Bài 18 · Cơ bản

Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại

Nêu vị trí và đặc điểm cấu tạo nguyên tử kim loại, phân biệt ba kiểu mạng tinh thể (tâm khối, tâm diện, lục phương) bằng số nguyên tử trong ô, số phối trí, độ đặc khít, và giải thích tính chất vật lí chung của kim loại bằng liên kết kim loại (ion dương + electron tự do).

Ứng với SGK Hoá học 12 (bộ thống nhất): Bài 18

⚡ Nhớ nhanh

1Nguyên tử kim loại thường có 1, 2 hoặc 3 electron lớp ngoài cùng và bán kính lớn ⇒ dễ nhường electron: M → Mⁿ⁺ + ne (ví dụ Na → Na⁺ + 1e). Kim loại chỉ có tính khử.
2Trong tinh thể, ion dương nằm ở nút mạng, các electron tự do chạy khắp mạng như một "biển electron". Liên kết kim loại là lực hút tĩnh điện giữa ion dương và electron tự do đó.
3Ba kiểu mạng hay gặp: tâm khối (Na, Fe: 2 nguyên tử/ô, phối trí 8, đặc khít 68 %), tâm diện (Cu, Al, Au: 4 nguyên tử/ô, phối trí 12, 74 %), lục phương (Mg, Zn: 6 nguyên tử/ô, phối trí 12, 74 %).
4Cả bốn tính chất vật lí chung (dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim) đều do electron tự do. Gõ búa: các lớp ion trượt mà biển electron vẫn giữ ⇒ kim loại dẻo; tinh thể ion bị ion cùng dấu đẩy nhau ⇒ vỡ.
5Bẫy: đếm nguyên tử trong ô bằng cách cộng hết các nguyên tử ở đỉnh, mặt (ô tâm diện ra 14 thay vì 4) ⇒ khối lượng riêng gấp 3,5 lần thực tế.

👀 Nhìn là hiểu

Tab Khám phá: chọn kim loại để xem ô cơ sở (kéo để xoay, bấm một quả cầu để xem các láng giềng gần nhất), rồi chuyển sang "Biển electron" để nối nguồn và gõ búa vào kim loại hay muối ăn. Tab Thí nghiệm: xếp ba mô hình quả cầu, đo cạnh ô, tính độ đặc khít. Tab Đoán trước có 4 cái bẫy.

Quả cầu chạm nhau

đỉnh (1/8 hoặc 1/6) tâm khối (1)

Số nguyên tử/ô2

Số phối trí8

Độ đặc khít68 %

ρ (g/cm³)0,97

Nguyên tử nhường electron: Na → Na⁺ + 1e

Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.

Kim loại:

Natri (Na, Z = 11): cấu hình [Ne]3s¹, 1 electron lớp ngoài cùng; ion thường gặp Na⁺. Kiểu mạng lập phương tâm khối: 8 đỉnh · 1/8 + 1 tâm · 1 = 2 nguyên tử/ô, số phối trí 8, độ đặc khít ≈ 68 %. Cạnh ô a = 429 pm ⇒ ρ = 2·23/(N_A·V) ≈ 0,97 g/cm³. Bấm một quả cầu để tô các láng giềng gần nhất.

1 ⚛️ Vị trí và cấu tạo nguyên tử kim loại

Cần nhớ

✦Phần lớn các nguyên tố hoá học là kim loại: nhóm IA (trừ H), IIA, một phần các nhóm IIIA–VIA ở phía dưới bên trái bảng tuần hoàn, toàn bộ nhóm B (kim loại chuyển tiếp), họ lanthanide và actinide.
✦Đa số nguyên tử kim loại có 1, 2 hoặc 3 electron ở lớp ngoài cùng: Na 3s¹ (1e), Mg 3s² (2e), Al 3s²3p¹ (3e). Phi kim thường có 5–7 electron ở lớp ngoài cùng.
✦So với phi kim cùng chu kì, nguyên tử kim loại có bán kính lớn hơn, lực hút của hạt nhân lên electron lớp ngoài yếu ⇒ electron này dễ tách ra: M → Mⁿ⁺ + ne.
✦Vì chỉ nhường electron, kim loại luôn là chất khử. Nhóm B còn nhường electron ở phân lớp 3d: Fe → Fe²⁺ + 2e (mất 2e của 4s trước), Fe → Fe³⁺ + 3e.

