Giáo án Bài 18. Cấu tạo và liên kết trong tinh thể kim loại

Huy động kiến thức sẵn có về tính chất kim loại; xác định vấn đề và nhiệm vụ học tập của bài.

GV đưa ra mẫu dây đồng và lá nhôm mỏng, cho HS quan sát ánh kim, độ dẻo và khả năng dẫn điện (nêu rõ không cắt, không nung). Câu hỏi: (1) Kim loại có những tính chất nào? (2) Vì sao kim loại có thể dát mỏng, kéo sợi mà vẫn dẫn điện? (3) Nguyên tử kim loại có đặc điểm gì ở lớp electron ngoài cùng?

HS nêu được ba tính chất tiêu biểu: dẫn điện, dẫn nhiệt, dẻo và có ánh kim. HS ghi vào vở ba nhiệm vụ của bài: cấu hình electron lớp ngoài cùng, liên kết kim loại, các kiểu mạng tinh thể.

Nêu được đặc điểm cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại.

HS làm việc theo cặp với Phiếu học tập số 1, phần A: viết cấu hình electron lớp ngoài cùng của Na ($3s^{1}$), Mg ($3s^{2}$), Al ($3s^{2}3p^{1}$), đếm số electron lớp ngoài và nêu nhận xét. Phần B: trả lời câu hỏi “Mọi nguyên tố có 1–3 electron lớp ngoài đều là kim loại không?” (xét H, He, B).

Đặc điểm: nguyên tử kim loại thường có 1–3 electron lớp ngoài cùng (Na: 1; Mg: 2; Al: 3), dễ nhường electron hoá trị để tạo ion dương. Đây là xu hướng, không phải định nghĩa: H ($1s^{1}$), He ($1s^{2}$) và B ($2s^{2}2p^{1}$) có 1–3 electron ngoài nhưng không phải kim loại; tính chất phải xét cấu hình đầy đủ.

Nêu được khái niệm liên kết kim loại; phân biệt liên kết kim loại với liên kết ion; giải thích dẫn điện và tính dẻo bằng mô hình.

Kĩ thuật khăn trải bàn theo nhóm 4. GV mở mô phỏng 3D “Electron hoá trị tự do” trong trang bài học NeoEdu; các chấm cam là electron chuyển động trong toàn mạng. Nhiệm vụ: (1) Tinh thể kim loại gồm những hạt nào? (2) Lực nào giữ các hạt với nhau? (3) Khác liên kết ion chỗ nào? (4) Vì sao kim loại dẫn điện khi nối nguồn? (5) Vì sao lớp ion dương trượt được mà kim loại vẫn bền?

Liên kết kim loại là lực hút tĩnh điện giữa các ion dương kim loại và electron hoá trị tự do (không định xứ, phân bố trong toàn tinh thể). Khác liên kết ion vì không có anion. Dẫn điện: electron chuyển động có hướng về cực dương khi đặt điện trường, không phải ion dương chạy qua dây. Tính dẻo: lớp ion dương trượt tương đối nhưng vẫn được biển electron giữ. Kim loại không phải dung dịch ion, cũng không phải nguyên tử hoàn toàn mất hết electron.

Mô tả được ba kiểu mạng: lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt, lục phương; tính được số nguyên tử quy ước trong ô lập phương tâm khối và tâm mặt.

Học tập theo trạm, nhóm 3 HS, làm Phiếu học tập số 2. Trạm 1: lập phương tâm khối (8 đỉnh + 1 tâm khối; ví dụ Na, K, Cr, Fe). Trạm 2: lập phương tâm mặt (8 đỉnh + 6 tâm mặt; ví dụ Cu, Ag, Au, Al). Trạm 3: lục phương (lăng trụ lục giác, 3 nguyên tử ở giữa hai lớp; ví dụ Mg, Zn, Ti). Mỗi trạm lắp mô hình và đếm nguyên tử quy ước theo cách chia phần dùng chung: đỉnh đóng góp $\dfrac{1}{8}$ (ô lập phương), tâm mặt đóng góp $\dfrac{1}{2}$, tâm khối đóng góp 1. Sau đó, GV mở mô phỏng 3D để HS kiểm tra số lân cận và độ đặc khít.

Bảng kết quả trong Phiếu học tập số 2: Lập phương tâm khối: 2 nguyên tử/ô ($8\times\dfrac{1}{8}+1=2$), 8 lân cận, chiếm 68 %; ví dụ Na, K, Cr, Fe. Lập phương tâm mặt: 4 nguyên tử/ô ($8\times\dfrac{1}{8}+6\times\dfrac{1}{2}=4$), 12 lân cận, chiếm 74 %; ví dụ Cu, Ag, Au, Al. Lục phương: lăng trụ lục giác, các lớp xếp ABAB, đặc khít, 12 lân cận, chiếm 74 %; ví dụ Mg, Zn, Ti. Lưu ý: mô hình chỉ hỗ trợ đọc cấu trúc, không suy khối lượng ô từ hình vẽ.

