Đề cương môn hóa lý 1- Trường Đại học bách khoa - Đại học đà nẵng.

HÓA LÝ SILICAT
Chương 1: SILICAT TRONG TRẠNG THÁI RẮN
1.1 Định nghĩa vật liệu silicat
- Axit silicat : axit chứa oxy của silic
- Silicat là muối của axit silicic ( muối của axit chứa oxi của silic) = khuê toan diêm axit - Ba loại axit silicic
+ axit orthosilic ( H2SiO4) Vd khoáng Olivin (Mg,Fe)2SiO4 hay 2FeO.SiO2
+ axit methasilic (H2SiO3)n Vd khoáng vôlastomit CaSiO3 hay Cao.SiO2 (metasilicat canxi )
+ axit polysilic ( Si >= 2) chưa có dấu hiện tồn tại nhưng silicat của chúng thì
có số lượng rất nhiều
1.2 Sơ đồ vật liệu silicat 1 Al 6 2O3 8 CaO 9 SiO2 Na2O SiO2 SO2 SO2 SO2 +Na2 O + Na +Na +Na 5 4 2O3 2O2 2O +Al2O3 +Al2O3 +CaO 1_Thủy tinh thạch anh
5_Vật liệu Zeolite (tinh thể)
2_Thủy tinh tan(thủy tinh lỏng) 3_Thủy tinh kính cửa
7_Bê tông ABC (khoáng chính Tobermornite) 9_Vật liệu chịu lửa Samot
4_Vật liệu Geopolymer (Vô định hình) 8_Gốm sứ (khoáng chính mulite)
6_Clinker xi măng Portland (C3S, C2S, C4AF )
-Vật liệu silicat dùng để nói chung các vật liệu vô cơ không kim loại thu được
bằng quá trình xử lý nhiệt các nguyên liệu thien nhiên hay nhân tạo chứa nguyên tố Si
1.3 Trạng thái tập hợp của vật chất
- Trạng thái khí : Không có trật tự (cả xa và gần) thay đổi hình dạng và thể tích (chiếm đầy bình chứa)
- Trạng thái lỏng và lỏng nóng chảy (có trật tự gần)
+Lỏng thay đổi hình dạng nhưng không tháy đổi thể tích ( không chiếm đầy bình chứa)
+Vật liệu ở trạng thái lỏng có độ nhớt rất cao
-Trạng thái rắn tinh thể (có trật tự ở xa)
+Rắn vi tinh thể : đối xứng và tuần hoàn. Khi làm nguội rất nhanh (trên dưới
10000̊ C/s ) các vật liệu tinh thể sẽ nhận được cấu trúc tinh thể nhưng kích
thước hạt nhỏ (cỡ nm) vật liệu này gọi là vi tinh thể
+Rắn vô định hình: vật liệu ở trạng thái lỏng nóng chảy có độ nhớt rất cao nên
khi hạ nhiệt thành chất rắn vô định hình (thủy tinh) chứ không phải là rắn tinh thể
- Đường cong nhiệt độ và thời gian 1.4 Mạng tinh thể - Cubic (lập phương) a=b=c , α=β=ɤ = 90̊ - Tetragonal ( tứ phương) - Hexagonal ( sáu phương) - Rhombohedral (3 phương) -Triclinic(nghiên) -Monoclinic(1 nghiên) - Orthorhombic (trực thoi)
- Các khuyết tật trong mạng tinh thể
-Nút trống là loại khuyết tật điểm quan trọng nhất, chúng gia tốc tất cả các quá
trình đến sự dịch chuyển nguyên tử như khuếch tán, quá trình thiêu kết bột....
