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
Hydrogen halide: tính chất vật lí và xu hướng biến đổi
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em mô tả được tính chất vật lí chung của các hydrogen halide (HF, HCl, HBr, HI), và giải thích được vì sao nhiệt độ sôi của HF cao bất thường so với quy luật chung của ba hydrogen halide còn lại bằng liên kết hydrogen giữa các phân tử HF.
Kiến thức nền cần nhớ
Same-grade bridge: Course 4, Bài 3 của năm học này đã dạy liên kết hydrogen — loại tương tác đặc biệt hình thành khi nguyên tử H liên kết trực tiếp với một nguyên tử có độ âm điện rất lớn, bán kính rất nhỏ (F, O, N), và tương tác với cặp electron riêng của một nguyên tử F/O/N khác ở phân tử bên cạnh. Bài đó đã dùng ví dụ H₂O có nhiệt độ sôi cao hơn hẳn H₂S để minh hoạ; bài này áp dụng đúng lí do đó cho HF so với HCl, HBr, HI.
Khởi động
Một thí nghiệm quen thuộc ở trường: nạp đầy khí HCl khô vào một bình cầu, úp ngược miệng bình vào chậu nước có nhỏ vài giọt quỳ tím. Chỉ cần một giọt nước lọt vào bình, nước từ chậu bị hút ngược lên rất mạnh, phun thành tia trong lòng bình, đồng thời quỳ tím chuyển đỏ ngay khi nước chạm vào khí — gọi là thí nghiệm "vòi phun". Vì sao khí HCl lại có thể hút nước mạnh đến mức tạo ra hiện tượng phun trào như vậy?
Kiến thức trọng tâm
Bốn hydrogen halide HF, HCl, HBr, HI đều là chất khí không màu ở điều kiện thường, có mùi xốc, gây kích ứng mạnh đường hô hấp. Đặc điểm nổi bật nhất của chúng là độ tan trong nước cực lớn: một thể tích nước ở điều kiện thường có thể hoà tan tới vài trăm thể tích khí HCl. Độ tan lớn bất thường này chính là nguyên nhân của thí nghiệm vòi phun ở phần khởi động — khi một giọt nước lọt vào bình đầy khí HCl, lượng khí khổng lồ bị hấp thụ gần như tức thời, áp suất trong bình giảm mạnh, hút nước từ chậu phun ngược lên để lấp đầy khoảng trống.
Về nhiệt độ sôi, ba chất HCl, HBr, HI tuân theo đúng quy luật quen thuộc: phân tử càng lớn thì lực van der Waals giữa các phân tử càng mạnh, nhiệt độ sôi càng cao. Theo đó, nhiệt độ sôi tăng dần từ HCl (khoảng $-85\,^\circ C$) đến HBr (khoảng $-66\,^\circ C$) rồi đến HI (khoảng $-35\,^\circ C$). Nhưng HF phá vỡ hẳn quy luật này: dù là phân tử nhẹ nhất trong bốn chất, HF lại có nhiệt độ sôi cao nhất, khoảng $19.5\,^\circ C$ — cao hơn cả nhiệt độ phòng, nghĩa là HF là chất lỏng chứ không phải chất khí ở một số điều kiện mùa hè.
Nguyên nhân của sự bất thường này chính là liên kết hydrogen. Nguyên tử F có độ âm điện lớn nhất trong tất cả các nguyên tố và bán kính cực nhỏ, nên liên kết H–F phân cực rất mạnh, mật độ điện tích dương trên nguyên tử H trong phân tử HF rất lớn. Điều kiện hình thành liên kết hydrogen — H liên kết trực tiếp với F, O hoặc N — được thoả mãn hoàn hảo, khiến các phân tử HF liên kết chặt với nhau qua vô số liên kết hydro giữa các phân tử, giống hệt cơ chế đã học ở H₂O. Cl, Br, I có độ âm điện thấp hơn F nhiều và bán kính lớn hơn hẳn, không đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử HCl, HBr, HI, nên nhiệt độ sôi của chúng chỉ phụ thuộc lực van der Waals thông thường — yếu hơn liên kết hydrogen rất nhiều.