Củng cố khái niệm liên kết kim loại, hạt tải điện và tính chất được giải thích bằng electron tự do.

HS giơ thẻ A, B, C, D hoặc bảng con để trả lời trắc nghiệm nhanh. Câu 1: Liên kết kim loại chủ yếu là lực hút giữa gì? A. Các phân tử trung tính chỉ bằng liên kết hydrogen; B. Hai nguyên tử riêng lẻ dùng chung một cặp electron định xứ; C. Ion dương và electron hoá trị tự do; D. Ion dương và ion âm như tinh thể NaCl. Câu 2: Hạt tải điện chính trong dây kim loại là gì? A. Proton trong hạt nhân dịch chuyển tự do; B. Electron; C. Ion Cu²⁺ chuyển suốt chiều dài dây; D. Nguyên tử Cu trung hoà chạy theo điện trường. Câu 3: Tính chất nào thường được giải thích bằng electron hoá trị chuyển động tự do? A. Dẫn điện; B. Dẫn nhiệt; C. Ánh kim; D. Chắc chắn không phản ứng với acid. Câu 4: Đúng (Đ) hoặc sai (S): a) Electron hoá trị có thể chuyển động trong tinh thể; b) Tính dẻo liên quan khả năng các lớp trượt vẫn giữ liên kết; c) Mỗi nguyên tử ở đỉnh thuộc riêng một ô; d) Mọi kim loại có cùng độ dẫn điện.

Đáp án: Câu 1: C (phần ion dương hút electron không định xứ trong mạng). Câu 2: B (electron chuyển động có hướng khi có điện trường). Câu 3: A, B, C (dẫn điện, dẫn nhiệt, ánh kim; không phản ứng với acid không phải tính chất chung của kim loại). Câu 4: a) Đ; b) Đ; c) S (nguyên tử ở đỉnh được dùng chung cho 8 ô); d) S (độ dẫn điện phụ thuộc cấu tạo và loại kim loại).

Vận dụng cách chia phần dùng chung để tính số nguyên tử quy ước trong ô lập phương tâm khối và tâm mặt.

HS làm theo cặp các bài tập: (1) Ghép vị trí trong ô lập phương với đóng góp: đỉnh, tâm mặt, tâm khối. (2) Lập phương tâm khối có 8 đỉnh, mỗi đỉnh góp $\dfrac{1}{8}$, thêm 1 hạt tâm. Tính số hạt quy ước trong ô. (3) Lập phương tâm mặt có 8 đỉnh và 6 tâm mặt. Tính số hạt quy ước trong ô.

Đáp án: (1) Đỉnh – $\dfrac{1}{8}$; tâm mặt – $\dfrac{1}{2}$; tâm khối – 1. (2) $8\times\dfrac{1}{8}+1=2$ nguyên tử. (3) $8\times\dfrac{1}{8}+6\times\dfrac{1}{2}=1+3=4$ nguyên tử.

Vận dụng mô hình liên kết kim loại để giải thích hai tính chất khác nhau của kim loại; phân biệt hai hiện tượng.

Câu hỏi: Giải thích vì sao kim loại có thể dát mỏng trong mô hình liên kết, và phân biệt với dẫn điện. Gợi ý: nêu cơ chế dát mỏng (lớp ion dương trượt, vẫn bị biển electron giữ), nêu cơ chế dẫn điện (electron chuyển động có hướng dưới điện trường), phân biệt hai quá trình. HS viết 4–5 câu trong vở, sau đó đổi bài với bạn để đánh giá theo barème: giải thích trượt và giữ liên kết 1,25 điểm; dẫn điện do electron chuyển dời có hướng 1,25 điểm; phân biệt trượt cơ học với vận chuyển điện tích 0,5 điểm; tối đa 3 điểm.

Bài mẫu: Khi chịu lực, lớp ion dương trượt tương đối nhưng vẫn bị hút với electron phân bố trong mạng nên không mất liên kết ngay, nhờ đó kim loại dẻo và dát mỏng được. Dẫn điện lại do electron chuyển động có hướng khi đặt điện trường. Hai hiện tượng dựa trên cùng cấu trúc nhưng không phải cùng một quá trình: một bên là trượt lớp cơ học, một bên là vận chuyển điện tích.