AP Chemistry

hợp chất ion

ionic compound

Còn gọi: ionic compounds · hợp chất tạo bởi ion

Hợp chất ion là hợp chất được tạo thành từ các cation và anion liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện.

Hợp chất ion là hợp chất được cấu tạo từ các ion dương mang điện tích dương và các ion âm mang điện tích âm. Lực giữ các ion lại với nhau là lực hút tĩnh điện giữa những điện tích trái dấu, được gọi là liên kết ion. Độ lớn của lực hút này phụ thuộc vào điện tích các ion và khoảng cách giữa chúng, thể hiện qua hệ thức:

$F \propto \frac{q_1 \cdot q_2}{r^2}$

Trong đó $q_1$ , $q_2$ là điện tích của hai ion và $r$ là khoảng cách giữa chúng. Do lực hút càng mạnh khi điện tích càng lớn và khoảng cách càng nhỏ, các ion sắp xếp chặt chẽ theo một trật tự lặp lại trong không gian ba chiều, nhờ đó tạo nên mạng tinh thể vững chắc.

Liên kết ion thường hình thành khi nguyên tử của kim loại nhường electron ngoài cùng cho nguyên tử của phi kim. Nguyên nhân là vì kim loại có năng lượng ion hóa (ionization energy) thấp nên dễ mất các electron ngoài cùng để trở thành ion dương, trong khi phi kim có độ âm điện (electronegativity) lớn nên dễ nhận thêm các electron đó để trở thành ion âm. Nhờ vậy, cả hai ion đều đạt cấu hình electron bền vững giống khí hiếm. Tuy nhiên, trên thực tế liên kết ion và liên kết cộng hóa trị (covalent bond) nằm trên một phổ liên tục, bởi hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử càng lớn thì tính ion của liên kết càng cao.

Vì các ion bị giam chặt tại các nút mạng tinh thể nên hợp chất ion thường là chất rắn ở điều kiện thường, đồng thời có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao. Ở trạng thái rắn, các ion không thể di chuyển tự do do đó chất rắn ion không dẫn điện; tuy nhiên, khi hòa tan vào nước hoặc nấu chảy, mạng tinh thể bị phá vỡ và các ion được giải phóng, di chuyển tự do, nhờ đó hệ trở thành chất dẫn điện. Chính vì lí do này, hợp chất ion tan trong nước được xếp vào nhóm chất điện li (electrolyte).

Ký hiệu

M_mX_n

, trong đó

M

là cation,

X

là anion

Trực giác: Hãy tưởng tượng những viên bi tích điện: một nhóm mang điện dương hoàn toàn, một nhóm mang điện âm hoàn toàn, chúng hút chặt lấy nhau thành mạng lưới — phải đun rất nóng mới phá được lực hút giữa các trái dấu đó.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1834Michael FaradaySvante ArrheniusHumphry Davy

Khái niệm ion ra đời từ các thí nghiệm điện phân của nhà hóa học – vật lý người Anh Michael Faraday năm 1834, và đến năm 1884 được Svante Arrhenius giải thích trọn vẹn; hợp chất ion là tên gọi dành cho những chất được tạo nên từ chính các hạt mang điện ấy.

Suốt thế kỷ 19, người ta đã biết một điều kỳ lạ: nước tinh khiết dẫn điện rất kém, nhưng chỉ cần hòa tan muối, axit hay bazơ vào thì dung dịch dẫn điện dễ dàng, và dòng điện lại có thể tách chất tan đó thành các thành phần ban đầu. Trong thập niên 1830, Faraday dành nhiều thời gian thí nghiệm với dòng điện và nhận ra rằng một số hợp chất — ông gọi chúng là chất điện li (electrolyte) — bị phân tách khi cho dòng điện chạy qua, quá trình nay mang tên điện phân (electrolysis). Ông đặt tên cho các mảnh mang điện đó vào năm 1834. Nhưng vì sao và bằng cách nào thì phải chờ đến Arrhenius.

Hay hiểu sai

Công thức hợp chất ion là tỉ lệ tối giản, không phải phân tử.

Cation kim loại mất electron ở lớp ngoài cùng, không phải ở phân lớp d trước.

Anion không đổi điện tích hạt nhân khi nhận electron.

Liên kết ion không phải là "cho hẳn electron rồi thôi".