Xét theo cả nhóm bốn chất, ta thấy rõ hai chế độ chi phối khác nhau: từ HCl đến HI, chỉ có một loại lực — van der Waals — và nó tăng đơn điệu theo phân tử khối, cho một đường biến thiên trơn tru, dễ dự đoán. Riêng HF lại chịu chi phối bởi một loại lực hoàn toàn khác về bản chất — liên kết hydrogen — mạnh hơn nhiều so với van der Waals ở cùng quy mô phân tử, nên nó bị "kéo bật" hẳn lên trên đường xu hướng chung của ba chất kia. Đây là một ví dụ điển hình cho việc một tính chất vật lí (nhiệt độ sôi) có thể được chi phối bởi nhiều cơ chế khác nhau tuỳ từng chất, không phải lúc nào cũng do một quy luật duy nhất.
HF phá vỡ quy luật tăng nhiệt độ sôi theo phân tử khối do liên kết hydrogen giữa các phân tử HF.
Ví dụ
Sắp xếp nhiệt độ sôi của ba hydrogen halide không có liên kết hydrogen
1
Sắp xếp HCl, HBr, HI theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi. Giải thích ngắn gọn.
2
Cả ba phân tử đều không có khả năng tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử (Cl, Br, I có độ âm điện và bán kính không thoả điều kiện), nên nhiệt độ sôi chỉ phụ thuộc lực van der Waals.
3
Phân tử khối tăng dần theo thứ tự $HCl < HBr < HI$, nên lực van der Waals — và do đó nhiệt độ sôi — cũng tăng dần theo đúng thứ tự này.
4
Vậy thứ tự tăng dần nhiệt độ sôi là $HCl < HBr < HI$, hoàn toàn do lực van der Waals tăng theo kích thước phân tử.
Ví dụ
Giải thích nhiệt độ sôi bất thường của HF
1
Giải thích vì sao nhiệt độ sôi của HF (khoảng $19.5\,^\circ C$) cao hơn hẳn nhiệt độ sôi của HCl (khoảng $-85\,^\circ C$), dù phân tử khối của HF ($M=20$) nhỏ hơn nhiều so với HCl ($M=36.5$).
2
Liên kết hydrogen hình thành khi nguyên tử H liên kết trực tiếp với nguyên tử có độ âm điện rất lớn, bán kính rất nhỏ (F, O, N), tương tác với cặp electron riêng của một nguyên tử F/O/N khác ở phân tử lân cận.
3
F có độ âm điện lớn nhất trong bảng tuần hoàn và bán kính rất nhỏ, nên liên kết H–F phân cực rất mạnh; các phân tử HF thoả mãn đầy đủ điều kiện, hình thành liên kết hydrogen bền giữa chúng, mạnh hơn nhiều lực van der Waals thông thường.
4
Cl có độ âm điện nhỏ hơn F nhiều và bán kính lớn hơn hẳn, không thoả điều kiện tạo liên kết hydrogen; giữa các phân tử HCl chỉ tồn tại lực van der Waals, yếu hơn liên kết hydrogen dù phân tử HCl nặng hơn HF.
5
Vậy dù nhẹ hơn, các phân tử HF liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen bền vững, cần nhiều năng lượng nhiệt hơn để tách rời, nên nhiệt độ sôi của HF cao hơn hẳn HCl — đây là nguyên nhân duy nhất, không liên quan đến phân tử khối. Cách lập luận này giống hệt cách so sánh H₂O với H₂S đã học ở Course 4: cùng một cơ chế liên kết hydrogen, chỉ khác nguyên tử trung tâm (O thay vì F).
