Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Độ âm điện và liên kết cộng hoá trị phân cực
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em dùng được hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử để phân loại liên kết thành cộng hoá trị không phân cực, cộng hoá trị phân cực, hoặc liên kết ion, và sắp xếp được các liên kết theo chiều tăng/giảm độ phân cực.
Kiến thức nền cần nhớ
Ở Course 3, em đã học tính phi kim tăng dần từ trái sang phải trong một chu kì và từ dưới lên trên trong một nhóm — đó chính là xu hướng biến đổi khả năng hút electron của nguyên tử. Bài này định lượng hoá xu hướng đó bằng một đại lượng cụ thể, rồi dùng nó để xem lại cặp electron dùng chung trong liên kết cộng hoá trị có thực sự được chia đều hay không.
Khởi động
Khí $H_2$ không tan trong nước và không dẫn điện. Nhưng khí hydrogen chloride $HCl$ khi tan vào nước lại tạo dung dịch acid, dẫn điện tốt. Cả hai đều là liên kết cộng hoá trị (electron dùng chung), vậy điều gì đã khác nhau ở cấp độ electron giữa $H{-}H$ và $H{-}Cl$?
Kiến thức trọng tâm
**Độ âm điện** (ký hiệu $\chi$, đọc là "khi", theo thang Pauling) là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút electron dùng chung về phía mình của một nguyên tử trong phân tử. Độ âm điện càng lớn, nguyên tử càng hút electron mạnh. Một số giá trị độ âm điện thường gặp: H là 2,20; C là 2,55; N là 3,04; O là 3,44; F là 3,98 (lớn nhất trong bảng tuần hoàn); Cl là 3,16; Br là 2,96; I là 2,66; Na là 0,93. Độ âm điện tăng dần từ trái sang phải trong một chu kì và giảm dần từ trên xuống dưới trong một nhóm — đúng theo xu hướng tính phi kim đã học ở Course 3.
Trong liên kết cộng hoá trị giữa hai nguyên tử CÙNG loại (như $H{-}H$, $Cl{-}Cl$), độ âm điện hai bên bằng nhau, cặp electron dùng chung được chia đều — gọi là **liên kết cộng hoá trị không phân cực**. Nhưng khi hai nguyên tử liên kết KHÁC loại, độ âm điện khác nhau khiến cặp electron dùng chung bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, tạo ra một đầu mang một phần điện tích âm ($\delta^-$) và đầu kia mang một phần điện tích dương ($\delta^+$) — gọi là **liên kết cộng hoá trị phân cực**.
Người ta thường dùng **hiệu độ âm điện** $\Delta\chi$ giữa hai nguyên tử liên kết để ước lượng mức độ phân cực, theo quy ước thường dùng trong sách giáo khoa: $\Delta\chi < 0{,}4$ ứng với liên kết cộng hoá trị không phân cực; $0{,}4 \le \Delta\chi < 1{,}7$ ứng với liên kết cộng hoá trị phân cực; $\Delta\chi \ge 1{,}7$ thường ứng với liên kết ion. Hiệu độ âm điện càng lớn (trong vùng phân cực), liên kết càng phân cực mạnh.
Độ phân cực của liên kết không chỉ là một con số trừu tượng — nó quyết định nhiều tính chất hoá học quan sát được. Liên kết $O{-}H$ phân cực mạnh trong nước là lý do nước hoà tan tốt nhiều hợp chất ion và hợp chất phân cực khác ("nước là dung môi phân cực"); liên kết $C{-}Cl$ phân cực trong các hợp chất hữu cơ chứa chlorine khiến carbon mang $\delta^+$ dễ bị tấn công bởi các tác nhân mang điện âm — nền tảng của nhiều phản ứng hữu cơ mà em sẽ gặp ở chương trình sau. Nắm chắc cách tính và đọc hiệu độ âm điện vì vậy không chỉ để phân loại liên kết, mà còn để dự đoán được phần nào tính chất và khả năng phản ứng của một chất.
