Liên kết và tính chất vật lý: Hướng dẫn Hóa học HSC

Kim cương và than chì đều được tạo nên hoàn toàn từ các nguyên tử carbon. Tuy nhiên, kim cương cực kỳ cứng và không dẫn điện, trong khi than chì đủ mềm để để lại vết trên giấy và có khả năng dẫn điện.

Hãy dự đoán trước khi đọc tiếp: nếu các nguyên tử giống hệt nhau, thì điều gì phải khác nhau?

Đó không thể là bản thân nguyên tố. Sự khác biệt nằm ở cách các nguyên tử được sắp xếp và liên kết với nhau. Đây là ý tưởng trung tâm của chủ đề này. Công thức hóa học cho bạn biết những hạt nào hiện diện. Cấu trúc và liên kết cho bạn biết các hạt đó sẽ thể hiện tính chất như thế nào.

Khi bạn có thể nhìn vào một cấu trúc và tự hỏi: “Điều gì phải chuyển động, tách ra hoặc bị phá vỡ để tính chất này xảy ra?”, thì việc dự đoán nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, độ dẫn điện, độ cứng, tính giòn và độ tan sẽ trở nên dễ dàng hơn nhiều.

01Hai câu hỏi đứng sau hầu hết mọi tính chất

Trước khi xem xét từng tính chất riêng lẻ, hãy đặt hai câu hỏi:

1. Chất này được tạo nên từ những hạt nào, và chúng được giữ với nhau bằng cách nào?
2. Điều gì phải chuyển động hoặc tách ra để tính chất mà tôi đang giải thích xảy ra?

Câu hỏi thứ nhất giúp xác định cấu trúc. Câu hỏi thứ hai giúp bạn tránh một trong những lỗi phổ biến nhất trong các câu hỏi về liên kết: nói về liên kết mạnh nhất trong một chất ngay cả khi liên kết đó không phải là thứ tham gia vào quá trình đang xét.

Ví dụ, nước chứa các liên kết cộng hóa trị mạnh giữa oxygen và hydrogen. Nhưng khi nước sôi, các liên kết cộng hóa trị đó thông thường không bị phá vỡ. Các phân tử nước tách khỏi nhau nhưng vẫn giữ nguyên là các phân tử \(\ce{H2O}\).

Sự khác biệt này rất quan trọng.

Bốn loại cấu trúc bạn cần nhận biết

Đối với phần lớn các câu hỏi HSC về liên kết, bạn có thể phân loại các chất thành bốn kiểu cấu trúc chính.

Mạng tinh thể là sự sắp xếp đều đặn, lặp lại của các hạt và kéo dài xuyên suốt một chất rắn.

Các nhóm này rất hữu ích, nhưng chúng không phải là những nhãn phân loại có thể giải thích mọi thứ. Hai chất thuộc cùng một nhóm vẫn có thể có các tính chất rất khác nhau. Sau khi xác định được kiểu cấu trúc, bạn cần so sánh độ mạnh của các lực hút có liên quan.

02Nóng chảy và sôi: thực sự điều gì phải tách ra?

Hãy hình dung một chất rắn phân tử như một bữa tiệc đông người gồm nhiều cặp đôi. Mỗi cặp đại diện cho một phân tử. Các nguyên tử bên trong một phân tử giống như hai người đang nắm lấy nhau. Lực hút giữa các phân tử lân cận giống như những tương tác yếu hơn giữa các cặp khác nhau.

Làm nóng chảy chất đó giống với việc khiến mọi người không còn đứng ở những vị trí cố định. Sự sôi đòi hỏi các phân tử phải di chuyển ra xa nhau. Thông thường, bạn không cần làm cho mọi cặp đôi tách nhau ra.

Đó là phần hữu ích của phép so sánh này. Tuy nhiên, phép so sánh không hoàn toàn chính xác vì lực liên phân tử là các tương tác tĩnh điện chứ không phải sở thích xã hội, và các phân tử thực luôn chuyển động.

Các chất phân tử

Trong một chất phân tử đơn giản, các liên kết cộng hóa trị bên trong mỗi phân tử thường mạnh hơn nhiều so với các lực liên phân tử giữa các phân tử.

Trong quá trình nóng chảy hoặc sôi:

• các phân tử nhận thêm động năng
• các lực hút liên phân tử bị thắng
• các phân tử chuyển động tự do hơn hoặc tách xa nhau
• các liên kết cộng hóa trị bên trong mỗi phân tử nhìn chung vẫn được giữ nguyên

Vì vậy, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các chất phân tử chủ yếu phụ thuộc vào độ mạnh của lực liên phân tử, chứ không phải độ mạnh của các liên kết cộng hóa trị trong phân tử.

Điều này cho bạn một quy tắc quan trọng:

Đối với một chất phân tử, hãy hỏi một phân tử hút một phân tử khác mạnh đến mức nào.

