Bài học

Liên kết hydrogen

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được điều kiện hình thành liên kết hydrogen giữa các phân tử, nhận diện được chất nào có khả năng tạo liên kết hydrogen, và giải thích được ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới nhiệt độ sôi.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Chương 3, em đã học liên kết cộng hoá trị phân cực: khi một nguyên tử có độ âm điện lớn (như O, N, F) liên kết với H, cặp electron dùng chung lệch mạnh về phía nguyên tử đó, khiến H mang một phần điện tích dương ( $\delta^+$ ) khá rõ rệt. Bài này khai thác đúng điều kiện phân cực mạnh đó để giải thích một lực hút xảy ra GIỮA các phân tử, chứ không còn nằm trong nội bộ một phân tử nữa.

Ở Chương 3, em đã học liên kết cộng hoá trị phân cực: khi một nguyên tử có độ âm điện lớn (như O, N, F) liên kết với H, cặp electron dùng chung lệch mạnh về phía nguyên tử đó, khiến H mang một phần điện tích dương ($\delta^+$) khá rõ rệt. Bài này khai thác đúng điều kiện phân cực mạnh đó để giải thích một lực hút xảy ra GIỮA các phân tử, chứ không còn nằm trong nội bộ một phân tử nữa.

Khởi động

Nước ( $H_2O$ , khối lượng phân tử 18) sôi ở 100 °C, trong khi khí hydrogen sulfide ( $H_2S$ , khối lượng phân tử 34 — nặng hơn nước) lại sôi ở khoảng −60 °C. Thông thường phân tử càng nặng thì càng khó bay hơi, nhiệt độ sôi càng cao — vậy tại sao phân tử nước nhẹ hơn lại sôi ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với $H_2S$ nặng hơn?

Nước ($H_2O$, khối lượng phân tử 18) sôi ở 100 °C, trong khi khí hydrogen sulfide ($H_2S$, khối lượng phân tử 34 — nặng hơn nước) lại sôi ở khoảng −60 °C. Thông thường phân tử càng nặng thì càng khó bay hơi, nhiệt độ sôi càng cao — vậy tại sao phân tử nước nhẹ hơn lại sôi ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với $H_2S$ nặng hơn?

Kiến thức trọng tâm

Liên kết hydrogen là lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử H (đã mang $\delta^+$ rõ rệt do liên kết với một nguyên tử có độ âm điện lớn — thường là F, O, N) của phân tử này với cặp electron riêng của nguyên tử F, O, hoặc N (mang $\delta^-$ ) ở một phân tử khác gần đó. Điều kiện để một phân tử có khả năng tạo liên kết hydrogen với phân tử khác cùng loại: phân tử đó phải có H liên kết trực tiếp với F, O, hoặc N — ba nguyên tố có độ âm điện đủ lớn để tạo ra $\delta^+$ đáng kể trên H.

**Liên kết hydrogen** là lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử H (đã mang $\delta^+$ rõ rệt do liên kết với một nguyên tử có độ âm điện lớn — thường là F, O, N) của phân tử này với cặp electron riêng của nguyên tử F, O, hoặc N (mang $\delta^-$) ở một phân tử khác gần đó. Điều kiện để một phân tử có khả năng tạo liên kết hydrogen với phân tử khác cùng loại: phân tử đó phải có H liên kết trực tiếp với F, O, hoặc N — ba nguyên tố có độ âm điện đủ lớn để tạo ra $\delta^+$ đáng kể trên H.

Xét phân tử nước $H_2O$ : mỗi phân tử có 2 nguyên tử H mang $\delta^+$ (do liên kết O-H phân cực mạnh, $\Delta\chi = 1{,}24$ ) và nguyên tử O mang $\delta^-$ cùng 2 cặp electron riêng. Nguyên tử H mang $\delta^+$ của phân tử nước này bị hút bởi cặp electron riêng của nguyên tử O ở phân tử nước khác, tạo thành liên kết hydrogen giữa hai phân tử, thường ký hiệu bằng đường chấm chấm: $O{-}H \cdots O$ . Mỗi phân tử nước có thể tạo liên kết hydrogen với nhiều phân tử nước xung quanh cùng lúc, tạo thành một mạng lưới liên kết hydrogen rộng khắp trong nước lỏng.

Xét phân tử nước $H_2O$: mỗi phân tử có 2 nguyên tử H mang $\delta^+$ (do liên kết O-H phân cực mạnh, $\Delta\chi = 1{,}24$) và nguyên tử O mang $\delta^-$ cùng 2 cặp electron riêng. Nguyên tử H mang $\delta^+$ của phân tử nước này bị hút bởi cặp electron riêng của nguyên tử O ở phân tử nước khác, tạo thành liên kết hydrogen giữa hai phân tử, thường ký hiệu bằng đường chấm chấm: $O{-}H \cdots O$. Mỗi phân tử nước có thể tạo liên kết hydrogen với nhiều phân tử nước xung quanh cùng lúc, tạo thành một mạng lưới liên kết hydrogen rộng khắp trong nước lỏng.

