I. Lý thuyết trọng tâm

1. Liên kết hydrogen

a) Bản chất

Trong các phân tử như $\text{HF}$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, nguyên tử $\text{H}$ ($\chi = 2{,}20$) liên kết với các nguyên tử phi kim có độ âm điện rất lớn ($\text{F} = 3{,}98$; $\text{O} = 3{,}44$; $\text{N} = 3{,}04$). Do chênh lệch độ âm điện lớn:

• Cặp electron dùng chung bị hút lệch mạnh về phía $\text{F}$, $\text{O}$, $\text{N}$ → tạo vùng mang điện tích âm ($\delta^-$).
• Nguyên tử $\text{H}$ trở nên rất linh động, mang điện tích dương ($\delta^+$) đủ lớn.

Nguyên tử $\text{H}$ mang $\delta^+$ này có khả năng hút cặp electron hóa trị chưa liên kết trên nguyên tử $\text{F}$, $\text{O}$ hoặc $\text{N}$ của phân tử bên cạnh → hình thành liên kết hydrogen.

Liên kết hydrogen được biểu diễn bằng dấu ba chấm (…) giữa các nguyên tử.

$$\text{H–N–H} \cdots \text{H–N–H}$$

b) Điều kiện hình thành

Để liên kết hydrogen được tạo thành, cần đồng thời thỏa mãn hai điều kiện:

Điều kiện 1: Nguyên tử $\text{H}$ phải liên kết trực tiếp với nguyên tử có độ âm điện lớn như $\text{F}$, $\text{O}$, $\text{N}$,…

Điều kiện 2: Nguyên tử $\text{F}$, $\text{O}$, $\text{N}$,… ở phân tử bên cạnh phải còn ít nhất một cặp electron hóa trị chưa liên kết.

Lưu ý quan trọng: Các nguyên tử như $\text{S}$, $\text{Cl}$, $\text{Br}$ tuy có cặp electron chưa liên kết nhưng do kích thước lớn, mật độ điện tích âm trên bề mặt không đủ lớn nên các phân tử $\text{H}_2\text{S}$, $\text{HCl}$, $\text{HBr}$ thường không tạo được liên kết hydrogen đáng kể. Đây là điểm khác biệt quan trọng so với $\text{H}_2\text{O}$, $\text{HF}$, $\text{NH}_3$.

Phân tử nào tạo được liên kết hydrogen?

c) Hai kiểu liên kết hydrogen

• Giữa các phân tử cùng loại: Ví dụ giữa các phân tử $\text{H}_2\text{O}$ với nhau, giữa các phân tử $\text{HF}$ với nhau.

$$\cdots\text{O–H}\cdots\text{O–H}\cdots\text{O–H}\cdots$$

• Giữa các phân tử khác loại: Ví dụ giữa phân tử $\text{H}_2\text{O}$ và $\text{HF}$, giữa $\text{HF}$ và $\text{NH}_3$.

2. Vai trò và ảnh hưởng của liên kết hydrogen đến tính chất vật lí của nước

a) Nâng cao nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi

Nhờ liên kết hydrogen, các phân tử nước liên kết chặt chẽ với nhau, cần nhiều năng lượng hơn để tách rời → nhiệt độ nóng chảy và sôi cao bất thường.

Mặc dù $\text{H}_2\text{O}$ ($M = 18$) có phân tử khối nhỏ hơn $\text{H}_2\text{S}$ ($M = 34$), nhưng nhiệt độ sôi lại cao hơn rất nhiều. Nguyên nhân chính là do $\text{H}_2\text{O}$ tạo được liên kết hydrogen còn $\text{H}_2\text{S}$ thì không.

Lưu ý thêm: Khối lượng mol tương đương nhau không đồng nghĩa với nhiệt độ sôi tương đương. Yếu tố liên kết hydrogen chi phối mạnh hơn yếu tố khối lượng trong trường hợp này.

b) Cấu trúc đặc biệt của nước đá

Mỗi phân tử $\text{H}_2\text{O}$ có thể tạo tối đa 4 liên kết hydrogen với các phân tử nước xung quanh (2 từ nguyên tử $\text{O}$ nhận, 2 từ nguyên tử $\text{H}$ cho), hình thành cấu trúc tứ diện. Cấu trúc này tạo ra mạng tinh thể khá “rỗng” → nước đá nhẹ hơn nước lỏng, nổi trên bề mặt nước.