1.5 Đơn tinh thể và đa tinh thể
- Đơn tinh thể có tính dị hướng và một khối đồng nhất - Đa tinh thể
+ Hạt gồm nhiều tinh thể cở nhỏ (cỡ nm) còn được gọi là hạt tinh thể. Các hạt
tuy cùng cấu trúc và thông số mạng nhưng phương lại định hướng khác nhau
(mang tính ngẫu nhiên) và liên kết với nhau qua vùng ranh giới được gọi là biên giới hạt
+ Trong thực tế chúng ta hầu như chỉ gặp các vậ liệu đa tinh thể (sự phát triển
các thông số mạng không ra toàn thể tích mà bị gián đoạn) Đơn tinh thể Đa tinh thể
1.5 Phân loại cấu trúc mạng Cấu trúc không bền Cấu trúc không bền Cấu trúc bền Anion tiếp xúc anion
Anion ko tiếp xúc anion anion tiếp xúc anion,
Anion ko tiếp xúc cation Cation tiếp xúc anion
cation=> đảm bảo tỉ lệ - Số phối trí 2
- Số phối trí 3 (Hình 3 đỉnh)
- Số phối trí 4 ( Hình 4 đỉnh)
-Số phối trí 6 (Hình 6 đỉnh)
- Số phối trí 8 (Hình 8 đỉnh)
- Số phối trí 12 (Hình 12 đỉnh)
- Chất khoáng hóa được xem như một lượng nhỏ các tác nhân phân cực đưa vào
phối liệu có tác dụng tăng tốc độ phản ứng. Chất khoáng hóa không tạo nên hợp
chất mới với cấu tử ban đầu và cũng không kết hợp với sản phẩm để tạo hợp
chất mới. Vì vậy, chúng cũng không tồn tại trong thành phần sản phẩm
- Phụ gia ổn định: ngược lại với phụ gia khoáng hóa, phụ gia này làm giảm hay
ngăn chặn quá trình biến đổi chất trong quá trình phản ứng tạo silicat.
1.6.Dung dịch rắn trong silicat
- Dung dịch rắn lẫn là dung dịch rắn tạo nên khi các ion, nguyên tử xâm nhập
quá nhỏ,sẽ chiếm chổ trống giữa các mắt nút của mạng lưới tinh thể gốc.
+ Các yếu tố quan trọng cho việc tạo thành dung dịch: Kích thước ion, Hóa trị,
Ái lực hóa học của chúng.
-Dung dịch rắn thay thế: Có sự thay thế ion này bằng ion khác tại các nút mạng
tạo nên một loạt những pha tinh thể silicat.
+Phụ thuộc những yếu tố 100 ●
Kích thước ion, nguyên tử (P = (r1 - r2). ) r 2
P < 10 - 15% dung dịch rắn liên tục tan lẫn trong vô hạn
P = 10 - 15% ở nhiệt độ thấp có thể tạo dung dịch rắn hạn chế
P > 25 - 40% ở nhiệt độ cao tạo dung dịch rắn tan lẫn trong nhau giới hạn, ở
nhiệt độ thấp không tạo thành dung dịch rắn. ●
Hóa trị của những ion thay thế và bị thay thế khác nhau sẽ tạo dung dịch rắn
hạn chế (hòa tan trong nhau có giới hạn) ●
Ái lực hóa học: nếu ái lực hỗn hợp của 2 cấu tử mạnh thì sẽ dễ tạo ra pha
mới ổn định hơn, khả năng tạo dung dịch rắn hạn chế ●
Loại cấu trúc: các thông số mạng lưới giống nhau (loại cấu trúc mạng, số
đơn vị cấu trúc, hiện tượng phân cực...) sẽ dễ tạo thành dung dịch rắn liên tục.
1.6 Sơ đồ biến đổi thù hình SiO2
- Đường cong dãn nở nhiệt của những đặc thù hình khác nhau của SiO2 thể hiện
sự thay đổi kích thước của mẫu khi thay đổi nhiệt độ được cho
1.7 Đơn vị cấu trúc cơ sở Ion silicat [ SiO4]4-
Nhóm 1: Silicat cấu trúc dạng đơn
- Các đơn vị cấu trúc [SiO4]4- nằm riêng biệt
Khoáng forsterit Mg2SiO4 hay 2MgO.SiO2
Nhóm 2: Silicat có nhóm gốc giới hạn
- Nhóm tạo nên bởi một số lượng hạn chế các đơn vị cơ sở [SiO4]4-
Nhóm 3: Silicat có cấu trúc xích đơn và xích kéo dài vô tận
- Nhóm xích đơn
+ nhóm metagheromanat [SiO3] 2- ,
+ nhóm pirôxen [Si2O6] 4-
+ nhóm vôlastônit [Si3O9] 6-
+ nhóm rôđônit [Si5O15] 10-
+ nhóm pirômaznit [Si7O21] 14-
Chúng ta thấy rằng trong xích đơn thông thường những mạch xích nối với nhau
qua các cation như Mg2+, Fe2+, Ca2+, Na+ và đôi khi có Al3+ .