Dạng bài

Viết cấu hình electron và dự đoán ion tạo thành

1 Từ số hiệu Z (= số electron), điền lần lượt 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d… cho đủ Z electron.
2 Kiểm tra: tổng số electron phải bằng Z; số electron lớp ngoài cùng là số electron ở lớp có n lớn nhất.
3 Viết quá trình nhường electron M → Mⁿ⁺ + ne, mất electron lớp ngoài cùng (n lớn nhất) trước.
4 Kiểm tra: tổng electron của ion = Z − n; điện tích hai vế phương trình bằng nhau.

⚠️ Bẫy hay gặp: Tạo ion Fe²⁺ bằng cách bỏ 2 electron ở 3d: [Ar]3d⁴4s². Đúng: mất 2 electron của 4s trước ⇒ Fe²⁺ là [Ar]3d⁶ (Fe³⁺ mới là [Ar]3d⁵).

🧂

Làm mẫu

Viết cấu hình electron của nguyên tử Na (Z = 11), cho biết số electron lớp ngoài cùng và viết quá trình tạo ion của Na.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

2 🧊 Mạng tinh thể kim loại

Cần nhớ

✦Kim loại ở thể rắn là tinh thể: các nguyên tử (ion dương) xếp đều đặn theo một mạng. Ô cơ sở là phần nhỏ nhất lặp lại để tạo ra cả mạng.
✦Đếm nguyên tử trong ô: nguyên tử ở đỉnh lập phương chung cho 8 ô ⇒ tính 18; ở mặt chung cho 2 ô ⇒ 12; ở tâm ô ⇒ 1. Lăng trụ lục phương: đỉnh 16, tâm mặt đáy 12, trong ô 1.
✦Số phối trí = số nguyên tử gần nhất bao quanh một nguyên tử. Độ đặc khít = phần trăm thể tích ô do các nguyên tử (coi là quả cầu chạm nhau) chiếm; phần còn lại là khe trống.
✦Hai kiểu 12-phối-trí (tâm diện và lục phương) xếp quả cầu chặt nhất (74 %); tâm khối thưa hơn (68 %).

Ba kiểu mạng tinh thể kim loại hay gặp

Kiểu mạng	Cách đếm trong ô	Số nguyên tử/ô	Số phối trí	Độ đặc khít	Ví dụ
Lập phương tâm khối	8 đỉnh · 18 + 1 tâm	2	8	68 %	Na, K, Fe (α), Cr
Lập phương tâm diện	8 đỉnh · 18 + 6 mặt · 12	4	12	74 %	Cu, Ag, Au, Al
Lục phương	12 đỉnh · 16 + 2 đáy · 12 + 3 trong ô	6	12	74 %	Mg, Zn

Dạng bài

Tính khối lượng riêng của kim loại từ ô cơ sở

1 Xác định kiểu mạng ⇒ số nguyên tử n trong ô (tâm khối 2, tâm diện 4).
2 Đổi ra mol: n nguyên tử = n/N_A mol ⇒ khối lượng ô m = n·M/N_A (g). Đổi cạnh ô pm → cm: 1 pm = 10⁻¹⁰ cm.
3 Thể tích ô lập phương V = a³ (cm³).
4 ρ = m/V = n·M/(N_A·a³). Kiểm tra: so với bảng khối lượng riêng (g/cm³), lệch vài phần trăm là hợp lí.

⚠️ Bẫy hay gặp: Đếm cả 8 đỉnh và 6 mặt là 14 nguyên tử: ρ = 14·646,022·10²³·4,705·10⁻²³ ≈ 31,6 g/cm³ — nặng hơn cả osmium (22,6 g/cm³, kim loại nặng nhất), vô lí. Phần chung với ô bên cạnh phải chia 18 và 12.

🔶

Làm mẫu

Đồng kết tinh theo mạng lập phương tâm diện, cạnh ô a = 361 pm. Tính khối lượng riêng của đồng (Cu = 64; N_A = 6,022·10²³).

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

3 🌊 Liên kết kim loại và tính chất vật lí chung

Cần nhớ

✦Mỗi nguyên tử nhường electron hoá trị cho cả mạng: các electron tự do không thuộc nguyên tử nào, chuyển động khắp tinh thể. Còn lại là các ion dương nằm ở nút mạng.
✦Liên kết kim loại = lực hút tĩnh điện giữa ion dương và electron tự do. Liên kết này không yếu: Cu nóng chảy ở 1085 °C, W ở 3410 °C.
✦Dẫn điện: đặt hiệu điện thế thì electron tự do chạy có hướng (ion dương đứng yên). Dẫn nhiệt: electron nhanh mang năng lượng đi. Ánh kim: electron tự do phản xạ hầu hết ánh sáng chiếu tới.
✦Dẻo: các lớp ion trượt lên nhau nhưng biển electron vẫn bao quanh mọi ion ⇒ liên kết không đứt, kim loại chỉ biến dạng.

