Bài giảng môn Vật liệu điện: Chương 1 - TS. Nguyễn Văn Dũng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng môn Vật liệu điện: Chương 1 cung cấp cho người học các kiến thức: Cấu tạo nguyên tử; Cấu tạo phân tử; Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng môn Vật liệu điện: Chương 1 - TS. Nguyễn Văn Dũng

Chương I: Cấu tạo vật chất Cấu tạo nguyên tử Cấu tạo phân tử Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
I. Cấu tạo nguyên tử Vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử Nguyên tử là phần cơ bản nhất của vật chất Mô hình nguyên tử Bohr (giải Nobel vật lý 1922 về lý thuyết cấu trúc nguyên tử và cơ học lượng tử) được chấp nhận rộng rãi: o Hạt nhân: chứa proton mang điện dương và neutron không mang điện (ngoài ra còn có một số hạt khác) - Tồn tại lực đẩy tĩnh điện giữa các protons nhưng protons và neutrons được liên kết chặt với nhau nhờ “lực mạnh” (strong force) Lực mạnh chỉ có tác dụng trong khoảng cách rất nhỏ (≤ 10-15m) Khi protons và neutrons được đặt rất gần nhau, lực mạnh lớn hơn lực đẩy tĩnh điện giữa các protons ⇒ liên kết giữa protons và neutrons tạo thành hạt nhân TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
o Điện tử: Có kích thước và khối lượng rất nhỏ so với hạt nhân Mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo các quỹ đạo hình cầu (vỏ điện tử) có bán kính xác định Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng của điện tử Quỹ đạo gần hạt nhân nhất có mức năng lượng thấp nhất và ngược lại Structure of an atom TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Số lượng điện tử phân bố trên các lớp vỏ điện tử (bao gồm một số phân lớp) theo qui luật: - số điện tử điền đầy phân lớp: 2(2l+1) - số điện tử điền đầy lớp: 2n2 Với: n: số lượng tử chính (n = 1, 2, 3, … n) l: số lượng tử quĩ đạo ( l = 0, 1, 2, 3, …n-1) Phân lớp Lớp Arrangement of electrons in an atom TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Các điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng (xa hạt nhân nhất) có mức năng lượng lớn nhất ⇒ đóng vai trò quan trọng nhất trong tương tác nguyên tử cũng như phản ứng hóa học bởi vì các điện tử này có thể tương tác với các điện tử lớp ngoài cùng của các nguyên tử lân cận. Các điện tử lớp ngoài cùng gọi là điện tử hóa trị ⇒ xác định hóa trị của nguyên tử Khi lớp vỏ ngoài cùng chứa đầy điện tử ⇒ nguyên tử không nhận thêm điện tử ⇒ nguyên tố trơ (Ar, Ne, Kr…) Bởi một nguyên nhân nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tử ⇒ ion dương Nguyên tử nhận điện tử ⇒ ion âm TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Năng lượng điện tử (xét nguyên tử hydro) Lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và điện tử 2 v kqe q p kq F2 F1 F1 = = 2 r r2 r F1 1 9 2 2 k= = 9 ×10 Nm / C 4πε oε r Lực ly tâm khi điện tử chuyển động xung quanh điện tử me v 2 F2 = r Điều kiện cân bằng lực (giữ điện tử chuyển động trên quỹ đạo nhất định) kq 2 m e v 2 me: khối lượng điện tử = 9,1x10-31 kg F1 = F2 ⇔ 2 = qe: điện tích của điện tử = 1,6x10-19 C r r k Vận tốc chuyển động của điện tử càng lớn ⇒v = q khi bán kính của quĩ đạo c/đ càng nhỏ me r TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Động năng của điện tử (KE- kinetic energy) 1 KE = me v 2 2 Thế năng của điện tử (PE - potential energy) kqe2 PE = − r Tổng năng lượng của điện tử (E)-Định lý Varian 1 KE = − PE 2 1 2 kqe2 qe2 E = KE + PE = me v − = −k ( J ) 2 r 2r VD: Năng lượng ion hóa của nguyên tử hydro là 13,6 eV, xác định bán kính của quĩ đạo chuyển động của điện tử? 2 r= = ( kqe2 9.109 N .m 2 / C 2 1,6.10 −19 C )( ) = 0,53.10 −10 m * 1eV= 1.6x10-19 J 2E 2 2,18.10 −18 J ( ) TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Năng lượng ion hóa Năng lượng cần thiết để tách rời điện tử khỏi nguyên tử Năng lượng ion hóa của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau E1=hf1 Các điện tử hóa trị có mức năng lượng ion hóa thấp nhất Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hóa ⇒ điện tử bị kích thích ⇒ chuyển sang mức năng lượng cao hơn Điện tử ở trạng thái kích thích có xu thế chuyển về mức năng lượng thấp hơn E2=hf2 và giải phóng năng lượng dưới dạng bức xạ TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Các thuật ngữ thông dụng Điện tử hóa trị: các điện tử ở lớp ngoài cùng → xác định hóa trị của nguyên tử Năng lượng ion hóa: năng lượng cần cung cấp nhỏ nhất để tách được 1 điện tử khỏi nguyên tử để tạo thành ion dương Ái lực điện tử: năng lượng phóng thích khi điện tử kết hợp với nguyên tử trung tính để tạo thành ion âm TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