- Nhóm xích kép tạo nên bởi sự trùng hợp hai tầng bởi hai nhóm xích đơn
2 nhóm metagheromanat [SiO3] 2- → 1 nhóm silimanit [Si2O5] 2-
2 nhóm pirôxen [Si2O6] 4- → 1 nhóm amphibôn [Si4O11] 6-
2 nhóm vôlastônit [Si3O9] 6- → 1 nhóm cơxônôlit [Si6O17] 10-
Trong xích kép thông thường có các anion thêm OH- , F- , Cl-
Nhóm 4: Silicat có cấu trúc tấm lớp
- Lấy bên phải bỏ qua bên trái, mỗi O là 1 Si nền bên trong tứ giác Nhóm
+ Cấu trúc cầu 2 lớp : Khoáng caolimit -> Khoáng chính trong đất sét, không
hoặc ít trương nổ khích nước
+ Khoáng môntmôrilônit có dạng cấu trúc lớp ba
Lớp tứ diện (lớp tetra) [SiO4]4-
Lớp bát diện (lớp octa)[AlO6]4-
trường nở kích thước lớp ba
Lớp tứ diện (lớp tetra) [SiO4]4- Nhóm 5 :Cấu trúc Khung
- Các tứ diện [SiO4] 4- nối nhau qua 4 đỉnh tạo nên cấu trúc trùng hợp vô hạn
trong không gian gọi là cấu trúc khung 1 O 4 . = 2 = 2 Si 1
- Silicat cấu trúc khung giữa các tứ diện [SiO4] 4- có nhiều chổ trống lớn vì thế
dễ có những ion lớn đi vào trong mạng lưới
Chương 2: SILICAT TRONG TRẠNG THÁI LỎNG
2.1 Tính chất đặc biệt của cấu trúc chất lỏng silicat
- So với cật chất silicat tinh thể, trong vật chất silicat nóng chảy các liên kết
-Si-O-Si- dần dần bị đứt và xuất hiện những liên kết yếu hơn ở dạng -Si-O-Me-,
số lượng các mối đứt này phụ thuộc mức độ tăng nồng độ các oxy kiềm và kiềm
thổ trong hôn hợp nóng chảy. Silicat tinh thể Silicat lỏng nóng chảy
- Đối với cấu trúc [SiO4]4-
- Đối với cấu trúc [SiO4]4- --> Nhóm cấu trúc --> tổ hợp anion ● Đảo ●
Mạch vòng [Si5O15]10- ,[Si4O12]8-, ●
Octosilicat,silicat dạng vòng [Si3O9]6- ● ● Lớp
Mạch thẳng [Si4O11]6- ,Vòng 3 ● Xích đơn, xích kép [Si3O9]6-- ● Khung ● [SiO4]4- nằm riêng biệt
2.2. Tính chất hỗn hợp lỏng nóng chảy silicat - Độ nhớt dV F = ƞ.
. S trong đó ƞ hệ số độ nhớt (g/cm.s) d x F d x Ƞ = .
S dV [ N ] .[ m] [ N . s] [g/cm.s] = = = [Pa.s] 2 2
[ m ]. [m / s] [m ]
a. Độ nhớt có phụ thuộc vào nhiệt độ Ƞ = A. e ^ B/T
b. Độ nhớt phụ thuộc vào thành phần hỗn hợp của hỗn hợp nóng chảy
- Tăng hàm lượng SiO2 : độ nhớt tăng
- Tăng hàm lượng oxy kiềm: độ nhớt giảm. Làm giảm độ nhớt nhiều nhất là oxy
Li2O tiếp đến Na2O, K2O. Hiệu quả của sự tăng giảm độ nhớt trên thấy rõ này
nhất trong vùng có thành phần SiO2 65-100% - Tăng hàm lượng oxy
2.3 Sức căng bề mặt của silicat nóng chảy σ : Sức căng bề mặt T: Nhiệt độ dV
q:Nhiệt độ hấp thụ q=T. dT
Es : Năng lượng bề mặt toàn phần E Es=σ + q CÂU HỎI KIỂM TRA
1. Hãy cho biết các loại pha lỏng nóng chảy trong quá trình nung vật liệu silicat
(pha lỏng nóng chảy eutecti và plnc của nguyên liệu có nhiệt độ nóng chảy
thấp, ví dụ như tràng thạch).