Lưu ý
Quy ước ranh giới 0,4 và 1,7 chỉ mang tính tương đối, không phải một định luật tuyệt đối. Trường hợp thường được nêu như một ngoại lệ là liên kết $H{-}F$: $\Delta\chi = 3{,}98 - 2{,}20 = 1{,}78$, vượt qua ranh giới 1,7, nhưng hydrogen fluoride (HF) trong thực tế vẫn là hợp chất cộng hoá trị phân cực mạnh (chất khí/lỏng phân tử), không phải hợp chất ion dạng tinh thể như NaCl. Em ghi nhớ quy ước để làm bài, nhưng cũng cần biết ranh giới này có ngoại lệ.
Hiệu độ âm điện $\Delta\chi$ tăng dần từ $H{-}I$ đến $H{-}F$ vì độ âm điện của halogen tăng dần từ I đến F trong nhóm VIIA — liên kết càng phân cực mạnh khi $\Delta\chi$ càng lớn.
Ví dụ
So sánh độ phân cực của liên kết trong $Cl_2$ và $HCl$
1
Tính hiệu độ âm điện và xác định loại liên kết trong phân tử $Cl_2$ và phân tử $HCl$. Biết $\chi_H = 2{,}20$, $\chi_{Cl} = 3{,}16$.
2
Hai nguyên tử Cl giống nhau nên $\Delta\chi = 3{,}16 - 3{,}16 = 0$.
3
$\Delta\chi = 3{,}16 - 2{,}20 = 0{,}96$.
4
Với $Cl_2$: $\Delta\chi = 0 < 0{,}4$, đây là liên kết cộng hoá trị KHÔNG phân cực. Với $HCl$: $0{,}4 \le 0{,}96 < 1{,}7$, đây là liên kết cộng hoá trị PHÂN CỰC, cặp electron dùng chung lệch về phía Cl (độ âm điện lớn hơn), tạo $H^{\delta+} {-} Cl^{\delta-}$.
Ví dụ
Sắp xếp độ phân cực của liên kết H-halogen (dạng thi)
1
Cho độ âm điện: $\chi_H = 2{,}20$; $\chi_F = 3{,}98$; $\chi_{Cl} = 3{,}16$; $\chi_{Br} = 2{,}96$; $\chi_I = 2{,}66$. Hãy tính hiệu độ âm điện của các liên kết H-F, H-Cl, H-Br, H-I, sắp xếp theo chiều giảm dần độ phân cực, và giải thích xu hướng đó dựa trên vị trí các halogen trong bảng tuần hoàn.
Ta có $\Delta\chi_{H{-}F} > \Delta\chi_{H{-}Cl} > \Delta\chi_{H{-}Br} > \Delta\chi_{H{-}I}$, tức độ phân cực giảm dần theo thứ tự $H{-}F > H{-}Cl > H{-}Br > H{-}I$.
4
F, Cl, Br, I đều thuộc nhóm VIIA nhưng độ âm điện GIẢM dần từ F xuống I (do bán kính nguyên tử tăng dần khi xuống nhóm, hạt nhân hút electron lớp ngoài cùng yếu hơn). Vì độ âm điện của H không đổi, hiệu độ âm điện với H giảm dần theo đúng thứ tự đó.
5
Độ phân cực liên kết giảm dần theo thứ tự $H{-}F > H{-}Cl > H{-}Br > H{-}I$, đúng theo chiều giảm độ âm điện của halogen khi đi từ trên xuống dưới nhóm VIIA. (Riêng $H{-}F$ có $\Delta\chi = 1{,}78$ vượt ranh giới 1,7 nhưng vẫn là hợp chất cộng hoá trị phân cực trong thực tế, như đã lưu ý ở phần lý thuyết.)
Sai lầm thường gặp
Học sinh dễ nhầm "liên kết phân cực" với "phân tử có cực" — hai khái niệm liên quan nhưng không hoàn toàn giống nhau (phân tử còn phụ thuộc vào hình dạng không gian, nội dung này sẽ gặp lại ở chương trình sau). Ở bài này, em chỉ cần tập trung đúng vào ĐỘ PHÂN CỰC CỦA TỪNG LIÊN KẾT dựa theo hiệu độ âm điện, chưa xét đến hình dạng toàn phân tử. Một lỗi khác là tính hiệu độ âm điện sai dấu (luôn lấy giá trị lớn trừ giá trị nhỏ để có kết quả dương).
