Bài học

Tương tác van der Waals và so sánh nhiệt độ sôi

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được bản chất tương tác van der Waals (có ở mọi phân tử, tăng theo khối lượng/kích thước phân tử) và dùng được cả liên kết hydrogen lẫn tương tác van der Waals để giải thích, so sánh nhiệt độ sôi của các chất liên quan.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã học liên kết hydrogen — chỉ xuất hiện ở những phân tử có H liên kết trực tiếp với F, O, N. Nhưng đơn chất như khí chlorine $Cl_2$ , khí fluorine $F_2$ hoàn toàn không có H, vậy mà khi đủ lạnh chúng vẫn hoá lỏng, thậm chí hoá rắn được — chứng tỏ vẫn có một lực hút nào đó giữ các phân tử này lại gần nhau, dù yếu hơn liên kết hydrogen rất nhiều.

Bài trước đã học liên kết hydrogen — chỉ xuất hiện ở những phân tử có H liên kết trực tiếp với F, O, N. Nhưng đơn chất như khí chlorine $Cl_2$, khí fluorine $F_2$ hoàn toàn không có H, vậy mà khi đủ lạnh chúng vẫn hoá lỏng, thậm chí hoá rắn được — chứng tỏ vẫn có một lực hút nào đó giữ các phân tử này lại gần nhau, dù yếu hơn liên kết hydrogen rất nhiều.

Khởi động

Trong nhóm VIIA, các đơn chất halogen có trạng thái khác nhau ở điều kiện thường dù đều là phân tử hai nguyên tử không phân cực tương tự nhau: $F_2$ và $Cl_2$ là chất khí, $Br_2$ là chất lỏng, còn $I_2$ là chất rắn. Không có liên kết hydrogen nào ở đây cả — các phân tử này chỉ khác nhau ở kích thước và khối lượng. Vậy điều gì khiến $I_2$ đủ "dính" với nhau để thành chất rắn, trong khi $F_2$ lại rất dễ tách rời thành chất khí?

Kiến thức trọng tâm

Tương tác van der Waals là lực hút yếu, xuất hiện GIỮA MỌI PHÂN TỬ, kể cả phân tử không phân cực. Bản chất của lực này là: các electron trong phân tử luôn chuyển động, tại một thời điểm bất kỳ, sự phân bố electron có thể tạm thời không đối xứng, tạo ra một lưỡng cực tạm thời (một đầu hơi âm, một đầu hơi dương trong khoảnh khắc đó). Lưỡng cực tạm thời này cảm ứng lưỡng cực tương tự ở phân tử bên cạnh, và hai lưỡng cực tạm thời trái dấu hút nhau yếu ớt. Vì electron luôn chuyển động, các lưỡng cực này liên tục xuất hiện và biến mất, nhưng hiệu ứng hút trung bình vẫn tồn tại.

**Tương tác van der Waals** là lực hút yếu, xuất hiện GIỮA MỌI PHÂN TỬ, kể cả phân tử không phân cực. Bản chất của lực này là: các electron trong phân tử luôn chuyển động, tại một thời điểm bất kỳ, sự phân bố electron có thể tạm thời không đối xứng, tạo ra một lưỡng cực tạm thời (một đầu hơi âm, một đầu hơi dương trong khoảnh khắc đó). Lưỡng cực tạm thời này cảm ứng lưỡng cực tương tự ở phân tử bên cạnh, và hai lưỡng cực tạm thời trái dấu hút nhau yếu ớt. Vì electron luôn chuyển động, các lưỡng cực này liên tục xuất hiện và biến mất, nhưng hiệu ứng hút trung bình vẫn tồn tại.

