Đang tải bài học…

AP Chemistry

chất rắn

solid

Còn gọi: pha rắn · trạng thái rắn · solid phase

Chất rắn là trạng thái vật chất có hình dạng và thể tích xác định, các hạt cấu tạo sắp xếp chặt chẽ và chỉ dao động quanh vị trí cố định.

Chất rắn là một trong ba trạng thái cơ bản của vật chất, bên cạnh chất lỏng và chất khí. Ở trạng thái này, vật chất giữ nguyên cả hình dạng lẫn thể tích mà không cần bình chứa. Do đó, một khối sắt đặt trên bàn vẫn giữ nguyên dạng khối bất kể chiếc bàn có hình gì, khác hẳn chất lỏng luôn chảy theo đáy bình.

Ở cấp độ vi mô, nguyên tử, phân tử hoặc ion trong chất rắn nằm sát nhau và bị giữ chặt bởi lực tương tác mạnh giữa các hạt. Vì vậy, các hạt không di chuyển tự do mà chỉ dao động quanh vị trí cân bằng cố định. Nhiều chất rắn có các hạt sắp xếp theo trật tự hình học lặp lại tuần hoàn trong không gian ba chiều, tạo nên cấu trúc tinh thể (crystal structure). Nhờ trật tự này, tinh thể muối ăn luôn mọc thành khối lập phương đặc trưng.

Tuy nhiên, không phải mọi chất rắn đều có trật tự sắp xếp đều đặn. Dựa vào mức độ trật tự, chất rắn được chia thành hai loại: chất rắn tinh thể và chất rắn vô định hình (amorphous solid). Chất rắn tinh thể như kim cương hay thạch anh nóng chảy ở nhiệt độ xác định, trong khi chất rắn vô định hình như thủy tinh hay nhựa mềm dần trong một khoảng nhiệt độ rộng. Sự khác biệt này bắt nguồn trực tiếp từ cách sắp xếp hạt ở cấp độ nguyên tử.

Trực giác: Chất rắn giống như một đám đông đứng nghiêm theo đội hình duyệt binh: mỗi người đứng yên tại chỗ, chỉ nhún nhảy nhẹ tại chỗ chứ không đi đâu, nên cả khối giữ nguyên hình dáng.

Hay hiểu sai

Chất rắn không được đưa vào biểu thức hằng số cân bằng.

Thêm chất rắn vào hệ cân bằng không làm cân bằng dịch chuyển.

Rắn không đồng nghĩa với entropy bằng không.

Không phải mọi chất rắn đều có cùng kiểu lực liên kết.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Trong lúc khảo sát tính chất vật lí và hóa học của nguyên tố kim loại E, một học sinh cân được mẫu rắn E có khối lượng 20.98 g. Học sinh thả toàn bộ mẫu vào ống đong chứa 21.00 mL nước; mẫu chìm hoàn toàn, không phản ứng với nước, và mực nước dâng lên 23.00 mL. Ở nhiệt độ phòng, mẫu E dẫn điện tốt và có thể dát thành lá mỏng mà không vỡ vụn. Bảng khối lượng riêng của một số kim loại ở 25 °C: Fe 7.87 g/cm³; Cu 8.96 g/cm³; Ag 10.49 g/cm³; Pb 11.34 g/cm³.

aTính khối lượng riêng của mẫu rắn E và cho biết E là kim loại nào trong bảng.
bDựa trên mô hình cấu tạo của chất rắn kim loại, giải thích vì sao E vừa dẫn điện tốt vừa dát mỏng được.
cTính số nguyên tử E có trong mẫu rắn nói trên.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyLực liên phân tử · bài “Tính chất của chất rắn” — khoá AP Chemistry

Cần trướccác trạng thái vật chất (sắp có)lực hút giữa các phân tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

chất lỏngliquid

Khác nhau ở đâuChất rắn có hình dạng và thể tích xác định vì các hạt chỉ dao động quanh vị trí cố định. Chất lỏng giữ thể tích nhưng chảy theo hình dạng bình chứa.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi giải thích vì sao chất rắn không nén và không chảy được, còn chất lỏng thì chảy, dù cả hai đều là pha ngưng tụ có mật độ gần nhau.

chất rắn vô định hìnhamorphous solid

Khác nhau ở đâuChất rắn là tên gọi chung của trạng thái, bao gồm cả loại tinh thể lẫn vô định hình. Chất rắn vô định hình không có trật tự lặp lại nên nóng chảy trong một khoảng nhiệt độ.

