Cầu trúc tinh thể trong gốm sứ

Cầu trúc tinh thể trong gốm sứ

Vật chất tinh thể tạo nên bởi sự phân bố các nguyên tử, ion thành mạng lưới đối xứng và tuần hoàn. Hình không gian nhỏ nhất đặc trưng cho quy luật sắp xếp của tinh thể được gọi là ô cơ sở. O cơ sở được xây dựng trên ba vecto đơn vị tương ứng với ba trục tọa độ Ox, Oy, Oz đặt trên ba cạnh của ô. Mô-đun của ba vecto đó là (a,b,c) là kích thước của ô cơ sở còn gọi là hằng số mạng hay thông số mạng, vì chúng đặc trưng cho từng nguyên tố hóa học hay đơn chất. Các góc α, β, γ hợp với các vecto đơn vị. Tùy thuộc vào tương quan giữa các cạnh và góc của ô cơ sở có 7 hệ tinh thể khác nhau.

Ở nút mạng của ô cơ sở đều có một nguyên tử hay ion chiếm chỗ, đó là mạng tinh thể đơn giản (mức độ xếp chặt thấp). Trên thực tế, phần lớn các chất được tạo nên bởi mạng lưới phức tạp hơn (với mức độ xếp chặt cao hơn), các nguyên tử, ion không những chiếm chỗ tại nút mạng mà còn chiếm chỗ tại các vị trí khác của ô cơ sở và tạo nên 14 ô mạng Bravais.

7 hệ tinh thể và 4 ô mạng bravais

Mặt phẳng tạo nên bởi các nút mạng gọi là mặt tinh thể. Có thể coi mạng tinh thể gồm các mặt tinh thể giống hệt nhau, song song cách đều nhau, có tính chất hoàn giống nhau và có cùng một ký hiệu. Mặt tinh thể ký hiệu bằng chỉ số Miller (h, k, l) đặc trưng cho cấu trúc của một tinh thể và xác định bằng phương pháp nhiễu xạ Rơn-ghen.

Nếu quan niệm nguyên tử (ion) như những quả cầu thì dù có xếp chặt đến đâu cũng không thể đặc kín hoàn toàn, do đó cần có khái niệm về mật độ nguyên tử vì nhiều hành vi (như khả năng hòa tan) và tính chất của tinh thể (đặc biệt là cơ tính) liên quan đến khái niệm này. Mật độ nguyên tử được đánh giá qua mật độ xếp, số phối trí và lỗ hổng.

Mật độ xếp là mức độ dày đặc trong sắp xếp nguyên tử.

Số phối trí (số sắp xếp, số tọa độ) là số lượng nguyên tử, ion cách đều gần nhất một nguyên tử, ion đã cho. Trong cấu trúc tinh thể silicat nói chung, một cation được bao quanh bởi một số lượng anion nhất định nào đó, thường là anion oxy. Sự tập hợp các anion chung quanh một cation trung tâm gọi là sự phối trí. Như trên đã nói, nếu quan niệm nguyên tử (ion) như những quả cầu thì có thể xác định kích thước (bán kính) của quả cầu đó, gọi là bán kinh nguyên tử hay bán kính ion. Bán kính anion lớn hơn bán kính nguyên tử, còn bán kính cation thì nhỏ hơn bán kính nguyên tử. Số lượng các anion bao xung quanh cation là số phối trí. Số phối trí có quan hệ trực tiếp với công thức hóa học của một hợp chất. Một nguyên tử A được bao quanh bởi x nguyên tử B, và nguyên tử B lại được bao quanh bởi y nguyên tử A thì công thức hóa học của hợp chất là AyBx.

Khuyết tật mạng tinh thể

Các cấu trúc tinh thể trình bày ở trên là cấu trúc của tinh thể lý tưởng vì khi xét đã bỏ qua dao động nhiệt và các khuyết tật trong trật tự sắp xếp của các nguyên tử (ion, phân tử). Trong thực tế không phải 100% nguyên tử đều nằm đúng vị trí quy định, gây nên những khuyết tật được gọi là khuyết tật (sai lệch) mạng tinh thể. Tuy số nguyên tử nằm lệch vị trí quy định có thể chiếm tỉ lệ rất thấp (chỉ 1-2%) song gây ra ảnh hưởng rất xấu đến hành vi của tinh thể dưới tác dụng của ngoại lực, tức đến cường độ, là chỉ tiêu cơ tính hàng đầu, nên việc khảo sát các khuyết tật này có ý nghĩa lý thuyết và thực tế rất lớn, không thể bỏ qua.

Các khuyết tật tinh thể được chia thành khuyết tật điểm, đường, mặt và khối. Khuyết tật điểm gồm khuyết tật nút trống, nguyên tử xen kẽ giữa nút mạng và nguyên tử tạp chất xen kẽ.

Đối với vật liệu silicat, khuyết tật nút trống (tại nút mạng không có các ion, nguyên tử chiếm chỗ) đóng vai trò rất quan trọng, các lỗ trống này có thể khuếch tán tự do tương tự như những ion. Khuyết tật nút trống xuất hienj trong tinh thể ở nhiệt độ bất kỳ cao hơn độ không tuyệt đối do dao động nhiệt của các nguyên tử. Nhiệt độ càng cao thì nồng độ nút trống càng cao và chúng càng dễ dàng chuyển từ nút mạng này sang nút mạng khác. Nút trống là loại khuyết tật điểm quan trọng nhất, chúng gia tốc quá trình liên quan đến sự dịch chuyển nguyên tử – tức là quá trình khuếch tán, là cơ chế cho phản ứng pha rắn xảy ra.

Ngoài khuyết tật nút trống, các khuyết tật khác càng làm cho mạng tinh thể trở nên mở hơn, dễ phản ứng hơn và khả năng phản ứng càng tăng lên khi nhiệt độ tăng.

Gomsuu,

Ghi rõ nguồn https://gomsuu.com khi trích dẫn bài viết.

Leave a comment

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *