HÓA HỌC TINH THỂ
PHAN THỊ TƯƠI - 1 - THPT CHUYÊN HƯNG YÊN
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HƯNG YÊN
Trường PHTH Chyên Hưng Yên
SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM
HÓA HỌC TINH THỂ
Người viết: Phan Thị Tươi
Đơn vị công tác: Tổ Hóa
Trường THPT chuyên Hưng Yên
HÓA HỌC TINH THỂ
PHAN THỊ TƯƠI - 2 - THPT CHUYÊN HƯNG YÊN
PHẦN I: MỞ ĐẦU
1. Cơ sở khoa học của sáng kiến kinh nghiệm cần nghiên cứu:
Cơ sở lý luận
Như đã biết, mọi chất đều có thể tồn tại ở ba trạng thái: khí, lỏng, rắn. Ở trạng thái rắn vật
chất có thể tồn tại ở trạng thái tinh thể hoặc trạng thái vô định hình. Trạng thái tinh thể khác trạng
thái vô định hình ở các đặc điểm sau:
- Tinh thể là những đa diện lồi, được giới hạn bởi các mặt phẳng và các cạnh thẳng;
- Tinh thể có tính đồng nhất và tính dị hướng;
- Chất tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định.
Ở điều kiện thường hầu hết các chất rắn đều có cấu tạo tinh thể. Ví dụ: cacbon tồn tại dưới
dạng các tinh thể kim cương hay than chì (grafit); lưu huỳnh tồn tại dưới dạng các tinh thể đơn tà
hay mặt thoi; muối ăn (NaCl) dưới dạng các tinh thể lập phương… Tất cả các kim loại, trừ thủy
ngân là chất tinh thể v.v….
Lĩnh vực khoa học nghiên cứu thành phần, cấu tạo và tính chất của tinh thể là “Tinh thể
học”. Tinh thể học là lĩnh vực khoa học ra đời từ rất sớm, phát triển mạnh mẽ và đạt được những
thành tựu rất to lớn. Ngày nay, nhờ những thành tựu của Tinh thể học người ta đã xác định được
cấu tạo tinh thể và phân tử của hàng triệu chất khác nhau, trong đó có những chất quan trọng như
silicat tự nhiên, các protit, lipit, axit nucleic… từ đó đã giải thích được nhiều tính chất vật lí, hóa
học và sinh học của các chất, đồng thời phát hiện ra nhiều ứng dụng quan trọng của chúng.
Trong chương trình hoá học phổ thông, phần trạng thái rắn của chất và cụ thể về tinh thể là
một phần khá lí thú và trừu tượng. Sách giáo khoa đã nêu được một số ý tưởng cơ bản giáo viên
cần tham khảo thêm tài liệu mới giúp học sinh hình dung đươc và áp dụng các kiến thức vào giải
các bài toán liên quan. Đề tài này nhằm cung cấp các kiến thức cụ thể về cấu trúc tinh thể và vận
dụng cho các bài tập liên quan.
Cơ sở thực tiễn
Trong những năm qua, đề thi học sinh giỏi Quốc gia thường hay đề cập tới phần hoá học
tinh thể dưới nhiều góc độ khác nhau. Tuy nhiên, trong sách giáo khoa phổ thông , do điều kiện
giới hạn về thời gian nên những kiến thức trên chỉ được đề cập đến một cách sơ lược. Qua thực
tiễn giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia nhiều năm tôi đă nghiên cứu, lựa chọn và hệ
thống những kiến thức lí thuyết cơ bản, trọng tâm; sưu tầm những bài tập điển hình để soạn
chuyên đề “Hóa học tinh thể” đề cập về vấn đề cấu trúc mạng tinh thể giúp cho học sinh hiểu sâu
và vận dụng được tốt những kiến thức đã học vào việc giải các bài tập, góp phần nâng cao chất
lượng giảng dạy và học tập môn Hóa học.