Sai lầm thường gặp
Nhiều em mặc định "phân tử khối càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao" và áp dụng máy móc cho cả bốn hydrogen halide, xếp nhầm HF vào vị trí thấp nhất vì nó nhẹ nhất. Quy tắc phân tử khối chỉ đúng khi KHÔNG có liên kết hydrogen xen vào — phải luôn kiểm tra điều kiện liên kết hydrogen (H liên kết trực tiếp với F, O, N) trước khi áp dụng quy tắc phân tử khối.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Độ tan lớn của các hydrogen halide trong nước, đặc biệt HCl, còn được ứng dụng trực tiếp để điều chế acid hydrochloric đậm đặc trong công nghiệp: khí HCl được hấp thụ vào nước theo đúng nguyên lí của thí nghiệm vòi phun, tạo ra dung dịch HCl nồng độ cao dùng trong tẩy gỉ kim loại, sản xuất hoá chất và nhiều ngành công nghiệp khác.
Ghi nhớ
Cả bốn hydrogen halide đều là khí không màu, tan rất nhiều trong nước. Nhiệt độ sôi của HCl, HBr, HI tăng dần theo phân tử khối (lực van der Waals). HF phá vỡ quy luật này, có nhiệt độ sôi cao bất thường (khoảng 19,5°C) do liên kết hydrogen bền giữa các phân tử HF — cùng cơ chế đã học với H₂O. Bài tiếp theo chuyển từ tính chất vật lí của khí HX sang tính chất hoá học của dung dịch acid halohydric mà chúng tạo ra khi tan trong nước.
Same-grade bridge: Course 4, Bài 3 của năm học này đã dạy liên kết hydrogen — loại tương tác đặc biệt hình thành khi nguyên tử H liên kết trực tiếp với một nguyên tử có độ âm điện rất lớn, bán kính rất nhỏ (F, O, N), và tương tác với cặp electron riêng của một nguyên tử F/O/N khác ở phân tử bên cạnh. Bài đó đã dùng ví dụ H₂O có nhiệt độ sôi cao hơn hẳn H₂S để minh hoạ; bài này áp dụng đúng lí do đó cho HF so với HCl, HBr, HI.
Một thí nghiệm quen thuộc ở trường: nạp đầy khí HCl khô vào một bình cầu, úp ngược miệng bình vào chậu nước có nhỏ vài giọt quỳ tím. Chỉ cần một giọt nước lọt vào bình, nước từ chậu bị hút ngược lên rất mạnh, phun thành tia trong lòng bình, đồng thời quỳ tím chuyển đỏ ngay khi nước chạm vào khí — gọi là thí nghiệm "vòi phun". Vì sao khí HCl lại có thể hút nước mạnh đến mức tạo ra hiện tượng phun trào như vậy?
Bốn hydrogen halide HF, HCl, HBr, HI đều là chất khí không màu ở điều kiện thường, có mùi xốc, gây kích ứng mạnh đường hô hấp. Đặc điểm nổi bật nhất của chúng là độ tan trong nước cực lớn: một thể tích nước ở điều kiện thường có thể hoà tan tới vài trăm thể tích khí HCl. Độ tan lớn bất thường này chính là nguyên nhân của thí nghiệm vòi phun ở phần khởi động — khi một giọt nước lọt vào bình đầy khí HCl, lượng khí khổng lồ bị hấp thụ gần như tức thời, áp suất trong bình giảm mạnh, hút nước từ chậu phun ngược lên để lấp đầy khoảng trống.
Về nhiệt độ sôi, ba chất HCl, HBr, HI tuân theo đúng quy luật quen thuộc: phân tử càng lớn thì lực van der Waals giữa các phân tử càng mạnh, nhiệt độ sôi càng cao. Theo đó, nhiệt độ sôi tăng dần từ HCl (khoảng −85∘C) đến HBr (khoảng −66∘C) rồi đến HI (khoảng −35∘C). Nhưng HF phá vỡ hẳn quy luật này: dù là phân tử nhẹ nhất trong bốn chất, HF lại có nhiệt độ sôi cao nhất, khoảng 19.5∘C — cao hơn cả nhiệt độ phòng, nghĩa là HF là chất lỏng chứ không phải chất khí ở một số điều kiện mùa hè.
