Bài học

Ôn tập độ phân cực liên kết và tương tác giữa các phân tử

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em xác định được một liên kết cộng hoá trị là phân cực hay không phân cực dựa vào hiệu độ âm điện, giải thích được liên kết hydrogen và tương tác van der Waals, và vận dụng để so sánh nhiệt độ sôi giữa các chất.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã biết liên kết cộng hoá trị là các nguyên tử phi kim góp chung cặp electron. Bài này đi sâu thêm một bước: khi hai nguyên tử tham gia liên kết KHÁC nhau (như H và Cl), cặp electron dùng chung có bị lệch về phía nguyên tử nào không, và điều đó ảnh hưởng thế nào đến toàn bộ khối chất chứa vô số phân tử như vậy.

Khởi động

Nước sôi ở 100°C, còn hydrogen sulfide $H_2S$ — cùng nhóm VIA với oxygen và có khối lượng phân tử lớn hơn nước — lại sôi ở -60°C. Thông thường phân tử càng nặng thì càng khó bay hơi, vậy vì sao ở đây lại ngược lại?

Kiến thức trọng tâm

Độ âm điện và độ phân cực của liên kết. Độ âm điện $\chi$ đo khả năng hút cặp electron liên kết về phía một nguyên tử. Khi hai nguyên tử liên kết có độ âm điện bằng nhau (hiệu $\Delta\chi = 0$ , ví dụ $H-H$ , $Cl-Cl$ ), cặp electron dùng chung nằm giữa hai nguyên tử — liên kết cộng hoá trị KHÔNG PHÂN CỰC. Khi hai nguyên tử khác độ âm điện, cặp electron lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn — liên kết cộng hoá trị PHÂN CỰC. Ví dụ trong phân tử $HCl$ : $\chi(H) = 2{,}20$ , $\chi(Cl) = 3{,}16$ , hiệu $\Delta\chi = 0{,}96$ — cặp electron lệch hẳn về phía chlorine, tạo liên kết cộng hoá trị phân cực.

Liên kết hydrogen. Đây KHÔNG phải một liên kết cộng hoá trị bên trong phân tử, mà là một tương tác hút GIỮA CÁC PHÂN TỬ với nhau. Liên kết hydrogen hình thành khi nguyên tử H liên kết trực tiếp với một nguyên tử có độ âm điện lớn và kích thước nhỏ — cụ thể là F, O, hoặc N. Nguyên tử H mang một phần điện tích dương (do cặp electron bị kéo lệch) bị hút bởi cặp electron riêng của nguyên tử F/O/N ở phân tử bên cạnh. Lực hút phụ này khiến các phân tử "bám" vào nhau chặt hơn hẳn, làm tăng đáng kể nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi so với các phân tử có khối lượng gần tương đương nhưng không có liên kết hydrogen.

Tương tác van der Waals. Là lực hút yếu nhất, tồn tại giữa MỌI phân tử — kể cả các phân tử không phân cực như $Cl_2$ , $Br_2$ . Lực này tăng dần theo khối lượng phân tử và diện tích tiếp xúc bề mặt phân tử: phân tử càng lớn, càng nhiều electron thì tương tác van der Waals càng mạnh. Đây là lí do trong dãy halogen $F_2, Cl_2, Br_2, I_2$ (không có liên kết hydrogen giữa các phân tử này), nhiệt độ sôi vẫn tăng đều từ $F_2$ đến $I_2$ chỉ nhờ khối lượng phân tử tăng dần.

**Độ âm điện và độ phân cực của liên kết.** Độ âm điện $\chi$ đo khả năng hút cặp electron liên kết về phía một nguyên tử. Khi hai nguyên tử liên kết có độ âm điện bằng nhau (hiệu $\Delta\chi = 0$, ví dụ $H-H$, $Cl-Cl$), cặp electron dùng chung nằm giữa hai nguyên tử — liên kết cộng hoá trị KHÔNG PHÂN CỰC. Khi hai nguyên tử khác độ âm điện, cặp electron lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn — liên kết cộng hoá trị PHÂN CỰC. Ví dụ trong phân tử $HCl$: $\chi(H) = 2{,}20$, $\chi(Cl) = 3{,}16$, hiệu $\Delta\chi = 0{,}96$ — cặp electron lệch hẳn về phía chlorine, tạo liên kết cộng hoá trị phân cực. **Liên kết hydrogen.** Đây KHÔNG phải một liên kết cộng hoá trị bên trong phân tử, mà là một tương tác hút GIỮA CÁC PHÂN TỬ với nhau. Liên kết hydrogen hình thành khi nguyên tử H liên kết trực tiếp với một nguyên tử có độ âm điện lớn và kích thước nhỏ — cụ thể là F, O, hoặc N. Nguyên tử H mang một phần điện tích dương (do cặp electron bị kéo lệch) bị hút bởi cặp electron riêng của nguyên tử F/O/N ở phân tử bên cạnh. Lực hút phụ này khiến các phân tử "bám" vào nhau chặt hơn hẳn, làm tăng đáng kể nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi so với các phân tử có khối lượng gần tương đương nhưng không có liên kết hydrogen. **Tương tác van der Waals.** Là lực hút yếu nhất, tồn tại giữa MỌI phân tử — kể cả các phân tử không phân cực như $Cl_2$, $Br_2$. Lực này tăng dần theo khối lượng phân tử và diện tích tiếp xúc bề mặt phân tử: phân tử càng lớn, càng nhiều electron thì tương tác van der Waals càng mạnh. Đây là lí do trong dãy halogen $F_2, Cl_2, Br_2, I_2$ (không có liên kết hydrogen giữa các phân tử này), nhiệt độ sôi vẫn tăng đều từ $F_2$ đến $I_2$ chỉ nhờ khối lượng phân tử tăng dần.