2. Mục đích của sáng kiến kinh nghiệm
X©y dùng cơ sở lí thuyết, hÖ thèng c©u hái vµ bµi tËp phÇn “Hóa học tinh thể” dï ng cho
häc sinh lí p chuyªn Ho¸ häc ë bËc THPT gióp häc trß häc tèt h¬n vµ chuÈn bÞ tèt h¬n cho c¸c kú
HÓA HỌC TINH THỂ
PHAN THỊ TƯƠI - 3 - THPT CHUYÊN HƯNG YÊN
thi häc sinh giái Hãa häc c¶ vÒ lý thuyÕt – bµi tËp – ph¬ng ph¸p gi¶i, gãp phÇn n©ng cao chÊt
lîng gi¶ng d¹y vµ häc tËp m«n Hãa häc.
3. Đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu
Đề tài “Hóa học tinh thể” tập trung hệ thồng lí thuyết và sưu tầm các bài tập điển hình có
liên quan đến:
1. MẠNG BRAVAIS
2. PHÂN LOẠI MẠNG BRAVAIS
3. Ô ĐƠN VỊ VÀ Ô CƠ SỞ
4. LIÊN KẾT HÓA HỌC TRONG TINH THỂ
5. CẤU TRÚC CỦA TINH THỂ KIM LOẠI
6. CẤU TRÚC TINH THỂ CỦA CÁC HỢP CHẤT ION ĐƠN GIẢN
7. NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC TINH THỂ BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỄU XẠ TIA X
Đối tượng nghiên cứu là các khóa học sinh đội tuyển dự thi học sinh giỏi quốc gia từ
năm 2009 đến năm 2011
4. Kế hoạch nghiên cứu
Sáng kiến kinh nghiệm này tôi đã nghiên cứu giảng dạy bồi dưỡng học sinh đội tuyển dự thi
học sinh giỏi quốc gia, tại trường THPH chuyên Hưng Yên từ năm học 2009-2010.
5. Phương pháp nghiên cứu
a). Nghiên cứu tài liệu
b). Thực nghiệm (giảng dạy), đây là phương pháp chính
6. Thời gian hoàn thành
3 năm
7. Cấu trúc của sáng kiến kinh nghiệm
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, sáng kiến kinh nghiệm bao gồm các phần
chính sau đây:
I.CƠ SỞ LÍ THUYẾT
II. BÀI TẬP VẬN DỤNG
PHẦN II: NỘI DUNG
I. CƠ SỞ LÍ THUYẾT
Chất rắn được chia ra làm hai loại là chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình.
Các tinh thể như tinh thể muối ăn, đường, kim cương, thạch anh..., nhìn vẻ bề ngoài chúng
là hạt óng ánh, nhiều cạnh, nhiều mặt, nhiều chóp, khi vỡ tạo ra các hạt tinh thể nhỏ hơn với hình
HÓA HỌC TINH THỂ
PHAN THỊ TƯƠI - 4 - THPT CHUYÊN HƯNG YÊN
dạng khác nhau, tinh thể có nhiệt độ nóng chảy xác định, cá tính chất cơ điện có tính dị hướng tức
là phụ thuộc vào hướng đo.
Về bản chất, trạng thái tinh thể khác với trạng thái vô hình ở chỗ: trong tinh thể, các
nguyên tử, phân tử, ion sắp xếp tuần hoàn ba chiều trong một khoảng không gian rộng, còn ở chất
rắn vô định hình sự sắp xếp tuần hoàn chỉ có tính cục bộ trong giới hạn không gian hẹp. Vì vậy,
dạng tinh thể và dạng vô định hình là hai trạng thái khác nhau của một chất rắn, trong đó dạng vô
định hình luôn luôn kém bền hơn về mặt nhiệt độ với dạng tinh thể. Trong những điều kiện thích
hợp, người ta có thể kết tinh được dạng tinh thể của các chất vô định như cao su, thủy tinh.
Việc nghiên cứu tinh thể từ cuối thế kỷ 18. Thời kỳ đó, các nhà khoáng chát học đã phát
hiện ra bằng giá trị chỉ số hướng của mọi mặt trong tinh thể đều là số nguyên. Năm 1784, thầy tu
Hauy người được coi là sáng lập ra tinh thể học đã giải thích điều này là kết quả của sự sắp xếp
tuần hoàn các hợp phần giống nhau trong tinh thể. Tuy nhiên những hiểu biết sâu sắc về tinh thể
chỉ có được sau khi phát minh ra tia X và hiện tượng nhiễu xạ tia X vào đầu thế kỷ 20.