Khi nhiệt độ tăng từ $0°\text{C}$ đến $4°\text{C}$, cấu trúc tứ diện bị phá vỡ một phần, phân tử xếp gần nhau hơn → khối lượng riêng tăng. Trên $4°\text{C}$, khoảng cách giữa phân tử tăng → khối lượng riêng giảm. Do đó nước có khối lượng riêng lớn nhất ở $4°\text{C}$.

c) Các vai trò khác

• Nước dễ dàng dâng lên trong mao quản của rễ cây nhờ liên kết hydrogen, giúp vận chuyển nước lên thân và lá.
• Liên kết hydrogen tạo nên sức căng bề mặt lớn cho nước – đây là lý do các loài côn trùng nhỏ như nhện nước có thể di chuyển trên mặt nước.
• Liên kết hydrogen tạo nên cấu trúc xoắn của các protein, carbohydrate và nucleic acid, đảm bảo chức năng sinh học.

3. Tương tác van der Waals

a) Khái niệm

Ngay cả với các phân tử không phân cực (như $\text{Br}_2$, khí hiếm…), giữa chúng vẫn tồn tại một lực tương tác yếu cho phép chúng ngưng tụ thành chất lỏng ở nhiệt độ đủ thấp. Lực tương tác yếu đó gọi là tương tác van der Waals.

$$\boxed{\text{Tương tác van der Waals là tương tác tĩnh điện lưỡng cực – lưỡng cực giữa các nguyên tử hay phân tử.}}$$

b) Nguyên nhân hình thành

• Với chất phân cực: phân tử đã có sẵn lưỡng cực (một đầu $\delta^+$, một đầu $\delta^-$), các lưỡng cực hút nhau tạo tương tác.
• Với chất không phân cực và khí hiếm: do đám mây electron luôn chuyển động, tại một thời điểm nhất định có thể xuất hiện lưỡng cực tạm thời. Lưỡng cực tạm thời này lại gây ra lưỡng cực cảm ứng ở phân tử/nguyên tử bên cạnh → hình thành tương tác.

Lưu ý: Lưỡng cực tạm thời xuất hiện do sự chuyển động của electron, không phải do chuyển động của proton hay neutron trong hạt nhân.

c) So sánh với liên kết hydrogen

Tương tác van der Waals yếu hơn liên kết hydrogen. Cả hai đều yếu hơn nhiều so với liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại.

$$\text{Liên kết ion/CHT/kim loại} \gg \text{Liên kết hydrogen} > \text{Tương tác van der Waals}$$

4. Ảnh hưởng của tương tác van der Waals đến nhiệt độ sôi, nóng chảy

a) Khối lượng phân tử càng lớn → tương tác van der Waals càng mạnh

Khi khối lượng phân tử tăng, số electron (và proton) tăng → khả năng hình thành lưỡng cực tạm thời lớn hơn → tương tác van der Waals mạnh hơn → nhiệt độ sôi và nóng chảy tăng.

Ví dụ – Dãy halogen:

Từ $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$: khối lượng phân tử và tổng số electron tăng dần → tương tác van der Waals tăng → nhiệt độ sôi, nóng chảy đều tăng.

Lưu ý: Giữa các phân tử halogen $\text{X}_2$ chỉ có tương tác van der Waals (không phải liên kết hydrogen), vì các phân tử này không chứa nguyên tử $\text{H}$ liên kết với $\text{F}$, $\text{O}$, $\text{N}$.

b) Hình dạng phân tử ảnh hưởng đến diện tích tiếp xúc

Phân tử có hình dạng kéo dài → diện tích tiếp xúc giữa các phân tử lớn hơn → tương tác van der Waals mạnh hơn → nhiệt độ sôi cao hơn.

Ví dụ – Pentane và neopentane (cùng công thức $\text{C}_5\text{H}_{12}$):

Phân tử pentane dạng mạch thẳng có nhiều điểm tiếp xúc hơn neopentane dạng gọn → cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ tương tác → nhiệt độ sôi cao hơn.

Mở rộng: Khi chuỗi phân tử rất dài (polymer), tổng tương tác van der Waals rất lớn. Đó là lý do polyethene là chất rắn ở điều kiện thường, mặc dù ethene là chất khí.

II. Phương pháp giải các dạng bài tập

Bài 13 là bài thiên về giải thích và so sánh, không có công thức tính toán riêng. Vì vậy phần này chỉ giữ lại các dạng có kết quả định lượng rõ ràng (đếm số lượng, tính phân tử khối, tính tổng số electron, sắp xếp thứ tự), bỏ các dạng chỉ yêu cầu vẽ sơ đồ hoặc trình bày suông.