Nguyên nhân của sự bất thường này chính là liên kết hydrogen. Nguyên tử F có độ âm điện lớn nhất trong tất cả các nguyên tố và bán kính cực nhỏ, nên liên kết H–F phân cực rất mạnh, mật độ điện tích dương trên nguyên tử H trong phân tử HF rất lớn. Điều kiện hình thành liên kết hydrogen — H liên kết trực tiếp với F, O hoặc N — được thoả mãn hoàn hảo, khiến các phân tử HF liên kết chặt với nhau qua vô số liên kết hydro giữa các phân tử, giống hệt cơ chế đã học ở H₂O. Cl, Br, I có độ âm điện thấp hơn F nhiều và bán kính lớn hơn hẳn, không đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử HCl, HBr, HI, nên nhiệt độ sôi của chúng chỉ phụ thuộc lực van der Waals thông thường — yếu hơn liên kết hydrogen rất nhiều.
Xét theo cả nhóm bốn chất, ta thấy rõ hai chế độ chi phối khác nhau: từ HCl đến HI, chỉ có một loại lực — van der Waals — và nó tăng đơn điệu theo phân tử khối, cho một đường biến thiên trơn tru, dễ dự đoán. Riêng HF lại chịu chi phối bởi một loại lực hoàn toàn khác về bản chất — liên kết hydrogen — mạnh hơn nhiều so với van der Waals ở cùng quy mô phân tử, nên nó bị "kéo bật" hẳn lên trên đường xu hướng chung của ba chất kia. Đây là một ví dụ điển hình cho việc một tính chất vật lí (nhiệt độ sôi) có thể được chi phối bởi nhiều cơ chế khác nhau tuỳ từng chất, không phải lúc nào cũng do một quy luật duy nhất.
Phân tử khối tăng dần theo thứ tự HCl<HBr<HI, nên lực van der Waals — và do đó nhiệt độ sôi — cũng tăng dần theo đúng thứ tự này.
Vậy thứ tự tăng dần nhiệt độ sôi là HCl<HBr<HI, hoàn toàn do lực van der Waals tăng theo kích thước phân tử.
Giải thích vì sao nhiệt độ sôi của HF (khoảng 19.5∘C) cao hơn hẳn nhiệt độ sôi của HCl (khoảng −85∘C), dù phân tử khối của HF (M=20) nhỏ hơn nhiều so với HCl (M=36.5).
Vậy dù nhẹ hơn, các phân tử HF liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen bền vững, cần nhiều năng lượng nhiệt hơn để tách rời, nên nhiệt độ sôi của HF cao hơn hẳn HCl — đây là nguyên nhân duy nhất, không liên quan đến phân tử khối. Cách lập luận này giống hệt cách so sánh H₂O với H₂S đã học ở Course 4: cùng một cơ chế liên kết hydrogen, chỉ khác nguyên tử trung tâm (O thay vì F).
Nhiều em mặc định "phân tử khối càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao" và áp dụng máy móc cho cả bốn hydrogen halide, xếp nhầm HF vào vị trí thấp nhất vì nó nhẹ nhất. Quy tắc phân tử khối chỉ đúng khi KHÔNG có liên kết hydrogen xen vào — phải luôn kiểm tra điều kiện liên kết hydrogen (H liên kết trực tiếp với F, O, N) trước khi áp dụng quy tắc phân tử khối.
Cả bốn hydrogen halide đều là khí không màu, tan rất nhiều trong nước. Nhiệt độ sôi của HCl, HBr, HI tăng dần theo phân tử khối (lực van der Waals). HF phá vỡ quy luật này, có nhiệt độ sôi cao bất thường (khoảng 19,5°C) do liên kết hydrogen bền giữa các phân tử HF — cùng cơ chế đã học với H₂O. Bài tiếp theo chuyển từ tính chất vật lí của khí HX sang tính chất hoá học của dung dịch acid halohydric mà chúng tạo ra khi tan trong nước.