I - CHẤT RẮN KẾT TINH

 1. Cấu trúc tinh thể

 Quan sát các hạt muối ăn (NaCl) qua kính hiển vi (Hình 34.1a), viên đá thạch anh (Hình 34.1b), … , ta thấy chúng đều được cấu tạo từ nhiều hạt nhỏ có dạng khối lập phương chồng khít lên nhau. Cấu trúc có hình dạng đối xứng xác định này gọi là cấu trúc tinh thể. Tinh thể của mỗi chất rắn có hình dạng riêng: tinh thể thạch anh (SIO₂) có dạng khối lăng trụ sáu mặt, hai đầu là hai khối chóp; tinh thể canxit (canxi cacbônat) có dạng khối trụ xiên;... Kích thước tinh thể có thể lớn hay nhỏ phụ thuộc điều kiện hình thành nó.

  Từ đầu thế kỉ XX, nhờ sử dụng tia Rơnghen (hay tia X) người ta đã nghiên cứu được cấu trúc tinh thể.

  Tinh thể được cấu tạo từ các vi hạt (nguyên tử, phân tử, ion) liên kết chặt chẽ với nhau và sắp xếp theo một trật tự tuần hoàn trong không gian. Mỗi vi hạt luôn dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng của nó.

  Tính tuần hoàn trong không gian của tinh thể được biểu diễn bằng mạng tinh thể. Ví dụ: Mạng tinh thể muối ăn (Hình 34.2) có dạng hình lập phương gồm các iôn Cl^- và Na⁺ , trong đó khoảng cách giữa hai ion Cl^- hoặc hai iôn Na⁺ bằng a = 0,563nm (1nm =10^-9 m). Mạng tinh thể kim cương (Hình 34.3) và mạng tinh thể than chì (Hình 34.4) chỉ gồm các nguyên tử cacbon C.

  Ví dụ: Xét dạng hình học của hạt muối ta thấy chúng có dạng hình học xác định (vì có cấu trúc tinh thể).

  Chất rắn có cấu trúc tinh thể gọi là chất rắn kết tinh.

  Kích thước tinh thể của một chất tuỳ thuộc quá trình hình thành tinh thể diễn biến nhanh hay chậm (tốc độ kết tinh càng nhỏ, tinh thể có kích thước càng lớn).

Hình 34.1a. Ảnh chụp tinh thể muối ăn (NaCl) qua kính hiển vi

Hình 34.1b. Ảnh chụp tinh thể thạch anh vàng

Hình 34.1c. Ảnh chụp kim cương

Hình 34.2. Cấu trúc tinh thể muối

Hình 34.3. Cấu trúc tinh thể kim cương

Hình 34.4. Cấu trúc tinh thể than chì (graphit)

 2. Các đặc tính của chất rắn kết tinh

  a) Các chất rắn kết tinh được cấu tạo từ cùng một loại hạt, nhưng cấu trúc tinh thể không giống nhau thì những tính chất vật lí của chúng cũng rất khác nhau. Ví dụ: kim cương và than chì đều được cấu lạo từ các nguyên tử cacbon, nhưng chúng có cấu trúc tinh thể không giống nhau nên chúng có tính chất rất khác nhau: kim cương rất cứng và không dẫn điện; than chì khá mềm, dễ tách lớp và dẫn điện,...

  b) Mỗi chất rắn kết tinh ứng với mỗi cấu trúc tinh thể có một nhiệt độ nóng chảy xác định không đổi ở mỗi áp suất cho trước. Ví dụ: ở áp suất khí quyển, nước đá nóng chảy ở 0^o C, thiếc nóng chảy ở 232^oC, sắt nóng chảy ở 1520^o C,...

  c) Vật rắn đơn tinh thể là vật được cấu tạo từ một tinh thể hoặc nhiều tinh thể nhỏ liên kết theo một trật tự xác định. Hạt muối, miếng thạch anh, viên kim cương,... là vật rắn đơn tinh thể.

  Vật rắn đa tinh thể là vật được cấu tạo từ nhiều tinh thể nhỏ liên kết hỗn độn. Hầu hết các kim loại (sắt, nhôm, đồng,...) là vật rắn đa tinh thể.

  Các vật rắn đơn tinh thể có tính dị hướng, tức là các tính chất vật lí của chúng (độ bền, độ nở dài, độ dẫn nhiệt,...) thay đổi theo các hướng khác nhau. Còn các vật rắn đa tinh thể có tính đẳng hướng, tức là các tính chất vật lí của chúng theo mọi hướng đều giống nhau.

  d) Trong tinh thể thực thường có những khuyết tật (tức là các sai hỏng so với cấu trúc lí tưởng) nên tính chất của các vật rắn tinh thể bị thay đổi rất nhiều. Ví dụ: Độ bền của kim loại giảm hàng nghìn lần khi mạng tinh thể có những sai hỏng. Độ dẫn diện của gecmani (Ge) hoặc silic (Si) thay đổi hàng nghìn lần khi cho thêm khoảng 0,1% tạp chất vào mạng tinh thể của chúng.

3. Ứng dụng của chất rắn kết tinh

 Kim cương rất rắn nên được dùng làm mũi khoan địa chất, dao cắt kính,... Các đơn tinh thể silic (Si) và gemani (Ge) được dùng làm các linh kiện bán dẫn (điôt, transito), các mạch vi điện tử, các bộ nhớ của máy tính, . . . Kim cương tự nhiên làm đồ trang sức, kim cương nhân tạo thường được dùng làm mũi khoan, dao cát kính.

  Các kim loại và hợp kim được dùng phổ biến trong các ngành công nghệ khác nhau như luyện kim và chế tạo máy, trong kĩ thuật xây dựng, cầu đường, đóng tàu, sản xuất đồ gia dụng, ...

II - CHẤT RẮN VÔ ĐỊNH HÌNH

 Chất rắn vô định hình là các chất không có cấu trúc tinh thể và do đó không có dạng hình học xác định. Ví dụ: thuỷ tinh, nhựa dường, các chất dẻo,.... là các vật rắn vô định hình.

  Các chất rắn vô định hình có tính đẳng hướng và không có nhiệt độ nóng chảy (hoặc đông đặc) xác định. Khi bị nung nóng, chúng mềm dần và chuyển sang thể lỏng.

  Một số vật rắn như lưu huỳnh (S), thạch anh, đường (Hình 34.5),... có thể vừa là tinh thể, vừa là vô định hình. Ví dụ: khi đổ lưu huỳnh tinh thể đang nóng chảy (ở 350^oC) vào nước lạnh thì do bị nguội nhanh nên lưu huỳnh không đông đặc ở dạng tinh thể mà chuyển thành lưu huỳnh dẻo vô định hình.

  Các vật rắn vô định hình được dùng phổ biến trong nhiều ngành công nghệ khác nhau. Thuỷ tinh dùng làm các dụng cụ quang học (gương, lăng kính, thấu kính....), các sản phẩm thuỷ tinh mĩ nghệ và gia dụng,... Hiện nay, nhiều vật rắn vô định hình có cấu tạo từ các chất polime hay cao phân tử (ví dụ: các loại nhựa, thuỷ tinh hữu cơ, cao su,...), do có nhiều đặc tính rất quý (dễ tạo hình, không bị gỉ hoặc bị án mòn, giá thành rẻ,...), nên chúng đã được dùng thay thế một số lượng lớn các kim loại (nhôm, sắt....) để làm các đồ gia dụng, tấm lợp nhà, ống dẫn nước, thùng chứa, các chi tiết máy, xuồng cứu hộ, nhà mái vòm,...

Hình 34.5. Những hạt đường mía