Các lực liên phân tử chính được xem xét trong Hóa học HSC bao gồm lực phân tán, tương tác lưỡng cực-lưỡng cực và liên kết hydrogen.

Lực phân tán tồn tại giữa tất cả các nguyên tử và phân tử. Nhìn chung, chúng trở nên mạnh hơn khi đám mây electron lớn hơn và dễ bị biến dạng hơn.

Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực xảy ra giữa các phân tử phân cực.

Liên kết hydrogen là một lực hút liên phân tử đặc biệt mạnh, xảy ra khi hydrogen liên kết với các nguyên tử có độ âm điện cao như nitrogen, oxygen hoặc fluorine, và bị hút về phía một cặp electron không liên kết thích hợp trên một phân tử lân cận.

03Tại sao các chất ion thường có nhiệt độ nóng chảy cao

Một chất rắn ion không chứa những phân tử \(\ce{NaCl}\) nhỏ gọn nằm cạnh nhau. Nó chứa một sự sắp xếp khổng lồ theo ba chiều của các ion dương và âm.

Ví dụ, trong sodium chloride, các ion \(\mathrm{Na}^{+}\) được bao quanh bởi các ion \(\mathrm{Cl}^{-}\), và ngược lại.

Các điện tích trái dấu hút nhau. Để làm tinh thể nóng chảy, phải thắng được đủ nhiều lực hút tĩnh điện mạnh này để các ion có thể rời khỏi các vị trí cố định trong mạng tinh thể.

Điều đó thường đòi hỏi nhiều năng lượng hơn đáng kể so với việc tách các phân tử chỉ được giữ với nhau bằng lực liên phân tử.

Không phải mọi hợp chất ion đều có cùng nhiệt độ nóng chảy

Gọi một chất là “ion” chỉ là lớp đầu tiên của lời giải thích.

Lực hút tĩnh điện trở nên mạnh hơn khi:

• điện tích ion lớn hơn
• khoảng cách giữa các ion trái dấu nhỏ hơn

Bạn không cần kiến thức tĩnh điện học nâng cao để sử dụng ý tưởng này. Trong những điều kiện khác tương đương, một ion \(2+\) hút một ion \(2-\) mạnh hơn so với một ion \(1+\) hút một ion \(1-\). Các ion nhỏ hơn cũng có thể tiến lại gần nhau hơn.

04Mạng cộng hóa trị: khi nóng chảy thực sự đòi hỏi phá vỡ liên kết cộng hóa trị

Bây giờ hãy so sánh một chất phân tử với kim cương.

Kim cương không gồm các phân tử carbon riêng biệt. Mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử carbon khác trong một mạng ba chiều liên tục.

Không có một lớp tương tác liên phân tử yếu có thể đơn giản bị thắng mà vẫn để lại các phân tử riêng biệt nguyên vẹn.

Để phá vỡ đáng kể cấu trúc, phải phá vỡ nhiều liên kết cộng hóa trị mạnh.

Đó là lý do các cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ nhìn chung có nhiệt độ nóng chảy rất cao.

Silicon dioxide, \(\ce{SiO2}\), là một ví dụ quan trọng khác. Mặc dù công thức của nó có thể trông như mô tả một phân tử nhỏ gồm ba nguyên tử, silicon dioxide rắn lại tạo thành một mạng cộng hóa trị mở rộng.

Công thức \(\ce{SiO2}\) cho bạn biết tỉ lệ giữa các nguyên tử silicon và oxygen. Nó không có nghĩa là chất rắn gồm các phân tử \(\ce{SiO2}\) độc lập.

05Nhiệt độ nóng chảy không phải là phép đo trực tiếp của “độ bền liên kết”

Một dự đoán dễ mắc phải là:

Liên kết cộng hóa trị mạnh có nghĩa là nhiệt độ nóng chảy cao.

Đôi khi điều này dẫn đến đáp án đúng. Nhưng thường thì không.

Methane, \(\ce{CH4}\), chứa các liên kết cộng hóa trị carbon-hydrogen mạnh, nhưng lại có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi rất thấp. Tại sao? Vì việc làm nóng chảy hoặc làm sôi methane không đòi hỏi phá vỡ các liên kết carbon-hydrogen đó. Chỉ cần thắng các lực hút yếu hơn nhiều giữa các phân tử methane.

Kim cương thì khác. Các liên kết cộng hóa trị của nó kết nối toàn bộ tinh thể. Phá vỡ cấu trúc đồng nghĩa với việc phá vỡ các liên kết cộng hóa trị.

Vì vậy, câu hỏi tốt hơn không bao giờ chỉ là:

“Các liên kết mạnh đến mức nào?”

Hãy hỏi:

“Những lực hút nào thực sự phải bị thắng trong quá trình này?”

