Bài học

Liên kết ion

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được sự hình thành liên kết ion giữa cation và anion, viết được sơ đồ hình thành một số hợp chất ion đơn giản, và lập được công thức hợp chất ion đúng bằng cách cân bằng điện tích.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước, em đã biết nguyên tử kim loại điển hình nhường electron để tạo cation, còn nguyên tử phi kim điển hình nhận electron để tạo anion — cả hai đều nhằm đạt octet. Bài này trả lời câu hỏi tiếp theo: sau khi hai loại ion trái dấu đó xuất hiện, điều gì giữ chúng lại với nhau thành một hợp chất bền?

Khởi động

Muối ăn NaCl ở thể rắn không hề dẫn điện, dù được tạo từ các ion mang điện. Nhưng chỉ cần nung chảy NaCl hoặc hoà tan nó vào nước, dung dịch/chất lỏng thu được lại dẫn điện tốt. Vì sao tinh thể rắn không dẫn điện, còn ở thể lỏng hoặc khi tan trong nước thì có?

Kiến thức trọng tâm

Liên kết ion là liên kết được hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu — cation (ion dương) và anion (ion âm). Loại liên kết này thường gặp giữa kim loại điển hình (nhóm IA, IIA) và phi kim điển hình (nhóm VIA, VIIA), đúng như hai trường hợp Na/Cl và Mg/O đã xét ở bài trước.

Quá trình hình thành NaCl gồm hai bước electron rồi mới đến bước hút tĩnh điện. Trước hết, nguyên tử Na nhường 1 electron cho nguyên tử Cl: $Na \rightarrow Na^+ + e^-$ và $Cl + e^- \rightarrow Cl^-$ . Sau đó, ion $Na^+$ và ion $Cl^-$ mang điện tích trái dấu hút nhau bằng lực tĩnh điện, sắp xếp luân phiên trong không gian tạo thành mạng tinh thể ion NaCl — không phải từng cặp $Na^+Cl^-$ riêng lẻ, mà mỗi ion $Na^+$ được bao quanh bởi nhiều ion $Cl^-$ và ngược lại, tạo một mạng lưới ba chiều rất bền.

Quá trình hình thành NaCl gồm hai bước electron rồi mới đến bước hút tĩnh điện. Trước hết, nguyên tử Na nhường 1 electron cho nguyên tử Cl: $Na \rightarrow Na^+ + e^-$ và $Cl + e^- \rightarrow Cl^-$. Sau đó, ion $Na^+$ và ion $Cl^-$ mang điện tích trái dấu hút nhau bằng lực tĩnh điện, sắp xếp luân phiên trong không gian tạo thành mạng tinh thể ion NaCl — không phải từng cặp $Na^+Cl^-$ riêng lẻ, mà mỗi ion $Na^+$ được bao quanh bởi nhiều ion $Cl^-$ và ngược lại, tạo một mạng lưới ba chiều rất bền.

Khi hai ion tạo thành không cùng độ lớn điện tích, công thức hợp chất phải cân bằng điện tích sao cho tổng điện tích dương bằng tổng điện tích âm. Với $Mg^{2+}$ và $Cl^-$ , một ion $Mg^{2+}$ cần hai ion $Cl^-$ mới trung hoà điện tích, nên công thức là $MgCl_2$ , không phải $MgCl$ . Với $Al^{3+}$ và $O^{2-}$ , bội số chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6, nên cần 2 ion $Al^{3+}$ (tổng +6) và 3 ion $O^{2-}$ (tổng −6), công thức là $Al_2O_3$ .

Khi hai ion tạo thành không cùng độ lớn điện tích, công thức hợp chất phải **cân bằng điện tích** sao cho tổng điện tích dương bằng tổng điện tích âm. Với $Mg^{2+}$ và $Cl^-$, một ion $Mg^{2+}$ cần hai ion $Cl^-$ mới trung hoà điện tích, nên công thức là $MgCl_2$, không phải $MgCl$. Với $Al^{3+}$ và $O^{2-}$, bội số chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6, nên cần 2 ion $Al^{3+}$ (tổng +6) và 3 ion $O^{2-}$ (tổng −6), công thức là $Al_2O_3$.