Dạng bài

Tính số electron tự do trong một mẫu kim loại

1 Đổi ra mol kim loại: n = m/M.
2 Mỗi nguyên tử góp (tối đa) số electron hoá trị v (Na 1, Mg 2, Al 3) ⇒ số mol electron = n·v.
3 Số electron = số mol electron · N_A (N_A = 6,022·10²³).
4 Kiểm tra: điện tích trung hoà — số mol điện tích dương n·v của ion bằng số mol electron.

⚠️ Bẫy hay gặp: Quên đổi ra mol: lấy 2,3·6,022·10²³ ≈ 1,4·10²⁴ electron — gấp 23 lần đáp số đúng. Với Al, quên nhân 3: 5,4 g Al (0,2 mol) cho 0,6 mol electron chứ không phải 0,2 mol.

🥄

Làm mẫu

Tính số electron tự do trong 2,3 g natri, giả sử mỗi nguyên tử Na góp 1 electron (Na = 23; N_A = 6,022·10²³).

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

4 🔨 So sánh với tinh thể ion: vì sao kim loại dẻo?

Tinh thể kim loại và tinh thể ion (NaCl)

Tiêu chí	Tinh thể kim loại	Tinh thể ion (NaCl)
Hạt ở nút mạng	Ion dương cùng loại	Ion dương và ion âm xen kẽ
Hạt chuyển động tự do	Electron tự do (có cả ở thể rắn)	Không có (ion bị giữ cố định ở thể rắn)
Gõ búa	Lớp ion trượt, liên kết không đứt ⇒ dẻo	Lớp trượt đưa ion cùng dấu đối diện nhau ⇒ đẩy nhau ⇒ vỡ
Dẫn điện ở thể rắn	Có	Không (nóng chảy hoặc hoà tan trong nước thì dẫn nhờ ion di chuyển)

Cần nhớ

✦Mấu chốt của tính dẻo là electron tự do không gắn với nguyên tử nào: mạng xô lệch bao nhiêu thì biển electron vẫn bao quanh các ion dương. Nhờ vậy vàng dát được thành lá mỏng cỡ 0,0001 mm mà không rách.
✦Tính dẻo không có nghĩa liên kết kim loại yếu. Nếu yếu thì kim loại đã mềm nhũn và nóng chảy ở nhiệt độ thấp.
✦Thuỷ ngân lỏng ở nhiệt độ thường (t°nc = −39 °C) vẫn là kim loại: vẫn có liên kết kim loại, dẫn điện, có ánh kim. Nhiệt độ nóng chảy là tính chất riêng.

5 🏠 Hoá học quanh ta

✦🥇 Vàng dát thành lá mỏng phủ tượng, chữ: các lớp ion vàng trượt lên nhau mà biển electron vẫn giữ nguyên liên kết.
✦🔌 Dây điện lõi đồng: electron tự do chạy có hướng khi có điện áp; còn đường dây cao thế dùng nhôm vì nhôm nhẹ hơn đồng khoảng 3 lần (2,7 so với 8,96 g/cm³) tuy dẫn điện kém hơn một chút.
✦🍳 Đáy chảo nhôm, nồi đồng nóng đều và nhanh: electron tự do mang năng lượng nhiệt khắp tấm kim loại.
✦🪞 Kim loại sáng bóng, mất ánh khi bị oxi hoá: electron tự do ở bề mặt phản xạ ánh sáng; lớp oxide xỉn che mất lớp kim loại.

6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai

⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm

✦Nhớ bộ ba số: tâm khối 2 – 8 – 68 %, tâm diện 4 – 12 – 74 %, lục phương 6 – 12 – 74 % (số nguyên tử/ô – phối trí – đặc khít).
✦Hễ đề hỏi "tính chất chung" ⇒ dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim (mọi kim loại đều có, do electron tự do). Khối lượng riêng, t°nc, độ cứng là tính chất riêng.
✦Hạt chuyển động trong kim loại rắn luôn là electron tự do; ion dương chỉ dao động quanh nút mạng.
✦Đổi cạnh ô: 1 pm = 10⁻¹⁰ cm ⇒ a = 361 pm = 3,61·10⁻⁸ cm (khối lượng riêng ra cỡ g/cm³).

