ี่โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
Download
Report
Transcript ี่โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์
Solid
Chatuporn Sawatruksa
Department of Chemistry
Mahidol wittayanusorn School
Solid classifications
Solid
anisotropy
Ionic solid
Crystalline
solid
Molecular
solid
Amorphous
solid
Covalent
solid
Metallic
solid
isotropy
Solid classifications
Crystalline solid
•
อนุภาคเรียงตัวกันอย่างมีระเบียบ
เป็ นรูปทรงเรขาคณิตเป็ นสามมิต ิ
เรียกว่า Crystal lattice หรือ
Space lattice
•
ผิวหน ้าเรียบ มุมระหว่างผิวหน ้ามี
ค่าแน่นอน
•
ดรรชนีหก
ั เหและการนาไฟฟ้ า
แตกต่างกันในทิศทางทีต
่ า่ งกัน
•
สมบัตท
ิ แ
ี่ ตกต่างกันในทิศทางที่
ต่างกัน เรียกว่าเป็ น Anisotropy
Amorphous solid
•
อนุภาคเรียงตัวไม่มรี ะเบียบทาให ้
ไม่มรี ป
ู ทรงเรขาคณิต
•
ผิวหน ้าไม่เรียบ และมีมม
ุ ต่างๆ กัน
•
ดรรชนีหก
ั เหและการนาไฟฟ้ า
เหมือนกันทุกทิศทาง
•
สมบัตท
ิ เี่ หมือนกันทุกทิศทาง
เรียกว่าเป็ น Isotropy
ล ักษณะเฉพาะ
และสมบ ัติ
ชนิดของผลึก
ชนิดของอนุภาค
ภายในผลึก
ชนิดของพ ันธะหรือแรง
ยึดเหนีย
่ วระหว่าง
อนุภาค
สมบ ัติทวไป
่ั
ต ัวอย่างของของแข็ง
ผลึกโมเลกุล
โมเลกุล
หรือ
อะตอม
โมเลกุลมีขวั้
- แรงดึงดูดระหว่างขวั้
- พ ันธะไฮโดรเจน
โมเลกุลไม่มข
ี วหรื
ั้
อ
อะตอม
- แรงลอนดอน
- อ่อนหรือแข็งปาน
กลางเปราะไม่มาก
- จุดหลอมเหลวตา่
- ไม่นาความร้อน
และไฟฟ้า
โมเลกุลมีขวั้
- นา้ แข็ง
- แอมโมเนีย
โมเลกุลไม่มข
ี วั้
- นา้ แข็งแห้ง
- แนฟทาลีน
- กามะถ ัน
- ไอโอดีน
ผลึกโคเวเลนต์
ร่างตาข่าย
อะตอม
พ ันธะโคเวเลนต์
- แข็ง
- จุดหลอมเหลวสูง
- สว่ นใหญ่ไม่นา
ความร้อนและ
ไฟฟ้า
- เพชร
- แกรไฟต์
- ควอตซ ์
ผลึกโลหะ
อะตอม
พ ันธะโลหะ
- แข็ง
- จุดหลอมเหลวสูง
- นาความร้อนและ
ไฟฟ้าได้ด ี
ี ม
- แมกนีเซย
- เหล็ก
- ทองแดง
- โซเดียม
ผลึกไอออนิก
ไอออน
พ ันธะไอออนิก
- แข็ง
- จุดหลอมเหลวสูง
- ไม่นาความร้อน
และไฟฟ้า
ี ม
- โพแทสเซย
ไนเตรต
ิ เวอร์คลอไรด์
- ซล
ระบบผลึก (Crystal system)
• ผลึกคือ การเรี ยงตัวของอนุภาคอย่างเป็ นระเบียบทางเรขาคณิ ตแบบสามมิติ มีมุมตัดเฉพาะ
• ผลึกถูกจินตนาการว่าสร้างขึ้นจากจุดเล็ก ๆติดต่อแบบซ้ า ๆ กันโดยให้จุดเล็ก ๆ เป็ นจุดแลตทิซ
• จุดแลตทิซ (lattice point) เป็ นจุดเล็ก ๆ ติดต่อแบบซ้ า ๆ กัน อาจเป็ นตาแหน่งของอนุภาค
และแต่ละจุดแลตทิซจะต้องมีสิ่งแวดล้อมเหมือนกับจุดอื่น ๆ ในทิศทางที่เหมือนกัน
ระบบผลึก (Crystal system)
บราเว (Bravais) ได้ สรุปจากการรวมกลุม่ จุดและกลุม่ การเคลื่อนย้ ายได้ ว่า
แลตทิซที่เกิดขึ ้นมีเพียง 14 แบบ ทัง้ 14 แบบเรี ยกว่า แลตทิซบราเว(Bravais lattices)
และสามารถจัดจาพวกได้ ทงหมด
ั้
7 ระบบ
Bravais 1811-1863
Unit cell
การจัดเรียงจุด lattice ใน Unit cell มี 4 ชนิด
☻Simple or Primitive
: Lattice points on corners only
☻Body-centered
: Lattice points on corners as well as
in the center of the unit cell body
☻Face-centered
: Lattice points on corners as well as
in the centers of all faces
☻Base-centered or End-centered
: Lattice points on corners as well as
centered on faces
7
จำนวนอนุภำคใน unit cell
หลักการนับจานวนอนุภาคแต่ละอนุภาคใน unit cell หนึง่ ๆ ทาได้ ดงั นี ้
1.