Hay nhầm khiKhi đề cho thủy tinh hoặc chất dẻo và hỏi nhiệt độ nóng chảy, nhiều học sinh mặc định mọi chất rắn đều có nhiệt độ nóng chảy sắc nét.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 1, 11, 16.

Luôn kiểm tra trạng thái vật chất ghi trong ngoặc trước khi viết bất kỳ biểu thức nào.

Khi giải thích tính chất của chất rắn, phải viết ra tên lực hút cụ thể và so sánh độ mạnh.

Trong bài thực nghiệm, đừng quên chất rắn dư ảnh hưởng đến cách tính lượng chất.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết phải lấy được thể tích của chính khối chất rắn, chứ không phải thể tích của cả hệ. Vì mẫu chìm hoàn toàn và không tan, phần nước bị chiếm chỗ đúng bằng thể tích của mẫu:

V = 23.00 - 21.00 = 2.00

mL, tức

2.00

cm³. Đây là điểm khác biệt căn bản giữa chất rắn và chất khí: khối chất rắn có thể tích riêng xác định, không giãn ra để lấp đầy bình chứa, nên phép dời chỗ nước mới đo được đúng thể tích của nó.

2Bước 2: Có khối lượng và thể tích thì áp dụng

d = m/V

, trong đó

m

là khối lượng mẫu và

V

là thể tích vừa tìm được. Thay số:

d = 20.98/2.00 = 10.49

g/cm³. Đối chiếu với bảng, giá trị này trùng với bạc, do đó E là Ag. Cần nhớ rằng khối lượng riêng là một tính chất cường tính, không phụ thuộc lượng chất lấy ra, nên nó dùng để nhận diện chất được; còn khối lượng 20.98 g thì không nói lên điều gì về danh tính của kim loại.

3Bước 3: Sang ý (b), phải mô tả được cấu trúc bên trong. Trong chất rắn kim loại, các ion dương nằm ở những vị trí cố định của mạng tinh thể (crystal lattice), còn các electron hóa trị không thuộc riêng nguyên tử nào mà trải đều khắp khối chất — đó là mô hình biển electron (electron sea model). Vì các electron không định xứ (delocalized electrons) này di chuyển tự do khi có hiệu điện thế đặt vào, khối kim loại dẫn điện tốt. Cũng nhờ lực hút giữa ion dương và biển electron không có tính định hướng, khi ta gõ búa thì các lớp ion trượt lên nhau mà liên kết vẫn được duy trì; vì vậy E dát mỏng được thay vì nứt vỡ như chất rắn ion.

4Bước 4: Ý (c) là một bài đếm hạt quen thuộc, đi qua số mol làm trung gian. Khối lượng mol của Ag là 107.87 g/mol, nên

n = 20.98/107.87 = 0.1945

mol. Nhân với hằng số Avogadro:

N = 0.1945 \times 6.022 \times 10^{23} = 1.171 \times 10^{23}

nguyên tử. Con số này cho thấy khối bạc rắn cầm trên tay thực chất là hơn một trăm nghìn tỉ tỉ nguyên tử được xếp khít nhau theo trật tự tuần hoàn.

Mẫu rắn có khối lượng riêng 10.49 g/cm³, trùng với bạc, nên E là Ag. Tính dẫn điện và tính dát mỏng của nó được giải thích bằng mạng ion dương ngập trong biển electron không định xứ, đặc trưng cho chất rắn kim loại. Mẫu 20.98 g ứng với 0.1945 mol, tức khoảng $1.171 \times 10^{23}$ nguyên tử Ag.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh nghiên cứu phản ứng giữa bạc rắn và dung dịch axit nitric, được biểu diễn bằng phương trình: 3 Ag(s) + 4 HNO₃(aq) → 3 AgNO₃(aq) + NO(g) + 2 H₂O(l). Bảng nhiệt hình thành chuẩn (standard enthalpy of formation) ở 298 K, đơn vị kJ/mol: Ag(s) 0; HNO₃(aq) −207.4; AgNO₃(aq) −101.8; NO(g) +90.4; H₂O(l) −285.8.