06Độ bền, độ cứng và tính giòn là những khái niệm khác nhau

Các từ như bền, cứng và giòn rất dễ bị nhầm lẫn với nhau.

Chúng mô tả những tính chất khác nhau.

Độ cứng là khả năng chống lại sự trầy xước hoặc lõm xuống.

Độ bền theo nghĩa rộng mô tả khả năng chống biến dạng hoặc phá hỏng dưới một loại lực cụ thể.

Tính giòn có nghĩa là vật liệu có xu hướng gãy vỡ thay vì biến dạng đáng kể.

Tính dễ dát mỏng có nghĩa là vật liệu có thể được tạo thành các tấm.

Tính dễ kéo sợi có nghĩa là vật liệu có thể được kéo thành dây.

Do đó, một vật liệu có thể vừa cứng vừa giòn.

Tại sao chất rắn ion cứng nhưng giòn

Trong một tinh thể ion, các ion trái dấu hút nhau mạnh. Điều này tạo nên một mạng tinh thể cứng nhắc, góp phần làm cho nhiều chất rắn ion có độ cứng cao.

Bây giờ hãy tưởng tượng tác dụng một lực đủ lớn để làm một lớp ion dịch chuyển so với lớp khác.

Trước khi dịch chuyển, các ion dương nằm gần các ion âm.

Sau một độ dịch chuyển nhất định, các ion dương có thể thẳng hàng với các ion dương khác, còn các ion âm thẳng hàng với các ion âm khác.

Các điện tích cùng dấu đẩy nhau.

Lực đẩy mạnh này có thể làm mạng tinh thể tách ra dọc theo một mặt phẳng.

Vì vậy, một chất rắn ion không giòn vì lực hút ion yếu. Hoàn toàn ngược lại. Tinh thể bị gãy vì khi cấu trúc cứng nhắc bị dịch chuyển, các lực đẩy mạnh giữa các điện tích cùng dấu có thể đột ngột xuất hiện.

07Tại sao kim loại có thể uốn cong thay vì vỡ vụn

Mô hình liên kết kim loại tiêu chuẩn gồm các lõi ion kim loại dương được bao quanh bởi các electron phi định xứ.

Một electron phi định xứ không bị giới hạn trong một liên kết duy nhất giữa hai nguyên tử cụ thể. Nó có thể chuyển động xuyên qua cấu trúc kim loại.

Lực hút tĩnh điện giữa các lõi ion dương và các electron phi định xứ giữ kim loại lại với nhau.

Bây giờ hãy đẩy một lớp nguyên tử kim loại dịch chuyển so với lớp khác.

Không giống như trong mạng ion, sự dịch chuyển này không nhất thiết khiến hai dãy điện tích cùng dấu cố định nằm trực tiếp đối diện nhau mà không còn cách duy trì lực hút. Các electron phi định xứ vẫn có thể tiếp tục hút các lõi ion kim loại dương sau khi các lớp dịch chuyển.

Điều này giúp giải thích tại sao nhiều kim loại có tính dễ dát mỏng và dễ kéo sợi thay vì giòn.

Mô hình dùng trong trường học rất hữu ích, nhưng hãy nhớ rằng liên kết kim loại thực tế được mô tả chính xác hơn bằng các mô hình lượng tử về cấu trúc electron. Đối với các lời giải thích tính chất trong HSC, mô hình electron phi định xứ cung cấp lập luận vật lý cốt lõi.

08Độ dẫn điện: đừng chỉ nhìn vào “liên kết”

Đối với độ dẫn điện, hãy thay đổi hoàn toàn câu hỏi.

Đừng bắt đầu bằng:

“Các liên kết có mạnh không?”

Hãy hỏi:

“Có các hạt mang điện có thể chuyển động xuyên qua chất hay không?”

Dòng điện cần các hạt mang điện linh động.

Điều đó có thể là:

• các electron linh động
• các ion dương hoặc âm linh động

Một chất có thể chứa các hạt mang điện nhưng vẫn không dẫn điện nếu các hạt đó không thể chuyển động.

Kim loại

Kim loại dẫn điện ở trạng thái rắn và lỏng vì chúng chứa các electron phi định xứ linh động.

Các lõi ion dương không cần phải di chuyển dọc theo dây dẫn. Các electron linh động mang điện tích xuyên qua cấu trúc kim loại.

Chất rắn ion

Đây là một lỗi rất phổ biến:

Các chất ion dẫn điện vì chúng chứa các ion.

Phát biểu này chưa đầy đủ.

Một mẫu sodium chloride rắn chắc chắn chứa các ion, nhưng các ion bị giữ tại những vị trí cố định trong mạng tinh thể. Chúng không thể chuyển động tự do xuyên qua tinh thể.