Tương tác van der Waals tăng theo khối lượng phân tử và số electron trong phân tử: phân tử càng lớn, càng nhiều electron, thì lưỡng cực tạm thời sinh ra càng dễ và càng mạnh, khiến lực van der Waals mạnh hơn. Đó là lý do trong dãy halogen $F_2 < Cl_2 < Br_2 < I_2$ (khối lượng phân tử tăng dần), nhiệt độ sôi tăng dần đều đặn: $F_2$ sôi ở −188 °C, $Cl_2$ ở −34 °C, $Br_2$ ở 59 °C, $I_2$ ở khoảng 184 °C — không có liên kết hydrogen nào ở đây, toàn bộ xu hướng này chỉ do tương tác van der Waals tăng dần theo khối lượng/kích thước phân tử.

Tương tác van der Waals **tăng theo khối lượng phân tử và số electron** trong phân tử: phân tử càng lớn, càng nhiều electron, thì lưỡng cực tạm thời sinh ra càng dễ và càng mạnh, khiến lực van der Waals mạnh hơn. Đó là lý do trong dãy halogen $F_2 < Cl_2 < Br_2 < I_2$ (khối lượng phân tử tăng dần), nhiệt độ sôi tăng dần đều đặn: $F_2$ sôi ở −188 °C, $Cl_2$ ở −34 °C, $Br_2$ ở 59 °C, $I_2$ ở khoảng 184 °C — không có liên kết hydrogen nào ở đây, toàn bộ xu hướng này chỉ do tương tác van der Waals tăng dần theo khối lượng/kích thước phân tử.

So sánh ba loại lực đã học: liên kết ion và liên kết cộng hoá trị là liên kết MẠNH, giữ nguyên tử trong nội bộ một hợp chất/phân tử; liên kết hydrogen là tương tác GIỮA các phân tử, chỉ có ở một số phân tử đặc biệt (H liên kết F/O/N), có độ mạnh trung bình; tương tác van der Waals cũng là tương tác GIỮA các phân tử nhưng có ở MỌI phân tử, và là loại yếu nhất trong tất cả. Khi so sánh nhiệt độ sôi giữa các chất có khối lượng phân tử gần nhau, chất nào có thêm liên kết hydrogen sẽ sôi cao hơn hẳn so với chất chỉ có tương tác van der Waals — như ethanol $C_2H_5OH$ (có liên kết hydrogen, sôi ở 78 °C) so với ethane $C_2H_6$ (chỉ có van der Waals, khối lượng phân tử gần tương đương, sôi ở −89 °C).

Nhiệt độ sôi tăng đều đặn từ

F_2

đến

I_2

theo đúng chiều tăng khối lượng phân tử/số electron — hoàn toàn do tương tác van der Waals tăng dần, vì các phân tử halogen này không có liên kết hydrogen.Nhiệt độ sôi tăng đều đặn từ $F_2$ đến $I_2$ theo đúng chiều tăng khối lượng phân tử/số electron — hoàn toàn do tương tác van der Waals tăng dần, vì các phân tử halogen này không có liên kết hydrogen.

Ví dụ

Giải thích xu hướng nhiệt độ sôi của dãy alkane

1
Nhiệt độ sôi của $CH_4$ , $C_2H_6$ , $C_3H_8$ lần lượt là −162 °C, −89 °C, −42 °C — tăng dần. Giải thích xu hướng này.
Nhiệt độ sôi của $CH_4$, $C_2H_6$, $C_3H_8$ lần lượt là −162 °C, −89 °C, −42 °C — tăng dần. Giải thích xu hướng này.
2
Cả ba chất chỉ có liên kết C-H (C có độ âm điện không đủ lớn), không có liên kết hydrogen giữa các phân tử.
3
Khối lượng phân tử tăng dần theo thứ tự $CH_4 < C_2H_6 < C_3H_8$ (16, 30, 44), do số nguyên tử carbon và hydrogen tăng dần.
Khối lượng phân tử tăng dần theo thứ tự $CH_4 < C_2H_6 < C_3H_8$ (16, 30, 44), do số nguyên tử carbon và hydrogen tăng dần.
4
Vì không có liên kết hydrogen, nhiệt độ sôi của cả dãy chỉ phụ thuộc vào tương tác van der Waals — phân tử càng lớn, càng nhiều electron, lực van der Waals càng mạnh, nên nhiệt độ sôi tăng dần đúng theo chiều tăng khối lượng phân tử.

