Bài học

Cấu tạo nguyên tử kim loại và liên kết kim loại

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được đặc điểm cấu tạo nguyên tử của các nguyên tố kim loại, mô tả được mô hình liên kết kim loại trong mạng tinh thể, và giải thích được vì sao chính kiểu liên kết này khiến kim loại có tính khử — dễ nhường electron để tạo cation.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 6 (Pin điện và điện phân), em đã làm việc với cặp oxi hoá – khử $M^{n+}/M$ và biết rằng mỗi kim loại có một thế điện cực chuẩn $E^\circ$ riêng, phản ánh mức độ dễ nhường electron của nó. Bài này quay lại một bước, trả lời câu hỏi vì sao kim loại lại có xu hướng nhường electron như vậy — câu trả lời nằm ngay ở cấu tạo nguyên tử và kiểu liên kết giữ các nguyên tử kim loại lại với nhau trong một khối chất rắn.

Khởi động

Uốn cong một đoạn dây đồng, nó chỉ biến dạng chứ không gãy. Bẻ một miếng than chì (cũng là chất rắn với liên kết cộng hoá trị khá bền), nó vỡ vụn ngay. Cả hai đều là chất rắn, đều có liên kết mạnh giữ các nguyên tử — vậy điều gì làm nên sự khác biệt về độ dẻo giữa chúng?

Kiến thức trọng tâm

Phần lớn nguyên tử kim loại có ba đặc điểm chung: số electron ở lớp ngoài cùng ít (thường 1–3 electron), bán kính nguyên tử tương đối lớn so với phi kim cùng chu kì, và năng lượng ion hoá thấp. Ba đặc điểm này cộng hưởng với nhau: electron lớp ngoài cùng ở xa hạt nhân, lại chịu lực hút hạt nhân yếu vì có ít electron che chắn ổn định, nên dễ tách ra khỏi nguyên tử. Đó chính là gốc rễ của tính khử mà em đã gặp qua dãy thế điện cực chuẩn ở Course 6: kim loại dễ nhường electron ( $M \to M^{n+} + ne$ ) vì cấu tạo nguyên tử của nó vốn đã thuận lợi cho việc đó.

Phần lớn nguyên tử kim loại có ba đặc điểm chung: số electron ở lớp ngoài cùng ít (thường 1–3 electron), bán kính nguyên tử tương đối lớn so với phi kim cùng chu kì, và năng lượng ion hoá thấp. Ba đặc điểm này cộng hưởng với nhau: electron lớp ngoài cùng ở xa hạt nhân, lại chịu lực hút hạt nhân yếu vì có ít electron che chắn ổn định, nên dễ tách ra khỏi nguyên tử. Đó chính là gốc rễ của tính khử mà em đã gặp qua dãy thế điện cực chuẩn ở Course 6: kim loại dễ nhường electron ($M \to M^{n+} + ne$) vì cấu tạo nguyên tử của nó vốn đã thuận lợi cho việc đó.

Khi hàng tỉ nguyên tử kim loại tụ lại thành một khối rắn, chúng không giữ electron hoá trị cho riêng mình như trong liên kết cộng hoá trị, cũng không nhường hẳn electron cho một nguyên tử cụ thể khác như trong liên kết ion. Thay vào đó, các nguyên tử kim loại mất electron hoá trị trở thành cation, xếp thành một mạng tinh thể đều đặn; các electron tách ra đó không thuộc về một cation riêng lẻ nào mà di chuyển tự do khắp toàn bộ khối kim loại, tạo thành một "biển electron" chung. Liên kết kim loại chính là lực hút tĩnh điện giữa các cation nằm ở nút mạng và biển electron tự do bao quanh chúng — lực này không định hướng theo một cặp nguyên tử cố định như liên kết cộng hoá trị, mà lan toả đều theo mọi phía.