H2O và HF sôi cao hơn hẳn HCl mặc dù khối lượng phân tử tương đương hoặc nhỏ hơn — dấu hiệu của liên kết hydrogen.

Ví dụ

Xác định độ phân cực của liên kết từ độ âm điện

1
Cho $\chi(H) = 2{,}20$ , $\chi(Cl) = 3{,}16$ . Tính hiệu độ âm điện và xác định loại liên kết trong phân tử $HCl$ .
Cho $\chi(H) = 2{,}20$, $\chi(Cl) = 3{,}16$. Tính hiệu độ âm điện và xác định loại liên kết trong phân tử $HCl$.
2
$\Delta\chi = \chi(Cl) - \chi(H) = 3{,}16 - 2{,}20 = 0{,}96$ .
$\Delta\chi = \chi(Cl) - \chi(H) = 3{,}16 - 2{,}20 = 0{,}96$.
3
Hiệu độ âm điện khác 0 nhưng chưa đủ lớn để coi là liên kết ion (mốc tham khảo THPT thường lấy $\Delta\chi \ge 1{,}7$ mới coi là liên kết ion) → $HCl$ có liên kết cộng hoá trị phân cực, cặp electron lệch về phía chlorine.
Hiệu độ âm điện khác 0 nhưng chưa đủ lớn để coi là liên kết ion (mốc tham khảo THPT thường lấy $\Delta\chi \ge 1{,}7$ mới coi là liên kết ion) → $HCl$ có liên kết cộng hoá trị phân cực, cặp electron lệch về phía chlorine.

Ví dụ

Giải thích nhiệt độ sôi bất thường bằng liên kết hydrogen

1
Giải thích vì sao nhiệt độ sôi của $HF$ (khoảng 20°C) cao hơn hẳn $HCl$ (-85°C), dù chlorine có khối lượng nguyên tử lớn hơn fluorine nhiều.
Giải thích vì sao nhiệt độ sôi của $HF$ (khoảng 20°C) cao hơn hẳn $HCl$ (-85°C), dù chlorine có khối lượng nguyên tử lớn hơn fluorine nhiều.
2
Fluorine có độ âm điện lớn nhất trong các nguyên tố và bán kính rất nhỏ, nên liên kết $H-F$ phân cực rất mạnh và đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử $HF$ với nhau.
Fluorine có độ âm điện lớn nhất trong các nguyên tố và bán kính rất nhỏ, nên liên kết $H-F$ phân cực rất mạnh và đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử $HF$ với nhau.
3
Chlorine có độ âm điện thấp hơn và bán kính lớn hơn F nhiều, không đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen thực chất; giữa các phân tử $HCl$ chỉ tồn tại tương tác van der Waals — lực hút yếu hơn liên kết hydrogen rất nhiều.
Chlorine có độ âm điện thấp hơn và bán kính lớn hơn F nhiều, không đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen thực chất; giữa các phân tử $HCl$ chỉ tồn tại tương tác van der Waals — lực hút yếu hơn liên kết hydrogen rất nhiều.
4
Vì các phân tử $HF$ bị "giữ" lại với nhau bằng liên kết hydrogen mạnh, cần nhiều năng lượng hơn để tách chúng ra khỏi nhau khi chuyển từ lỏng sang khí, nên $HF$ sôi ở nhiệt độ cao hơn hẳn $HCl$ dù khối lượng phân tử nhỏ hơn nhiều.
Vì các phân tử $HF$ bị "giữ" lại với nhau bằng liên kết hydrogen mạnh, cần nhiều năng lượng hơn để tách chúng ra khỏi nhau khi chuyển từ lỏng sang khí, nên $HF$ sôi ở nhiệt độ cao hơn hẳn $HCl$ dù khối lượng phân tử nhỏ hơn nhiều.