2.
3.
4.
อนุภาคที่มมุ ให้ นบั 1/8 เพราะมีการใช้ ร่วมกัน 8
อนุภาคที่ขอบให้ นบั 1/4 เพราะมีการใช้ ร่วมกัน 4
อนุภาคที่ศนู ย์กลางผิวหน้ าให้ นบั 1/2 เพราะมีการใช้ ร่วมกัน 2
อนุภาคที่ศนู ย์กลาง unit cells ให้ นบั เต็ม คือ 1
กำรจัดเรียงอะตอมหรืออนุภำคในผลึก
อะตอมมีขนาดเท่ากัน สาหรับโลหะบริ สทุ ธิ์
Coordination number (CN): จานวนอะตอมรอบ ๆ ทังหมดที
้
่อยูต่ ิดกับอะตอม
ที่สนใจ
ผลึกโลหะมีการบรรจุในลักษณะที่มีการสัมผัสกันมากที่สดุ ได้ โครงสร้ างการบรรจุแบบชิดที่สดุ
(closet-packed patterns)
ตัวอย่างเช่น การบรรจุแบบชั ้นเดียว
การบรรจุแบบชิดที่สดุ มีอยู่ 2 แบบ คือ
Hexagonal closet-packed structure (hcp)
Cubic closet-packed structure (ccp)
โครงสร้ ำงบรรจุชดิ ที่สุด (closet-packed structure)
hexagonal closet-packing: hcp cubic closet-packing: ccp
http://departments.kings.edu/chemlab/animation/clospack.html
ในโครงสร้ างบรรจุชิดทัง้ 2แบบ แต่ละอะตอมจะสัมผัสหรื อแตะกับอะตอมอื่น 12
อะตอม เรี ยกว่ามีเลขโคออร์ ดิเนชัน (coordination number) เท่ากับ 12 และใช้ เนื ้อที่ใน
การบรรจุร้อยละ 74 ของผลึก ที่เหลือ 26 เป็ นช่องว่าง
โครงสร้ ำงบรรจุชดิ ที่สุด (closet-packed structure)
Holes from closest packing
Tetrahedral hole
Octahedral hole
ช่ องว่ ำงภำยในผลึกที่อนุภำคมีกำรบรรจุชิดที่สุด
ความสั มพันธ์ ระหว่ างรัศมีอะตอมกับความยาวตามขอบของหน่ วยเซลล์
Simple cubic
Body center cubic
Faced center cubic
17
ความสั มพันธ์ ระหว่ างรัศมีอะตอมกับความยาวตามขอบของหน่ วยเซลล์
โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องค์การมหาชน
18
หน่ วยเซลล์แบบ Simple Cubic
a
2r
กาหนดให้รศั มีของอนุภาค
จานวนอนุภาคใน 1 หน่ วยเซลล์
ความสัมพันธ์ระหว่าง a กับ r คือ
=r
= 1 อนุภาค
a = 2r
หน่ วยเซลล์แบบ Body Centered Cubic (BCC)
ความสัมพันธ์ระหว่าง a กับ r คือ
a=
หน่ วยเซลล์แบบ Face Centered Cubic (FCC)
ความสัมพันธ์ระหว่าง a กับ r คือ
a=
Ex. โครเมียมมีผลึกโลหะแบบ body-centered cubic ซึ่ง Cr อะตอม
สัมผัสกันตามแนวทะแยงมุม (body diagonal) ของหน่ วยเซลล์ ซึ่ง