aDự đoán dấu của biến thiên entropy chuẩn ΔS° của phản ứng và giải thích.
bTính giá trị ΔH°rxn của phản ứng, kèm đơn vị.
cGiải thích vì sao Ag(s) có nhiệt hình thành chuẩn bằng 0 và vì sao Ag(s) không xuất hiện trong biểu thức hằng số cân bằng của phản ứng.

1Bước 1: Với ý (a), quy tắc đáng tin nhất là nhìn vào sự thay đổi trạng thái tập hợp, đặc biệt là số mol khí. Vế trái chỉ gồm một chất rắn và một dung dịch, hoàn toàn không có khí; vế phải sinh ra 1 mol NO(g). Trong chất rắn, các hạt bị giữ ở vị trí cố định nên số cách sắp xếp năng lượng — tức số vi trạng thái (microstates) — là ít nhất trong ba trạng thái, còn ở thể khí các phân tử chuyển động hỗn loạn trong thể tích lớn hơn hàng nghìn lần. Do đó độ mất trật tự của hệ tăng lên rõ rệt và

\Delta S^\circ > 0

2Bước 2: Ý (b) dùng định luật Hess dưới dạng quen thuộc:

\Delta H^\circ_{rxn} = \sum n\,\Delta H^\circ_f(\text{products}) - \sum n\,\Delta H^\circ_f(\text{reactants})

Công thức này nói rằng nhiệt phản ứng bằng tổng nhiệt hình thành của các sản phẩm trừ tổng nhiệt hình thành của các chất đầu, mỗi giá trị nhân với hệ số

n

trong phương trình đã cân bằng.

3Bước 3: Tính riêng từng vế cho gọn. Phía sản phẩm:

3(-101.8) + 1(+90.4) + 2(-285.8) = -305.4 + 90.4 - 571.6 = -786.6

kJ. Phía chất đầu:

3(0) + 4(-207.4) = -829.6

kJ; lưu ý Ag(s) đóng góp đúng bằng không. Vậy

\Delta H^\circ_{rxn} = -786.6 - (-829.6) = +43.0

kJ, nghĩa là phản ứng thu nhiệt.

4Bước 4: Ý (c) xoay quanh hai quy ước dành riêng cho chất rắn nguyên chất. Thứ nhất, bạc kim loại là dạng bền nhất của nguyên tố Ag ở trạng thái chuẩn (standard state), mà theo định nghĩa mọi đơn chất ở dạng bền nhất đều được gán

\Delta H^\circ_f = 0

; nó là mốc để đo nhiệt hình thành của các chất khác chứ bản thân không cần hình thành từ cái gì. Thứ hai, một chất rắn nguyên chất luôn có nồng độ nội tại không đổi, nên hoạt độ của nó bằng 1 và việc thêm hay bớt lượng Ag(s) không làm dịch chuyển cân bằng. Vì vậy biểu thức hằng số cân bằng chỉ chứa các tiểu phân trong dung dịch và áp suất riêng phần của khí:

K = \dfrac{[\text{AgNO}_3]^3 \, P_{\text{NO}}}{[\text{HNO}_3]^4}

, còn Ag(s) và H₂O(l) đều bị lược bỏ.

Phản ứng có $\Delta S^\circ > 0$ vì đi từ chất rắn cùng dung dịch sang hỗn hợp có sinh khí NO, làm tăng mạnh số vi trạng thái khả dĩ. Nhiệt phản ứng chuẩn tính được là $\Delta H^\circ_{rxn} = +43.0$ kJ, tức phản ứng thu nhiệt. Ag(s) có nhiệt hình thành bằng 0 vì là đơn chất ở trạng thái chuẩn, và vì là chất rắn nguyên chất nên nó không xuất hiện trong biểu thức hằng số cân bằng.

Dẫn tớigiản đồ pha (sắp có)sự nóng chảy

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.