Bài học

Đặc điểm liên kết kim loại

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được mô hình liên kết kim loại (mạng cation kim loại và electron hoá trị tự do), phân biệt được liên kết kim loại với liên kết ion và liên kết cộng hoá trị, và giải thích được vì sao nhiệt độ nóng chảy của kim loại tăng khi số electron hoá trị góp vào tăng.

Kiến thức nền cần nhớ

Ba bài trước đã học ba kiểu liên kết đều xảy ra GIỮA hai nguyên tử (hoặc hai loại ion) xác định: liên kết ion giữa cation và anion, liên kết cộng hoá trị (không phân cực hoặc phân cực) giữa hai nguyên tử phi kim dùng chung electron. Nhưng một thỏi đồng nguyên chất chỉ gồm hàng tỉ tỉ nguyên tử Cu giống hệt nhau — không có phi kim để dùng chung electron, cũng không có ion trái dấu để hút nhau theo từng cặp. Bài này giải thích cách các nguyên tử kim loại giống nhau liên kết với nhau trong toàn khối.

Khởi động

Dây điện trong nhà luôn làm từ đồng hoặc nhôm — hai kim loại dẫn điện rất tốt. Nhưng muối ăn NaCl ở thể rắn, dù cũng được tạo từ các hạt mang điện (ion), lại hoàn toàn không dẫn điện. Vì sao electron trong kim loại rắn di chuyển được dễ dàng, còn ion trong tinh thể muối rắn thì không?

Kiến thức trọng tâm

Trong đơn chất kim loại, mỗi nguyên tử kim loại nhường bớt một số electron hoá trị (đúng theo quy tắc octet đã học ở Chương 1), nhưng khác với liên kết ion, các electron này KHÔNG chuyển hẳn sang một nguyên tử phi kim cụ thể nào — chúng tách khỏi nguyên tử ban đầu và di chuyển tự do trong toàn khối kim loại, không thuộc riêng về nguyên tử nào. Phần còn lại của mỗi nguyên tử, mang điện tích dương, trở thành cation kim loại, xếp thành một mạng tinh thể đều đặn.

Trong đơn chất kim loại, mỗi nguyên tử kim loại nhường bớt một số electron hoá trị (đúng theo quy tắc octet đã học ở Chương 1), nhưng khác với liên kết ion, các electron này KHÔNG chuyển hẳn sang một nguyên tử phi kim cụ thể nào — chúng tách khỏi nguyên tử ban đầu và di chuyển tự do trong toàn khối kim loại, không thuộc riêng về nguyên tử nào. Phần còn lại của mỗi nguyên tử, mang điện tích dương, trở thành **cation kim loại**, xếp thành một mạng tinh thể đều đặn.

Liên kết kim loại là lực hút tĩnh điện giữa các cation kim loại trong mạng tinh thể với các electron hoá trị tự do di chuyển xung quanh chúng — hình ảnh quen thuộc để mô tả là các cation kim loại "ngâm" trong một "biển electron" chung cho cả khối. Đây là điểm khác biệt căn bản so với liên kết ion (electron cố định thuộc về một anion cụ thể) và liên kết cộng hoá trị (electron cố định thuộc về một cặp nguyên tử cụ thể) — trong kim loại, electron hoá trị electron chung cho toàn bộ mạng tinh thể, không định vị vào một vị trí cố định nào.

**Liên kết kim loại** là lực hút tĩnh điện giữa các cation kim loại trong mạng tinh thể với các electron hoá trị tự do di chuyển xung quanh chúng — hình ảnh quen thuộc để mô tả là các cation kim loại "ngâm" trong một "biển electron" chung cho cả khối. Đây là điểm khác biệt căn bản so với liên kết ion (electron cố định thuộc về một anion cụ thể) và liên kết cộng hoá trị (electron cố định thuộc về một cặp nguyên tử cụ thể) — trong kim loại, electron hoá trị **electron chung cho toàn bộ mạng tinh thể**, không định vị vào một vị trí cố định nào.

Số electron hoá trị mỗi nguyên tử kim loại góp vào "biển electron" phụ thuộc vào nhóm của nguyên tố: kim loại nhóm IA góp 1 electron mỗi nguyên tử (như Na), nhóm IIA góp 2 electron (như Mg), nhóm IIIA góp 3 electron (như Al). Càng nhiều electron được góp vào, mật độ electron tự do giữa các cation càng lớn, lực hút tĩnh điện giữa cation và biển electron càng mạnh, khiến liên kết kim loại càng bền — thể hiện rõ qua nhiệt độ nóng chảy tăng dần: Na (góp 1e, nóng chảy ở 98 °C) thấp hơn nhiều so với Mg (góp 2e, nóng chảy ở 650 °C) và Al (góp 3e, nóng chảy ở 660 °C).