⚠️ Lỗi hay sai nhất

✦Đếm ô tâm diện là 14 nguyên tử (8 đỉnh + 6 mặt) thay vì 4: Cu ra 31,6 g/cm³ thay vì 9,04 g/cm³.
✦Nói kim loại dẫn điện vì "ion dương chuyển động": ion dương đứng yên ở nút mạng, chỉ electron tự do chạy có hướng.
✦Cho rằng độ đặc khít phụ thuộc bán kính nguyên tử: quả cầu to gấp đôi thì thể tích ô và thể tích cầu cùng gấp 8 lần ⇒ độ đặc khít vẫn 68 % (hoặc 74 %).
✦Dùng a = 4r/√3 cho mạng tâm diện (đúng: a = 2√2·r) hoặc coi nguyên tử chạm nhau dọc cạnh ô: Fe (α, a = 287 pm) ra r = 143,5 pm thay vì 124,3 pm (chạm nhau theo đường chéo khối).
✦Cho rằng Hg không phải kim loại vì là chất lỏng; hay cho rằng liên kết kim loại yếu vì kim loại dẻo.
✦Viết Fe²⁺ là [Ar]3d⁴4s² (bỏ electron 3d trước): phải mất 4s trước ⇒ [Ar]3d⁶.

⚖️ Kiểm tra bảo toàn

✦Electron: tổng số electron khi viết cấu hình phải bằng Z; ion Mⁿ⁺ có Z − n electron.
✦Điện tích: M → Mⁿ⁺ + ne có tổng điện tích hai vế bằng 0; mẫu kim loại trung hoà ⇒ số mol điện tích dương của ion bằng số mol electron tự do.
✦Nguyên tử trong ô: đếm xong phải ra 2 (tâm khối), 4 (tâm diện) hoặc 6 (lục phương); ra số không nguyên, hay ra 14 vì cộng đủ 8 đỉnh và 6 mặt, là đếm sai phần chung.
✦Độ lớn: độ đặc khít luôn nhỏ hơn 100 % (68 % hoặc 74 %); khối lượng riêng kim loại nằm trong khoảng 0,5–22,6 g/cm³ — ra ngoài khoảng này là sai số nguyên tử/ô hoặc sai đổi pm → cm.

✏️ Luyện tập

Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.

⚛️

Vị trí và cấu tạo nguyên tử kim loại

1
Nhận biết
Nguyên tử của đa số kim loại có số electron ở lớp ngoài cùng là
2
Nhận biết
Quá trình đặc trưng của nguyên tử kim loại M trong các phản ứng hoá học là
3
Thông hiểu Nguyên tử Al (Z = 13, cấu hình 1s²2s²2p⁶3s²3p¹) có electron ở lớp ngoài cùng.
4
Thông hiểu
Cấu hình electron của ion Fe²⁺ (Fe có Z = 26) là
5
Vận dụng Bốn nguyên tử có cấu hình: X 1s²2s²2p⁶3s¹; Y 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵; Z 1s²2s²2p⁶3s²; T 1s²2s²2p⁴. Có nguyên tử là nguyên tử kim loại.

🧊

Mạng tinh thể kim loại

1
Nhận biết
Ba kiểu mạng tinh thể kim loại hay gặp là
2
Thông hiểu
Kim loại nào sau đây kết tinh theo kiểu lập phương tâm diện?
3
Thông hiểu Một ô cơ sở lập phương tâm diện chứa nguyên tử.
4
Thông hiểu
Số phối trí và độ đặc khít của mạng lập phương tâm khối lần lượt là
5
Thông hiểu
Độ đặc khít của một mạng tinh thể kim loại là
6
Vận dụng Ô cơ sở lục phương (lăng trụ lục giác) có 12 nguyên tử ở đỉnh, 2 ở tâm hai mặt đáy và 3 nằm trong ô. Số nguyên tử thuộc ô là .
7
Vận dụng
Vàng kết tinh lập phương tâm diện, cạnh ô a = 408 pm (Au = 197; N_A = 6,022·10²³). Khối lượng riêng của vàng là

🌊

Liên kết kim loại và tính chất chung

1
Nhận biết
Liên kết kim loại là liên kết sinh ra do
2
Thông hiểu
Các tính chất vật lí chung của kim loại (dẻo, dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim) gây ra chủ yếu do
3
Thông hiểu
Kim loại dẫn điện được ở thể rắn vì
4
Thông hiểu Nếu mỗi nguyên tử Al góp 3 electron hoá trị thì 5,4 g Al (Al = 27) cho mol electron tự do.
5
Vận dụng Số electron tự do trong 2,3 g Na (mỗi nguyên tử góp 1 electron; Na = 23; N_A = 6,022·10²³) là ·10²² (làm tròn đến hàng phần trăm).
6
Vận dụng
Gõ búa vào miếng sắt thì nó dát mỏng, còn gõ vào tinh thể NaCl thì vỡ vụn, vì