Ví dụ

So sánh nhiệt độ sôi của ba chất có khối lượng phân tử gần bằng nhau

1
Ba chất $CH_4$ ( $M=16$ ), $NH_3$ ( $M=17$ ), $H_2O$ ( $M=18$ ) có khối lượng phân tử gần bằng nhau. Sắp xếp theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi và giải thích.
Ba chất $CH_4$ ($M=16$), $NH_3$ ($M=17$), $H_2O$ ($M=18$) có khối lượng phân tử gần bằng nhau. Sắp xếp theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi và giải thích.
2
$CH_4$ : C có độ âm điện không đủ lớn, không tạo liên kết hydrogen → chỉ có tương tác van der Waals yếu. $NH_3$ : N có độ âm điện đủ lớn, tạo được liên kết hydrogen nhưng yếu hơn trường hợp có O. $H_2O$ : O có độ âm điện lớn nhất trong ba nguyên tử trung tâm, lại có 2 cặp electron riêng nên mỗi phân tử nước có thể tạo TỚI 2 liên kết hydrogen với các phân tử lân cận — mạng liên kết hydrogen dày đặc nhất.
$CH_4$: C có độ âm điện không đủ lớn, không tạo liên kết hydrogen → chỉ có tương tác van der Waals yếu. $NH_3$: N có độ âm điện đủ lớn, tạo được liên kết hydrogen nhưng yếu hơn trường hợp có O. $H_2O$: O có độ âm điện lớn nhất trong ba nguyên tử trung tâm, lại có 2 cặp electron riêng nên mỗi phân tử nước có thể tạo TỚI 2 liên kết hydrogen với các phân tử lân cận — mạng liên kết hydrogen dày đặc nhất.
3
Vậy chiều tăng dần nhiệt độ sôi là $CH_4 < NH_3 < H_2O$ — hoàn toàn không theo thứ tự khối lượng phân tử mà theo mức độ liên kết hydrogen.
Vậy chiều tăng dần nhiệt độ sôi là $CH_4 < NH_3 < H_2O$ — hoàn toàn không theo thứ tự khối lượng phân tử mà theo mức độ liên kết hydrogen.

Vì sao hiểu đúng ba loại tương tác này quan trọng hơn một bảng số liệu. Ba khái niệm — độ phân cực liên kết, liên kết hydrogen, tương tác van der Waals — không chỉ để giải thích nhiệt độ sôi trong đề thi. Chúng còn giải thích vì sao nước có sức căng bề mặt lớn (côn trùng đi được trên mặt nước), vì sao băng nổi trên nước lỏng thay vì chìm xuống, và vì sao xăng dầu (phân tử không phân cực) không hoà tan được trong nước (phân tử phân cực mạnh, có liên kết hydrogen) — quy tắc quen thuộc "chất giống chất mới hoà tan chất" chính là hệ quả trực tiếp của độ phân cực và khả năng tạo liên kết hydrogen mà em vừa học.

**Vì sao hiểu đúng ba loại tương tác này quan trọng hơn một bảng số liệu.** Ba khái niệm — độ phân cực liên kết, liên kết hydrogen, tương tác van der Waals — không chỉ để giải thích nhiệt độ sôi trong đề thi. Chúng còn giải thích vì sao nước có sức căng bề mặt lớn (côn trùng đi được trên mặt nước), vì sao băng nổi trên nước lỏng thay vì chìm xuống, và vì sao xăng dầu (phân tử không phân cực) không hoà tan được trong nước (phân tử phân cực mạnh, có liên kết hydrogen) — quy tắc quen thuộc "chất giống chất mới hoà tan chất" chính là hệ quả trực tiếp của độ phân cực và khả năng tạo liên kết hydrogen mà em vừa học.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm phổ biến: coi liên kết hydrogen là một loại liên kết cộng hoá trị BÊN TRONG phân tử. Thực chất đây là tương tác GIỮA các phân tử với nhau. Một sai lầm khác là chỉ nhìn khối lượng phân tử để đoán nhiệt độ sôi mà quên xét xem phân tử có tạo được liên kết hydrogen hay không.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Hiệu độ âm điện quyết định độ phân cực liên kết TRONG phân tử. Liên kết hydrogen (H liên kết trực tiếp với F/O/N) và tương tác van der Waals là hai loại lực hút GIỮA các phân tử, quyết định trực tiếp nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của chất.

Chương tiếp theo chuyển sang một nhóm phản ứng hoàn toàn khác: phản ứng oxi hoá – khử, nơi electron không chỉ lệch trong liên kết mà thật sự di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.