Nhiệt độ nóng chảy tăng mạnh từ Na đến Mg và Al vì số electron hoá trị góp vào "biển electron" tăng dần (1, 2, 3 electron mỗi nguyên tử), khiến lực hút tĩnh điện giữa cation và electron tự do mạnh dần.

Ví dụ

Mô tả liên kết kim loại trong kim loại Na

1
Mô tả mô hình liên kết kim loại trong một khối kim loại sodium (Na) nguyên chất.
2
Na (Z = 11) có 1 electron hoá trị ở lớp ngoài cùng. Mỗi nguyên tử Na nhường electron này, tách khỏi nguyên tử và di chuyển tự do trong toàn khối kim loại.
3
Phần còn lại của mỗi nguyên tử Na, mang điện tích +1, trở thành cation $Na^+$ , xếp thành mạng tinh thể đều đặn trong toàn khối kim loại.
Phần còn lại của mỗi nguyên tử Na, mang điện tích +1, trở thành cation $Na^+$, xếp thành mạng tinh thể đều đặn trong toàn khối kim loại.
4
Các cation $Na^+$ được giữ với nhau nhờ lực hút tĩnh điện với biển electron tự do bao quanh — đó chính là liên kết kim loại trong khối Na.
Các cation $Na^+$ được giữ với nhau nhờ lực hút tĩnh điện với biển electron tự do bao quanh — đó chính là liên kết kim loại trong khối Na.

Ví dụ

So sánh nhiệt độ nóng chảy của Na, Mg, Al (dạng thi)

1
Ba kim loại Na, Mg, Al đứng liền nhau trong chu kì 3 của bảng tuần hoàn, có nhiệt độ nóng chảy lần lượt là 98 °C, 650 °C, 660 °C. Hãy giải thích vì sao nhiệt độ nóng chảy tăng mạnh từ Na đến Mg, dựa trên mô hình liên kết kim loại.
2
Na thuộc nhóm IA, góp 1 electron hoá trị mỗi nguyên tử vào biển electron. Mg thuộc nhóm IIA, góp 2 electron. Al thuộc nhóm IIIA, góp 3 electron.
3
Số electron hoá trị góp vào càng nhiều, mật độ electron tự do trong biển electron giữa các cation càng lớn, đồng thời điện tích dương của mỗi cation cũng lớn hơn (từ $Na^+$ đến $Mg^{2+}$ , $Al^{3+}$ ).
Số electron hoá trị góp vào càng nhiều, mật độ electron tự do trong biển electron giữa các cation càng lớn, đồng thời điện tích dương của mỗi cation cũng lớn hơn (từ $Na^+$ đến $Mg^{2+}$, $Al^{3+}$).
4
Điện tích cation lớn hơn cộng với mật độ electron tự do dày đặc hơn khiến lực hút tĩnh điện giữa cation và biển electron mạnh hơn, nên cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ mạng tinh thể kim loại (tức nóng chảy).
5
Nhiệt độ nóng chảy tăng dần từ Na (98 °C) qua Mg (650 °C) đến Al (660 °C) đúng theo chiều tăng số electron hoá trị góp vào liên kết kim loại — liên kết kim loại càng nhiều electron góp vào càng bền.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nhầm liên kết kim loại với liên kết ion vì cả hai đều có "cation". Cần phân biệt rõ: trong liên kết ion, cation kim loại hút MỘT anion phi kim cụ thể theo tỉ lệ cố định (như $Na^+$ hút $Cl^-$ ); trong liên kết kim loại, cation kim loại được bao quanh bởi biển electron TỰ DO, KHÔNG có anion phi kim nào cả — toàn bộ chất chỉ gồm nguyên tố kim loại.

Học sinh dễ nhầm liên kết kim loại với liên kết ion vì cả hai đều có "cation". Cần phân biệt rõ: trong liên kết ion, cation kim loại hút MỘT anion phi kim cụ thể theo tỉ lệ cố định (như $Na^+$ hút $Cl^-$); trong liên kết kim loại, cation kim loại được bao quanh bởi biển electron TỰ DO, KHÔNG có anion phi kim nào cả — toàn bộ chất chỉ gồm nguyên tố kim loại.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Liên kết kim loại = lực hút tĩnh điện giữa mạng cation kim loại và biển electron hoá trị tự do. Số electron góp vào càng nhiều (theo nhóm IA < IIA < IIIA), liên kết càng bền, nhiệt độ nóng chảy càng cao. Khác liên kết ion (có anion phi kim cụ thể) và liên kết cộng hoá trị (electron thuộc cặp nguyên tử cố định).

Mô hình biển electron không chỉ giải thích được độ bền liên kết — nó còn giải thích được hầu hết các tính chất vật lí đặc trưng mà ta quan sát hằng ngày ở kim loại: ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt, và tính dẻo. Bài tiếp theo sẽ đi vào từng tính chất một.