Mục lục bài họcĐang ở d02-b1
The Ionic Model and Lattice Enthalpy
Transfer, not sharing
An ionic bond is the electrostatic attraction between oppositely charged ions formed by electron transfer, typically from a metal to a non-metal. The product is not a molecule but a giant three-dimensional lattice: in $\ce{NaCl}$ every $\ce{Na+}$ is surrounded by six $\ce{Cl-}$ and vice versa, so the formula tells you a ratio, never a particle.
Lattice enthalpy and the Coulomb law
The strength of the lattice is measured by the lattice enthalpy, the energy needed to separate one mole of the solid into gaseous ions. It follows Coulomb's law:
$$E\propto\frac{q_+\times q_-}{r_++r_-}$$So lattice enthalpy rises when charges rise and when ionic radii fall. Charge is the dominant factor: $\ce{MgO}$ ($2+$ and $2-$) has a lattice enthalpy about four times that of $\ce{NaCl}$ ($1+$ and $1-$), even though the ions are of similar size.
What the lattice explains
High melting point (many strong attractions must be overcome at once), brittleness (a shifted layer suddenly places like charges opposite each other, and the crystal splits), and conductivity only when molten or aqueous, because only then are the ions free to move.
Chuyển giao, không dùng chung. Liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu, sinh ra khi electron chuyển từ kim loại sang phi kim. Sản phẩm không phải phân tử mà là một mạng tinh thể ba chiều khổng lồ: trong $\ce{NaCl}$, mỗi $\ce{Na+}$ được sáu $\ce{Cl-}$ bao quanh và ngược lại. Công thức $\ce{NaCl}$ chỉ nói tỉ lệ, không hề nói có một hạt gồm hai nguyên tử.
Lattice enthalpy (năng lượng mạng) là năng lượng cần để tách một mol chất rắn thành các ion ở thể khí. Nó tuân theo định luật Coulomb:
$$E\propto\frac{q_+\times q_-}{r_++r_-}$$Nên năng lượng mạng tăng khi điện tích tăng và tăng khi bán kính ion giảm. Điện tích là yếu tố trội hơn hẳn: $\ce{MgO}$ ($2+$ và $2-$) có năng lượng mạng gấp khoảng bốn lần $\ce{NaCl}$ ($1+$ và $1-$), dù kích thước ion không chênh nhau nhiều.
Mạng tinh thể giải thích được ba tính chất. Nhiệt độ nóng chảy cao, vì phải phá rất nhiều lực hút mạnh cùng lúc. Giòn, vì khi một lớp trượt đi thì đột nhiên các ion cùng dấu đứng đối diện nhau, lực đẩy làm tinh thể vỡ. Và chỉ dẫn điện khi nóng chảy hoặc tan trong nước, vì chỉ khi đó các ion mới di chuyển được — ở thể rắn chúng bị khoá tại chỗ trong mạng.
Xếp $\ce{CaO}$, $\ce{NaCl}$, $\ce{KBr}$ và $\ce{MgO}$ theo năng lượng mạng tăng dần, và nêu lý do cho từng bước so sánh.
Bước 1 — tách theo điện tích. $\ce{NaCl}$ và $\ce{KBr}$ là $1+/1-$ (tích điện tích $=1$); $\ce{CaO}$ và $\ce{MgO}$ là $2+/2-$ (tích điện tích $=4$). Nhóm thứ hai chắc chắn cao hơn nhóm thứ nhất, vì hệ số Coulomb gấp bốn.
Bước 2 — trong từng nhóm, so bán kính. $\ce{K+}$ lớn hơn $\ce{Na+}$ và $\ce{Br-}$ lớn hơn $\ce{Cl-}$, nên tổng $r_++r_-$ của $\ce{KBr}$ lớn hơn $\Rightarrow$ năng lượng mạng nhỏ hơn. Tương tự $\ce{Ca^{2+}}$ lớn hơn $\ce{Mg^{2+}}$, nên $\ce{CaO}$ thấp hơn $\ce{MgO}$.
Kết quả: $\ce{KBr}<\ce{NaCl}<\ce{CaO}<\ce{MgO}$.
Số liệu đối chiếu $(\text{kJ mol}^{-1})$: $671$, $790$, $3401$, $3791$ — đúng thứ tự, và khoảng cách giữa hai nhóm lớn hơn nhiều so với khoảng cách trong mỗi nhóm.
Giải thích vì sao gõ mạnh vào tinh thể $\ce{NaCl}$ thì nó vỡ, trong khi gõ vào một thanh đồng thì nó bẹp ra.
Trong $\ce{NaCl}$, mạng tinh thể sắp xếp xen kẽ nghiêm ngặt: mỗi $\ce{Na+}$ chỉ có $\ce{Cl-}$ làm hàng xóm. Khi lực gõ làm một lớp trượt đi nửa ô mạng, đột nhiên $\ce{Na+}$ đứng đối diện $\ce{Na+}$ và $\ce{Cl-}$ đối diện $\ce{Cl-}$.
Lực hút tĩnh điện biến thành lực đẩy ngay tại mặt trượt, và tinh thể tách ra dọc theo mặt đó. Đó là ý nghĩa của "giòn": vật liệu không biến dạng, nó nứt.
Trong đồng, các cation kim loại nằm trong một "biển" electron không định chỗ. Khi một lớp cation trượt đi, các electron chảy theo và tiếp tục giữ các lớp lại với nhau — không có vị trí nào biến thành lực đẩy. Vì thế kim loại dễ dát mỏng và dễ kéo sợi.
Cùng một tác động cơ học, hai mô hình liên kết cho hai kết cục ngược nhau — đây là ví dụ rõ nhất cho việc "cấu trúc quyết định tính chất".
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Structure 2 — Models of Bonding and Structure gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.