Hoá học Chất rắn

Chất rắn là một trạng thái tồn tại của vật chất, trong đó các phần tử cấu tạo (phân tử, nguyên tử, ion) tập hợp ở trạng thái bền vững. Do liên kết bền vững, chất rắn có hình dạng và kích thước nhất định, không bị biến đổi theo hình dạng bình chứa như chất lỏng hoặc khí. Nếu các phần tử cấu tạo chất rắn (nguyên tử, ion) phân bố đối xứng, tuần hoàn, ta nói chất rắn có cấu trúc tinh thể. Nếu các phần tử cấu tạo phân bổ không theo trật tự nào, ta nói chất rắn có cấu trúc vô định hình. Ranh giới phân biệt trạng thái tập hợp rắn - lỏng, nhất là các chất rắn vô định hình, không rõ ràng. Hiện nay, phổ biến nhất là dùng khái niệm độ nhớt. Theo đó, các chất rắn là những chất có độ nhớt động học lớn hơn 10¹² Pa.s.

Nghiên cứu về chất rắn gắn liền với nghiên cứu về vật liệu. Vật liệu có thể hiểu là những chất rắn có hình dạng và kích thước nhất định, với những tính chất phù hợp mục đích sử dụng. Nghiên cứu về vật liệu bao gồm hai phần là khoa học về vật liệu và khoa học công nghệ vật liệu.

Khoa học về vật liệu gồm vật lý chất rắn và hóa học chất rắn.

Vật lý chất rắn nghiên cứu các khái niệm về cấu trúc chất rắn và giải thích những tính chất vật lý của vật liệu (tính chất cơ, nhiệt, điện, quang, từ, tính chất quang điện, quang tù, áp điện...). Về mặt vật lý, chất rắn được xét theo cấu trúc electron, cấu trúc phân tử, cấu hình và các tham số hình học của các phần tử cấu tạo nên.

HÓA HỌC CHẤT RẮN quan tâm sâu hơn về phương diện liên kết và những biến đổi phản ứng ở mức nguyên tử trong những sắp xếp cấu trúc xác định. Theo thành phần hóa học, có thể chia các nhóm chất hữu cơ và vô cơ mà giới hạn rõ nhất là các chất chứa cácbon (C) và không chứa cacbon. Hóa học chất rắn nghiên cứu hoạt tính chất rắn và các phương pháp tổng hợp chất rắn với thành phần và tính chất xác định.

Các tính chất hóa học và vật lý đều phụ thuộc cấu trúc pha rắn, vì vậy, hóa học chất rắn và vật lý chất rắn có mối liên quan chặt chẽ trong những vấn đề về cấu trúc.

Đặc trưng của phản ứng pha rắn là xảy ra trên bề mặt phân chia pha, diễn biến theo nhiều giai đoạn theo cơ chế khuếch tán và, nói chung, là những phản ứng không hoàn toàn. Các phản ứng chất rắn mà yếu tố cấu trúc đóng vai trò quan trọng hơn bản chất hóa học của nó tạo nên ngành topo - hóa học. Sự phát triển vật liệu luôn dựa trên những cơ sở vật lý và hóa học chất rắn nhằm tạo nên những vật liệu có tính chất được lựa chọn trước.

Khoa học công nghệ vật liệu nghiên cứu những quá trình và những thiết bị sản xuất ra vật liệu với hiệu quả cao nhất về kinh tế và kỹ thuật. Vật liệu là sản phẩm công nghệ có hình dạng, kích thước và những tính chất ứng dụng cần thiết. Phân loại công nghệ có thể theo những quá trình chung nhất về chuẩn bị nguyên liệu, tạo hình, biến đổi chất... Phổ biến hơn là phân loại công nghệ dựa trên nguyên tắc nhóm thành phần, cấu trúc và tính chất vật liệu,

Theo một số quá trình công nghệ cơ bản và thành phần hóa học chất rắn, có thể phân loại thành bốn nhóm công nghệ vật liệu:

- Gốm sứ, thủy tinh và ximăng,

- Vật liệu polyme,

- Kim loại và hợp kim,

- Compozit.

Theo cấu trúc, có thể phân thành những nhóm sau:

- Nhóm vật liệu có cấu trúc tinh thể, trong đó có thể có đơn tinh thể và đa tinh thể.

- Nhóm cấu trúc vô định hình (vô cơ, hữu cơ) và vật liệu nano (vi tinh thể).

Tùy yêu cầu khác nhau mà có những cách phân chia thích hợp. Luôn tồn tại những nhóm vật liệu trung gian giữa các kiểu phân loại và chính những nhóm vật liệu này kích thích những nghiên cứu sâu sắc về vật liệu. Ví dụ như các vật liệu nano. Đây là những vật liệu có cấu trúc và tính chất được quyết định bởi những tinh thể kích thước cỡ nm, thường chỉ gồm 3 - 5 nguyên tử hoặc đám vi tinh. Nhóm vật liệu này được coi như có cấu trúc trung gian vô định hình - tinh thể, có ứng dụng ngày càng to lớn trong kỹ thuật và cuộc sống.

Hiểu biết sâu sắc hơn về hóa học và vật lý chất rắn không chỉ cần thiết cho công nghệ chế tạo vật liệu, mà còn có tác dụng rất lớn tới việc lựa chọn và sử dụng vật liệu. Hóa học và vật lý chất rắn, vì vậy luôn chiếm vị trí quan trọng trong các môn học nghiên cứu về vật liệu, ngay từ khi bắt đầu, cũng như quá trình nghiên cứu phát triển khoa học và công nghệ vật liệu.

HÓA HỌC CHẤT RẮN được biên soạn theo đề cương môn học "Hóa học chất rắn", Khoa Công nghệ vật liệu, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP HCM. Đây là vấn đề rộng lớn kết hợp nhiều ngành khoa học, những thiếu sót là khó tránh khỏi. Lần đầu tiên xuất bản cuốn sách về nội dung này, tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp và bạn đọc, rất mong tiếp tục nhận được những ý kiến trao đổi, góp ý xây dựng cho nội dung cuốn sách để lần tái bản cuốn sách được hoàn thiện hơn.

Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:

TS Đỗ Quang Minh, Bộ môn Silicat Khoa Công nghệ vật

liệu, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí

Minh, số 268 Lý Thường Kiệt, Q10, TP Hồ Chí Minh.

Điện thoại: 08 8.650.271

Tác giả

TS Đỗ Quang Minh