Liên kết hydrogen yếu hơn liên kết cộng hoá trị hay liên kết ion nhiều lần (chỉ bằng khoảng một phần mười năng lượng liên kết cộng hoá trị thông thường), nhưng vẫn đủ mạnh để ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của chất: muốn chất chuyển từ lỏng sang khí (sôi), không chỉ cần đủ năng lượng để các phân tử chuyển động nhanh hơn, mà còn phải đủ năng lượng để PHÁ VỠ các liên kết hydrogen giữ chúng lại gần nhau. Chất có liên kết hydrogen giữa các phân tử luôn có nhiệt độ sôi cao hơn hẳn so với chất có khối lượng phân tử tương tự nhưng không có liên kết hydrogen.

Ba chất

H_2S

H_2Se

H_2Te

có nhiệt độ sôi tăng dần theo khối lượng phân tử — đúng xu hướng thông thường. Nhưng

H_2O

, dù nhẹ nhất, lại sôi cao vượt trội (100 °C) vì có liên kết hydrogen giữa các phân tử, còn ba chất kia không có (do S, Se, Te có độ âm điện không đủ lớn).Ba chất $H_2S$, $H_2Se$, $H_2Te$ có nhiệt độ sôi tăng dần theo khối lượng phân tử — đúng xu hướng thông thường. Nhưng $H_2O$, dù nhẹ nhất, lại sôi cao vượt trội (100 °C) vì có liên kết hydrogen giữa các phân tử, còn ba chất kia không có (do S, Se, Te có độ âm điện không đủ lớn).

Ví dụ

Nhận diện chất có liên kết hydrogen giữa các phân tử

1
Trong các chất $CH_4$ , $HF$ , $NH_3$ , $H_2S$ , chất nào có khả năng tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử? Giải thích.
Trong các chất $CH_4$, $HF$, $NH_3$, $H_2S$, chất nào có khả năng tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử? Giải thích.
2
Điều kiện cần: phân tử phải có H liên kết trực tiếp với F, O, hoặc N.
3
$CH_4$ : H liên kết với C (độ âm điện 2,55, không đủ lớn) — KHÔNG có liên kết hydrogen. $HF$ : H liên kết với F (độ âm điện lớn nhất) — CÓ liên kết hydrogen. $NH_3$ : H liên kết với N — CÓ liên kết hydrogen. $H_2S$ : H liên kết với S (độ âm điện 2,58, không đủ lớn như O) — KHÔNG có liên kết hydrogen đáng kể.
$CH_4$: H liên kết với C (độ âm điện 2,55, không đủ lớn) — KHÔNG có liên kết hydrogen. $HF$: H liên kết với F (độ âm điện lớn nhất) — CÓ liên kết hydrogen. $NH_3$: H liên kết với N — CÓ liên kết hydrogen. $H_2S$: H liên kết với S (độ âm điện 2,58, không đủ lớn như O) — KHÔNG có liên kết hydrogen đáng kể.
4
Hai chất $HF$ và $NH_3$ có khả năng tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử; $CH_4$ và $H_2S$ thì không, vì nguyên tử liên kết với H (C và S) không có độ âm điện đủ lớn.
Hai chất $HF$ và $NH_3$ có khả năng tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử; $CH_4$ và $H_2S$ thì không, vì nguyên tử liên kết với H (C và S) không có độ âm điện đủ lớn.

Ví dụ

Giải thích vì sao

H_2O

sôi cao hơn nhiều so với

H_2S

(dạng thi)Giải thích vì sao $H_2O$ sôi cao hơn nhiều so với $H_2S$ (dạng thi)