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Hiệu độ âm điện $\Delta\chi$ giữa hai nguyên tử liên kết quyết định mức độ phân cực: $\Delta\chi < 0{,}4$ không phân cực, $0{,}4 \le \Delta\chi < 1{,}7$ phân cực, $\Delta\chi \ge 1{,}7$ thường là liên kết ion (có ngoại lệ như HF). Độ âm điện tăng dần từ trái sang phải trong chu kì, giảm dần từ trên xuống dưới trong nhóm — trùng với chiều biến đổi tính phi kim.
Liên kết ion, liên kết cộng hoá trị không phân cực, và liên kết cộng hoá trị phân cực — cả ba đều là liên kết XẢY RA GIỮA CÁC NGUYÊN TỬ trong cùng một phân tử hoặc tinh thể. Nhưng còn kim loại nguyên chất như đồng, sắt, nhôm thì sao? Chương tiếp theo sẽ giới thiệu một kiểu liên kết hoàn toàn khác: liên kết kim loại.
Ở Course 3, em đã học tính phi kim tăng dần từ trái sang phải trong một chu kì và từ dưới lên trên trong một nhóm — đó chính là xu hướng biến đổi khả năng hút electron của nguyên tử. Bài này định lượng hoá xu hướng đó bằng một đại lượng cụ thể, rồi dùng nó để xem lại cặp electron dùng chung trong liên kết cộng hoá trị có thực sự được chia đều hay không.
Khí H2 không tan trong nước và không dẫn điện. Nhưng khí hydrogen chloride HCl khi tan vào nước lại tạo dung dịch acid, dẫn điện tốt. Cả hai đều là liên kết cộng hoá trị (electron dùng chung), vậy điều gì đã khác nhau ở cấp độ electron giữa H−H và H−Cl?
Độ âm điện (ký hiệu χ, đọc là "khi", theo thang Pauling) là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút electron dùng chung về phía mình của một nguyên tử trong phân tử. Độ âm điện càng lớn, nguyên tử càng hút electron mạnh. Một số giá trị độ âm điện thường gặp: H là 2,20; C là 2,55; N là 3,04; O là 3,44; F là 3,98 (lớn nhất trong bảng tuần hoàn); Cl là 3,16; Br là 2,96; I là 2,66; Na là 0,93. Độ âm điện tăng dần từ trái sang phải trong một chu kì và giảm dần từ trên xuống dưới trong một nhóm — đúng theo xu hướng tính phi kim đã học ở Course 3.
Trong liên kết cộng hoá trị giữa hai nguyên tử CÙNG loại (như H−H, Cl−Cl), độ âm điện hai bên bằng nhau, cặp electron dùng chung được chia đều — gọi là liên kết cộng hoá trị không phân cực. Nhưng khi hai nguyên tử liên kết KHÁC loại, độ âm điện khác nhau khiến cặp electron dùng chung bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, tạo ra một đầu mang một phần điện tích âm (δ−) và đầu kia mang một phần điện tích dương (δ+) — gọi là liên kết cộng hoá trị phân cực.
Người ta thường dùng hiệu độ âm điệnΔχ giữa hai nguyên tử liên kết để ước lượng mức độ phân cực, theo quy ước thường dùng trong sách giáo khoa: Δχ<0,4 ứng với liên kết cộng hoá trị không phân cực; 0,4≤Δχ<1,7 ứng với liên kết cộng hoá trị phân cực; Δχ≥1,7 thường ứng với liên kết ion. Hiệu độ âm điện càng lớn (trong vùng phân cực), liên kết càng phân cực mạnh.
