Liên kết, cấu trúc và tính chất của vật chất

• Ba loại liên kết hóa học mạnh giữ các nguyên tử hoặc ion lại với nhau: liên kết ion (lực hút giữa các ion mang điện tích trái dấu), liên kết cộng hóa trị (cặp electron chung) và liên kết kim loại (electron không định vị).
• Cấu trúc phụ thuộc vào liên kết: mạng tinh thể ion khổng lồ, phân tử nhỏ, polyme, mạng cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ và mạng tinh thể kim loại — mỗi loại dự đoán nhiệt độ nóng chảy và độ dẫn điện.
• Carbon thể hiện mọi đặc điểm: kim cương, graphite, graphene, fullerene; hạt nano (chỉ trong hóa học) biến diện tích bề mặt thành tính chất vật lý.

Ba loại liên kết hóa học mạnh, tất cả đều được giải thích bởi lực tĩnh điện:

• Ion — liên kết là lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu. Trong quá trình hình thành, một nguyên tử kim loại chuyển electron lớp ngoài sang phi kim: nguyên tử kim loại mất electron để trở thành ion dương; nguyên tử phi kim nhận chúng để trở thành ion âm; các kim loại nhóm 1/2 và phi kim nhóm 6/7 tạo ra các ion có cấu hình điện tử khí hiếm. Vẽ sơ đồ chuyển giao electron bằng sơ đồ chấm và dấu X; suy luận điện tích ion từ số hiệu nhóm (Nhóm 1 → +1, Nhóm 2 → +2, Nhóm 6 → −2, Nhóm 7 → −1).
• Cộng hóa trị — nguyên tử phi kim dùng chung cặp electron. Biết sơ đồ chấm chéo cho H₂, Cl₂, O₂, N₂, HCl, H₂O, NH₃, CH₄, và biểu diễn bằng đường thẳng cho phân tử nhỏ, đơn vị lặp lại của polyme và cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ.
• Kim loại — cấu trúc lớn đều gồm các ion kim loại dương với electron lớp ngoài không định vị tự do di chuyển khắp toàn bộ cấu trúc; sự chia sẻ các electron này tạo nên liên kết kim loại bền vững.

Hiểu rõ hạn chế của mô hình: sơ đồ chấm-X, quả cầu và thanh nối, biểu đồ 2D và 3D đều đơn giản hóa — lực không được vẽ, thanh nối gợi ý khoảng cách giữa các hạt chạm nhau, bản vẽ phẳng không thể hiện đầy đủ sắp xếp 3D, và cấu trúc khổng lồ chỉ được biểu diễn qua một phần. Suy ra công thức thực nghiệm từ mô hình mạng tinh thể; công thức phân tử từ sơ đồ phân tử.

Xây dựng sơ đồ electron, sau đó kiểm tra

Đối với phân tử nhỏ, hãy cộng tổng electron lớp ngoài của từng nguyên tử. Chọn các cặp electron chung sao cho hydro có hai electron xung quanh và các nguyên tử khác có tám. Thêm các electron còn lại thành cặp electron không tham gia liên kết. Chấm và dấu X ghi nhận nguồn gốc của electron; bản thân các electron thì giống hệt nhau. Một liên kết đơn chia sẻ hai electron, liên kết đôi bốn, liên kết ba sáu.

Phương pháp giải mẫu: nước. Oxygen cung cấp sáu electron lớp ngoài và hai nguyên tử hydro cung cấp mỗi nguyên tử một: tổng cộng tám. Hai cặp O–H chung sử dụng bốn electron. Bốn electron còn lại tạo thành hai cặp electron không tham gia liên kết trên oxygen. Mỗi hydro có hai electron xung quanh; oxygen có tám. Bản vẽ phẳng không xác định được hình dạng 3D của phân tử.

Phương pháp giải: Magie clorua. Mg bắt đầu 2,8,2 và mất hai electron, trở thành Mg²⁺ có cấu hình 2,8. Hai nguyên tử Cl mỗi nguyên tử bắt đầu 2,8,7 và nhận một electron, trở thành hai ion Cl⁻ có cấu hình 2,8,8. Vẽ ngoặc vuông và ký hiệu điện tích quanh từng ion. Mỗi ion clorua có bảy electron ban đầu và một electron nhận thêm. Sơ đồ electron lớp ngoài có thể khiến lớp ba cũ của Mg bị trống; điều này không có nghĩa là ion không chứa electron nào.

Công thức tuân theo cân bằng điện tích: một Mg²⁺ cần hai ion Cl⁻, nên là MgCl₂. Một mảnh mạng tinh thể có 6 ion dương cho mỗi 12 ion âm có tỷ lệ đơn giản nhất là 1:2. Không đọc Mg₆Cl₁₂ như công thức của một phân tử riêng lẻ: cấu trúc ion là mạng khổng lồ. Một cạnh hữu hạn của bản vẽ cũng có thể làm sai lệch số lượng quan sát; hãy sử dụng mô hình lặp lại và điện tích.