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Magnesium oxide,

\text{MgO}

, là một chất rắn màu trắng có nhiệt độ nóng chảy rất cao (khoảng

2852\ ^\circ\text{C}

) và được cấu tạo từ các ion

\text{Mg}^{2+}

và

\text{O}^{2-}

. Để so sánh, sodium fluoride,

\text{NaF}

, cũng là chất rắn ion màu trắng nhưng nóng chảy ở khoảng

993\ ^\circ\text{C}

. Bán kính ion gần đúng:

\text{Mg}^{2+}

là

72\ \text{pm}

\text{O}^{2-}

là

140\ \text{pm}

\text{Na}^{+}

là

102\ \text{pm}

\text{F}^{-}

là

133\ \text{pm}

aViết cấu hình electron đầy đủ ở trạng thái cơ bản cho ion $\text{Mg}^{2+}$ và cho ion $\text{O}^{2-}$ . Nhận xét về mối quan hệ giữa hai cấu hình đó.
bTrên phổ quang electron của $\text{Mg}^{2+}$ và của $\text{O}^{2-}$ , hãy so sánh vị trí và chiều cao của đỉnh $1s$ ở hai phổ. Giải thích.
cGiải thích tại sao $\text{MgO}$ có nhiệt độ nóng chảy cao hơn hẳn $\text{NaF}$ , dựa trên lực hút giữa các ion.

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 & tính chất nguyên tử · bài “Electron hóa trị và hợp chất ion” — khoá AP Chemistry

Cần trướcliên kết ion (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

hợp chất cộng hoá trịcovalent compound

Khác nhau ở đâuHợp chất ion hình thành do lực hút tĩnh điện giữa cation và anion, thường là giữa kim loại và phi kim. Hợp chất cộng hoá trị hình thành do dùng chung cặp electron giữa các phi kim.

Hay nhầm khiKhi đề yêu cầu dự đoán loại liên kết từ công thức hóa học, hoặc so sánh nhiệt độ nóng chảy và khả năng dẫn điện

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 13–14, 91.

1Bước 1: Bắt đầu từ nguyên tử trung hòa rồi thêm hoặc bớt electron. Magnesium có

Z = 12

nên nguyên tử

\text{Mg}

là

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2

; khi nhường hai electron lớp ngoài cùng để thành

\text{Mg}^{2+}

, hai electron

3s

ra đi trước, còn lại

1s^2 2s^2 2p^6

. Oxygen có

Z = 8

nên nguyên tử

\text{O}

là

1s^2 2s^2 2p^4

; nhận thêm hai electron vào phân lớp

2p

ta được

\text{O}^{2-}

là

1s^2 2s^2 2p^6

. Hai ion vì vậy có cùng số electron là

10

và cùng cấu hình của neon, tức chúng đẳng electron (isoelectronic) với nhau — nhưng số proton thì hoàn toàn khác,

12

so với

8

2Bước 2: Chiều cao đỉnh trong phổ quang electron (photoelectron spectroscopy) tỉ lệ với số electron ở phân lớp đó. Cả

\text{Mg}^{2+}

lẫn

\text{O}^{2-}

đều có đúng hai electron ở

1s

, nên hai đỉnh

1s

cao bằng nhau. Điểm khác nằm ở trục hoành: năng lượng liên kết (binding energy) của electron

1s

phụ thuộc chủ yếu vào điện tích hạt nhân, mà electron

1s

hầu như không bị electron nào chắn. Hạt nhân

\text{Mg}

có

12

proton kéo electron

1s

mạnh hơn hẳn hạt nhân

\text{O}

chỉ có

8

proton, nên đỉnh

1s

của

\text{Mg}^{2+}

nằm ở năng lượng liên kết lớn hơn nhiều (khoảng

126\ \text{MJ/mol}

so với khoảng

52{,}6\ \text{MJ/mol}

), tức nằm xa hơn về phía bên trái nếu trục vẽ theo quy ước AP.

3Bước 3: Muốn nóng chảy một hợp chất ion thì phải phá vỡ mạng tinh thể, nên nhiệt độ nóng chảy đi cùng chiều với năng lượng mạng tinh thể (lattice energy). Lực hút Coulomb giữa hai ion tuân theo

E \propto \frac{Q_1 Q_2}{d}

trong đó

Q_1, Q_2

là điện tích hai ion và

d

là khoảng cách giữa hai tâm ion. Với

\text{MgO}

, tích điện tích là

(+2)(-2)

, độ lớn bằng

4

, còn với

\text{NaF}

chỉ là

(+1)(-1)

, độ lớn bằng

1

4Bước 4: So sánh tiếp khoảng cách:

d_{\text{MgO}} \approx 72 + 140 = 212\ \text{pm}

, còn

d_{\text{NaF}} \approx 102 + 133 = 235\ \text{pm}

. Như vậy

\text{MgO}

vừa có tích điện tích lớn gấp bốn lần, vừa có các ion nằm gần nhau hơn, và cả hai yếu tố đều làm tăng