Kiến thức nền dùng chung cho cả phần:

Dạng 1: Đếm số nguyên tử hydrogen và số chất tạo được liên kết hydrogen

Phương pháp giải

Bước 1: Viết công thức cấu tạo của phân tử, chỉ rõ mỗi nguyên tử $\text{H}$ đang gắn với nguyên tử nào.

Bước 2: Phân loại các nguyên tử $\text{H}$:

Bước 3: Khi đề hỏi số chất tạo được liên kết hydrogen trong một dãy, kiểm tra lần lượt từng chất theo hai điều kiện, rồi đếm.

Bước 4: Khi đề hỏi số liên kết hydrogen tối đa mà một phân tử có thể tạo, đếm hai thành phần:

$$\text{Số liên kết hydrogen tối đa} = \text{số}\,\text{H}\,\text{linh động} + \text{số cặp electron chưa liên kết}$$

Cảnh báo sai lầm: Nhiều em thấy phân tử có nguyên tử $\text{H}$ là kết luận ngay có liên kết hydrogen. Phải xét $\text{H}$ đó gắn với nguyên tử nào. Ví dụ $\text{CH}_4$ có tới 4 nguyên tử $\text{H}$ nhưng không tạo được liên kết hydrogen nào, còn $\text{HF}$ chỉ có 1 nguyên tử $\text{H}$ lại tạo được.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Trong phân tử ethanol $\text{CH}_3 – \text{CH}_2 – \text{OH}$ có bao nhiêu nguyên tử hydrogen không tham gia vào liên kết hydrogen? Giải thích.

Lời giải

Bước 1. Liệt kê các nguyên tử $\text{H}$ theo nguyên tử mà nó gắn vào

Tổng cộng phân tử có 6 nguyên tử $\text{H}$.

Bước 2. Phân loại

• 5 nguyên tử $\text{H}$ gắn với $\text{C}$: không tham gia liên kết hydrogen, vì độ âm điện của $\text{C}$ ($2{,}55$) chênh lệch quá ít so với $\text{H}$ ($2{,}20$), không tạo được điện tích $\delta^+$ đủ lớn trên nguyên tử $\text{H}$.
• 1 nguyên tử $\text{H}$ gắn với $\text{O}$: có tham gia, vì $\text{O}$ có độ âm điện lớn ($3{,}44$) khiến nguyên tử $\text{H}$ mang $\delta^+$ đáng kể.

Kết luận: Có 5 nguyên tử hydrogen không tham gia vào liên kết hydrogen.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Cho các chất sau: $\text{CH}_4$, $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{HF}$, $\text{CH}_3\text{OH}$, $\text{HCl}$, $\text{C}_2\text{H}_6$. Có bao nhiêu chất tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử của chính nó?

Lời giải

Kết luận: Có 3 chất tạo được liên kết hydrogen, đó là $\text{NH}_3$, $\text{HF}$ và $\text{CH}_3\text{OH}$.

Lưu ý: $\text{CH}_3\text{OH}$ tuy có nhiều nguyên tử $\text{H}$ gắn với $\text{C}$ nhưng chỉ cần một nguyên tử $\text{H}$ trong nhóm $-\text{OH}$ là đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen.

Bài tập mẫu 3

Đề bài: Mỗi phân tử $\text{H}_2\text{O}$ có thể tạo được tối đa bao nhiêu liên kết hydrogen với các phân tử nước xung quanh? Điều này dẫn đến hệ quả gì đối với nước đá?

Lời giải

Bước 1. Đếm số nguyên tử $\text{H}$ linh động

Phân tử $\text{H}_2\text{O}$ có 2 nguyên tử $\text{H}$ đều gắn với $\text{O}$, cả hai đều mang $\delta^+$ nên đều có thể hút cặp electron của phân tử bên cạnh. Đây là 2 liên kết hydrogen mà phân tử cho đi.

Bước 2. Đếm số cặp electron chưa liên kết

Nguyên tử $\text{O}$ có 6 electron hoá trị, đã góp chung 2 electron cho 2 liên kết $\text{O}-\text{H}$, nên số cặp electron riêng là:

$$\frac{6 – 2}{2} = 2\,\text{cặp}$$

Mỗi cặp này có thể nhận một nguyên tử $\text{H}$ của phân tử khác. Đây là 2 liên kết hydrogen mà phân tử nhận về.