Vì vậy, sodium chloride rắn không dẫn điện hiệu quả.

Khi một hợp chất ion nóng chảy, mạng tinh thể bị phá vỡ. Các ion trở nên linh động.

Lúc này, cả ion dương và ion âm đều có thể chuyển động trong chất lỏng và mang điện tích, nên hợp chất ion nóng chảy dẫn điện.

Nếu một chất ion tan trong nước, các ion của nó cũng có thể trở nên tự do chuyển động trong dung dịch. Dung dịch như vậy có thể dẫn điện.

Quy tắc quyết định là:

có ion + ion linh động = dẫn điện bằng ion

Các chất phân tử

Phần lớn các chất phân tử đơn giản không có ion linh động và cũng không có electron chuyển động tự do, nên chúng dẫn điện kém.

Điều này vẫn đúng ngay cả khi các liên kết bên trong phân tử của chúng là phân cực.

Một phân tử phân cực có sự phân bố điện tích không đều. Điều đó không giống với việc chứa các hạt mang điện có thể chuyển động tự do.

Một số chất phân tử có thể phản ứng với nước để tạo ion, nên dung dịch nước của chúng có thể dẫn điện. Trong trường hợp đó, các hạt mang điện là các ion trong dung dịch.

Mạng cộng hóa trị và ngoại lệ than chì

Phần lớn các chất rắn mạng cộng hóa trị không dẫn điện vì các electron của chúng bị định xứ trong các liên kết cộng hóa trị.

Kim cương là một ví dụ điển hình. Mỗi nguyên tử carbon sử dụng các electron lớp ngoài cùng trong mạng liên kết, nên không còn các hạt mang điện linh động thích hợp.

Than chì thì khác.

Mỗi nguyên tử carbon trong than chì liên kết với ba nguyên tử carbon lân cận trong các lớp phẳng. Điều này để lại các electron phi định xứ trên toàn mỗi lớp.

Các electron đó có thể chuyển động và mang điện tích.

Vì vậy, than chì dẫn điện mặc dù là một chất có cấu trúc mạng cộng hóa trị.

Đó là lý do việc ghi nhớ máy móc rằng “cộng hóa trị nghĩa là không dẫn điện” rất nguy hiểm. Cấu trúc quan trọng hơn nhãn gọi.

09Kim cương và than chì: cùng nguyên tử, khác tính chất

Bây giờ chúng ta có thể quay lại câu đố ban đầu.

Kim cương

Trong kim cương:

• mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với bốn nguyên tử carbon khác
• các liên kết tạo thành một mạng ba chiều
• các liên kết cộng hóa trị mạnh kéo dài theo mọi hướng
• không có các electron phi định xứ linh động thích hợp để dẫn điện

Điều này giúp giải thích tại sao kim cương cực kỳ cứng và không dẫn điện trong điều kiện thông thường.

Than chì

Trong than chì:

• mỗi nguyên tử carbon liên kết cộng hóa trị với ba nguyên tử carbon khác
• các nguyên tử tạo thành các lớp cộng hóa trị phẳng
• các liên kết cộng hóa trị mạnh hoạt động bên trong mỗi lớp
• các lực hút yếu hơn nhiều hoạt động giữa các lớp
• các electron phi định xứ có thể chuyển động trong các lớp

Lực hút yếu giữa các lớp cho phép chúng trượt lên nhau tương đối dễ dàng. Điều này khiến than chì mềm hơn so với kim cương.

Các electron phi định xứ giải thích khả năng dẫn điện của nó.

Đây là một lời nhắc quan trọng: chỉ riêng bản chất của các nguyên tử không quyết định tính chất của vật liệu. Cách chúng được sắp xếp và liên kết cũng rất quan trọng.

10Độ tan cũng quay trở lại với tương tác giữa các hạt

Độ tan đôi khi được rút gọn thành câu “chất giống nhau hòa tan chất giống nhau”.

Đó là một cách ghi nhớ hữu ích, nhưng không phải lời giải thích đầy đủ.

Để một chất tan, các lực hút hiện có phải bị phá vỡ và các lực hút mới phải hình thành giữa các hạt chất tan và dung môi.

Các chất ion trong nước

Nước là chất phân cực. Đầu oxygen của một phân tử nước mang điện tích âm một phần, trong khi đầu hydrogen mang điện tích dương một phần.

Gần một ion dương, các phân tử nước định hướng sao cho các đầu oxygen mang điện âm một phần quay về phía ion.

Gần một ion âm, các đầu hydrogen mang điện dương một phần có thể quay về phía ion.

Các lực hút ion-lưỡng cực này có thể giúp ổn định các ion đã tách rời trong dung dịch.

Để một chất rắn ion tan đáng kể, các tương tác mới này phải cạnh tranh hiệu quả với các lực hút giữ mạng tinh thể ion lại với nhau.

