Mục lục bài họcĐang ở d02-b3
Metallic Bonding and the Bonding Continuum
The sea of delocalized electrons
A metallic bond is the attraction between a lattice of cations and a sea of delocalized electrons. Its strength rises with the charge on the cation and with a smaller ionic radius, and falls as the atoms get bigger. Across period 3, $\ce{Na}$ ($1+$, one delocalized electron) melts at $98\ ^\circ\text{C}$, $\ce{Mg}$ ($2+$) at $650\ ^\circ\text{C}$ and $\ce{Al}$ ($3+$) at $660\ ^\circ\text{C}$.
Because the electrons are mobile, metals conduct in the solid state — the one clear experimental difference from an ionic solid. Because the layers can slide while the electron sea follows, metals are malleable and ductile.
Alloys
Adding atoms of a different size disrupts the regular layers, so the layers can no longer slide easily. That is why an alloy is harder and stronger than the pure metal, while keeping the electrical conductivity.
(HL) The bonding triangle
Ionic, covalent and metallic are the three corners of a continuum, not three separate boxes. Plot a compound using $\Delta\chi$ (the electronegativity difference) on one axis and the mean electronegativity on the other:
large $\Delta\chi$ $\to$ ionic; small $\Delta\chi$ with high mean $\chi$ $\to$ covalent; small $\Delta\chi$ with low mean $\chi$ $\to$ metallic. Everything in between is polar covalent or ionic with covalent character.
Biển electron không định chỗ. Liên kết kim loại là lực hút giữa mạng cation và biển electron không định chỗ. Nó mạnh lên khi điện tích cation tăng và khi bán kính ion giảm. Qua chu kỳ 3: $\ce{Na}$ ($1+$, một electron không định chỗ) nóng chảy ở $98\ ^\circ\text{C}$, $\ce{Mg}$ ($2+$) ở $650\ ^\circ\text{C}$, $\ce{Al}$ ($3+$) ở $660\ ^\circ\text{C}$.
Vì electron di chuyển được, kim loại dẫn điện ngay ở thể rắn — đây là điểm khác biệt thực nghiệm rõ nhất so với chất rắn ion. Vì các lớp trượt được mà biển electron chảy theo, kim loại dễ dát mỏng và dễ kéo sợi.
Hợp kim (alloys). Thêm nguyên tử có kích thước khác vào sẽ phá thế xếp lớp đều đặn, nên các lớp không còn trượt dễ nữa. Đó là lý do hợp kim cứng và bền hơn kim loại nguyên chất mà vẫn giữ được khả năng dẫn điện — electron vẫn không định chỗ như cũ.
(HL) Tam giác liên kết. Ion, cộng hoá trị và kim loại là ba góc của một dải liên tục chứ không phải ba ngăn tách biệt. Vẽ một hợp chất lên đồ thị với $\Delta\chi$ (hiệu độ âm điện) trên một trục và độ âm điện trung bình trên trục kia:
$\Delta\chi$ lớn $\to$ ion; $\Delta\chi$ nhỏ mà $\chi$ trung bình cao $\to$ cộng hoá trị; $\Delta\chi$ nhỏ mà $\chi$ trung bình thấp $\to$ kim loại. Mọi thứ ở giữa là cộng hoá trị phân cực, hoặc ion có tính cộng hoá trị.
Cho độ âm điện Pauling: $\ce{Al}=1{,}61$; $\ce{Cl}=3{,}16$; $\ce{Na}=0{,}93$; $\ce{Mg}=1{,}31$; $\ce{O}=3{,}44$. Phân loại liên kết trong $\ce{NaCl}$, $\ce{AlCl3}$ và $\ce{Mg}$–$\ce{Al}$ (hợp kim).
$\ce{NaCl}$: $\Delta\chi=3{,}16-0{,}93=2{,}23$; trung bình $=\dfrac{3{,}16+0{,}93}{2}=2{,}05$. $\Delta\chi$ lớn $\Rightarrow$ nằm cao trên tam giác $\Rightarrow$ ion. Khớp thực nghiệm: nóng chảy ở $801\ ^\circ\text{C}$, dẫn điện khi nóng chảy.
$\ce{AlCl3}$: $\Delta\chi=3{,}16-1{,}61=1{,}55$; trung bình $=2{,}39$. $\Delta\chi$ dưới $1{,}8$ và trung bình cao $\Rightarrow$ cộng hoá trị phân cực, không phải ion — dù nó là hợp chất của một kim loại với một phi kim.
Hợp kim $\ce{Mg}$–$\ce{Al}$: $\Delta\chi=1{,}61-1{,}31=0{,}30$; trung bình $=1{,}46$. $\Delta\chi$ rất nhỏ và trung bình thấp $\Rightarrow$ góc kim loại.
Bài học: "kim loại cộng phi kim thì ra hợp chất ion" là một quy tắc gần đúng, và $\ce{AlCl3}$ là chỗ nó gãy. Phải tính $\Delta\chi$ mới nói được.
Giải thích vì sao $\ce{SiO2}$ nóng chảy ở $1710\ ^\circ\text{C}$ trong khi $\ce{CO2}$ thăng hoa ở $-78\ ^\circ\text{C}$, dù cả hai đều là oxit của nguyên tố nhóm 14.
$\ce{CO2}$ là chất rắn phân tử. Cacbon nhỏ nên tạo được liên kết đôi $\ce{C=O}$ bền, phân tử $\ce{O=C=O}$ khép kín và không cực. Giữa các phân tử chỉ có lực London yếu. Muốn thăng hoa chỉ cần phá lực London đó, không phải phá liên kết $\ce{C=O}$ — nên $-78\ ^\circ\text{C}$ là đủ.
$\ce{SiO2}$ là mạng cộng hoá trị khổng lồ. Silic lớn hơn nên obitan p của nó xen phủ bên kém, không tạo được liên kết đôi $\ce{Si=O}$ bền. Thay vào đó mỗi nguyên tử Si tạo bốn liên kết đơn Si–O, mỗi O nối hai Si, kéo dài vô hạn.
Hệ quả: nóng chảy $\ce{SiO2}$ đòi phá chính các liên kết cộng hoá trị Si–O trên khắp mạng, mỗi liên kết cỡ $460\ \text{kJ mol}^{-1}$. Đó là lý do có con số $1710\ ^\circ\text{C}$.
Điểm mấu chốt: chênh lệch gần $1800\ ^\circ\text{C}$ không đến từ độ bền liên kết trong phân tử, mà từ loại lực phải phá khi nóng chảy.
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.