2. Hãy cho biết các loại cấu trúc của chất lỏng nóng chảy silicat .Vì sao chất
lỏng nóng chảy silicat vẫn còn giữ được một số cấu trúc (vì có độ nhớt rất
lớn)? Vì sao các mạch Si-O-Si-O-Si của chất lỏng nóng chảy silicate bị đứt ra
trong quá trình nóng chảy (do bị tấn công bởi các ion kim loại kiềm và kiềm thổ).
3. Hãy cho biết các loại trật tự có thể có của các phần tử tạo nên pha rắn tinh thể,
pha lỏng và pha khí (khí: k trật tự gần, k trật tự xa ; lỏng: trật tự gần, k trật tự xa
; rắn tinh thể: trật tự gần, trật tự xa)?
4. Hãy cho biết công thức chung của 5 nhóm cấu trúc tinh thể silicat và tỉ lệ O/Si của nó
5. Hãy vẽ và cho biết cấu trúc của silicat dạng đảo, nhóm gốc giới hạn, xích
đơn, xích kép, tấm lớp và dạng khung
6. Hãy phân tích cấu trúc và cho biết tính chất của khoáng caolinit
7. Hãy phân tích cấu trúc và cho biết tính chất của khoáng montmorilonit
Chương 3: TRẠNG THÁI KEO TRONG SILICAT
3.1 Những khái niệm cơ bản
-Hệ keo là hệ ở trạng thái phân tán (hay trạng thái phân tử cao) bao gồm 2 pha + Môi trường phân tán + Pha phân tán
=> Đây là hệ dị thể chức các chất ở trạng thái phân tán cao Tên hệ
Kích thước hạt (hay lổ xốp) cm
-Phân tán thô (huyền phù, nhũ tương..) > 10-4
- Phân tán trung bình (khói, thể xốp..) 10-4 - 10-5
- Phân tán cao (keo điển hình) 10-5 - 10-7 3.2 Phân loại hệ keo
a. Dung dịch keo thuận nghịch và keo không thuận nghịch
- Sau khi cô đặc, ta cho thêm dung môi ban đầu vào hòa tan sẽ tạo được trở lại
dung dịch keo cũ gọi là keo thuận nghịch. Nếu không thu được hệ keo cũ gọi
là keo không thuận nghịch
b. Phân loại theo thành phần hỗn hợp
-Huyền phù: tạo nên bởi các muối kim loại. Chất điện li ảnh hưởng rất lớn độ nhớt của keo
-Nhũ tương: không nhạy cảm với chất điện li
c.Theo tương quan chung với dung môi phân tán
-Keo ưa nước: pha phân tán tác dụng mạnh với dung môi và phân tán đều trong nó
-Keo ghét nước: không tác dụng với dung môi và tạo thành dạng keo huyền phù
d.Theo trạng thái tập hợp của vật chất
R(dung môi rắn)- R(pha phân tán cũng là rắn)
R-L, R-K, L-K, L-L, K-L, K-R, K-L, K-K 3.3 Gen trong hệ keo - Cấu tạo của gen
+Gen được tạo bởi những mixen phân tán dạng keo rất mịn (hay còn gọi là hạt
keo) và chính những hạt mixen này tập hợp thành những gén có độ phân tán rất lớn.
+Theo quan điểm hiện đại thì mixen (hạt keo) không phải là một hạt vật chất đủ
nhỏ thông thường mà có cấu trúc rất phức tạp và được chia làm 5 thành phần : ●
Trong cùng là nhân, có dạng thỏi hay tấm, nếu nó có cấu trúc tinh thể, có
dạng hình cầu nếu nó có cấu trúc vô định hình ●
Tiếp theo là các ion liên kết với bề mặt vật chất, làm cho bề mặt hạt vật chất tích điện âm hay dương ●
Những ion trái dấu với lớp điện tích bề mặt tạo thành một lớp điện tích kép,
những ion này bù trừ một phần điện tích bề mặt ●
Lớp ion khuếch án bao chung quanh, lớp này bù trừ hoàn toàn điện tích lớp bề mặt ●
Màng chất lỏng bao chung quanh ở ngoài cùng
3.4 Hiện tượng hóa keo trong hệ đất sét và nước