Đó là lý do bạn không nên viết rằng “mọi hợp chất ion đều tan trong nước”. Điều đó không đúng.

Các chất phân tử phân cực và không phân cực

Các chất tan phân cực thường tan tốt trong các dung môi phân cực khi giữa chúng có thể hình thành các lực hút thuận lợi.

Các chất phân tử không phân cực thường tan tốt hơn trong các dung môi không phân cực, nơi lực phân tán có thể tạo ra các tương tác phù hợp.

Một lần nữa, nguyên lý thực sự không phải là các phân tử nhận biết những chất khác thuộc cùng “loại” với mình. Đây là một sự cạnh tranh về năng lượng giữa các lực hút phải bị phá vỡ và các lực hút mới được hình thành.

Mạng cộng hóa trị

Các chất cộng hóa trị khổng lồ nhìn chung không tan trong các dung môi thông thường vì việc hòa tan chúng sẽ đòi hỏi phá vỡ trên diện rộng các liên kết cộng hóa trị mạnh xuyên suốt mạng.

Các lực hút thông thường giữa chất tan và dung môi thường không đủ để thực hiện điều này.

11Phương pháp thực tế để giải câu hỏi HSC

Khi bạn được cho một tính chất vật lý và được yêu cầu giải thích nó bằng liên kết hóa học, hãy làm theo trình tự sau.

Đầu tiên, xác định cấu trúc. Đó là phân tử đơn giản, ion, kim loại hay mạng cộng hóa trị?

Thứ hai, xác định các hạt. Phân tử? Ion? Lõi ion kim loại và electron phi định xứ? Các nguyên tử liên kết cộng hóa trị?

Thứ ba, hỏi điều gì phải xảy ra để tính chất đó xuất hiện.

Đối với nóng chảy hoặc sôi, các hạt phải trở nên ít bị giữ cố định hơn hoặc tách khỏi nhau.

Đối với dẫn điện, điện tích phải có khả năng di chuyển.

Đối với uốn cong, các lớp hoặc nguyên tử phải thay đổi vị trí mà không làm toàn bộ vật liệu bị phá hỏng.

Đối với hòa tan, các lực hút hiện có phải được thay thế bằng những tương tác thuận lợi giữa chất tan và dung môi.

Thứ tư, gọi tên lực hút hoặc hạt linh động có liên quan.

Chỉ lúc này bạn mới nên sử dụng các thuật ngữ như lực hút ion, liên kết hydrogen, lực phân tán, liên kết cộng hóa trị hoặc electron phi định xứ.

Cuối cùng, liên hệ sự thay đổi ở cấp độ vi mô với tính chất quan sát được.

Một câu trả lời tốt có một chuỗi lập luận, chứ không chỉ là danh sách thuật ngữ hóa học.

Ví dụ:

Hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao vì các ion trái dấu chịu lực hút tĩnh điện mạnh xuyên suốt mạng tinh thể ion. Cần một lượng lớn năng lượng nhiệt để các ion có thể rời khỏi các vị trí cố định trong mạng tinh thể.

Câu này giải thích được tính chất.

Còn câu sau thì không:

Nó có các liên kết mạnh, nên nhiệt độ nóng chảy cao.

Phát biểu thứ hai không xác định các hạt, loại liên kết hay yêu cầu của quá trình nóng chảy.

12Sử dụng dữ liệu tính chất để suy ra cấu trúc

Đôi khi câu hỏi được đặt theo chiều ngược lại. Bạn được cung cấp các tính chất và phải suy ra kiểu liên kết có khả năng nhất.

Giả sử một chất rắn chưa biết có các tính chất sau:

• nhiệt độ nóng chảy cao
• cứng và giòn
• không dẫn điện ở trạng thái rắn
• dẫn điện khi nóng chảy

Bạn sẽ dự đoán gì trước khi đọc tiếp?

Dấu hiệu mạnh nhất không phải là nhiệt độ nóng chảy cao. Nhiều kiểu cấu trúc khác nhau có thể tạo ra nhiệt độ nóng chảy cao.

Dấu hiệu mạnh nhất là sự thay đổi về độ dẫn điện sau khi nóng chảy.

Một mô hình phù hợp là mạng tinh thể ion:

• lực hút tĩnh điện mạnh giải thích nhiệt độ nóng chảy cao
• các ion cố định giải thích việc không dẫn điện ở trạng thái rắn
• các ion linh động trong chất lỏng giải thích khả năng dẫn điện khi nóng chảy
• sự dịch chuyển của mạng khiến các điện tích cùng dấu đẩy nhau giải thích tính giòn

Nhiều quan sát riêng biệt được giải thích bằng một mô hình cấu trúc duy nhất.

Đó chính xác là điều mà một mô hình khoa học hữu ích nên làm được.