Trước khi nghiên cứu sâu tính chất vật lý và hóa học của chất rắn, chúng ta hãy tìm hiểu
một số khái niệm, thuật ngữ cần thiết để mô tả sự sắp xếp hình học trong tinh thể.
I.1. Mạng Bravais
Tập hợp tất cả các điểm có tọa độ là vectơ R được biểu diễn theo công thức 1.1 theo các vectơ cơ
sở ax,ay,az treen ba vectơ thích hợp đã chọn tạo thành một mạng không gian gọi là mạng Bravais.
Mỗi một điểm trên đây được gọi là một nút mạng của mạng Bravais.Thực chất mạng Bravais là
mộ sự khía quát hóa về mặt toán học, chỉ mới biểu diễn được tính tuần hoàn tịnh tiến của tinh thể,
không phải là mạng tinh thể thực. Mạng tinh thể thực phải được mô tả bằng cách chỉ ra mạng
Bravais của nó đi kèm với chỉ ra nền tinh thể tương ứng với mỗi một nút mạng Bravai. Nền tinh
thể là cấu hình của phân tử.
Cấu trúc tinh thể = mạng Bravais + Nền tinh thể
Cả 3 loại tinh thể đều được cấu tạo từ cùng một mạng Bravais (mạng vuông chiều), nhưng
trên các nền khác nhau.
- Đối với tinh thể đơn giản
nền tinh thể chỉ gồm một vài nguyên tử.
- Đối với tinh thể hữu cơ
nền tinh thể gồm
100 nguyên tử.
- Đối với tinh thể đơn giản
nền tinh thể gồm
104 nguyên tử.
Trong thế giới chất rắn vô cơ chủ yếu là các tinh thể đơn giản.
Với định nghĩa trên, mạng Bravais có các đặc điểm sau:
- Mạng Bravais biểu diễn tính tuần hoàn tịnh tiến của mạng tinh thể, do đó các nút mạng
Bravais không nhất thiết phải trùng với nút mạng tinh thể thực.
- Nếu tinh thể được cấu tạo nên từ nhiều laoij nguyên tử, tức là số nguyên của nền tinh thể
lớn hơn 1, thì có thể coi mỗi loại nguyên tử tạo nên một mạng Bravais riêng của mình (mạng
HÓA HỌC TINH THỂ
PHAN THỊ TƯƠI - 5 - THPT CHUYÊN HƯNG YÊN
con), ở đó các nguyên tử nằm ngay ở nút mạng Bravais và khi đó mạng tinh thể sẽ gồm nhiều
mạng Bravais giống hệt nhau lồng vào nhau.
Một tinh thể chỉ gồm một mạng Bravais có thể gọi là tinh thể đơn giản, một tinh thể gồm
nhiều mạng Bravais giống nhau lồng vào nhau thường được gọi là mạng tinh thể phức tạp.
I.2. Phân loại các mạng Bravais
Trong mục trên chúng ta chưa xét đến pháp tịnh tiến. Như đã nối từ đầu, bất kỳ tinh thể
nào cũng thừa nhận những phép tịnh tiến R = n1.a1 + n2.a2 + n3.a3 (a1a2a3 là các vectơ cơ sở của
mạng đó và n1n2n3 là các số nguyên) làm các phép biến đổi đối xứng. Những phép tịnh tiến này
họp lại thành một nhóm gọi là nhóm tịnh tiến. nhóm tịnh tiến là nhóm có số phần tử vô hạn vì
mạng tinh thể là vô hạn. Nó cũng là một nhóm giáo hoán vì tích của hai phép tịnh tiến không phụ
thuộc vào thứ tự của chúng.
Chúng ta có thể coi những vectơ cơ sở của mạng a1,a2,a3 là những vectơ độc lập của các
phép tịnh tiến cơ bản này (với hệ số là các số nguyên). Bởi vậy độ lớn và vị trí tương đối của các
vectơ cơ sở, hay là dạng của ô cơ bản, sẽ là đặc trưng cho nhóm tịnh tiến của mạng tinh thể.
Xét mối qua hệ giữa a1, a2, a3, α, β, γ ta có bảng tổng kết về các hệ tinh thể và các loại
mạng bravais:
