Đang tải bài học…

AP Chemistry

chất rắn ion

ionic solids

Còn gọi: tinh thể ion · rắn ion · ionic crystal · ionic solid · mạng tinh thể ion

Chất rắn ion là chất rắn trong đó các cation và anion liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện, sắp xếp thành mạng tinh thể tuần hoàn.

Chất rắn ion hình thành khi kim loại (metal) nhường điện tử cho phi kim (nonmetal), tạo ra các ion dương và ion âm hút nhau bằng lực tĩnh điện. Lực hút này được gọi là liên kết ion, không có hướng cố định mà tác dụng đều theo mọi phía quanh mỗi ion. Do đó, các ion sắp xếp thành một mạng ba chiều lặp lại tuần hoàn, tạo nên cấu trúc tinh thể vững chắc.

Trong mạng tinh thể ấy, mỗi ion dương được bao quanh bởi một số ion âm nhất định và ngược lại; tỉ lệ này phụ thuộc vào kích thước tương đối của hai loại ion. Khối nhỏ nhất mà khi lặp lại sẽ tạo ra toàn bộ tinh thể được gọi là ô mạng cơ sở (unit cell). Bên cạnh đó, năng lượng mạng tinh thể (lattice energy) được đo bằng năng lượng cần thiết để phá vỡ hoàn toàn một mol chất rắn ion thành các ion riêng rẽ ở trạng thái khí, và giá trị này càng lớn thì tinh thể càng bền vững. Hệ thức định tính cho thấy năng lượng mạng tinh thể tỉ lệ thuận với tích điện tích các ion và tỉ lệ nghịch với tổng bán kính của chúng:

$E \propto \frac{q^+ \cdot q^-}{r^+ + r^-}$

trong đó $q^+$ và $q^-$ lần lượt là điện tích của ion dương và ion âm, còn $r^+$ và $r^-$ là bán kính tương ứng.

Vì liên kết ion rất mạnh và không có hướng ưu tiên nên chất rắn ion có nhiệt độ nóng chảy cao và độ cứng lớn, song cũng rất giòn. Thật vậy, khi chịu ứng suất cơ học, các lớp ion trượt lệch khiến những ion cùng dấu đối diện nhau và đẩy nhau làm tinh thể vỡ. Ở trạng thái rắn, các ion bị giữ chặt tại nút mạng nên chất rắn ion không dẫn điện; ngược lại, khi nấu chảy hoặc hòa tan trong nước, các ion được giải phóng khỏi nút mạng và hệ trở nên dẫn điện.

Ký hiệu

E_{\text{lattice}}

q^+

q^-

r^+

r^-

Đơn vị\text{kJ/mol}

Trực giác: Hãy tưởng tượng một bức tường xếp xen kẽ những viên nam châm trái dấu — chúng dính chặt vào nhau, nhưng nếu bạn đẩy lệch hàng, các cực cùng dấu chạm nhau và cả bức tường sụp đổ.

Công thức

E = \htmlClass{fp-2}{k \htmlClass{fp-1}{\frac{\htmlClass{fp-0}{q_1 q_2}}{r}}}

Dùng để giải thích xu hướng năng lượng mạng tinh thể (lattice energy) của chất rắn ion: điện tích ion càng cao và bán kính ion càng nhỏ thì liên kết ion càng bền.

Trong đó

E

năng lượng tương tác tĩnh điện (electrostatic potential energy) — J

k

hằng số Coulomb — N

\cdot

m^2 / C^2

q_1,\, q_2

điện tích của cation và anion — C

r

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1912–1913René Just HaüyWilhelm RöntgenWilliam Henry BraggWilliam Lawrence Bragg

Ý tưởng về chất rắn ion hình thành dần từ cuối thế kỷ 18, khi các nhà khoáng vật học tìm cách giải thích vì sao muối mỏ tách theo những mặt phẳng đều đặn, và được xác nhận dứt điểm vào năm 1912–1913 khi hai cha con Bragg dùng nhiễu xạ tia X giải được cấu trúc của NaCl.

Hay hiểu sai

Chất rắn ion giòn không phải vì lực hút giữa các ion yếu.

Chất rắn ion ở thể rắn không dẫn điện, dù có chứa đầy ion.

Không được gọi NaCl là một phân tử.

So sánh nhiệt độ nóng chảy mà chỉ nhìn điện tích là chưa đủ.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Hình vẽ ở cấp độ hạt biểu diễn một tinh thể NaCl gồm các lớp ion Na⁺ và Cl⁻ xen kẽ nhau. Ở hình bên trái, mỗi ion dương được bao quanh bởi các ion âm nên toàn khối bền vững; ở hình bên phải, một lực cơ học đã làm cả một lớp ion trượt đi đúng một vị trí, khiến các ion cùng dấu nằm sát nhau theo mặt trượt. Một đề trắc nghiệm AP đưa hình này ra và yêu cầu học sinh cho biết mô hình đó giải thích tính chất vĩ mô nào của chất rắn ion.

aHình vẽ giải thích tốt nhất tính chất nào của chất rắn ion? Trình bày lập luận ở cấp độ hạt.
bTại sao khi tác dụng cùng một lực như vậy lên một thanh đồng kim loại thì kết quả lại khác hẳn?

1Bước 1: Đọc trạng thái ban đầu. Trong mạng tinh thể NaCl, mỗi ion Na⁺ có sáu ion Cl⁻ làm hàng xóm gần nhất và ngược lại, nên mọi tương tác gần đều là lực hút. Đây chính là lý do khối tinh thể bền và có nhiệt độ nóng chảy cao.

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 nàyCấu trúc phân tử & ion · bài “Cấu trúc chất rắn ion” — khoá AP Chemistry

Cần trướcionliên kết ion

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

chất rắn phân tử (molecular solids)molecular solids

Khác nhau ở đâuChất rắn phân tử giữ nhau bằng lực liên phân tử yếu nên mềm và dễ nóng chảy. Chất rắn ion giữ nhau bằng liên kết ion bền vững nên cứng và khó nóng chảy.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi giải thích tại sao NaCl nóng chảy ở 801°C còn I₂ chỉ ở 114°C

chất rắn mạng cộng hóa trị (covalent-network solids)covalent-network solids

Khác nhau ở đâuChất rắn mạng cộng hóa trị không dẫn điện vì không có hạt mang điện tự do. Chất rắn ion dẫn điện khi nóng chảy nhờ các ion di chuyển tự do.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi phân biệt kim cương và NaCl dựa vào khả năng dẫn điện

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 17, 181, 346.

khoảng cách giữa tâm hai ion

Câu hỏi mở đầu không đến từ phòng thí nghiệm hóa học mà từ các mẫu khoáng vật: muối mỏ, fluorit và calcit khi vỡ luôn tách theo những mặt phẳng nhẵn và đều, gợi ý rằng bên trong chúng có một trật tự lặp lại mà mắt thường không thấy được. Năm 1784, René Just Haüy đề xuất rằng tinh thể được dựng nên từ những khối đa diện lặp đi lặp lại, tức là khái niệm ô mạng cơ sở (unit cell). Phải chờ đến khi Wilhelm Röntgen phát hiện tia X năm 1895, người ta mới có công cụ dò được khoảng cách giữa các nguyên tử. Chỉ hai thập niên sau, ảnh nhiễu xạ đã trả lời câu hỏi cũ.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi bắt nguồn từ chữ "ion" trong tiếng Hy Lạp, vốn có nghĩa là "đang đi", "đang di chuyển" — một cách ghi nhận rằng các hạt mang điện này chuyển động chứ không đứng yên. Có ý kiến truy gốc chữ này về tộc người Ionians thời Hy Lạp cổ, những người đã di cư từ Thessaly xuống Peloponnese rồi sang bờ biển phía Tây. Trong tiếng Anh, tính từ "Ionic" ban đầu chẳng liên quan gì đến hóa học: từ thập niên 1570 nó chỉ một điệu thức âm nhạc, và từ thập niên 1580 chỉ một thức kiến trúc, đều mang nghĩa "thuộc về vùng Ionia". Nghĩa hóa học là lớp nghĩa được chồng lên sau này. Vì vậy chữ "solid" trong tên gọi mới là phần mô tả trực tiếp: đây là dạng rắn kết tinh, nơi cation và anion xếp xen kẽ nhau chứ không tồn tại thành từng phân tử riêng lẻ — chính điều mà nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) đã chứng minh trên tinh thể NaCl, và năm 1918 phương trình Born–Landé cho phép tính được năng lượng mạng lưới (lattice energy) giữ chúng lại với nhau.

Mẹo phòng thi

Gặp hình vẽ mức hạt về chất rắn ion, hãy đếm xem các lớp có bị lệch nhau không.

Mọi lập luận về chất rắn ion phải quy về lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu.

Đừng lẫn cách giải thích tính giòn của chất rắn ion với tính dát mỏng của kim loại.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

2Bước 2: Đọc trạng thái sau khi trượt. Khi một lớp dịch đi một khoảng bằng đúng một vị trí ion, các ion Na⁺ của lớp trên rơi vào vị trí đối diện với Na⁺ của lớp dưới, và Cl⁻ đối diện Cl⁻. Theo định luật Coulomb (Coulomb's law), tích điện tích

q_1q_2

lúc này mang dấu dương nên tương tác đổi từ hút sang đẩy:

E \propto \dfrac{q_1q_2}{d}

với

q_1q_2 > 0

ứng với thế năng dương, tức là hệ bị đẩy ra xa. Do đó mặt trượt lập tức tách ra.