Độ phân cực của liên kết không chỉ là một con số trừu tượng — nó quyết định nhiều tính chất hoá học quan sát được. Liên kết O−H phân cực mạnh trong nước là lý do nước hoà tan tốt nhiều hợp chất ion và hợp chất phân cực khác ("nước là dung môi phân cực"); liên kết C−Cl phân cực trong các hợp chất hữu cơ chứa chlorine khiến carbon mang δ+ dễ bị tấn công bởi các tác nhân mang điện âm — nền tảng của nhiều phản ứng hữu cơ mà em sẽ gặp ở chương trình sau. Nắm chắc cách tính và đọc hiệu độ âm điện vì vậy không chỉ để phân loại liên kết, mà còn để dự đoán được phần nào tính chất và khả năng phản ứng của một chất.
Quy ước ranh giới 0,4 và 1,7 chỉ mang tính tương đối, không phải một định luật tuyệt đối. Trường hợp thường được nêu như một ngoại lệ là liên kết H−F: Δχ=3,98−2,20=1,78, vượt qua ranh giới 1,7, nhưng hydrogen fluoride (HF) trong thực tế vẫn là hợp chất cộng hoá trị phân cực mạnh (chất khí/lỏng phân tử), không phải hợp chất ion dạng tinh thể như NaCl. Em ghi nhớ quy ước để làm bài, nhưng cũng cần biết ranh giới này có ngoại lệ.
Hiệu độ âm điện Δχ tăng dần từ H−I đến H−F vì độ âm điện của halogen tăng dần từ I đến F trong nhóm VIIA — liên kết càng phân cực mạnh khi Δχ càng lớn.
So sánh độ phân cực của liên kết trong Cl2 và HCl
Tính hiệu độ âm điện và xác định loại liên kết trong phân tử Cl2 và phân tử HCl. Biết χH=2,20, χCl=3,16.
Hai nguyên tử Cl giống nhau nên Δχ=3,16−3,16=0.
Δχ=3,16−2,20=0,96.
Với Cl2: Δχ=0<0,4, đây là liên kết cộng hoá trị KHÔNG phân cực. Với HCl: 0,4≤0,96<1,7, đây là liên kết cộng hoá trị PHÂN CỰC, cặp electron dùng chung lệch về phía Cl (độ âm điện lớn hơn), tạo Hδ+−Clδ−.
Cho độ âm điện: χH=2,20; χF=3,98; χCl=3,16; χBr=2,96; χI=2,66. Hãy tính hiệu độ âm điện của các liên kết H-F, H-Cl, H-Br, H-I, sắp xếp theo chiều giảm dần độ phân cực, và giải thích xu hướng đó dựa trên vị trí các halogen trong bảng tuần hoàn.
Ta có ΔχH−F>ΔχH−Cl>ΔχH−Br>ΔχH−I, tức độ phân cực giảm dần theo thứ tự H−F>H−Cl>H−Br>H−I.
Độ phân cực liên kết giảm dần theo thứ tự H−F>H−Cl>H−Br>H−I, đúng theo chiều giảm độ âm điện của halogen khi đi từ trên xuống dưới nhóm VIIA. (Riêng H−F có Δχ=1,78 vượt ranh giới 1,7 nhưng vẫn là hợp chất cộng hoá trị phân cực trong thực tế, như đã lưu ý ở phần lý thuyết.)
Học sinh dễ nhầm "liên kết phân cực" với "phân tử có cực" — hai khái niệm liên quan nhưng không hoàn toàn giống nhau (phân tử còn phụ thuộc vào hình dạng không gian, nội dung này sẽ gặp lại ở chương trình sau). Ở bài này, em chỉ cần tập trung đúng vào ĐỘ PHÂN CỰC CỦA TỪNG LIÊN KẾT dựa theo hiệu độ âm điện, chưa xét đến hình dạng toàn phân tử. Một lỗi khác là tính hiệu độ âm điện sai dấu (luôn lấy giá trị lớn trừ giá trị nhỏ để có kết quả dương).
Hiệu độ âm điện Δχ giữa hai nguyên tử liên kết quyết định mức độ phân cực: Δχ<0,4 không phân cực, 0,4≤Δχ<1,7 phân cực, Δχ≥1,7 thường là liên kết ion (có ngoại lệ như HF). Độ âm điện tăng dần từ trái sang phải trong chu kì, giảm dần từ trên xuống dưới trong nhóm — trùng với chiều biến đổi tính phi kim.