Bài giảng Cơ sở Vật lý chất rắn - Bài 2: Liên kết trong tinh thể - Lê Khắc Bình

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở Vật lý chất rắn - Bài 2: Liên kết trong tinh thể - Lê Khắc Bình

1. § Muốntạocáchệổnđịnhtừcácnguyêntửhoặcphântử, giữa chúngkhôngnhữngcầncólựchútmàcòncầncólựcđẩy. Tuy cóthểcónguồngốckhácnhau, cáclựcđẩycómộtđặcđiểm chunglàgiảmnhanhtheokhoảngcáchr giữacácnguyêntử: n nănglượngđẩycódạngUđẩy = B/r vớiBlàmộthằngsố và n>>1 . Nóichung, nănglượngtương tácgiữahainguyêntửtrong tinhthểlàmộthàmcủa khoảngcáchr giữachúng, gồmcóhaiphần U (r) = Uhút + Uđẩy . Đồthịbiểudiễnsựphụ thuộccủaU vàor códạng điểnhìnhnhưởhình bên
2. Cácloạiliênkết: liênkếtsơcấp • Liên kếtsơcấp : electron hoánđổihoặcgópchung electron . Liênkếtmạnh(100 -1000 KJ/mol hoặc1 -10 eV/nguyêntử) • LiênkếtIon: tươngtácCoulomb mạnhgiữacácion âm ( nguyêntửnhậnthêmelectron ) vàcácion dương( các nguyêntửmấtelectron ) Vídụ-Na+ Cl- • Liênkếtđồnghóatrị: cácphântửgópchungelectron để bãohòahóatrị. VídụH2 • Liênkếtkimloại : cácnguyêntửbịion hóa, mấtmộtvài electron từvùnghóatrị. Cácelectron tạothànhmộtbiển electron , giữchocácgốcnguyêntửởđúngvịtrí.
3. LiLieênân kekếátt iionon Liên kếtion làsựliênkếtgiữacácion tráidấu. Sựxuấthiện củacácion do cácnguyêntửkhácloạinhườngvàthuđiệntử khiđượclạigầnnhau. Vídụ : nguyêntửNa nhườngmộtelectronchonguyêntửClvà trởthànhion dươngvớilớpvỏngoài8 electron: Na : 2s22p63s1 Na+ : 2s22p6 trongkhiđónguyêntửClkhinhậnthêmmộtelectrontrởthành ion âmvớilớpvỏngoàicùngcó8 electron: Cl : 2s22p63s23p5 Cl- : 3s23p6 .
4. LiLieênân kekếátt iionon Mỗi ion vớilớpvỏngoàiđầyelectronđượcxemnhưmộtquả cầurắnvớibánkínhion xácđịnh. Chúngcóxuhướngkéođến mìnhtốiđacácion ngượcdấu. Sốion tốiđađóđượcquyđịnhbởitỷsốr+/ r- .
5. Vídụ : Với NaCl, tỷsốrNa/rCl = 0,54 : quanh Na+ có6 ion Cl- ( k = 6) dẫn đếncấutrúctinhthểnhưhìnhbên. ( Quanhmộtion Cl- có12 ion Cl- ). Với CsCl, tỷsốrCs/rCl = 0,92 : quanhion dươngCs+ có8 ion Cl- baoquanh à cấuhìnhlậpphương
6. 22)) LiLieênân kekếátt đđoồàngng hohóùaa ttrịrị • Trongliênkếtđồnghóatrị, cácelectron góp chunggiữacácnguyêntử. VídụđơngiảnnhấtlàphântửH2, trongđó electron chuyểnđộngởgiữacáchạtnhânnhiều hơnlàtrongtừngnguyêntử, nhờđótạoraliên kếtgiữahainguyêntử. Sựtạothànhliênkếtđồnghóatrị: Chiasẻcácelectron hóatrị •Cóthểmôtảbởisựphủcủacácquỹđạo •LiênkếtđồnghóatrịcótínhđịnhhướngCAO. Liênkết-theochiềucácquỹđạophủnhaunhiềunhất
7. TTinhinh tthehểå đđoồàngng hohóùaa ttrịrị CácnguyêntốthuộcnhómIV củaBảngTuầnhoàncó4 electron ởlớpvỏngoàicùng: C : 2s2 2p2 Si : 3s2 3p2 Ge : 4s2 4p2 a-Sn: 5s2 5p2 Xuhướngchungcủacácnguyêntửnàykhitạothànhchất rắnlàtạovới4 nguyêntửlâncận4 mốiliênkếtđồnghóa trị( bằngcáchgópchungcácelectronngoài). Cácliênkết đóđịnhhướngdướigóc10905 đốivớinhau.
