MasterSchool

Hóa học lớp 12 · KNTT · Chương 6

Lý thuyết Hóa học 12 Bài 18: Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại

Chương 6: Đại cương về kim loại · Kết nối tri thức với cuộc sống

Tóm tắt lý thuyết Hóa học 12 Bài 18: Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại theo chương trình SGK Kết nối tri thức với cuộc sống. Hệ thống hoá toàn bộ kiến thức trọng tâm, phương trình phản ứng hóa học KaTeX chuẩn, bảng biểu trực quan và câu hỏi củng cố có lời giải chi tiết.

Lớp

I. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA NGUYÊN TỬ KIM LOẠI

Trong cùng một chu kì, so với các nguyên tử nguyên tố phi kim, nguyên tử kim loại có điện tích hạt nhân nhỏ hơn và bán kính lớn hơn nên dễ nhường electron hoá trị hơn và có độ âm điện nhỏ hơn.

II. TINH THỂ KIM LOẠI

1. Tinh thể kim loại

- Ở nhiệt độ phòng, các đơn chất kim loại ở thể rắn và có cấu tạo tinh thể (trừ thuỷ ngân ở thể lỏng).

- Trong tinh thể kim loại, các ion dương kim loại nằm ở các nút mạng tinh thể và các electron hoá trị chuyển động tự do xung quanh.

- Mở rộng:

Các kiểu mạng tinh thể phổ biến của kim loại

Kiểu mạng tinh thể

Mạng lập phương tâm khối

Mạng lập phương tâm mặt

Mạng lục phương chặt khít

Cấu trúc

Hình ảnh minh họa SGK Hóa học 12

Hình ảnh minh họa SGK Hóa học 12

Hình ảnh minh họa SGK Hóa học 12

Độ đặc khít (%)

68

74

74

Số phố trí

8

12

12

Ví dụ

Li, Na, K, Ba…

Ca, Sr, Cu…

Be, Mg, …

2. Liên kết kim loại

Trong tinh thể kim loại, liên kết kim loại được hình thành do lực hút tĩnh điện giữa các electron hoá trị tự do với các ion dương kim loại ở các nút mạng.

Hình ảnh minh họa SGK Hóa học 12

🌟 Em đã học (Ghi nhớ kiến thức trọng tâm)

  • Vị trí của kim loại trong Bảng tuần hoàn: Chiếm hơn 80% tổng số các nguyên tố hóa học, gồm toàn bộ nhóm IA (trừ H), nhóm IIA, nhóm IIIA (trừ B), một phần các nhóm IVA, VA, VIA, toàn bộ các phân nhóm phụ B (từ nhóm IB đến VIIIB), và hai họ Lanthanoid, Actinoid.
  • Cấu tạo nguyên tử kim loại: Thường chỉ có từ 1 đến 3 electron ở lớp ngoài cùng (ns1,ns2,ns2np1ns^1, ns^2, ns^2np^1), bán kính nguyên tử tương đối lớn và năng lượng ion hóa nhỏ so với phi kim cùng chu kì, nên dễ nhường electron để trở thành cation kim loại mang điện tích dương.
  • Mạng tinh thể kim loại: Kim loại tồn tại ở trạng thái rắn (trừ thủy ngân Hg ở thể lỏng) với ba kiểu mạng tinh thể phổ biến: 1. Mạng lập phương tâm khối (bcc - độ đặc khít 68%68\%, ví dụ: Li, Na, K, Ba, Cr, Fe-α\alpha); 2. Mạng lập phương tâm diện (fcc - độ đặc khít 74%74\%, ví dụ: Cu, Ag, Au, Al, Ni, Fe-γ\gamma); 3. Mạng lục phương (hcp - độ đặc khít 74%74\%, ví dụ: Be, Mg, Zn).
  • Bản chất liên kết kim loại: Là liên kết được hình thành giữa các ion dương kim loại ở các nút mạng tinh thể với các electron tự do (biển electron) chuyển động tự do hỗn loạn trong toàn bộ thể tích của tinh thể kim loại nhờ lực hút tĩnh điện đa hướng.