🔬

Thí nghiệm và số liệu

1
Thông hiểu
Xếp ba mô hình quả cầu bán kính 10,0 mm theo ba kiểu mạng rồi đo ô cơ sở, được bảng: $Mạng N V_{o ˆ} (cm^{3}) V_{c a ˆ ˋ u} (cm^{3}) T a ˆ m kh o ˆ ˊ i 2 12, 33 8, 38 T a ˆ m diện 4 22, 67 16, 76 Lục ph ươ ng 6 33, 98 25, 13$ Độ đặc khít V_cầu/V_ô của mạng tâm khối, tâm diện, lục phương lần lượt khoảng
2
Thông hiểu Theo bảng số liệu ở câu trên, độ đặc khít của mạng lập phương tâm diện là % (làm tròn đến hàng đơn vị).
3
Vận dụng
Làm lại thí nghiệm mạng tâm khối với quả cầu bán kính 20,0 mm (to gấp đôi, cùng kiểu mạng). Độ đặc khít đo được sẽ

🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp

Đề Hoá học có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.

🅰️

Phần I · Trắc nghiệm 4 lựa chọn

1
Vận dụng
Đồng kết tinh theo mạng lập phương tâm diện, cạnh ô a = 361 pm. Khối lượng riêng của đồng khoảng (Cu = 64; N_A = 6,022·10²³)
2
Thông hiểu
Sắt (α) kết tinh lập phương tâm khối với cạnh ô a = 287 pm. Bán kính nguyên tử Fe (nguyên tử chạm nhau theo đường chéo khối) khoảng
3
Thông hiểu
Tổng số electron tự do trong 2,7 g Al (Al = 27), nếu mỗi nguyên tử Al góp 3 electron hoá trị, là

✅

Phần II · Đúng / sai

1
Thông hiểu
Thí nghiệm: lấy một mẩu đồng và một tinh thể muối ăn (NaCl) cùng cỡ. Dùng búa gõ vào từng mẫu. Sau đó nối từng mẫu rắn vào mạch gồm pin và bóng đèn.

a)Mẩu đồng bị dát mỏng ra, còn tinh thể NaCl vỡ vụn.

b)Ở NaCl, khi hai lớp trượt lệch nhau thì ion cùng dấu nằm đối diện và đẩy nhau nên tinh thể vỡ.

c)Cả mẩu đồng lẫn tinh thể NaCl rắn đều làm đèn sáng vì cả hai đều chứa ion.

d)Đồng dát mỏng được chứng tỏ liên kết kim loại rất yếu.
2
Vận dụng
Đồng kết tinh theo mạng lập phương tâm diện, cạnh ô a = 361 pm. Cho Cu = 64; N_A = 6,022·10²³.

a)Một ô cơ sở chứa 4 nguyên tử Cu.

b)Số phối trí của Cu trong mạng này là 8.

c)Khối lượng riêng của đồng khoảng 9,04 g/cm³.

d)Bán kính nguyên tử đồng bằng a/2 = 180,5 pm.

🔢

Phần III · Trả lời ngắn

1
Thông hiểu Trong các kim loại Na, Mg, Al, Fe (α), Cu, Zn, Au, có bao nhiêu kim loại kết tinh theo mạng lập phương tâm diện? Đáp số:
2
Vận dụng Sắt (α) kết tinh lập phương tâm khối, cạnh ô a = 287 pm. Trong 1 cm³ sắt có bao nhiêu nguyên tử? Đáp số: ·10²² (làm tròn đến hàng phần trăm)
3
Vận dụng Nhôm kết tinh lập phương tâm diện, cạnh ô a = 405 pm (Al = 27; N_A = 6,022·10²³). Khối lượng riêng của nhôm là bao nhiêu g/cm³ (làm tròn đến hàng phần mười)? Đáp số:

🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?

•Phần I thường hỏi vị trí và cấu tạo nguyên tử kim loại (1, 2, 3 electron ngoài cùng), tính chất vật lí chung do electron tự do, hoặc đặc điểm ba kiểu mạng (số nguyên tử/ô, phối trí).
•Phần II hay có tình huống so sánh kim loại với tinh thể ion (gõ búa, dẫn điện): ý dễ mất điểm là nói "dẫn điện nhờ ion dương" hay "dẻo vì liên kết yếu".
•Phần III có thể hỏi số kim loại thuộc một kiểu mạng, số nguyên tử trong ô, hoặc khối lượng riêng từ cạnh ô (nhớ đổi pm sang cm và đếm đúng nguyên tử/ô).

Làm đề thi thử trọn bộ

Bài tiếp theo
Tính chất vật lí và tính chất hoá học của kim loại