13Những lỗi phổ biến cần loại khỏi câu trả lời của bạn

“Hợp chất ion dẫn điện”

Chỉ khi các ion của chúng có thể chuyển động.

Một mạng tinh thể ion rắn nhìn chung không dẫn điện. Một hợp chất ion nóng chảy có thể dẫn điện, và dung dịch nước của nó có thể dẫn điện nếu có các ion linh động.

“Các chất cộng hóa trị có nhiệt độ nóng chảy thấp”

Các chất phân tử đơn giản thường có.

Các chất mạng cộng hóa trị nhìn chung có nhiệt độ nóng chảy rất cao vì các liên kết cộng hóa trị kéo dài xuyên suốt cấu trúc.

“Liên kết cộng hóa trị mạnh làm cho các phân tử có nhiệt độ sôi cao”

Làm sôi một chất phân tử thường không phá vỡ các liên kết cộng hóa trị của nó.

Hãy so sánh các lực liên phân tử giữa các phân tử.

“Nhiệt độ nóng chảy cao nghĩa là chất ion”

Không. Các chất ion có thể có nhiệt độ nóng chảy cao, nhưng các chất rắn mạng cộng hóa trị và nhiều kim loại cũng vậy.

Bạn cần thêm bằng chứng.

“Một chất phân cực nên nó dẫn điện”

Tính phân cực có nghĩa là điện tích được phân bố không đều trong một phân tử.

Khả năng dẫn điện đòi hỏi các hạt mang điện linh động. Một phân tử phân cực trung hòa không tự động trở thành một ion linh động.

“Cứng nghĩa là không giòn”

Một vật liệu có thể chống trầy xước nhưng vẫn gãy thay vì biến dạng.

Nhiều tinh thể ion vừa cứng vừa giòn.

14Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một chất gồm các phân tử nhỏ, riêng biệt. Nó có nhiệt độ sôi thấp và không dẫn điện ở cả trạng thái lỏng lẫn rắn.

Hãy giải thích cấu trúc của nó dẫn đến cả hai quan sát này như thế nào.

Lời giải 1

Chất này có nhiệt độ sôi thấp vì chỉ cần thắng các lực hút liên phân tử tương đối yếu, và nó không dẫn điện vì không có các hạt mang điện linh động.

Các liên kết cộng hóa trị bên trong mỗi phân tử có thể mạnh, nhưng quá trình sôi thông thường không đòi hỏi những liên kết đó bị phá vỡ. Năng lượng chủ yếu cần để tách các phân tử khỏi nhau bằng cách thắng lực liên phân tử.

Việc không dẫn điện xuất phát từ một yêu cầu khác. Dẫn điện cần các hạt mang điện linh động. Các phân tử trung hòa riêng biệt nhìn chung không cung cấp cả ion linh động lẫn electron phi định xứ.

Lỗi chính là coi nhiệt độ sôi và độ dẫn điện như thể chúng được quyết định bởi cùng một đặc điểm. Không phải vậy. Sự sôi phụ thuộc vào lực hút giữa các hạt, còn độ dẫn điện phụ thuộc vào các hạt mang điện linh động.

Câu hỏi 2

Một học sinh được cho hai chất rắn.

Chất rắn A dễ dát mỏng và dẫn điện.

Chất rắn B cứng và giòn. Nó không dẫn điện ở trạng thái rắn nhưng dẫn điện sau khi nóng chảy.

Hãy xác định kiểu liên kết có khả năng nhất trong A và B, rồi giải thích từng lựa chọn.

Lời giải 2

Chất rắn A rất có khả năng có liên kết kim loại, còn Chất rắn B rất có khả năng là chất ion.

Trong Chất rắn A, các electron phi định xứ linh động giải thích khả năng dẫn điện. Liên kết kim loại cũng cho phép các lớp lõi ion kim loại dịch chuyển trong khi lực hút với các electron phi định xứ vẫn được duy trì, từ đó giải thích tính dễ dát mỏng.

Chất rắn B phù hợp với một mạng tinh thể ion. Trong chất rắn, các ion của nó bị khóa trong các vị trí cố định nên không thể mang điện tích xuyên qua vật liệu. Sau khi nóng chảy, các ion trở nên linh động, cho phép chất lỏng dẫn điện.

Tính giòn của nó cũng phù hợp với mạng tinh thể ion vì việc dịch chuyển các lớp mạng có thể đặt các điện tích cùng dấu gần nhau. Lực đẩy tạo ra có thể làm tinh thể bị gãy.

Câu hỏi 3

Kim cương và than chì đều là carbon tinh khiết.

Hãy giải thích tại sao than chì dẫn điện và tương đối mềm, trong khi kim cương không dẫn điện và cực kỳ cứng.

