Liên Kết Hydrogen & Tương Tác Van Der Waals
Bản chất · Điều kiện hình thành · Ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi, nóng chảy
Trong các phân tử như $\text{HF}$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{NH}_3$, nguyên tử $\text{H}$ liên kết với các nguyên tử phi kim có độ âm điện rất lớn ($\text{F}, \text{O}, \text{N}$). Do chênh lệch độ âm điện lớn:
- Cặp $e$ dùng chung bị hút lệch mạnh về phía $\text{F, O, N}$ → vùng mang điện tích âm $\delta^-$.
- Nguyên tử $\text{H}$ trở nên rất linh động, mang điện tích dương $\delta^+$ đủ lớn.
Liên kết hydrogen được biểu diễn bằng dấu ba chấm $(\cdots)$ giữa các nguyên tử.
▸ Hai điều kiện hình thành liên kết hydrogen
Nguyên tử $\text{H}$ phải liên kết trực tiếp với nguyên tử có độ âm điện lớn như $\text{F, O, N}$.
Nguyên tử $\text{F, O, N}$ ở phân tử bên cạnh phải còn ít nhất 1 cặp $e$ chưa liên kết.
$\text{S, Cl, Br}$ tuy có cặp $e$ chưa liên kết và độ âm điện không nhỏ, nhưng do kích thước nguyên tử lớn → mật độ điện tích âm trên bề mặt không đủ lớn → không hình thành liên kết hydrogen đáng kể. Đó là điểm khác biệt quan trọng so với $\text{H}_2\text{O}, \text{HF}, \text{NH}_3$.
▸ Hai kiểu liên kết hydrogen
- Cùng loại: giữa các phân tử cùng chất (VD: $\text{H}_2\text{O} \cdots \text{H}_2\text{O}$, $\text{HF} \cdots \text{HF}$).
- Khác loại: giữa hai phân tử khác chất (VD: $\text{H}_2\text{O} \cdots \text{HF}$, $\text{HF} \cdots \text{NH}_3$).
▸ Phân tử nào tạo được — KHÔNG tạo được liên kết hydrogen?
$\text{CH}_3\text{OH}$ (rượu) · $\text{CH}_3\text{COOH}$ (acid)
$\text{CH}_4$ · $\text{C}_2\text{H}_6$ · halogen $\text{X}_2$
| Phân tử | Tạo liên kết H? | Lý do |
|---|---|---|
| $\text{HF}$ | ✓ | $\text{H}$ gắn $\text{F}$ (độ âm điện lớn nhất); $\text{F}$ có 3 cặp $e$ chưa liên kết |
| $\text{H}_2\text{O}$ | ✓ | $\text{H}$ gắn $\text{O}$; $\text{O}$ có 2 cặp $e$ chưa liên kết |
| $\text{NH}_3$ | ✓ | $\text{H}$ gắn $\text{N}$; $\text{N}$ có 1 cặp $e$ chưa liên kết |
| $\text{CH}_3\text{OH}$ | ✓ | Có nhóm $\text{O–H}$, $\text{O}$ còn cặp $e$ chưa liên kết |
| $\text{H}_2\text{S}$ | ✗ | $\text{S}$ kích thước lớn, mật độ điện tích không đủ |
| $\text{HCl}$ | ✗ | $\text{Cl}$ kích thước lớn, mật độ điện tích không đủ |
| $\text{CH}_4$ | ✗ | $\text{H}$ gắn $\text{C}$ — độ âm điện $\text{C}$ không đủ lớn |
Chỉ nguyên tử $\text{H}$ trong nhóm $\text{O–H}$ mới tham gia liên kết hydrogen (vì $\text{O}$ có độ âm điện $3{,}44$ — đủ lớn). $5$ nguyên tử $\text{H}$ gắn với $\text{C}$ KHÔNG tham gia, vì độ âm điện của $\text{C}$ ($2{,}55$) không đủ lớn để $\text{H}$ mang $\delta^+$ đáng kể.
▸ a) Nâng cao nhiệt độ nóng chảy & sôi
Nhờ liên kết hydrogen, các phân tử nước liên kết chặt chẽ → cần nhiều năng lượng hơn để tách rời → nhiệt độ nóng chảy và sôi cao bất thường.
| Chất | $\text{H}_2\text{O}$ | $\text{H}_2\text{S}$ | $\text{CH}_4$ |
|---|---|---|---|
| $M$ (g/mol) | 18 | 34 | 16 |
| $t_{nc}$ (°C) | 0 | $-85{,}6$ | $-182{,}5$ |
| $t_s$ (°C) | 100 | $-60{,}75$ | $-161{,}58$ |
Mặc dù $\text{H}_2\text{O}$ ($M=18$) nhỏ hơn $\text{H}_2\text{S}$ ($M=34$), nhưng nhiệt độ sôi cao hơn rất nhiều. Lý do: $\text{H}_2\text{O}$ có liên kết hydrogen (mạnh) — $\text{H}_2\text{S}$ chỉ có tương tác van der Waals (yếu).