Mạng tinh thể ion có lực hút tĩnh điện rất mạnh giữa hàng loạt ion xếp khít nhau, nên hợp chất ion thường có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao (NaCl nóng chảy ở 801 °C), thể rắn ở điều kiện thường, cứng nhưng giòn. Ở thể rắn, các ion bị giữ cố định tại vị trí trong mạng nên KHÔNG dẫn điện; nhưng khi nung chảy hoặc hoà tan trong nước, các ion tách rời và có thể di chuyển tự do, mang điện tích di chuyển được — đó là lý do hợp chất ion dẫn điện ở thể lỏng hoặc trong dung dịch chứ không dẫn điện ở thể rắn.

Liên kết ion không chỉ có ở muối ăn. Calcium chloride ( $CaCl_2$ ) được rải trên đường vào mùa đông ở nhiều nước để hạ nhiệt độ đóng băng của nước; potassium chloride ( $KCl$ ) là thành phần của nhiều loại phân bón kali; còn trong cơ thể người, các ion $Na^+$ , $K^+$ , $Ca^{2+}$ hoà tan trong máu và dịch tế bào đóng vai trò dẫn truyền tín hiệu thần kinh — chính nhờ đặc điểm ion di chuyển tự do được khi hoà tan trong nước, đúng như tính chất chung của hợp chất ion vừa nêu.

Liên kết ion không chỉ có ở muối ăn. Calcium chloride ($CaCl_2$) được rải trên đường vào mùa đông ở nhiều nước để hạ nhiệt độ đóng băng của nước; potassium chloride ($KCl$) là thành phần của nhiều loại phân bón kali; còn trong cơ thể người, các ion $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$ hoà tan trong máu và dịch tế bào đóng vai trò dẫn truyền tín hiệu thần kinh — chính nhờ đặc điểm ion di chuyển tự do được khi hoà tan trong nước, đúng như tính chất chung của hợp chất ion vừa nêu.

Ví dụ

Viết sơ đồ hình thành liên kết ion trong NaCl

1
Viết sơ đồ hình thành liên kết ion khi nguyên tử Na (Z = 11) kết hợp với nguyên tử Cl (Z = 17) tạo thành NaCl.
2
Ta có $Na \rightarrow Na^+ + e^-$ (Na nhường 1 electron, đạt octet giống Ne). Ta có $Cl + e^- \rightarrow Cl^-$ (Cl nhận 1 electron, đạt octet giống Ar).
Ta có $Na \rightarrow Na^+ + e^-$ (Na nhường 1 electron, đạt octet giống Ne). Ta có $Cl + e^- \rightarrow Cl^-$ (Cl nhận 1 electron, đạt octet giống Ar).
3
Ion $Na^+$ và ion $Cl^-$ mang điện tích trái dấu, hút nhau bằng lực tĩnh điện: $Na^+ + Cl^- \rightarrow NaCl$ .
Ion $Na^+$ và ion $Cl^-$ mang điện tích trái dấu, hút nhau bằng lực tĩnh điện: $Na^+ + Cl^- \rightarrow NaCl$.
4
Vậy công thức hợp chất tạo thành là NaCl, tỉ lệ ion là 1 : 1 vì điện tích hai ion bằng nhau về độ lớn (+1 và −1).