Ví dụ

So sánh nhiệt độ sôi của ethanol và ethane (dạng thi)

1
Ethanol $C_2H_5OH$ (khối lượng phân tử 46) sôi ở 78 °C, trong khi ethane $C_2H_6$ (khối lượng phân tử 30, nhẹ hơn) sôi ở −89 °C — chênh lệch rất lớn dù khối lượng phân tử không quá khác nhau. Giải thích sự chênh lệch này.
Ethanol $C_2H_5OH$ (khối lượng phân tử 46) sôi ở 78 °C, trong khi ethane $C_2H_6$ (khối lượng phân tử 30, nhẹ hơn) sôi ở −89 °C — chênh lệch rất lớn dù khối lượng phân tử không quá khác nhau. Giải thích sự chênh lệch này.
2
Ethanol có nhóm $O{-}H$ , H liên kết trực tiếp với O (độ âm điện lớn) — CÓ liên kết hydrogen giữa các phân tử ethanol. Ethane chỉ có liên kết C-H và C-C — KHÔNG có liên kết hydrogen, chỉ có tương tác van der Waals.
Ethanol có nhóm $O{-}H$, H liên kết trực tiếp với O (độ âm điện lớn) — CÓ liên kết hydrogen giữa các phân tử ethanol. Ethane chỉ có liên kết C-H và C-C — KHÔNG có liên kết hydrogen, chỉ có tương tác van der Waals.
3
Ethanol vừa có tương tác van der Waals (do có khối lượng đáng kể) vừa có thêm liên kết hydrogen mạnh hơn nhiều giữa các phân tử; ethane chỉ có tương tác van der Waals yếu.
4
Muốn ethanol sôi, cần năng lượng lớn để phá vỡ cả tương tác van der Waals lẫn liên kết hydrogen; ethane chỉ cần thắng tương tác van der Waals yếu để bay hơi.
5
Dù khối lượng phân tử không chênh lệch quá nhiều (46 so với 30), ethanol sôi cao hơn ethane tới 167 °C, chủ yếu vì có thêm liên kết hydrogen giữa các phân tử — một lần nữa cho thấy liên kết hydrogen ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi mạnh hơn nhiều so với riêng khối lượng phân tử.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nghĩ tương tác van der Waals chỉ có ở phân tử KHÔNG PHÂN CỰC. Thực ra van der Waals có ở MỌI phân tử, kể cả phân tử phân cực hoặc có liên kết hydrogen — chỉ là ở những phân tử có liên kết hydrogen, lực hydrogen thường lấn át và chi phối nhiệt độ sôi rõ hơn. Một lỗi khác là so sánh nhiệt độ sôi chỉ dựa vào khối lượng phân tử mà quên kiểm tra liên kết hydrogen trước — như trường hợp $H_2O$ và $C_2H_5OH$ ở hai bài học này.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Tương tác van der Waals: có ở MỌI phân tử, tăng theo khối lượng/số electron, là lực liên phân tử YẾU NHẤT. So sánh nhiệt độ sôi: luôn kiểm tra liên kết hydrogen trước (nếu có, thường chi phối mạnh hơn khối lượng phân tử), sau đó mới xét van der Waals theo khối lượng phân tử giữa các chất cùng loại tương tác.

Chương này đã đi qua toàn bộ các kiểu liên kết và tương tác: octet, ion, cộng hoá trị (không phân cực và phân cực), kim loại, hydrogen, và van der Waals. Chương cuối cùng sẽ ôn lại toàn bộ, luyện các bài tập tổng hợp đòi hỏi em nhận diện đúng loại liên kết/tương tác trong từng tình huống cụ thể.