Bước 3. Tổng hợp

$$\text{Số liên kết hydrogen tối đa} = 2 + 2 = 4$$

Hệ quả: Mỗi phân tử nước liên kết với 4 phân tử xung quanh theo cấu trúc tứ diện, tạo nên mạng tinh thể tương đối rỗng. Vì vậy nước đá có khối lượng riêng nhỏ hơn nước lỏng và nổi trên mặt nước.

Dạng 2: Tính phân tử khối và tổng số electron để so sánh tương tác van der Waals

Phương pháp giải

Bước 1: Tính phân tử khối $M$ bằng cách cộng nguyên tử khối của tất cả nguyên tử trong phân tử.

Bước 2: Tính tổng số electron của phân tử. Vì phân tử trung hoà điện nên tổng số electron bằng tổng số hiệu nguyên tử:

$$\text{Tổng số electron} = \sum Z$$

Bước 3: So sánh và rút ra kết luận:

$$M\,\text{lớn hơn và số electron nhiều hơn} \Rightarrow \text{tương tác van der Waals mạnh hơn}$$

$$\Rightarrow \text{nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn}$$

Bước 4: Chỉ được áp dụng quy luật này khi các chất đem so sánh cùng không có liên kết hydrogen (hoặc cùng có). Nếu một chất có liên kết hydrogen còn chất kia không, phải xét liên kết hydrogen trước, vì nó mạnh hơn hẳn.

Vì sao số electron lại quan trọng? Tương tác van der Waals sinh ra từ các lưỡng cực tạm thời, mà lưỡng cực tạm thời hình thành do sự chuyển động của đám mây electron. Phân tử càng nhiều electron thì đám mây electron càng dễ bị lệch, lưỡng cực tạm thời càng dễ xuất hiện, tương tác càng mạnh.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Cho các phân tử halogen $\text{F}_2$, $\text{Cl}_2$, $\text{Br}_2$, $\text{I}_2$ với số hiệu nguyên tử lần lượt là $Z_{\text{F}} = 9$, $Z_{\text{Cl}} = 17$, $Z_{\text{Br}} = 35$, $Z_{\text{I}} = 53$. Tính tổng số electron của mỗi phân tử và dự đoán thứ tự nhiệt độ sôi của chúng.

Lời giải

Bước 1. Tính tổng số electron

$$\text{F}_2: \, 2\,\times\,9 = 18$$

$$\text{Cl}_2: \, 2\,\times\,17 = 34$$

$$\text{Br}_2: \, 2\,\times\,35 = 70$$

$$\text{I}_2: \, 2\,\times\,53 = 106$$

Bước 2. Lập bảng so sánh

Bước 3. Kết luận

Các phân tử $\text{X}_2$ đều không chứa nguyên tử $\text{H}$ nên không có liên kết hydrogen; giữa chúng chỉ có tương tác van der Waals.

Từ $\text{F}_2$ đến $\text{I}_2$, phân tử khối và tổng số electron đều tăng dần nên tương tác van der Waals tăng dần. Do đó thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần là:

$$\text{F}_2 < \text{Cl}_2 < \text{Br}_2 < \text{I}_2$$

Đối chiếu số liệu thực tế: nhiệt độ sôi lần lượt là $-188{,}1\,^\circ\text{C}$; $-34{,}1\,^\circ\text{C}$; $59{,}2\,^\circ\text{C}$ và $185{,}5\,^\circ\text{C}$, hoàn toàn phù hợp với dự đoán.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Cho ba khí hiếm $\text{Ne}$ ($Z = 10$), $\text{Ar}$ ($Z = 18$) và $\text{Kr}$ ($Z = 36$). Hãy giải thích vì sao nhiệt độ sôi của chúng tăng dần theo thứ tự $\text{Ne} < \text{Ar} < \text{Kr}$.

Lời giải

Khí hiếm tồn tại ở dạng nguyên tử riêng lẻ, không tạo liên kết hoá học với nhau và cũng không có nguyên tử $\text{H}$ nên không có liên kết hydrogen. Lực duy nhất giữ các nguyên tử lại với nhau khi ngưng tụ là tương tác van der Waals.

Số electron của mỗi nguyên tử chính bằng $Z$:

Số electron tăng dần nên đám mây electron càng dễ bị lệch, lưỡng cực tạm thời càng dễ hình thành, tương tác van der Waals càng mạnh. Vì vậy cần nhiều năng lượng hơn để tách các nguyên tử ra khỏi nhau, dẫn đến nhiệt độ sôi tăng dần:

$$\text{Ne} < \text{Ar} < \text{Kr}$$

Dạng 3: Sắp xếp thứ tự nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của một dãy chất

Phương pháp giải

Đây là dạng ra đề nhiều nhất của bài. Phải làm theo đúng thứ tự ưu tiên sau, không được đảo bước.