Ví dụ

Lập công thức hợp chất ion từ Al và O (dạng thi)

1
Aluminium oxide là thành phần chính của quặng bauxite dùng để sản xuất nhôm kim loại. Biết Al (Z = 13) nhường electron tạo ion $Al^{3+}$ , O (Z = 8) nhận electron tạo ion $O^{2-}$ . Hãy lập công thức của hợp chất ion tạo thành và giải thích vì sao không thể viết là AlO.
Aluminium oxide là thành phần chính của quặng bauxite dùng để sản xuất nhôm kim loại. Biết Al (Z = 13) nhường electron tạo ion $Al^{3+}$, O (Z = 8) nhận electron tạo ion $O^{2-}$. Hãy lập công thức của hợp chất ion tạo thành và giải thích vì sao không thể viết là AlO.
2
Ta có ion nhôm mang điện tích +3 ( $Al^{3+}$ ) và ion oxide mang điện tích −2 ( $O^{2-}$ ).
Ta có ion nhôm mang điện tích +3 ($Al^{3+}$) và ion oxide mang điện tích −2 ($O^{2-}$).
3
Để hợp chất trung hoà điện, tổng điện tích dương phải bằng tổng điện tích âm. Bội số chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6, nên cần 2 ion $Al^{3+}$ (tổng $+6$ ) và 3 ion $O^{2-}$ (tổng $-6$ ).
Để hợp chất trung hoà điện, tổng điện tích dương phải bằng tổng điện tích âm. Bội số chung nhỏ nhất của 3 và 2 là 6, nên cần 2 ion $Al^{3+}$ (tổng $+6$) và 3 ion $O^{2-}$ (tổng $-6$).
4
Số ion mỗi loại chính là chỉ số dưới trong công thức, viết theo tỉ lệ tối giản 2 : 3, nên công thức đúng là $Al_2O_3$ .
Số ion mỗi loại chính là chỉ số dưới trong công thức, viết theo tỉ lệ tối giản 2 : 3, nên công thức đúng là $Al_2O_3$.
5
Công thức AlO sai vì với tỉ lệ 1 : 1, tổng điện tích là $+3$ và $-2$ , không triệt tiêu nhau — hợp chất không trung hoà điện, không thể tồn tại. Vậy công thức đúng của hợp chất là $Al_2O_3$ .
Công thức AlO sai vì với tỉ lệ 1 : 1, tổng điện tích là $+3$ và $-2$, không triệt tiêu nhau — hợp chất không trung hoà điện, không thể tồn tại. Vậy công thức đúng của hợp chất là $Al_2O_3$.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất là quên cân bằng điện tích khi ghép hai ion có điện tích khác độ lớn — ví dụ viết $MgCl$ thay vì $MgCl_2$ , hoặc $CaO_2$ thay vì $CaO$ (ở đây điện tích +2 và −2 đã bằng nhau nên tỉ lệ 1:1 mới đúng). Luôn kiểm tra: lấy chỉ số điện tích của ion này làm số lượng ion kia (rồi rút gọn nếu có ước chung), và kiểm tra lại tổng điện tích dương phải bằng tổng điện tích âm trước khi kết luận.

Lỗi phổ biến nhất là quên cân bằng điện tích khi ghép hai ion có điện tích khác độ lớn — ví dụ viết $MgCl$ thay vì $MgCl_2$, hoặc $CaO_2$ thay vì $CaO$ (ở đây điện tích +2 và −2 đã bằng nhau nên tỉ lệ 1:1 mới đúng). Luôn kiểm tra: lấy chỉ số điện tích của ion này làm số lượng ion kia (rồi rút gọn nếu có ước chung), và kiểm tra lại tổng điện tích dương phải bằng tổng điện tích âm trước khi kết luận.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Liên kết ion = lực hút tĩnh điện giữa cation và anion, thường giữa kim loại điển hình và phi kim điển hình. Lập công thức bằng cách cân bằng điện tích (lấy chéo chỉ số điện tích, rút gọn nếu có thể). Hợp chất ion: nhiệt độ nóng chảy cao, rắn và giòn, chỉ dẫn điện khi nóng chảy hoặc tan trong nước.

Không phải mọi cặp nguyên tử đều nhường/nhận hẳn electron cho nhau. Khi hai nguyên tử phi kim gặp nhau, cả hai đều muốn nhận thêm electron chứ không ai chịu nhường — chương tiếp theo sẽ giải quyết tình huống đó bằng một kiểu liên kết hoàn toàn khác: liên kết cộng hoá trị, nơi electron được dùng chung thay vì bị chuyển hẳn.