3Bước 3: Quy đổi sang hiện tượng vĩ mô. Vết tách lan theo mặt phẳng vừa hình thành, khối tinh thể vỡ dứt khoát thành mảnh chứ không biến dạng dần. Vì vậy tính chất được giải thích là tính giòn (brittle) của chất rắn ion — đây là đáp án cần chọn, chứ không phải nhiệt độ nóng chảy cao hay khả năng dẫn điện khi nóng chảy, vì hai tính chất đó không liên quan gì đến thao tác làm trượt lớp trong hình.

4Bước 4: So sánh với kim loại cho ý (b). Trong đồng, các lõi ion dương nằm chìm trong biển electron linh động dùng chung cho cả khối. Khi một lớp lõi ion trượt đi, các electron chảy theo và tiếp tục gắn kết hai lớp, không hề xuất hiện cặp điện tích cùng dấu đối diện nhau. Nhờ đó kim loại biến dạng mà không gãy, tức là dễ dát mỏng (malleable) và dễ kéo sợi.

Hình vẽ giải thích tính giòn của chất rắn ion: chỉ cần một lớp ion trượt đi một vị trí là các ion cùng dấu đối diện nhau, lực hút biến thành lực đẩy và tinh thể vỡ theo mặt trượt. Ngược lại, biển electron trong đồng vẫn giữ các lớp lại với nhau sau khi trượt, nên đồng dát mỏng được thay vì vỡ vụn.

2Ví dụ 2/2

NaCl nóng chảy ở 801 °C còn MgO nóng chảy ở 2852 °C, dù cả hai đều là chất rắn ion và đều kết tinh theo cùng một kiểu mạng lập phương. Khoảng cách giữa tâm hai ion cạnh nhau là khoảng 283 pm trong NaCl và khoảng 212 pm trong MgO. Năng lượng mạng tinh thể (lattice energy) đo được của NaCl là 788 kJ·mol⁻¹.

aDùng lập luận Coulomb để giải thích vì sao MgO có nhiệt độ nóng chảy cao hơn hẳn NaCl.
bƯớc lượng năng lượng mạng tinh thể của MgO rồi so sánh với giá trị thực nghiệm 3795 kJ·mol⁻¹.

1Bước 1: Xác định điện tích. NaCl gồm Na⁺ và Cl⁻ nên

|q_1q_2| = 1 \times 1 = 1

; MgO gồm Mg²⁺ và O²⁻ nên

|q_1q_2| = 2 \times 2 = 4

. Chỉ riêng yếu tố điện tích đã làm lực hút trong MgO mạnh gấp bốn lần.

2Bước 2: Xét khoảng cách. Vì Mg²⁺ nhỏ hơn Na⁺ và O²⁻ nhỏ hơn Cl⁻, khoảng cách

d

giảm từ 283 pm xuống 212 pm. Trong biểu thức

E \propto \dfrac{q_1q_2}{d}

d

nhỏ hơn làm độ lớn năng lượng tăng thêm một lần nữa, cụ thể theo tỉ số

283/212 = 1{,}33

3Bước 3: Nhân hai yếu tố để ước lượng. Tỉ số dự đoán là

4 \times 1{,}33 = 5{,}3

, nên năng lượng mạng tinh thể của MgO vào khoảng

788 \times 5{,}3 \approx 4{,}2 \times 10^3

kJ·mol⁻¹.

4Bước 4: Đối chiếu với thực nghiệm. Giá trị đo được là 3795 kJ·mol⁻¹, tức tỉ số thực

3795/788 = 4{,}8

so với dự đoán 5,3 — cùng bậc độ lớn và sai lệch khoảng 10%. Mô hình điểm tích điện chỉ gần đúng vì bỏ qua độ phân cực của ion và cấu trúc chi tiết của mạng, nhưng nó đủ để xếp thứ tự, và đó là tất cả những gì đề AP yêu cầu.

5Bước 5: Nối về nhiệt độ nóng chảy. Muốn nóng chảy thì phải phá vỡ mạng ion, nên năng lượng mạng càng lớn thì càng cần nhiệt độ cao. Vì mạng MgO bền hơn gần năm lần, nhiệt độ nóng chảy của nó cao hơn NaCl hàng nghìn độ.

MgO nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn nhiều vì các ion mang điện tích ±2 thay vì ±1 và lại nằm gần nhau hơn (212 pm so với 283 pm), khiến lực hút Coulomb mạnh hơn khoảng năm lần. Ước lượng cho năng lượng mạng tinh thể của MgO khoảng 4,2 × 10³ kJ·mol⁻¹, sát với giá trị thực nghiệm 3795 kJ·mol⁻¹ và phù hợp với chênh lệch nhiệt độ nóng chảy quan sát được.

Liên quannăng lượng mạng tinh thể (sắp có)

So vớichất rắn phân tử (sắp có)

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