E

. Tỉ số ước lượng

\dfrac{4/212}{1/235} \approx 4{,}4

cho thấy lực hút trong

\text{MgO}

mạnh hơn khoảng bốn lần, phù hợp với năng lượng mạng thực nghiệm (

\approx 3795\ \text{kJ/mol}

so với

\approx 923\ \text{kJ/mol}

2Ví dụ 2/2

Hai hợp chất ion khác nhau chỉ chứa copper và chlorine. Một chất là bột màu trắng, chất kia là bột màu nâu. Phân tích nguyên tố cho kết quả: bột trắng chứa

64{,}2\%

copper theo khối lượng, bột nâu chứa

47{,}2\%

copper theo khối lượng. Khối lượng mol nguyên tử:

\text{Cu} = 63{,}55\ \text{g/mol}

\text{Cl} = 35{,}45\ \text{g/mol}

aXác định công thức của mỗi hợp chất và gọi tên chúng theo hệ danh pháp có chỉ số oxi hóa.
bTrong hai câu hỏi sau, câu nào có thể trả lời được nhờ kết quả phân tích nguyên tố: "Tỉ lệ số ion $\text{Cu}$ và $\text{Cl}$ trong mỗi chất là bao nhiêu?" hay "Vì sao một chất màu trắng còn chất kia màu nâu?" Giải thích.

1Bước 1: Giả sử có

100\ \text{g}

mẫu bột trắng thì khối lượng copper là

64{,}2\ \text{g}

và khối lượng chlorine là

100 - 64{,}2 = 35{,}8\ \text{g}

. Đổi sang số mol:

n_{\text{Cu}} = \dfrac{64{,}2}{63{,}55} = 1{,}010\ \text{mol}

và

n_{\text{Cl}} = \dfrac{35{,}8}{35{,}45} = 1{,}010\ \text{mol}

. Tỉ lệ mol là

1{,}010 : 1{,}010 = 1 : 1

, vậy bột trắng có công thức

\text{CuCl}

2Bước 2: Làm tương tự với

100\ \text{g}

bột nâu:

n_{\text{Cu}} = \dfrac{47{,}2}{63{,}55} = 0{,}7427\ \text{mol}

và

n_{\text{Cl}} = \dfrac{52{,}8}{35{,}45} = 1{,}489\ \text{mol}

. Chia cả hai cho số nhỏ hơn:

\dfrac{1{,}489}{0{,}7427} = 2{,}01 \approx 2

. Tỉ lệ

1 : 2

cho công thức

\text{CuCl}_2

3Bước 3: Vì ion chloride luôn là

\text{Cl}^{-}

, điện tích của ion đồng phải cân bằng đúng bằng tổng điện tích âm. Trong

\text{CuCl}

chỉ có một

\text{Cl}^{-}

nên ion đồng là

\text{Cu}^{+}

, hợp chất mang tên copper(I) chloride; trong

\text{CuCl}_2

có hai

\text{Cl}^{-}

nên ion đồng là

\text{Cu}^{2+}

, hợp chất mang tên copper(II) chloride. Cần nhớ rằng

\text{CuCl}_2

không mô tả một phân tử riêng lẻ mà chỉ là công thức thực nghiệm (empirical formula) cho tỉ lệ ion nhỏ nhất trong mạng tinh thể.

4Bước 4: Phân tích nguyên tố chỉ đo được phần trăm khối lượng từng nguyên tố, tức chỉ cho biết tỉ lệ số nguyên tử. Do đó nó trả lời trọn vẹn câu hỏi về tỉ lệ ion, và từ đó suy ra được cả điện tích của ion đồng trong mỗi chất. Ngược lại, màu sắc bắt nguồn từ các mức năng lượng của electron

d

trong ion

\text{Cu}^{2+}

và từ cách các ion sắp xếp trong tinh thể, những thông tin mà phép cân khối lượng hoàn toàn không chạm tới.

Bột trắng là $\text{CuCl}$ (copper(I) chloride) với ion $\text{Cu}^{+}$ , còn bột nâu là $\text{CuCl}_2$ (copper(II) chloride) với ion $\text{Cu}^{2+}$ . Kết quả phân tích nguyên tố chỉ đủ để trả lời câu hỏi về tỉ lệ số ion $\text{Cu}$ và $\text{Cl}$ trong mỗi hợp chất; nó không giải thích được vì sao một chất trắng còn chất kia nâu.