Lời giải 3

Than chì dẫn điện và tương đối mềm vì nó chứa các electron phi định xứ linh động trong các lớp, trong khi kim cương cứng và không dẫn điện vì tạo thành một mạng cộng hóa trị ba chiều cứng nhắc mà không có các hạt mang điện linh động thích hợp.

Trong than chì, mỗi nguyên tử carbon tạo ba liên kết cộng hóa trị trong một lớp. Các electron được phi định xứ xuyên suốt các lớp và có thể mang điện tích. Các lớp được giữ với những lớp lân cận bằng các lực hút yếu hơn nhiều so với các liên kết cộng hóa trị bên trong mỗi lớp, nên các lớp có thể trượt qua nhau tương đối dễ dàng.

Trong kim cương, mỗi nguyên tử carbon tạo bốn liên kết cộng hóa trị trong một mạng ba chiều. Các liên kết cộng hóa trị mạnh kéo dài xuyên suốt cấu trúc, khiến sự biến dạng khó xảy ra và tạo nên độ cứng cực cao. Cách sắp xếp liên kết của nó không cung cấp các electron phi định xứ linh động giống như than chì, nên kim cương không dẫn điện trong điều kiện thông thường.

Lỗi thường gặp là cho rằng các chất được tạo nên từ cùng một nguyên tố thì phải có cùng tính chất. Các cấu trúc khác nhau của cùng một nguyên tố có thể có tính chất rất khác nhau.

Câu hỏi 4

Một học sinh nói:

“Silicon dioxide có công thức \(\ce{SiO2}\), nên nó phải gồm các phân tử nhỏ. Vì vậy, nhiệt độ nóng chảy của nó phải thấp.”

Hãy đánh giá lập luận của học sinh.

Lời giải 4

Lập luận này không đúng vì silicon dioxide rắn là một mạng cộng hóa trị, không phải một tập hợp các phân tử \(\ce{SiO2}\) nhỏ.

Công thức \(\ce{SiO2}\) cho biết tỉ lệ giữa các nguyên tử silicon và oxygen trong cấu trúc. Nó không chứng minh rằng tồn tại các phân tử ba nguyên tử độc lập.

Trong silicon dioxide rắn, các nguyên tử được kết nối qua một mạng mở rộng gồm các liên kết cộng hóa trị mạnh. Phá vỡ cấu trúc này đòi hỏi phá vỡ nhiều liên kết cộng hóa trị, cần một lượng năng lượng đáng kể. Vì vậy, silicon dioxide có nhiệt độ nóng chảy cao.

Quan niệm sai xuất phát từ việc coi mọi công thức hóa học đều là công thức phân tử. Đối với mạng ion và mạng cộng hóa trị, công thức thường biểu diễn tỉ lệ đơn giản nhất thay vì ranh giới của một hạt riêng biệt.

Câu hỏi 5

Một chất rắn chưa biết có nhiệt độ nóng chảy rất cao. Nó cứng, không dẫn điện ở trạng thái rắn và không tan trong nước.

Một học sinh kết luận rằng nó chắc chắn phải là chất rắn mạng cộng hóa trị.

Kết luận đó có hợp lý không? Hãy giải thích cấu trúc thay thế nào vẫn có thể phù hợp với các quan sát và nêu một tính chất bổ sung có thể giúp phân biệt các khả năng.

Lời giải 5

Không. Bằng chứng phù hợp với một mạng cộng hóa trị, nhưng không chứng minh duy nhất cấu trúc đó. Một chất rắn ion không tan cũng có thể phù hợp với các quan sát.

Một mạng cộng hóa trị có thể giải thích nhiệt độ nóng chảy cao vì các liên kết cộng hóa trị mạnh kéo dài xuyên suốt cấu trúc. Nó cũng thường giải thích được việc không dẫn điện và độ tan thấp.

Tuy nhiên, một số hợp chất ion chỉ hơi tan hoặc về thực tế là không tan trong nước. Một mạng tinh thể ion cũng có thể có nhiệt độ nóng chảy cao, và các ion của nó không thể di chuyển khi vật liệu ở trạng thái rắn, nên nó sẽ không dẫn điện trong trạng thái đó.

Một phép thử bổ sung hữu ích là độ dẫn điện sau khi nóng chảy, nếu có thể làm nóng chảy chất đó một cách an toàn. Một chất ion nóng chảy nên dẫn điện vì các ion của nó trở nên linh động. Một chất mạng cộng hóa trị điển hình sẽ không đột ngột có các ion linh động chỉ vì nóng chảy.

Giả định ẩn trong lập luận của học sinh là một chất ion nhất thiết phải tan trong nước. Điều đó không đúng.

Câu hỏi 6

Hai chất lỏng phân tử X và Y có khối lượng phân tử tương tự nhau. X phân cực còn Y không phân cực.