Câu hỏi ôn tập & củng cố bài học

Liên kết kim loại được hình thành như thế nào và tại sao liên kết kim loại lại không có tính định hướng và không bão hòa như liên kết cộng hóa trị?
Liên kết kim loại hình thành do lực hút tĩnh điện giữa các ion dương kim loại nằm cố định tại các nút mạng tinh thể với đám mây electron tự do (các electron hóa trị bứt ra khỏi nguyên tử) chuyển động hỗn loạn không định hướng trong toàn bộ khối kim loại. Khác với liên kết cộng hóa trị (hình thành do sự xen phủ orbital định hướng trong không gian và số lượng cặp electron chung bị giới hạn theo quy tắc bát tử bão hòa), trong tinh thể kim loại, các electron tự do thuộc về toàn bộ tinh thể, liên kết với bất kì cation kim loại lân cận nào theo mọi phương hướng. Do đó liên kết kim loại không có tính định hướng và không bão hòa, cho phép các lớp tinh thể trượt lên nhau mà không bị phá vỡ cấu trúc.
So sánh ba kiểu mạng tinh thể kim loại chính: Lập phương tâm khối, Lập phương tâm diện và Lục phương về số phối trí và độ đặc khít?
1. Mạng lập phương tâm khối (bcc): - Số phối trí: 8 (mỗi nguyên tử tiếp xúc với 8 nguyên tử lân cận ở các đỉnh của hình lập phương). - Độ đặc khít: 68%68\% thể tích không gian được chiếm giữ, còn 32%32\% là khe hở. 2. Mạng lập phương tâm diện (fcc): - Số phối trí: 12 (mỗi nguyên tử tiếp xúc với 12 nguyên tử lân cận). - Độ đặc khít: 74%74\% (mạng xếp chặt sít nhất). 3. Mạng lục phương (hcp): - Số phối trí: 12. - Độ đặc khít: 74%74\% (mạng xếp chặt sít nhất).
Tại sao thủy ngân (HgHg) lại là kim loại duy nhất ở thể lỏng ở nhiệt độ phòng (25∘C25^\circ\text{C})?
Thủy ngân (HgHg, Z=80Z=80) có cấu hình electron [Xe]4f145d106s2[Xe]4f^{14}5d^{10}6s^2. Phân lớp 6s26s^2 đã bão hòa hoàn toàn và chịu hiệu ứng tương đối tính (relativistic effect) rất mạnh: tốc độ chuyển động cực lớn của các electron bên trong làm tăng khối lượng biểu kiến của electron, khiến orbital 6s6s co rút mạnh về phía hạt nhân và giữ chặt cặp electron 6s26s^2. Do cặp electron 6s26s^2 bị giữ quá chặt khó tham gia vào biển electron tự do chung, liên kết kim loại giữa các nguyên tử Hg rất yếu, năng lượng liên kết mạng tinh thể thấp dẫn đến nhiệt độ nóng chảy của thủy ngân cực kì thấp (−38,83∘C-38{,}83^\circ\text{C}), khiến Hg ở trạng thái lỏng ở điều kiện thường.
Tính khối lượng riêng (DD) của kim loại đồng (Cu) biết đồng kết tinh theo mạng lập phương tâm diện với hằng số mạng (độ dài cạnh ô mạng cơ sở) a=3,61×10−8 cma = 3{,}61 \times 10^{-8}\text{ cm}, khối lượng mol nguyên tử của Cu là 63,55 g/mol63{,}55\text{ g/mol}?
Trong một ô mạng cơ sở lập phương tâm diện (fcc): - 8 nguyên tử ở 8 đỉnh: 8×18=1 nguyeˆn tử8 \times \frac{1}{8} = 1\text{ nguyên tử}. - 6 nguyên tử ở tâm 6 mặt: 6×12=3 nguyeˆn tử6 \times \frac{1}{2} = 3\text{ nguyên tử}. Tổng số nguyên tử Cu trong 1 ô mạng cơ sở là n=4 nguyeˆn tửn = 4\text{ nguyên tử}. Thể tích của một ô mạng cơ sở: V=a3=(3,61×10−8)3≈4,7046×10−23 cm3V = a^3 = (3{,}61 \times 10^{-8})^3 \approx 4{,}7046 \times 10^{-23}\text{ cm}^3 Khối lượng của một ô mạng cơ sở: m=4×MCuNA=4×63,556,022×1023≈4,221×10−22 gm = \frac{4 \times M_{Cu}}{N_A} = \frac{4 \times 63{,}55}{6{,}022 \times 10^{23}} \approx 4{,}221 \times 10^{-22}\text{ g} Khối lượng riêng của kim loại đồng: D=mV=4,221×10−224,7046×10−23≈8,97 g/cm3D = \frac{m}{V} = \frac{4{,}221 \times 10^{-22}}{4{,}7046 \times 10^{-23}} \approx 8{,}97\text{ g/cm}^3

Đề luyện tập theo bài