Biểu diễn đường thay thế mỗi cặp electron chia sẻ bằng một đường nét. Nước là H–O–H, oxi là O=O và nitơ là N≡N. Các cặp electron tự do bị bỏ qua trong các công thức đường này. Trong một polyme, một đơn vị lặp lại được đặt trong ngoặc biểu thị một đoạn nhỏ của chuỗi liên kết cộng hóa trị rất dài; các liên kết tiếp nối đi xuyên qua dấu ngoặc. Trong sơ đồ mạng tinh thể lớn, các liên kết tiếp tục ra ngoài mảnh mẫu thành mạng lưới, chứ không dừng lại ở một phân tử riêng lẻ.

Trạng thái vật chất: rắn, lỏng, khí; nóng chảy/đông đặc tại nhiệt độ nóng chảy, sôi/ngưng tụ tại nhiệt độ sôi. Lý thuyết hạt (các quả cầu nhỏ) giải thích sự chuyển đổi; lực giữa các hạt càng mạnh thì nhiệt độ nóng chảy/sôi càng cao. (HT) Hạn chế của mô hình đơn giản: không thể hiện lực, tất cả đều là quả cầu, hạt rắn. Ký hiệu trạng thái: (s), (l), (g), (aq).

Phân tử lớn hơn → lực liên phân tử mạnh hơn → nhiệt độ nóng chảy/sôi cao hơn. Hợp kim cứng hơn kim loại thuần túy vì các nguyên tử kích thước khác nhau làm biến dạng các lớp, ngăn chúng trượt lên nhau.

Dự đoán trạng thái và giải thích sự thay đổi

Ở áp suất quy định, một chất thuần khiết ở thể rắn dưới điểm nóng chảy, thể lỏng giữa điểm nóng chảy và điểm sôi, và thể khí trên điểm sôi. Tại nhiệt độ chuyển pha, hai trạng thái có thể cùng tồn tại. Ví dụ minh họa: X nóng chảy ở −15 °C và sôi ở 65 °C. Nó ở thể rắn tại −30 °C, thể lỏng tại 20 °C và thể khí tại 90 °C. Chỉ một con số nhiệt độ là chưa đủ nếu không có dữ liệu chuyển pha của vật liệu đó.

Trong thể rắn, các hạt dao động quanh vị trí cố định. Khi nóng chảy, chúng thu đủ năng lượng để trượt lên nhau nhưng vẫn giữ gần gũi. Khi sôi, các hạt tách xa nhau rất nhiều khi các lực hút bị vượt qua. Làm lạnh đảo ngược những thay đổi này và truyền năng lượng ra môi trường xung quanh. Các hạt không phồng to thành các nguyên tử lớn hơn khi gia nhiệt. Một nguyên tử riêng lẻ không có điểm nóng chảy, độ cứng hay độ dẫn điện của một mẫu vật chất khối: những tính chất này phụ thuộc vào tập hợp các hạt và cấu trúc của chúng.

Sử dụng giải thích nhân quả: cấu trúc → lực hoặc hạt mang điện → tính chất. Một hạt mang điện di chuyển sẽ mang dòng điện. Đối với NaCl rắn, các ion mang điện tích ngược hút nhau mạnh mẽ theo mọi hướng, nên cần nhiều năng lượng để nóng chảy. Các ion bị cố định, nên nó không dẫn điện. NaCl nóng chảy vẫn giữ các ion mang điện, nhưng chúng di chuyển và mang điện tích. Đối với kim loại, electron tự do di chuyển mang điện tích trong trạng thái rắn; đối với chất lỏng phân tử nhỏ, các phân tử trung tính di chuyển đơn thuần không mang dòng điện.

So sánh ví dụ: một mạch polyme có liên kết cộng hóa trị mạnh dọc theo mạch. Các lực hút tương đối mạnh giữa các mạch lớn khiến các polyme thông thường ở thể rắn ở nhiệt độ phòng. Làm mềm polyme không đòi hỏi phải phá vỡ tất cả các liên kết cộng hóa trị dọc theo mọi mạch. Trong mạng tinh thể lớn như silica, các liên kết cộng hóa trị mạnh lan tỏa khắp cấu trúc, nên phải vượt qua rất nhiều liên kết để nóng chảy nó. Đây là những cấu trúc khác nhau mặc dù cả hai đều chứa liên kết cộng hóa trị.

Các lớp kim loại thuần có thể trượt lên nhau khi lực hút kim loại vẫn còn. Các nguyên tử kích thước khác nhau trong hợp kim làm biến dạng các lớp đều đặn, khiến việc trượt khó khăn hơn. Điều này giải thích độ cứng tăng lên; điều đó không có nghĩa là tất cả kim loại thuần dễ bị trầy xước hay rằng hợp kim không có electron di chuyển.