มีความยาวด้านละ 288.4 pm จงหารัศมีอะตอมของโครเมียม
a=
Ex. ทองมีผลึกเป็ นแบบ face-centered cubic lattice ความยาวขอบ
ของหน่ วยเซลล์เท่ากับ 407.86 pm จงหารัศมีอะตอมของทอง
Packing efficiency or Packing Factor
: แสดงเปอร์ เซ็นต์ ของ unit cell ที่มีอะตอมอยู่ภำยใน
Packing efficiency = ปริมาตรอะตอมทัง้ หมด
ปริมาตร unit cell
Example:
X 100
a
To find packing efficiency of SC
Volume of unit cell
ด้าน a = 2r r = a / 2
ปริมาตร unit cell = a3
2r
Volume of atoms
1 atom = 4/3 r3 = 4/3 (a/2)3
แบบ SC 1 unit cell
มีอะตอมภายในรวม = 1 atom [(1/8) 8]
ดังนัน้ สาหรับ SC จะมี Packing efficiency =
4/3 (a /2)3
a3
100
= ( /6 ) 100 = 52%
24
รูปแบบกำรบรรจุของอนุภำค เลขโคออร์ ดเิ นชัน และควำมหนำแน่ นของหน่ วยเซลล์
รูปแบบกำรบรรจุของอนุภำค
รูปแบบกำรจัดเรี ยงใน
หน่ วยเซลล์
ลูกบำศก์ ธรรมดำ
ลูกบำศก์ กลำงหน้ ำ
กำรบรรจุชิดที่สุดแบบเฮกซะโกนัล
AAAAAA…
ABABAB…
ABABAB…
กำรบรรจุชิดที่สุดแบบลูกบำศก์
ABCABC…
เลขโคออร์ ดิ ควำมหนำแน่ น
ของหน่ วยเซลล์
เนชัน
(%)
6
52
8
68
12
74
12
74
Density
ความหนาแน่ น (density) =
มวลใน unit cell
ปริมาตร unit cell
26
Problem
ทองคา (Au) ตกผลึกในรูป ccp (หน่ วยเซลล์แบบ FCC) และมีความ
หนาแน่ น 19.3 g/cm3 จงคานวณหารัศมีอะตอมของทองในหน่ วยพิโกเมตร
(Au = (1 pm = 10-10 cm)
144 pm
27
Problem
โลหะแมกนี เซียมมีผลึกแบบ hexagonal closest-packed และมี
ความหนาแน่ นเป็ น 1.74 g/cm3 จงคานวณหาปริมาตรและรัศมีของ
อะตอมของแมกนี เซียม
ปริมาตร = 1.70 x 10-23 cm3/atom Mg
รัศมี = 160 pm
28
ของแข็งไอออน หรือผลึกไอออน และโครงสร้ างผลึกสามัญ
1. Rock salt structure: NaCl
2. Cesium chloride structure: CsCl
3. Zinc-blend structure: ZnS
4. Wurtzite structure: ZnS
5. Fluorite structure: CaF2
6. Rutile structure: TiO2
Rock salt structure
- ccp (Na+ = 95 pm, Cl- = 181 pm
- CN: 6:6
- Cl- Face-centered cubic
- Na+ octahedral hole
เช่ น KCl, KBr, KI, LiI, CaO, CaS เป็ นต้ น
Particles in one crystal cell
Cesium chloride structure
-Cs+ = 169 pm, Cl- = 181 pm
- bcc (simple cubic?)