Một học sinh dự đoán rằng X chắc chắn phải có nhiệt độ sôi cao hơn vì các phân tử phân cực có tương tác lưỡng cực-lưỡng cực.

Dự đoán đó có chắc chắn đúng không?

Lời giải 6

Không. Tính phân cực có thể làm tăng lực hút liên phân tử, nhưng không đảm bảo nhiệt độ sôi cao hơn vì tổng lực hút liên phân tử phụ thuộc vào nhiều hơn một yếu tố.

Cả X và Y đều có lực phân tán. X có thể còn có thêm lực hút lưỡng cực-lưỡng cực vì nó phân cực.

Tuy nhiên, độ mạnh của lực phân tán phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước và độ phân cực hóa của đám mây electron, cũng như mức độ hiệu quả mà các phân tử có thể tiếp xúc với nhau. Vì vậy, hình dạng phân tử cũng có thể ảnh hưởng đến tổng lực hút liên phân tử.

Cách tiếp cận đúng là so sánh tất cả các lực liên phân tử quan trọng, thay vì dùng quy tắc “phân cực luôn có nghĩa là nhiệt độ sôi cao hơn”.

Nếu X và Y giống nhau về các mặt khác như kích thước, hình dạng và độ phân cực hóa, thì lực hút lưỡng cực-lưỡng cực bổ sung trong X sẽ hỗ trợ dự đoán rằng X có nhiệt độ sôi cao hơn. Nếu không có những giả định bổ sung đó, kết luận này không được đảm bảo.

Lỗi nằm ở việc biến một xu hướng hữu ích thành một quy tắc tuyệt đối.

Câu hỏi 7

Một vật liệu rắn mới có các tính chất quan sát được sau:

• nó có nhiệt độ nóng chảy rất cao
• nó dẫn điện ở trạng thái rắn
• nó không dễ dát mỏng
• các nguyên tử của nó tạo các liên kết cộng hóa trị mạnh trong những lớp mở rộng
• các lớp liền kề hút nhau yếu hơn nhiều

Một học sinh lập luận rằng khả năng dẫn điện chứng minh vật liệu này phải là kim loại.

Hãy giải thích tại sao kết luận đó không đúng. Sau đó dự đoán vật liệu có khả năng phản ứng như thế nào khi một lực tác dụng song song với các lớp, so với một lực cố gắng phá vỡ các liên kết bên trong một lớp.

Lời giải 7

Vật liệu không nhất thiết phải là kim loại. Các tính chất của nó phù hợp với một mạng cộng hóa trị dạng lớp có chứa các electron phi định xứ, về nguyên tắc tương tự than chì.

Khả năng dẫn điện chứng minh rằng có các hạt mang điện linh động. Bản thân điều đó không chứng minh có liên kết kim loại. Nếu các electron được phi định xứ xuyên qua những lớp liên kết cộng hóa trị, chúng có thể mang điện trong khi cấu trúc tổng thể vẫn là cộng hóa trị.

Vật liệu sẽ dễ biến dạng hơn nhiều bằng cách trượt các lớp liền kề qua nhau so với bằng cách phá vỡ cấu trúc bên trong một lớp. Các lực giữa các lớp tương đối yếu, nên cần ít năng lượng hơn để thắng chúng.

Ngược lại, biến dạng đòi hỏi phá vỡ các liên kết cộng hóa trị bên trong một lớp sẽ khó hơn nhiều vì các liên kết đó mạnh.

Bài học sâu hơn là một tính chất phải được truy về một đặc điểm cấu trúc cụ thể. Độ dẫn điện cho bạn biết điện tích có thể di chuyển. Nó không tự động cho biết tại sao điện tích đó linh động hoặc nhất thiết phải có kiểu liên kết nào.

15Ý tưởng này giúp bạn làm gì tiếp theo

Cấu trúc và liên kết cung cấp cho bạn một cách biến các mô hình vi mô thành những dự đoán ở cấp độ vĩ mô.

Khi gặp một chất mới, giờ đây bạn có thể hỏi:

• những hạt nào tạo nên cấu trúc
• điều gì giữ các hạt đó lại với nhau
• những hạt nào có thể chuyển động
• những lực hút nào phải bị thắng
• cách sắp xếp thay đổi như thế nào khi chất nóng chảy, uốn cong, hòa tan hoặc dẫn điện

Bước hữu ích tiếp theo là làm cho những so sánh này chính xác hơn. Đối với các chất phân tử, điều đó có nghĩa là sử dụng tính phân cực phân tử, liên kết hydrogen, lực phân tán, kích thước phân tử và hình dạng để giải thích xu hướng về nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi. Đối với các chất ion, điều đó có nghĩa là liên hệ điện tích ion và bán kính ion với độ mạnh của lực hút trong mạng tinh thể.

Tính chất là điều quan sát được. Cấu trúc và liên kết là lời giải thích.