1.4|LIÊN KẾT HÓA HỌC GIỮA CÁC NGUYÊN TỬ VÀ PHÂN TỬ TRONG TINH THỂ

Chúng ta đang xem xét những cấu trúc đơn tinh thể khác nhau. Câu hỏi nảy sinh là tại sao một cấu trúc tinh thể nào đó lại thiên về một cách tổ hợp các nguyên tử theo cách riêng của nó. Một định luật cơ bản trong tự nhiên là năng lượng tổng trong một hệ ở trạng thái cân bằng nhiệt có khuynh hướng đạt đến giá trị cực tiểu. Tương tác xuất hiện giữa những nguyên tử để hình thành nên chất rắn nhằm đạt đến năng lượng toàn phần cực tiểu và tương tác này phụ thuộc vào từng loại nguyên tử. Do đó, loại liên kết hoặc tương tác giữa những nguyên tử phụ thuộc vào nguyên tử cụ thể hoặc những nguyên tử trong tinh thể. Nếu không có liên kết mạnh giữa những nguyên tử, chúng sẽ “không dính” với nhau để tạo nên chất rắn.

Tương tác giữa những nguyên tử có thể được mô tả theo cơ học lượng tử. Mặc dù những kiến thức về cơ học lượng tử được đưa vào trong chương sau nhưng sự mô tả các liên kết hóa học trong nguyên tử theo cơ học lượng tử vẫn nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của tài liệu này. Tuy nhiên, chúng ta có thể thu được những kiến thức định tính về cách thức tương tác của những nguyên tử bằng cách xem xét những electron lớp ngoài cùng hay những electron hóa trị trong nguyên tử.

Những nguyên tử tại 2 biên của bảng tuần hoàn (ngoại trừ khí trơ ) có khuynh hướng mất hoặc thu electron hóa trị để hình thành những Ion. Do đó, về cơ bản những ion này có lớp năng lượng ngoài cùng đầy hoàn toàn. Những nguyên tố ở nhóm I của bảng tuần hoàn có khuynh hướng mất một electron của chúng và trở thành ion mang điện dương, trong khi những nguyên tố ở nhóm VII của bảng tuần hoàn có khuynh hướng thu thêm một electron và trở thành ion mang điện âm. Những ion mang điện dương này sẽ tương tác Coulomb và hình thành liên kết được gọi là liên kết ion. Nếu những ion này đến gần nhau thì lực đẩy sẽ chiếm ưu thế vì vậy có một khoảng cách cân bằng giữa hai ion này. Trong tinh thể, những ion mang điện âm có khuynh hướng bị bao quanh bởi những ion mang điện dương và những ion mang điện dương có khuynh hướng bị bao quanh bởi những ion mang điện âm, vì vậy mạng tuần hoàn nguyên tử được hình thành để tạo nên mạng tinh thể. Ví dụ điễn hình của liên kết ion là NaCl. Video sau đây sẽ biễu diễn quá trình hình thành liên kết ion giữa nguyên tử Na và nguyên tử Clo.

Tương tác giữa những nguyên tử có khuynh hướng hình thành những lớp đầy hoàn toàn như chúng ta thấy trong liên kết ion. Một liên kết nguyên tử khác có khuynh hướng đạt đến những lớp đầy là liên kết cộng hóa trị, ví dụ như trong phân tử hidro. Nguyên tử hidro có một electron và cần một electron nữa để có thể lấp đầy lớp năng lượng thấp nhất. Sơ đồ của hai nguyên tử hidro không tương tác và phân tử hidro với liên kết cộng hóa trị được biễu diễn trong hình 1.15. Liên kết cộng hóa trị dẫn đến việc dùng chung electron giữa những nguyên tử, kết quả là lớp electron hóa trị của mỗi nguyên tử sẽ đầy. Video sau mô tả quá trình hình thành liên kết cộng hóa trị của phân tử hidro và phân tử nước (Hydrogen: nguyên tử hidro, hydrogen molecule: phân tử hidro, water molecule: phân tử nước).

Những nguyên tử nhóm IV của bảng tuần hoàn, ví dụ như Si và Ge cũng có khuynh hướng hình thành liên kết cộng hóa trị. Những nguyên tố này có 4 electron hóa trị và cần thêm 4 electron hóa trị để đạt đến cấu hình bền vững. Chẳng hạn, nếu một nguyên tử silic có 4 nguyên tử lân cận gần nhất, trong đó mỗi nguyên tử đóng góp một electron hóa trị để dùng chung thì nguyên tử ở giữa sẽ có 8 electron ở lớp ngoài cùng. Hình 1.16a biễu diễn năm nguyên tử silic không tương tác trong đó mỗi nguyên tử có 4 electron hóa trị. Hình 1.16b là biễu diễn hai chiều của liên kết cộng hóa trị trong silic.Nguyên tử ở trung tâm có 8 electron hóa trị.

Một sự khác nhau cơ bản giữa liên kết cộng hóa trị của hidro và của silic là khi phân tử hidro được hình thành, nó không có những electron được thêm vào để hình thành thêm những liên kết cộng hóa trị, trong khi những nguyên tử silic bên ngoài luôn luôn có sẵn những electron hóa trị để hình thành thêm những liên kết cộng hóa trị. Do đó, mạng những nguyên tử silic hình thành nên một tinh thể có kích thướt không xác định, trong đó mỗi nguyên tử silic có 4 nguyên tử lân cận gần nhất và 8 electron được dùng chung. Bốn nguyên tử lân cận gần nhất hình thành nên liên kết cộng hóa trị tương ứng với cấu trúc tứ diện và mạng kim cương, nó lần lượt được biễu diễn trong hình 1.11 và 1.10. Tất nhiên, liên kết nguyên tử và cấu trúc tinh thể có liên hệ trực tiếp với nhau.

Loại liên kết nguyên tử thứ 3 là liên kết kim loại. Những nguyên tố nhóm I có một electron hóa trị. Chẳng hạn, nếu hai nguyên tử Natri (Z=11) được mang đến gần nhau, những electron hóa trị sẽ tương tác với nhau giống như trong liên kết cộng hóa trị. Khi nguyên tử Natri thứ 3 được mang đến gần hai nguyên tử đầu, những electron hóa trị cũng có thể tương tác và tiếp tục hình thành một liên kết. Natri ở thể rắn có cấu trúc lập phương tâm khối, vì vậy mỗi nguyên tử có 8 nguyên tử lân cận gần nhất trong đó mỗi nguyên tử góp vào một electron. Chúng ta có thể xem những ion dương kim loại được vây quanh bởi một biển các electron, chất rắn được giữ với nhau bởi lực tĩnh điện. Sự mô tả này cho ta một bức tranh định tính về liên kết kim loại.

Một loại liên kết nguyên tử thứ 4 là liên kết Van der Waal. Đây là liên kết yếu nhất trong các liên kết hóa học. Chẳng hạn, phân tử HF được hình thành bởi liên kết ion. Tâm hiệu dụng của những hạt mang điện dương không trùng với tâm hiệu dụng của những hạt mang điện âm. Sự bất đối xứng trong phân bố điện tích dẫn đến sự hình thành một lưỡng cực điện nhỏ có thể tương tác với những lưỡng cực của các phân tử HF khác. Bởi vì tương tác yếu, chất rắn được hình thành bởi liên kết Van der Waals có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp – quả thực hầu hết các vật liệu này tồn tại ở dạng khí trong điều kiện nhiệt độ phòng.

Xem video mô tả sự hình thành phân tử HF bằng liên kết Van der Waal.