- CN: 8:8
- Cl- simple cubic
- Cs+ simple cubic hole
Particles in one crystal cell
Cs+:1
เช่ น CsBr, CsI, RbCl, เป็ นต้ น
Zinc sulfide structure
- ccp (Zn2+ = 74 pm, S2- = 184 pm)
- CN: 4:4
- S2- face-centered cubic
- Zn2+ ½ tetrahedral hole
Particles in one crystal cell
Zn2+:4
เช่ น CuF, CuCl, BeS, AgI, CdS เป็ นต้ น
Wurtzite (ZnS) structure
- hcp (Zn2+ = 74 pm, S2- = 184 pm)
- CN: 4:4
- S2- (hcp)
- Zn2+ tetrahedral hole
เช่ น BeO, MnSe, MnTe, ZnO, SiC เป็ นต้ น
Fluorite and antifluorite structure
- Example for fluorite CaF2
- Ca2+ = 99 pm, F- = 136 pm
- CN: 8:4
- Ca2+ (ccp)
- F- tetrahedral hole
- SrF2, SrCl2, BaF2, BaCl2, CdF2, PbF2
- example antifluorite K2O
Rutile (TiO2) structure
- Example for fluorite TiO2
- Ti4+ = 68 pm, O2- = 140 pm
- CN: 6:3
- hcp (anion lattice)
- cation ½ octahedral hole
Limiting radius ratio
8-coordination
(caesium chloride
structure)
6-coordination
(sodium chloride
structure)
4-coordination
(zinc blende
structure)
http://firstyear.chem.usyd.edu.au/prelab/e12_appendix.sht
ml
http://www.chem.ox.ac.uk/
icl/heyes/structure_of_soli
ds/Lecture3/Lec3.html
Minimum radius ratios for different cation coordination numbers
อัตราส่วนของ
รัศมี (r+/r-)
เลขโคออร์ดิ
เนชัน สาหรับ ชนิดโครงสร้าง
1:1 และ 1:2 ตาม
ผลึก AB
1
0.732 – 1
stoichiometr
y
12
ยังไมพบ
่
8:8 และ 8:4
CsCl
0.414 – 0.732
6:6 และ 6:3
0.225 – 0.414
4:4
NaCl (Rock
salt, ccp)
ZnS (Zinc
blend; ccp และ
ชนิด
โครงสร้าง
ผลึก AB2
ยังไมพบ
่
CaF2
(fluorite)
TiO2 (rutile)
-
ตารางที่ 1 ข้อมูลขนาดอะตอมและน้าหนักของ
อะตอม
Na
Cu
Cl
Cs
Zn
S
K
I
Br
Tl
น้ า ห นั ก รัศมีอะตอม รัศมี ไอออน
(nm)
(nm)
อะตอม
22.99
63.55
35.45
132.9
65.38
32.06
39.10
126.9
79.90
204.4
0.099
0.262
0.133
0.104
0.231
0.133
0.114
0.171
0.095
0.096
0.181
0.169
0.074
0.184
0.133
0.216
0.195
0.147
Problem
ผลึก LiF เมือ่ วิเคราะห์รศั มีไอออนพบว่า รัศมีของ Li+ มีคา่ เท่ากับ 70 pm
และ F- มีคา่ เท่ากับ 133 pm จงหาความหนาแน่นของผลึก LiF
โครงสร้ างผลึกโคเวเลนต์
nanotube
diamond
graphite
X-Ray Diffraction by Crystal
กำรศึกษำโดยใช้ กำรเลีย้ วเบนของรังสีเอกซ์
X-ray diffraction
diffragtrogram
Bragg’s Law
n = 2dsin
คือความยาวคลื่นของรังสี x
เป็ นมุมทีร่ งั สีเอกซ์ผา่ นเข้ามายังผลึก
d เป็ นระยะห่างของแต่ละระนาบ
n เป็ นอันดับของการเลีย้ วเบนโดยทัวไปใช้
่
n=1
William Henry Bragg
Problem
จงคานวณหาความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ที่เลี้ยวเบนด้วยมุม 8.40๐ จากผลึก
ที่มีความห่างระหว่างระนาบเป็ น 200 nm
58.43 nm
Crystal defects
1. ควำมบกพร่ องแบบจุด (Point defect)
การแทรกตัวในช่องว่างด้วย
อะตอมชนิดเดียวกับผลึก
ช่องว่าง
แทรกด้วย
อะตอมอื่น
แทนที่ดว้ ยอะตอม
อื่น
Point defect
self-interstitial defect
vacancy
interstitial impurity
substitutional impurity
กำรประยุกต์ ใช้
-เหล็กกล้ า นาอะตอมคาร์ บอนซึง่ เล็กกว่า
อะตอมของโลหะมาแทรกทาให้ เหล็กแข็ง
แรงขึ ้น
- การโดป P ใน Si ทาให้ นาไฟฟ้าได้ ดีขึ ้น
Point defect
(a) A Schottky defect in KCl shows the missing cation/anion
pair. (b) A Frenkel defect in AgI shows a misplaced
Ag+ cation.
