điểm (100), trục y tại (010) và z tại (002). • Có 3 giá trị ứng với 3 chữ số khác 0 là 1, 1, 2. - Lấy nghịch đảo 3 giá trị này ta được 1/1, 1/1, 1/2. - Qui đồng mẫu 3 phân số ta có: 2/2, 2/2, ½. - Bộ 3 giá trị của 3 tử số là chỉ số Miller (hkl) của mặt lưới. Vậy (hkl) =(221) - Nếu giá trị âm, đặt dấu gạch ngang (-) trên kí hiệu chữ hay số. a0 c0 b0 Heä tinh theå Ñaëc ñieåm hình daïng Töông quan giöõa caùc thoâng soá maïng Caùc caïnh Caùc goùc Laäp phöông Khoái laäp phöông a = b = c  =  =  = 900 Boán phöông Laêng truï thaúng, ñaùy vuoâng a = b, c  =  =  = 900 Tröïc thoi Laêng truï thaúng, ñaùy chöõ nhaät a, b, c  =  =  = 900 Moät nghieâng (Ñôn taø) Laêng truï nghieâng, ñaùy chöõ nhaät a, b, c  =  = 900,   900 Maët thoi Caùc maët ñeàu laø hình thoi a = b = c  =  =   900 Saùu phöông Laêng truï thaúng, ñaùy hình thoi (2 goùc ôû ñænh ñeàu 600) a = b, c  =  = 900  = 1200 Ba nghieâng Khoái hoäp baát kì a  b  c       900 Hệ tinh thể Mạng tinh thể Ba nghiêng Một nghiêng đơn giản tâm đáy Trực thoi đơn giản tâm đáy tâm khối tâm mặt Hệ tinh thể Mạng tinh thể Sáu phương Ba phương Hệ tinh thể Mạng tinh thể Bốn phương đơn giản tâm khối Lập phương đơn giản tâm khối tâm mặt • Lập phương đơn giản: là một hình lập phương, mỗi nút mạng là một nguyên tử nằm ở đỉnh của hình lập phương có cạnh là hằng số mạng. Cấu trúc lập phương đơn giản chỉ chứa 1 nguyên tử trong một ô nguyên tố. • Lập phương tâm mặt (hay lập phương diện tâm): là cấu trúc lập phương với các nguyên tử nằm ở các đỉnh hình lập phương (8 nguyên tử) và 6 nguyên tử khác nằm ở tâm của các mặt của hình lập phương. Cấu trúc này chứa 4 nguyên tử trong một ô nguyên tố. Trong tinh thể học, cấu trúc lập phương tâm mặt được ký hiệu là fcc (Face-centered cubic). Các chất điển hình có cấu trúc fcc là nhôm, đồng... • Lập phương tâm khối: là cấu trúc lập phương với 8 nguyên tử ở các đỉnh hình lập phương và 1 nguyên tử ở tâm của hình lập phương. Cấu trúc này chứa 2 nguyên tử trong một ô nguyên tố, và thường được ký hiệu là bcc (Body-centered cubic). Hệ số xếp chặt • Cấu trúc lập phương đơn giản có hệ số xếp chặt chỉ là 52%. • Cấu trúc lập phương tâm mặt có hệ số xếp chặt là 74%. • Cấu trúc lập phương tâm khối có hệ số xếp chặt 68%. Các chất có cấu trúc lập phương • Cấu trúc đơn nguyên tử: Cấu trúc lập phương đơn nguyên tử tồn tại khá nhiều trong các kim loại (điển hình là kim loại chuyển tiếp). Cấu trúc lập phương đơn giản có hệ số xếp chặt rất thấp nên kém bền hơn, chất điển hình mang cấu trúc này là Polonium (Po). Cấu trúc fcc và bcc tồn tại phổ biến ở các kim loại, ví dụ như đồng, nhôm... mang cấu trúc fcc, sắt, crôm... mang cấu trúc bcc. • Cấu trúc đa nguyên tử: Cấu trúc lập phương cũng tồn tại trong các chất có nhiều loại nguyên tử, ví dụ trong các hợp kim, hợp chất... Muối ăn (NaCl) là hợp chất điển hình với cấu trúc fcc, hợp kim Fe(Si) là hợp kim điển hình mang cấu trúc bcc... Mạng tinh thể lập phương thể tâm (Lập phương tâm khối) ĐN: Là mạng tinh thể có ô cơ sở là hình lập phương, trong đó các nguyên tử nằm ở các đỉnh và tâm khối. Mỗi ô nv = 8đỉnh.1/8 + 1 giữa = 2 nguyên tử Mạng tinh thể lập phương tâm mặt (lập phương diện tâm) Mỗi ô mạng cơ sở có 8 ng tử ở đỉnh, 6 ng tử ở 6 mặt (mà mỗi ng tử chung 2 mặt tiếp xúc của 2 ô mạng). Vậy mỗi ô cơ sở có: 1/8 .8 + ½ .6 = 4 ng tử Mạng tinh thể sáu phương xếp chặt Số phối trí • Là số đơn vị cấu trúc (hay số quả cầu) bao quanh 1 đv cấu trúc (1 quả cầu) đang xét trong 1 ô mạng cơ sở. Ô MẠNG CƠ SỞ SỐ PHỐI TRÍ Tứ diện Bát diện Lập phương nguyên thủy Sáu phương đặc khít Lập phương tâm mặt 4 6 8 12 12 Kiểu mạng tinh thể và số sắp xếp • Hợp chất trung hòa điện tích: đ tích âm = đ tích dương • Yếu tố quyết định đến kiểu tinh thể và số phối trí của mạng ceramic là tương quan rc/ra rc/ra Số phối trí max < 0,155 Khoảng 0,155 – 0,225 Khoảng 0,225 – 0,414 Khoảng 0,414 – 0,732 Khoảng 0,732 – 1,0 2 3 4 6 8 Tính thù hình của kim loại Tính thù hình của Sắt