Hóa học Lớp 10. Giải thích ảnh hưởng của lực liên phân tử đến nhiệt độ sôi và tính tan.
Kiến thức cần nhớ
**1. Phân biệt liên kết trong phân tử và lực giữa các phân tử**
Liên kết ion hoặc cộng hóa trị giữ các nguyên tử/ion với nhau trong một tiểu phân hay mạng tinh thể. **Tương tác giữa các phân tử** là lực hút giữa những phân tử đã tồn tại, thường yếu hơn nhiều liên kết hóa học bên trong phân tử nhưng quyết định mạnh các tính chất vật lí như nhiệt độ sôi, độ nhớt và tính tan.
Khi nước sôi, chủ yếu cần thắng tương tác giữa các phân tử; không phải phá liên kết cộng hóa trị O–H để biến nước thành hydrogen và oxygen.
**2. Điều kiện hình thành liên kết hydrogen**
Liên kết hydrogen hình thành khi:
- Có nguyên tử H liên kết cộng hóa trị trực tiếp với nguyên tử có độ âm điện lớn, thường là F, O hoặc N. Phần này đóng vai trò **bên cho H**.
- Có nguyên tử F, O hoặc N khác mang cặp electron tự do, đóng vai trò **bên nhận**.
Có thể biểu diễn bằng nét chấm:
$X-H\cdots Y\qquad (X,Y\;\text{thường là F, O, N})$
Không phải mọi phân tử chứa H đều tạo liên kết hydrogen; H trong $CH_4$ không gắn với F, O hoặc N.
**3. Liên kết hydrogen liên phân tử và nội phân tử**
- **Liên phân tử:** hình thành giữa hai phân tử khác nhau, như lực hút giữa H$^{\delta+}$ của phân tử nước này và cặp electron tự do trên O của phân tử nước khác.
- **Nội phân tử:** hình thành giữa hai vị trí phù hợp trong cùng một phân tử nếu cấu trúc không gian cho phép.
Liên kết O–H hoặc N–H bên trong phân tử là liên kết cộng hóa trị phân cực; nó không phải chính liên kết hydrogen. Liên kết hydrogen được nhận ra ở tương tác $X-H\cdots Y$.
**4. Bên cho và bên nhận liên kết hydrogen**
Một chất có O hoặc N nhưng không có H gắn trực tiếp với O/N có thể **nhận** liên kết hydrogen từ chất khác nhưng không nhất thiết tự tạo mạng liên kết hydrogen mạnh giữa các phân tử của chính nó.
Ví dụ ethanol $C_2H_5OH$ có nhóm O–H nên vừa cho vừa nhận liên kết hydrogen. Dimethyl ether $CH_3OCH_3$ có cặp electron tự do trên O nhưng không có O–H, nên các phân tử ether không tự cho liên kết hydrogen cho nhau như ethanol. Điều này giúp giải thích chênh lệch nhiệt độ sôi dù hai chất có cùng khối lượng mol.
**5. Ảnh hưởng của liên kết hydrogen**
Mạng liên kết hydrogen làm các phân tử hút nhau mạnh hơn, thường dẫn đến:
- Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao hơn so với chất gần giống về kích thước nhưng không tạo liên kết hydrogen.
- Độ nhớt và sức căng bề mặt lớn hơn trong nhiều trường hợp.
- Tăng khả năng hòa tan trong nước nếu phân tử có thể tạo liên kết hydrogen với nước và phần không phân cực không quá lớn.
HF, $H_2O$ và $NH_3$ có nhiệt độ sôi cao bất thường so với nhiều hydride cùng nhóm do liên kết hydrogen.
**6. Lực van der Waals và lực London**
Các phân tử, kể cả phân tử không phân cực, vẫn có thể hút nhau nhờ sự phân bố electron dao động tạo lưỡng cực tức thời và cảm ứng lưỡng cực ở tiểu phân bên cạnh. Thành phần này thường gọi là **lực London**, thuộc nhóm tương tác van der Waals.
Lực London tồn tại ở mọi nguyên tử và phân tử, nhưng đặc biệt quan trọng với chất không phân cực. Nó không phải liên kết cộng hóa trị mới và không biến các phân tử thành ion.
**7. Khả năng phân cực đám mây electron và xu hướng nhiệt độ sôi**
Khi số electron, kích thước và diện tích tiếp xúc của đám mây electron tăng, đám mây thường dễ bị biến dạng hơn; lưỡng cực tức thời mạnh hơn và lực London tăng. Vì vậy trong các dãy tiểu phân cùng kiểu cấu tạo, nhiệt độ sôi thường tăng theo kích thước và khối lượng mol.
Ví dụ:
$F_2<Cl_2<Br_2<I_2$
theo chiều tăng độ mạnh lực London và nhìn chung tăng nhiệt độ sôi. Tương tự, nhiệt độ sôi của khí hiếm tăng từ He đến Ne, Ar, Kr do đám mây electron lớn và dễ phân cực hơn.
**8. Quy trình so sánh và lỗi cần tránh**
1. Kiểm tra chất có tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử của chính nó hay với dung môi không.
2. Nếu các chất không có liên kết hydrogen nổi trội, xét độ phân cực thường trực và lực London.
3. Với dãy chất tương tự, so số electron, kích thước đám mây và diện tích tiếp xúc.
4. Liên hệ lực hút mạnh hơn với năng lượng cần lớn hơn để tách các phân tử, thường làm nhiệt độ sôi tăng.
**Lỗi cần tránh:** gọi O–H trong một phân tử là liên kết hydrogen; cho rằng chất không phân cực không có lực hút; hoặc giải thích sự sôi bằng việc phá liên kết cộng hóa trị trong phân tử.
ezonthi