II. Cấu tạo phân tử 1. PHÂN TỬ VÀ NGUYÊN LÝ LIÊN KẾT TỔNG QUÁT Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua liên kết giữa các nguyên tử Khi hai nguyên tử được đặt gần nhau ⇒ các điện tử hóa trị tương tác với nhau và với các hạt nhân lân cận ⇒ tạo ra liên kết giữa hai nguyên tử ⇒ hình thành phân tử Năng lượng của hệ thống hai nguyên tử liên kết < tổng năng lượng của hai nguyên tử riêng rẽ ⇒ tạo nên phân tử bền vững ⇒ Nguyên lý cơ bản của sự tạo thành phân tử là sự cân bằng giữa lực hút (FA) và lực đẩy (FR) giữa các nguyên tử xác lập tại khoảng cách cân bằng ro giữa các nguyên tử *Lực hút (FA) và lực đẩy (FR) là kết quả của tương tác tĩnh điện tương FN = FA + FR = 0 hỗ giữa các nguyên tử TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
2. CÁC LOẠI LIÊN KẾT GIỮA CÁC NGUYÊN TỬ Liên kết đồng hóa trị (cộng hóa trị) Liên kết chủ yếu Liên kết Ion Liên kết kim loại Liên kết Van der Waal Liên kết thứ cấp TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
a. Liên kết đồng hóa trị (cộng hóa trị) Đặc trưng: góp chung điện tử của nguyên tử trong phân tử Xảy ra giữa các nguyên tử có độ âm điện gần bằng nhau * Độ âm điện (min: 0,7; max: 4,0) VD: CH4 (Methane) C (2,5) H (2,1) 4 điện tử hóa trị ⇒ cần thêm 4 điện tử Một nguyên tử C liên kết với 4 nguyên tử H 1 điện tử hóa trị ⇒ cần thêm 1 điện tử Covalent bond TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
- Một số phân tử khác được tạo nên từ liên kết đồng hóa trị TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
- Đặc tính của liên kết đồng hóa trị: +) do lực hút tĩnh điện mạnh giữa các điện tử góp chung và hạt nhân, liên kết đồng hóa trị bền vững nhất trong các loại liên kết → có nhiệt độ nóng chảy và độ cứng rất cao (ví dụ: kim cương) +) không bị hòa tan trong các dung môi +) liên kết có cấu trúc dị hướng và bền vững→ không có tính dẻo +) không dẫn điện do không có điện tử tự do TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
b. Liên kết ion Xảy ra giữa ion dương và ion âm Đặc trưng: có sự cho và nhận điện tử Giữa các nguyên tử có độ âm điện khác biệt lớn VD: NaCl - + 0,9 3,0 Lực coulomb q1q2 F= 4πε o r 2 Ionic bond TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Một số phân tử khác được tạo nên từ liên kết ion TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
- Đặc tính của liên kết ion: +) cứng, giòn và có nhiệt độ nóng chảy cao khi so với kim loại +) hầu hết chất tạo thành từ liên kết ion bị hòa tan trong dung dịch có cực (ví dụ: nước) +) không dẫn điện do không có điện tử tự do (các ion rất khó dịch chuyển) tuy nhiên trở nên dẫn điện tốt khi hòa tan trong dung môi +) độ dẫn nhiệt thấp do các ion không thể chuyển các dao động nhiệt cho các ion lân cận TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
c. Liên kết kim loại Nguyên tử kim loại chứa một vài điện tử hóa trị Khi các nguyên tử kim loại đặt gần nhau, các điện tử hóa trị dễ dàng tách rời khỏi hạt nhân riêng rẽ và trở thành điện tử tự do dùng chung giữa các ion ⇒ hình thành đám mây điện tử giữa các ion dương Các ion dương kim loại được liên kết với nhau bằng lực hút tương hỗ với các điện tử tự do → tạo nên cấu trúc lập phương diện tâm (FCC) TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
- Đặc tính của liên kết kim loại: +) liên kết có cấu trúc đẳng hướng → dẻo +) độ dẫn nhiệt và dẫn điện cao do chứa các điện tử tự do Metallic bond TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.
Liên kết Van der Waal- Liên kết thứ cấp Hình thành từ sự tương tác giữa các lưỡng cực - Lưỡng cực dao động Moment lưỡng cực p=q×d - Lưỡng cực vĩnh cữu (cố định) ⇐ Liên kết ion TS. Nguyễn Văn Dũng. 8/3/2015. Tài liệu có bản quyền. Không được phép sao chép hay công bố rộng rãi dưới bất kỳ hình thức nào.