http://2012books.lardbucket.org/books/general-chemistry-principles-patterns-and-applicationsv1.0/section_16_04.html
Crystal defects
2. ความบกพร่องแบบเส้น (Line defects)
2.1 Edge dislocation
http://2012books.lardbucket.org/books/generalchemistry-principles-patterns-and-applicationsv1.0/section_16_04.html
โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องค์การมหาชน
2.2 Screw dislocation
http://www.siliconfareast.com/scre
wdislocation.jpg
Crystal defects
3. ควำมบกพร่ องแบบระนำบ (Planar defects)
4. ควำมบกพร่ องแบบปริมำตร (Bulk defects)
ที่มา: http://www.cartage.org.lb/en/themes/Sciences/Physics/
SolidStatePhysics/AtomicBonding/CrystalStructure/Crystalline/Image486.gif
โรงเรียนมหิดลวิทยานุสรณ์ องค์การมหาชน
กำรศึกษำรูปผลึกของกัมมะถัน
วัตถุประสงค์การทดลอง
ศึกษารูปร่างผลึกของกามะถันที่ตกผลึกที่อณ
ุ หภูมิสงู และอุณหภูมิตา่
กำรศึกษำรูปผลึกของกัมมะถัน
กำรศึกษำรูปผลึกของกัมมะถัน
กำมะถันมอนอคลินิก
กำมะถันรอมบิก
คาร์บอน (Carbon)
ฟอสฟอรัส (Phosphorus)
ฟอสฟอรัสเป็ นอโลหะ มีรป
ู ที่สาคัญ 3 ชนิด คือ
ฟอสฟอรัสขาว
ฟอสฟอรัสแดง
ฟอสฟอรัสดา
ฟอสฟอรัส (Phosphorus)
ฟอสฟอรัสขาว ว่องไวในการเกิดปฏิกิริยาเคมี และลุกไหม้ได้เอง
เมื่อสัมผัสกับอากาส จึงใช้ทาระเบิด
ฟอสฟอรัสแดง เสถียรกว่าฟอสฟอรัสขาว จึงใช้ทาไม้ขีดไฟ
ฟอสฟอรัสดา เสถียรกว่าฟอสฟอรัสแดง ติดไฟยาก
Problem
1. ผลึกโครเมียม (Cr) มีแลตทิซบราเวเป็ นลูกบาศก์แบบกลางหน้ า ซึง่ มี
ความยาวตามขอบของเซลล์หน่วยเท่ากับ 0.352 nm จงหา
ก) ความหนาแน่นของผลึกโครเมียมในหน่วย g/cm3
ข) เลขโคออร์ ดิเนชันของโครเมียม
2. ผลึกเงิน (Ag) มีแลตทิซบราเวเป็ นลูกบาศก์แบบกลางหน้ า ผลึกมี
ความหนาแน่น 10.6 g/cm3 จงหาความยาวขอบของเซลล์หน่วยใน
หน่วย nm
3. วาเนเดียม (V) มีความหนาแน่น 5.96 g/cm3 ตกผลึกให้ เซลล์
หน่วยที่มีแลตทิซบราเวเป็ นลูกบาศก์แบบกลางตัว และมีความยาวขอบ
0.301 nm จงหา
ก) เลขอาโวกาโดร
ข) เลขโคออร์ ดิเนชันของวาเนเดียม
4. จงคานวณหาอัตราส่วนรัศมี r+/r- ของสารต่อไปนี ้ และหาว่าสารแต่ละชนิดมี
โครงสร้ างผลึกของของแข็งไอออนแบบใด
ก) KCl
ข) CdS
K+
Cd2+
Cs+
Mg2+
60 pm
97 pm
169 pm
65 pm
ค) CsBr
ClS2BrO2-
ง) MgO
181 pm
184 pm
195 pm
140 pm
อัตราส่วนของ
รัศมี (r+/r-)
เลขโคออร์ดิ
เนชัน สาหรับ ชนิดโครงสร้าง
1:1 และ 1:2 ตาม
ผลึก AB
1
0.732 – 1
stoichiometr
y
12
ยังไมพบ
่
8:8 และ 8:4
CsCl
0.414 – 0.732
6:6 และ 6:3
0.225 – 0.414
4:4
NaCl (Rock
salt, ccp)
ZnS (Zinc
blend; ccp และ
Wurtzite; hcp)
ชนิด
โครงสร้าง
ผลึก AB2
ยังไมพบ
่
CaF2
(fluorite)
TiO2 (rutile)
-
5. TlBr มีโครงสร้ างผลึกเหมือน CsCl โดยมีความยาวขอบของเซลล์
หน่วย 3.97 อังสตรอม จงหา
ก) ความหนาแน่นของผลึก
ข) เลขโคออร์ ดิเนชันของผลึกนี ้