• Kim cương — cấu trúc cộng hóa trị lớn, mỗi nguyên tử carbon tạo bốn liên kết cộng hóa trị: rất cứng, nhiệt độ nóng chảy rất cao, không dẫn điện.
• Graphite — mỗi nguyên tử carbon tạo ba liên kết, các lớp vòng lục giác với không có liên kết cộng hóa trị giữa các lớp (mềm, trơn — làm chất bôi trơn); một electron tự do mỗi nguyên tử → dẫn điện như kim loại.
• Graphene — một lớp đơn của graphite: dày một nguyên tử, bền, dẫn điện — ứng dụng trong điện tử và vật liệu composite.
• Fullerenes — phân tử rỗng của các vòng hexagon carbon (cùng 5- hoặc 7- thành viên); Buckminsterfullerene C₆₀ có hình cầu. Ống nano carbon — fullerenes hình trụ với tỷ lệ chiều dài/chiều rộng cực lớn: nanotechnology, điện tử, vật liệu.

Khoa học nano = các cấu trúc 1–100 nm; cái nhỏ nhất có kích thước vài trăm nguyên tử. Kích thước hạt và số lượng nguyên tử là hai đại lượng khác nhau. Hạt nano nhỏ hơn hạt mịn (PM2.5, 100–2500 nm), mà hạt mịn lại nhỏ hơn hạt thô/bụi (PM10 trong tài liệu này, 2.5 × 10⁻⁶–1 × 10⁻⁵ m).

Diện tích bề mặt : thể tích: khi cạnh khối lập phương giảm 10×, SA:V tăng 10×. Hạt nano có thể có tính chất khác với vật liệu khối do tỷ số này cao — xúc tác (lượng ít hơn vẫn hoạt động), vận chuyển thuốc, mỹ phẩm, điện tử. Lo ngại: ảnh hưởng bên trong cơ thể và môi trường chưa được hiểu rõ hoàn toàn.

So sánh các lượng bằng nhau, không chỉ một hạt

For a model cube of side $l$, surface area $A=6l^2$ and volume $V=l^3$, so $A/V=6/l$. The quotient has an inverse-length unit. Worked example: a 100 nm cube has $A=60\,000\ \mathrm{nm^2}$, $V=1\,000\,000\ \mathrm{nm^3}$ and $A/V=0.06\ \mathrm{nm^{-1}}$. A 10 nm cube has $A=600\ \mathrm{nm^2}$, $V=1000\ \mathrm{nm^3}$ and $A/V=0.6\ \mathrm{nm^{-1}}$: ten times larger. The smaller individual cube has less area, but the same total volume divided into smaller cubes has more total exposed area.

Một nanometre tương đương $10^{-9}$ m. Một hạt kích thước 20 nm có đường kính $2.0\times10^{-8}$ m, khoảng 100 lần đường kính 0.2 nm của một nguyên tử điển hình (bán kính khoảng 0.1 nm). Nó không phải là một nguyên tử lớn. Một lập phương kích thước 0.2 nm sẽ nằm dưới phạm vi nanoparticle được chỉ định, nên không phải là ví dụ nanoparticle phù hợp.

Đánh giá thông tin đã cho. Giả sử cùng một khối lượng vật liệu loại bỏ cùng một chất ô nhiễm trong 12 phút như các nanoparticle và 40 phút ở dạng khối. Dạng nano đã thử nghiệm hoạt động nhanh hơn; diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn trên mỗi đơn vị khối lượng là một giải thích hợp lý. Kết quả này alone không chứng minh sản phẩm bảo vệ da an toàn, rẻ hoặc vô hại với môi trường. Cân nhắc lợi ích nêu ra so với mức độ tiếp xúc, các tác động sức khỏe/môi trường có thể và giới hạn của bằng chứng. Hỏi những phép đo nào sẽ giải quyết sự bất định cụ thể đó. Đừng claiming rằng tất cả các nanoparticle đều xâm nhập da hoặc tất cả đều gây độc hại.

• Ba loại liên kết dưới góc độ electron và lực tĩnh điện; điện tích ion từ số nhóm.
• Mô hình chấm-xoắn cho tám phân tử đã nêu; các hạn chế của mô hình được chỉ ra.
• Bảng tính chất ở trên được tái lập từ trí nhớ — những lực nào bị phá vỡ khi nóng chảy.
• Kim cương so với graphit so với graphene so với fullerenes, liên kết hóa học đối với tính chất; áp dụng suy luận này vào một ứng dụng chưa quen thuộc.
• (Hóa) Hệ số diện tích/tích thể 10; ba dải kích thước hạt và ứng dụng cũng như lo ngại về nanoparticle.