$\Rightarrow$ Liên kết hydrogen chi phối mạnh hơn yếu tố khối lượng phân tử.
▸ b) Cấu trúc đặc biệt của nước đá
Mỗi phân tử $\text{H}_2\text{O}$ tạo tối đa $4$ liên kết hydrogen với các phân tử nước xung quanh → cấu trúc tứ diện tạo ra mạng tinh thể "rỗng" → nước đá nhẹ hơn nước lỏng → đá nổi trên mặt nước.
Khối lượng riêng của nước lớn nhất ở $4°\text{C}$: từ $0°\text{C}$ → $4°\text{C}$, cấu trúc tứ diện vỡ một phần → phân tử xếp gần nhau hơn → khối lượng riêng tăng. Trên $4°\text{C}$ → khoảng cách phân tử tăng → khối lượng riêng giảm.
▸ c) Các vai trò khác
- Nước dâng lên trong mao quản của rễ cây → vận chuyển nước lên thân, lá.
- Tạo sức căng bề mặt lớn → côn trùng nhỏ có thể di chuyển trên mặt nước.
- Duy trì cấu trúc xoắn của protein, carbohydrate, nucleic acid (DNA).
Ngay cả các phân tử không phân cực (như $\text{Br}_2$, khí hiếm…), giữa chúng vẫn tồn tại một lực tương tác yếu đủ để chúng ngưng tụ thành chất lỏng ở nhiệt độ đủ thấp.
▸ Nguyên nhân hình thành
| Loại chất | Cơ chế |
|---|---|
| Chất phân cực | Phân tử có sẵn lưỡng cực ($\delta^+$ và $\delta^-$) → các lưỡng cực hút nhau. |
| Chất không phân cực & khí hiếm | Đám mây $e$ luôn chuyển động → có thể xuất hiện lưỡng cực tạm thời. Lưỡng cực này gây lưỡng cực cảm ứng ở phân tử bên cạnh → tạo tương tác. |
▸ So sánh độ mạnh các loại liên kết
Liên kết ion / cộng hoá trị / kim loại $\gg$ Liên kết hydrogen $>$ Tương tác van der Waals.
$\Rightarrow$ Tương tác van der Waals là yếu nhất trong các loại tương tác liên phân tử.
▸ a) Khối lượng phân tử càng lớn → tương tác càng mạnh
Khi khối lượng phân tử tăng → số electron tăng → khả năng tạo lưỡng cực tạm thời lớn hơn → tương tác van der Waals mạnh hơn → $t_s, t_{nc}$ tăng.
| Halogen | $\text{F}_2$ | $\text{Cl}_2$ | $\text{Br}_2$ | $\text{I}_2$ |
|---|---|---|---|---|
| $M$ (g/mol) | 38,0 | 70,9 | 159,8 | 253,8 |
| Tổng số $e$ | 18 | 34 | 70 | 106 |
| $t_s$ (°C) | $-188{,}1$ | $-34{,}1$ | $59{,}2$ | $185{,}5$ |
▸ b) Hình dạng phân tử ảnh hưởng diện tích tiếp xúc
Phân tử kéo dài (mạch thẳng) → diện tích tiếp xúc giữa các phân tử lớn → tương tác van der Waals mạnh hơn → $t_s$ cao hơn so với phân tử có hình dạng gọn (mạch nhánh).
Diện tích tiếp xúc LỚN
$t_s = 36°\text{C}$
Diện tích tiếp xúc NHỎ
$t_s = 9{,}5°\text{C}$
Để xem lý thuyết đầy đủ với sơ đồ tư duy, bảng so sánh chi tiết và bảng sai lầm thường gặp, hãy đọc bài viết bên dưới:
Lý thuyết đầy đủ về liên kết hydrogen, tương tác van der Waals, ảnh hưởng đến tính chất vật lí cùng sơ đồ tư duy và bảng sai lầm thường gặp.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 23 câu bám sát chương trình SGK Hoá Học 10!
Cùng luyện Bài 13 – Liên kết hydrogen & van der Waals!
23 câu: 18 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 3 tự luận
Tuyệt vời!
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