Mục lục bài họcĐang ở d04-b2
The solid state: four lattice types
Four lattice types
A giant ionic lattice is a regular three-dimensional array of oppositely charged ions. In $\ce{NaCl}$ each ion is surrounded by six of the other kind, so the coordination number is $6:6$. It is hard but brittle: forcing the layers to slip brings like charges together and the crystal shatters.
A giant covalent lattice has covalent bonds running continuously through the crystal. In diamond each carbon forms four bonds in a tetrahedral arrangement, giving extreme hardness and no free electrons. In graphite each carbon forms only three bonds in flat hexagonal layers; the fourth electron is delocalised between the layers, so graphite conducts along the layers, and the layers are held to each other only by dispersion forces, so they slide.
Metallic and molecular lattices
A metallic lattice is cations in a sea of delocalised electrons: it conducts in both solid and liquid states, and is malleable because layers of ions slide without breaking the attraction. A simple molecular lattice holds discrete molecules together by intermolecular forces only, so it melts at low temperatures and never conducts.
Reading the data table
Melting point alone cannot distinguish giant ionic from giant covalent. The decisive test is electrical conductivity when molten: ionic conducts, covalent does not.
Bốn kiểu mạng. Mạng ion khổng lồ là các ion trái dấu xếp đều theo ba chiều. Trong $\ce{NaCl}$, mỗi ion được bao quanh bởi sáu ion loại kia, nên số phối trí là $6:6$. Nó cứng nhưng giòn: nếu ép các lớp trượt lên nhau thì các ion cùng dấu bị đưa lại đối diện, lực đẩy làm tinh thể vỡ vụn. Đây chính là khác biệt then chốt với kim loại, nơi lớp trượt mà lực hút vẫn giữ nguyên.
Mạng cộng hoá trị khổng lồ có liên kết cộng hoá trị chạy liên tục qua cả tinh thể. Trong kim cương, mỗi nguyên tử cacbon tạo bốn liên kết theo hình tứ diện, cho độ cứng cao nhất trong các chất tự nhiên và không có electron tự do nào. Trong than chì, mỗi nguyên tử cacbon chỉ tạo ba liên kết trong các lớp lục giác phẳng; electron thứ tư bị giải toả giữa các lớp, nên than chì dẫn điện dọc theo lớp, và các lớp chỉ dính nhau bằng lực khuếch tán nên chúng trượt được.
Mạng kim loại và mạng phân tử. Mạng kim loại là cation ngập trong biển electron tự do: nó dẫn điện ở cả hai trạng thái rắn và lỏng, và dát mỏng được vì các lớp ion trượt lên nhau mà biển electron vẫn giữ chúng lại. Mạng phân tử đơn giản chỉ giữ các phân tử riêng lẻ bằng lực giữa các phân tử, nên nóng chảy thấp và không bao giờ dẫn điện.
Cách đọc bảng số liệu. Riêng nhiệt độ nóng chảy không phân biệt được mạng ion với mạng cộng hoá trị khổng lồ, vì cả hai đều rất cao. Phép thử quyết định là dẫn điện khi nóng chảy: mạng ion thì dẫn, mạng cộng hoá trị thì không.
Bốn chất W, X, Y, Z có tính chất sau.
| chất | W | X | Y | Z |
|---|---|---|---|---|
| t nóng chảy / $^\circ$C | $1074$ | $3550$ | $-101$ | $1085$ |
| dẫn điện khi rắn | không | không | không | có |
| dẫn điện khi nóng chảy | có | không | không | có |
| tan trong nước | có | không | không | không |
Xác định kiểu cấu trúc của từng chất.
Bắt đầu từ cột dẫn điện, không phải từ nhiệt độ nóng chảy. Nhiệt độ nóng chảy chỉ chia được nhóm "cao" và "thấp", mà nhóm cao chứa tới ba kiểu mạng khác nhau.
Z — mạng kim loại. Dẫn điện ở cả hai trạng thái. Chỉ kim loại làm được điều đó, vì electron tự do đã sẵn có trong chất rắn. Không tan trong nước cũng khớp.
W — mạng ion khổng lồ. Không dẫn khi rắn nhưng dẫn khi nóng chảy: hạt mang điện là ion, và ion chỉ đi được sau khi mạng bị phá. Tan trong nước là dấu hiệu phụ củng cố kết luận.
X — mạng cộng hoá trị khổng lồ. Nhiệt độ nóng chảy cao nhất bảng nhưng không dẫn ở bất kỳ trạng thái nào, và không tan. Mọi electron hoá trị đều bị khoá trong các liên kết cộng hoá trị định vị.
Y — mạng phân tử đơn giản. Nóng chảy dưới $0\ ^\circ\text{C}$: thứ bị phá chỉ là lực giữa các phân tử. Không dẫn vì không có hạt mang điện tự do.
Chỗ dễ sụp. W và Z có nhiệt độ nóng chảy gần bằng nhau ($1074$ và $1085\ ^\circ\text{C}$), nên nếu chỉ nhìn cột đầu thì không cách nào tách được chúng. Cột "dẫn điện khi rắn" mới là cột phân loại, và một chữ "có" ở đó đủ để loại cả ba kiểu mạng còn lại. Khi làm dạng bài này, hãy đọc bảng theo cột chứ đừng đọc theo hàng.
Cả magie và magie oxit đều có lực hút tĩnh điện rất mạnh trong mạng. Vì sao magie dát mỏng được, còn magie oxit thì vỡ vụn khi bị gõ?
Câu hỏi này không so độ mạnh của lực hút — cả hai đều mạnh. Nó hỏi chuyện gì xảy ra khi một lớp bị đẩy trượt đi, và câu trả lời khác nhau hoàn toàn ở hai mạng.
Trong magie kim loại. Mạng gồm các cation $\ce{Mg^{2+}}$ xếp đều, ngập trong biển electron tự do không định hướng. Khi một lớp cation trượt sang vị trí mới, mỗi cation lại gặp đúng thứ nó vừa rời bỏ: vẫn là biển electron bao quanh. Lực hút không hề bị gián đoạn, nên kim loại đổi hình dạng mà không nứt.
Trong magie oxit. Mạng gồm các ion $\ce{Mg^{2+}}$ và $\ce{O^{2-}}$ xếp xen kẽ, và mỗi ion được giữ đúng vị trí bởi sáu ion trái dấu quanh nó. Khi một lớp trượt đi một khoảng bằng một ion, các ion cùng dấu bị đưa lại đối diện nhau. Lực hút biến thành lực đẩy dọc theo mặt phẳng trượt, và tinh thể tách ra ngay tại đó.
Điểm cần nói ra khi trả lời: tính giòn của tinh thể ion không phải vì liên kết yếu — mạng $\ce{MgO}$ bền tới mức nóng chảy ở $2852\ ^\circ\text{C}$ — mà vì lực hút của nó có hướng theo vị trí. Ngược lại, biển electron của kim loại không phân biệt vị trí, nên nó chịu được biến dạng. Cùng một chữ "lực hút tĩnh điện mạnh" dẫn tới hai tính chất cơ học trái ngược, chỉ vì cách sắp xếp điện tích khác nhau.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương States of Matter gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.