Mục lục bài họcĐang ở d02-b2
Ionic, covalent and metallic bonding
Three kinds of bond
- Ionic — electrons are transferred from a metal to a non-metal, and the resulting oppositely charged ions attract each other strongly. Gives a giant ionic lattice.
- Covalent — a pair of electrons is shared between two non-metal atoms. Gives either simple molecules or a giant covalent structure.
- Metallic — a lattice of positive metal ions in a sea of delocalised electrons.
Structure decides properties — the two questions to ask
Every property question in this chapter is answered by asking two things.
Question 1: what has to be broken when it melts?
- giant ionic or giant covalent → strong bonds must be broken → high melting point;
- simple molecular → only the weak forces between molecules break; the strong covalent bonds inside each molecule stay intact → low melting point.
Question 2: is there a charged particle free to move?
- metals conduct always, because the delocalised electrons move;
- ionic compounds conduct only when molten or dissolved, because only then are the ions free to move; as a solid the ions are locked in place;
- simple molecular substances never conduct — no ions, no free electrons;
- graphite is the exception among covalent structures: each carbon bonds to only three others, leaving one delocalised electron per atom.
Two giant covalent structures worth knowing
Diamond: each carbon bonded to four others in a rigid three-dimensional network. Very hard, very high melting point, does not conduct.
Graphite: each carbon bonded to three others in flat layers, with weak forces between layers. Soft and slippery (layers slide), conducts electricity, still has a very high melting point because the bonds within each layer are strong.
Ba kiểu liên kết.
- Ion — electron được chuyển hẳn từ kim loại sang phi kim, và các ion trái dấu tạo thành hút nhau rất mạnh. Cho một mạng ion khổng lồ.
- Cộng hoá trị — một cặp electron được dùng chung giữa hai nguyên tử phi kim. Cho hoặc phân tử đơn giản, hoặc cấu trúc cộng hoá trị khổng lồ.
- Kim loại — một mạng ion kim loại dương nằm trong biển electron tự do.
Cấu trúc quyết định tính chất — hai câu hỏi phải đặt. Mọi câu hỏi về tính chất trong chương này đều trả lời được bằng cách hỏi đúng hai điều.
Câu hỏi 1: khi nóng chảy thì phải phá cái gì?
- mạng ion hoặc mạng cộng hoá trị khổng lồ → phải phá liên kết mạnh → nhiệt độ nóng chảy cao;
- phân tử đơn giản → chỉ phá lực yếu giữa các phân tử; liên kết cộng hoá trị mạnh bên trong mỗi phân tử vẫn còn nguyên → nhiệt độ nóng chảy thấp.
Câu hỏi 2: có hạt mang điện nào chuyển động tự do được không?
- kim loại dẫn điện luôn luôn, vì electron tự do di chuyển được;
- hợp chất ion chỉ dẫn khi nóng chảy hoặc tan trong nước, vì lúc đó ion mới chuyển động được; ở thể rắn, ion bị khoá tại chỗ;
- chất phân tử đơn giản không bao giờ dẫn — không có ion, không có electron tự do;
- than chì là ngoại lệ trong nhóm cộng hoá trị: mỗi cacbon chỉ liên kết với ba nguyên tử khác, để lại một electron tự do trên mỗi nguyên tử.
Hai cấu trúc cộng hoá trị khổng lồ nên thuộc.
Kim cương: mỗi cacbon liên kết với bốn nguyên tử khác thành một mạng ba chiều cứng nhắc. Rất cứng, nhiệt độ nóng chảy rất cao, không dẫn điện.
Than chì: mỗi cacbon liên kết với ba nguyên tử khác thành các lớp phẳng, giữa các lớp chỉ có lực yếu. Mềm và trơn (các lớp trượt lên nhau), dẫn điện, nhưng nhiệt độ nóng chảy vẫn rất cao vì liên kết trong mỗi lớp rất mạnh.
Nước đá nóng chảy ở $0^{\circ}$C còn natri clorua nóng chảy ở $801^{\circ}$C, mặc dù liên kết cộng hoá trị $\ce{O-H}$ trong nước là một liên kết rất mạnh. Giải thích chênh lệch này.
Mắt xích một — hỏi đúng câu hỏi. Khi một chất nóng chảy, thứ bị phá không nhất thiết là liên kết mạnh nhất trong chất đó. Phải hỏi: lực nào giữ các hạt lại với nhau ở thể rắn?
Mắt xích hai — với nước. Nước gồm những phân tử $\ce{H2O}$ riêng rẽ. Bên trong mỗi phân tử, hai liên kết $\ce{O-H}$ rất mạnh. Nhưng giữa phân tử này với phân tử kia chỉ có lực hút yếu giữa các phân tử.
Khi nước đá tan, chỉ những lực yếu ấy bị phá. Các phân tử $\ce{H2O}$ vẫn còn nguyên vẹn — nước lỏng vẫn gồm những phân tử $\ce{H2O}$ y hệt. Vì lực bị phá là lực yếu, nhiệt độ nóng chảy thấp.
Mắt xích ba — với natri clorua. Không có “phân tử $\ce{NaCl}$”. Toàn bộ tinh thể là một mạng ion khổng lồ, trong đó mỗi ion $\ce{Na+}$ bị hút bởi các ion $\ce{Cl-}$ xung quanh và ngược lại.
Muốn nóng chảy, phải phá chính những lực hút ion mạnh đó trên khắp mạng tinh thể. Vì thế cần nhiệt độ rất cao.
Kết luận phải viết ra. Chênh lệch không đến từ việc liên kết cộng hoá trị yếu hơn liên kết ion — liên kết $\ce{O-H}$ thực ra rất mạnh. Chênh lệch đến từ chỗ với chất phân tử, liên kết mạnh không phải thứ bị phá khi nóng chảy.
Giải thích vì sao natri clorua không dẫn điện ở thể rắn nhưng dẫn tốt khi nóng chảy hoặc khi tan trong nước, còn đồng thì dẫn điện ở mọi trạng thái.
Nguyên tắc chung. Một chất dẫn điện khi và chỉ khi nó có hạt mang điện chuyển động tự do được. Có hai loại hạt như vậy: ion và electron.
Natri clorua ở thể rắn — không dẫn. Chất này có ion, và ion có mang điện. Nhưng trong mạng tinh thể, mỗi ion bị các ion trái dấu xung quanh giữ chặt ở vị trí cố định. Chúng chỉ dao động tại chỗ, không di chuyển được, nên không có dòng điện.
Khi nóng chảy hoặc tan trong nước — dẫn tốt. Mạng tinh thể bị phá vỡ, và các ion chuyển động tự do được. Ion dương đi về phía điện cực âm, ion âm đi về phía điện cực dương — đó chính là dòng điện.
Chú ý cách diễn đạt: nói “vì nó có ion” là không đủ, vì thể rắn cũng có ion. Phải nói “ion chuyển động tự do được”.
Đồng — dẫn ở mọi trạng thái. Trong liên kết kim loại, các nguyên tử đồng nhường electron ngoài cùng vào một biển electron tự do chung. Những electron này không thuộc về nguyên tử nào và di chuyển được khắp khối kim loại, kể cả khi kim loại ở thể rắn.
Đó là khác biệt cốt lõi: kim loại có hạt mang điện tự do ngay ở thể rắn; hợp chất ion thì phải nóng chảy hoặc hoà tan mới có.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Atoms, Elements and Compounds gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.