Tuỳ nguyên tố, các cation kim loại sắp xếp theo một trong ba kiểu mạng tinh thể phổ biến: mạng lập phương tâm khối (ví dụ Na, K, Fe ở nhiệt độ thường), mạng lập phương tâm diện (Cu, Al, Ag, Au) và mạng lục phương chặt khít (Zn, Mg). Kiểu mạng khác nhau khiến các lớp cation có thể trượt lên nhau dễ hay khó khác nhau, và đó là một phần lý do vì sao độ dẻo của các kim loại không giống nhau — điều em sẽ khai thác sâu hơn ở bài tiếp theo.

Ví dụ

Giải thích vì sao kim loại có tính dẻo

1
Dùng mô hình liên kết kim loại, giải thích vì sao một tấm kim loại có thể dát mỏng, kéo sợi mà không bị vỡ, trong khi một tinh thể ion (như muối ăn) lại giòn, dễ vỡ vụn khi chịu lực.
2
Trong mạng tinh thể kim loại, lực hút giữ mạng là lực hút tĩnh điện giữa cation và biển electron tự do — lực này không gắn cố định theo một hướng nào. Khi có ngoại lực tác động, các lớp cation có thể trượt trên nhau sang vị trí mới.
3
Ở muối ăn, mỗi ion dương chỉ liên kết tĩnh điện với các ion âm ngay sát nó theo một trật tự xen kẽ cố định. Khi một lớp ion trượt đi, các ion cùng dấu bị đẩy lại gần nhau, lực đẩy tĩnh điện mạnh khiến tinh thể vỡ ngay tại mặt trượt.
4
Vậy tính dẻo của kim loại bắt nguồn trực tiếp từ đặc điểm không định hướng của liên kết kim loại: các lớp cation trượt lên nhau nhưng biển electron tự do vẫn bao phủ đều, duy trì liên kết — nên kim loại biến dạng mà không gãy, còn tinh thể ion thì giòn.

Ví dụ

So sánh độ dẻo giữa vàng và sắt

1
Trong thực tế, vàng (Au) có thể dát mỏng thành lá vàng dày chưa tới 0,0001 mm, trong khi sắt (Fe) khó dát mỏng đến mức đó dù cùng có liên kết kim loại. Hãy giải thích sự khác biệt này bằng kiểu mạng tinh thể của hai kim loại.
2
Vàng kết tinh theo mạng lập phương tâm diện — kiểu mạng có các lớp nguyên tử xếp khít, và giữa các lớp tồn tại nhiều hướng trượt tương đối dễ dàng. Sắt ở nhiệt độ thường kết tinh theo mạng lập phương tâm khối, có ít hướng trượt thuận lợi hơn.
3
Vì mạng lập phương tâm diện của vàng cho phép các lớp cation trượt lên nhau theo nhiều hướng mà không phá vỡ liên kết, vàng dát mỏng, kéo sợi dễ hơn nhiều so với sắt.
4
Vậy độ dẻo của một kim loại không chỉ phụ thuộc vào bản chất liên kết kim loại nói chung, mà còn phụ thuộc kiểu mạng tinh thể cụ thể của từng nguyên tố — đây là lý do người ta chọn vàng, chứ không phải sắt, để làm vàng lá trong mĩ nghệ.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh mô tả liên kết kim loại giống hệt liên kết ion, cho rằng electron "chuyển hẳn" từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Thực chất electron hoá trị trong kim loại không thuộc về một cation cụ thể nào — chúng di chuyển tự do trong toàn khối, đó là điểm khác biệt cốt lõi khiến kim loại dẫn điện và dẻo, còn tinh thể ion thì không.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Nguyên tử kim loại có ít electron lớp ngoài, bán kính lớn, năng lượng ion hoá thấp nên dễ nhường electron tạo cation. Trong mạng tinh thể, các cation liên kết với biển electron tự do (liên kết kim loại) — lực này không định hướng, cho phép các lớp cation trượt lên nhau, đó là gốc rễ của tính dẻo.

Bài tiếp theo dùng chính mô hình liên kết kim loại này để giải thích đầy đủ bốn tính chất vật lí chung của kim loại (ánh kim, dẫn điện, dẫn nhiệt, tính dẻo), đồng thời so sánh những tính chất vật lí riêng khác nhau giữa các kim loại và ứng dụng thực tế của chúng.