Bước 1 – Xét liên kết hydrogen trước. Chia các chất thành hai nhóm: nhóm có liên kết hydrogen và nhóm không có.

$$\text{Chất có liên kết hydrogen luôn xếp cao hơn chất không có}$$

Quy luật này đúng kể cả khi chất có liên kết hydrogen lại có phân tử khối nhỏ hơn.

Bước 2 – Trong từng nhóm, so sánh tương tác van der Waals theo phân tử khối và tổng số electron: giá trị lớn hơn thì nhiệt độ sôi cao hơn.

Bước 3 – Nếu phân tử khối bằng nhau, xét hình dạng phân tử:

Bước 4: Viết kết luận thành một dãy bất đẳng thức và giải thích ngắn gọn lí do cho từng chỗ so sánh.

Bài tập mẫu 1

Đề bài: Sắp xếp các chất $\text{CH}_4$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{H}_2\text{O}$ theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi. Giải thích.

Lời giải

Bước 1. Xét liên kết hydrogen

Chỉ có $\text{H}_2\text{O}$ tạo được liên kết hydrogen, nên $\text{H}_2\text{O}$ có nhiệt độ sôi cao nhất.

Bước 2. So sánh hai chất còn lại

$\text{CH}_4$ và $\text{H}_2\text{S}$ đều không có liên kết hydrogen, giữa các phân tử chỉ có tương tác van der Waals. So sánh phân tử khối:

$$M_{\text{CH}_4} = 16 < M_{\text{H}_2\text{S}} = 34$$

Vậy $\text{H}_2\text{S}$ có tương tác van der Waals mạnh hơn, nhiệt độ sôi cao hơn $\text{CH}_4$.

Bước 3. Kết luận

$$\text{CH}_4 < \text{H}_2\text{S} < \text{H}_2\text{O}$$

Đối chiếu số liệu thực tế: $-161{,}58\,^\circ\text{C}$; $-60{,}75\,^\circ\text{C}$ và $100\,^\circ\text{C}$.

Điểm mấu chốt: $\text{H}_2\text{O}$ có phân tử khối ($18$) nhỏ hơn $\text{H}_2\text{S}$ ($34$) nhưng nhiệt độ sôi lại cao hơn tới hơn $160\,^\circ\text{C}$. Điều này cho thấy liên kết hydrogen có ảnh hưởng mạnh hơn hẳn yếu tố phân tử khối.

Bài tập mẫu 2

Đề bài: Butane và isobutane cùng có công thức phân tử $\text{C}_4\text{H}_{10}$, trong đó butane có mạch thẳng còn isobutane có mạch nhánh. Chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn? Giải thích.

Lời giải

Bước 1. Xét liên kết hydrogen

Trong cả hai phân tử, tất cả nguyên tử $\text{H}$ đều gắn với $\text{C}$ nên không chất nào tạo được liên kết hydrogen. Giữa các phân tử chỉ có tương tác van der Waals.

Bước 2. So sánh phân tử khối

Hai chất có cùng công thức phân tử nên phân tử khối bằng nhau:

$$M = 4\,\times\,12 + 10\,\times\,1 = 48 + 10 = 58$$

Không thể phân biệt dựa vào phân tử khối, phải chuyển sang xét hình dạng.

Bước 3. So sánh hình dạng phân tử

• Butane có mạch thẳng, phân tử kéo dài nên diện tích tiếp xúc giữa các phân tử lớn, tương tác van der Waals mạnh hơn.
• Isobutane có mạch nhánh, phân tử gọn và gần dạng cầu nên diện tích tiếp xúc nhỏ, tương tác van der Waals yếu hơn.

Kết luận: Butane có nhiệt độ sôi cao hơn isobutane, vì cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ tương tác van der Waals giữa các phân tử.

Trường hợp tương tự trong sách giáo khoa: pentane mạch thẳng sôi ở $36{\;}^\circ\text{C}$, còn neopentane mạch nhánh chỉ sôi ở $9{,}5{\;}^\circ\text{C}$, dù cả hai đều có công thức $\text{C}_5\text{H}_{12}$.

Bảng tra nhanh: chọn phương pháp theo dữ kiện đề bài

ThS. Lê Thị Mai Nhi

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Hoá Học THPT

Trình độ: Thạc sĩ Hóa học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 10+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