1
$H_2O$ có khối lượng phân tử 18, sôi ở 100 °C. $H_2S$ có khối lượng phân tử 34 (nặng gần gấp đôi $H_2O$ ), nhưng chỉ sôi ở khoảng −60 °C. Hãy giải thích nghịch lý này bằng kiến thức về liên kết hydrogen.
$H_2O$ có khối lượng phân tử 18, sôi ở 100 °C. $H_2S$ có khối lượng phân tử 34 (nặng gần gấp đôi $H_2O$), nhưng chỉ sôi ở khoảng −60 °C. Hãy giải thích nghịch lý này bằng kiến thức về liên kết hydrogen.
2
Theo xu hướng chung, phân tử càng nặng thì lực hút giữa các phân tử càng mạnh, nhiệt độ sôi càng cao — nếu chỉ xét khối lượng, $H_2S$ đáng lẽ phải sôi cao hơn $H_2O$ .
Theo xu hướng chung, phân tử càng nặng thì lực hút giữa các phân tử càng mạnh, nhiệt độ sôi càng cao — nếu chỉ xét khối lượng, $H_2S$ đáng lẽ phải sôi cao hơn $H_2O$.
3
O có độ âm điện 3,44, lớn hơn nhiều so với S (2,58). Liên kết O-H phân cực rất mạnh ( $\Delta\chi = 1{,}24$ ), đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử nước. Liên kết S-H có $\Delta\chi$ nhỏ hơn nhiều, không đủ phân cực để tạo liên kết hydrogen đáng kể.
O có độ âm điện 3,44, lớn hơn nhiều so với S (2,58). Liên kết O-H phân cực rất mạnh ($\Delta\chi = 1{,}24$), đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử nước. Liên kết S-H có $\Delta\chi$ nhỏ hơn nhiều, không đủ phân cực để tạo liên kết hydrogen đáng kể.
4
Muốn $H_2O$ sôi, ngoài việc thắng lực hút thông thường, còn phải phá vỡ mạng lưới liên kết hydrogen rộng khắp giữa các phân tử nước — cần thêm năng lượng đáng kể. $H_2S$ không có liên kết hydrogen nên chỉ cần thắng lực hút yếu hơn nhiều để bay hơi.
Muốn $H_2O$ sôi, ngoài việc thắng lực hút thông thường, còn phải phá vỡ mạng lưới liên kết hydrogen rộng khắp giữa các phân tử nước — cần thêm năng lượng đáng kể. $H_2S$ không có liên kết hydrogen nên chỉ cần thắng lực hút yếu hơn nhiều để bay hơi.
5
Dù nhẹ hơn $H_2S$ , $H_2O$ vẫn sôi ở nhiệt độ cao hơn nhiều (100 °C so với −60 °C) vì có liên kết hydrogen giữa các phân tử nước — minh chứng liên kết hydrogen có ảnh hưởng lớn hơn cả yếu tố khối lượng phân tử trong trường hợp này.
Dù nhẹ hơn $H_2S$, $H_2O$ vẫn sôi ở nhiệt độ cao hơn nhiều (100 °C so với −60 °C) vì có liên kết hydrogen giữa các phân tử nước — minh chứng liên kết hydrogen có ảnh hưởng lớn hơn cả yếu tố khối lượng phân tử trong trường hợp này.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nghĩ rằng bất kỳ phân tử nào có nguyên tử H đều tạo được liên kết hydrogen. Cần nhớ: H phải liên kết TRỰC TIẾP với F, O, hoặc N (ba nguyên tố có độ âm điện đủ lớn) mới đủ điều kiện. $CH_4$ có tới 4 nguyên tử H nhưng KHÔNG tạo liên kết hydrogen, vì H trong $CH_4$ liên kết với C, không phải F/O/N.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Liên kết hydrogen: lực hút giữa H (mang $\delta^+$ , liên kết trực tiếp với F/O/N) của phân tử này với cặp electron riêng của F/O/N (mang $\delta^-$ ) ở phân tử khác. Yếu hơn liên kết cộng hoá trị/ion nhiều lần, nhưng đủ mạnh để làm tăng đáng kể nhiệt độ sôi/nóng chảy so với chất không có liên kết hydrogen — như trường hợp $H_2O$ sôi bất thường cao so với $H_2S$ .

Liên kết hydrogen: lực hút giữa H (mang $\delta^+$, liên kết trực tiếp với F/O/N) của phân tử này với cặp electron riêng của F/O/N (mang $\delta^-$) ở phân tử khác. Yếu hơn liên kết cộng hoá trị/ion nhiều lần, nhưng đủ mạnh để làm tăng đáng kể nhiệt độ sôi/nóng chảy so với chất không có liên kết hydrogen — như trường hợp $H_2O$ sôi bất thường cao so với $H_2S$.

Nhưng ngay cả những phân tử KHÔNG có H liên kết với F/O/N — như $CH_4$ , hay đơn chất $Cl_2$ , $I_2$ — vẫn có một lực hút rất yếu giữ chúng lại gần nhau ở nhiệt độ đủ thấp, nếu không chúng sẽ không bao giờ hoá lỏng được. Bài tiếp theo giới thiệu lực hút đó: tương tác van der Waals.

Nhưng ngay cả những phân tử KHÔNG có H liên kết với F/O/N — như $CH_4$, hay đơn chất $Cl_2$, $I_2$ — vẫn có một lực hút rất yếu giữ chúng lại gần nhau ở nhiệt độ đủ thấp, nếu không chúng sẽ không bao giờ hoá lỏng được. Bài tiếp theo giới thiệu lực hút đó: tương tác van der Waals.