8. Phầnliênkếtion củaliênkếttrongcáctinhthể2 thànhphần Tinhthể Phầnion TinhthểPhầnion Trên thựctế, rấtíttinh thểcóliênkếtthuầnion Si 0,00 SiC 0,18 CuCl 0,75 hoặcthuầnđồnghóatrị. Ge 0,00 CuBr 0,74 Nóichung, cáctinhthểcóù ZnO 0,62 liênkếtphalẫn( liênkết ZnS 0,62 AgCl 0,86 ZnSe 0,63 AgBr 0,85 lai). ZnTe 0,61 AgI 0,77 Ở bảng bên cho thấy CdO 0,79 CdS 0,69 MgO 0,84 phầntrămcủaliênkết CdSe 0,70 MgS 0,79 ion trongliênkếtlaicủa CdTe 0,67 MgSe 0,79 mộtsốtinhthể. InP 0,44 LiF 0,92 InAs 0,35 NaCl 0,94 InSb 0,32 RbF 0,96 GaAs 0,32 GaSb 0,26
9. Liên kếtkimloạitrongNa Electron khôngđịnhxứ
10. Liênkếtkimloạitrongcácnguyêntốchuyểntiếp Cácelectron khôngđịnhxứtrongcáckimloạichuyểntiếp cóthểlàcácelectron 3d và4s. Càngcónhiềuelectron được giảiphóngliênkếtcàngmạnh. Cáckimloạichuyểntiếpcónhiệtđộnóngchảycaovàđiểm sôicao.
11. 4)4) LiLieênân kekếátt ththứứ cacấápp Liên kếtthứcấp ( liênkếtvan derWaals) làliênkết vậtlý( tráivớiliênkếthóahọctrongđócósựdi chuyểnelectron ) đượctạothànhdo tươngtáccủa cáclưỡngcựcđiệncủanguyêntửhoặcphântử. Liênkếtnàyyếu, ~0,1eV/nguyêntửhay~10 kJ/mol. Liênkếtvan derWaals tươngtácgiữahailưỡngcựcđiện Liênkếtgiữacácphântử: lựcvan derWaals
12. Nguồngốccủalựcvan derWaals Lưỡngcựcthănggiángtứcthời TrongphântửđốixứngnhưH2nóichungkhôngcóbiếndạng điệnđểtạothànhcácmiềnmangđiệndươngvàâm. Điềuđó đúngkhixéttrungbình. Vìelectrons chuyểnđộngvàởmộtthờiđiểmnàođóchúngở mộtđầucủaphântửlàmchođầuđómangđiện d-cònđầukia tạmthờithiếusẽmangđiện d+. hoặc Điềuđócũngxảyravớicácphântửđơnnguyêntử–cácphân tửkhítrơ( He, Ne, ) Nếucảhaielectrons củaHe đồngthời nằmvềcùngmộtphíacủanguyêntử, hạtnhânkhôngcònbị chephủbởielectronởthờiđiểmđó.
13. Tương tácù Van der Waals - London Theo lýthuyếtcổđiển, cóthểgiảithíchlựchútgiữacácnguyên tửkhítrơtrunghòanhưsau. Giảthửởthờiđiểmt nguyêntử1 cólưỡngcựcđiệntứcthờip1. Lưỡngcựcnàytạoởtâmcủanguyêntử2 cáchnguyêntử1 một khoảngr điệntrường. r E 2p1 E = 3 r p p1 2 Điệntrườngnàycảmứngmômenlưỡngcựcđiệntứcthờip2ở nguyêntửthứ2 2ap p = aE = 1 2 r 3 trongđó a làđộphâncựcelectron.
14. Mộtsốtínhchấtcủacáctinhthểkhítrơ. Vớiloạiliênkếtnóitrên, cácnguyêntửcóxuhướngkéo vềphiámìnhsốnguyêntửlân cậntốiđadẫnđếnhìnhthànhcác tinhthểcó cấutrúcxếpchặt : Lậpphươngtâmmặtchođasố cáctinhthểkhítrơvàlụcgiácxếpchặtvớitinhthểHe . Cáctinhthểkhítrơlàchấtđiệnmôitrongsuốtcónăng lượngliênkếtnhỏvànhiệtđộnóngchảythấp Điểmnóngchảycủa cáctinhthểkhítrơ helium -269°C neon -246°C argon -186°C krypton -152°C xenon -108°C radon -62°C