Cấu trúc phân tử cộng hóa trị và lực liên phân tử

Đun sôi một cốc nước và chất lỏng chuyển thành khí. Rõ ràng là có thứ gì đó đã bị tách ra. Nhưng đó là gì?

Trước khi đọc tiếp, hãy đưa ra dự đoán: khi nước sôi, các liên kết cộng hóa trị O-H bền bên trong mỗi phân tử \(\ce{H2O}\) có bị phá vỡ không, hay các phân tử chỉ đơn giản là bị kéo ra xa nhau?

Đáp án thứ hai là đúng. Một phân tử nước vẫn là \(\ce{H2O}\) khi chuyển sang pha khí. Sự sôi thắng được lực hút giữa các phân tử nước. Thông thường, nó không phá vỡ các liên kết cộng hóa trị bên trong các phân tử.

Sự phân biệt này là chìa khóa để hiểu các chất phân tử cộng hóa trị. Các tính chất quan sát được của chúng phụ thuộc vào hai cấp độ cấu trúc khác nhau: các liên kết cộng hóa trị bền giữ các nguyên tử trong từng phân tử lại với nhau, và các lực liên phân tử yếu hơn nhiều tác dụng giữa các phân tử riêng biệt.

01Điều gì làm cho một chất trở thành chất phân tử cộng hóa trị?

Hãy tưởng tượng một chất được tạo thành từ hàng triệu gói nhỏ riêng biệt. Mỗi gói là một phân tử.

Bên trong mỗi phân tử, các nguyên tử dùng chung electron thông qua liên kết cộng hóa trị. Những liên kết đó rất bền. Nhưng một phân tử không liên kết cộng hóa trị với mọi phân tử lân cận.

Những hạt riêng biệt này được gọi là các phân tử rời rạc.

Ví dụ, carbon dioxide gồm các phân tử \(\ce{CO2}\) riêng lẻ:

\[
\ce{O=C=O}
\]

Trong mỗi phân tử, nguyên tử carbon được liên kết cộng hóa trị bền với hai nguyên tử oxygen. Tuy nhiên, một phân tử \(\ce{CO2}\) không được nối với phân tử \(\ce{CO2}\) kế tiếp bằng một liên kết cộng hóa trị khác.

Ý tưởng cơ bản tương tự áp dụng cho các chất như:

• \(\ce{H2O}\), nước
• \(\ce{NH3}\), ammonia
• \(\ce{CH4}\), methane
• \(\ce{CO2}\), carbon dioxide
• \(\ce{I2}\), iodine
• \(\ce{CH3OH}\), methanol

Điều này khác với cấu trúc mạng cộng hóa trị, trong đó các liên kết cộng hóa trị kéo dài liên tục xuyên suốt một cấu trúc khổng lồ. Kim cương là một ví dụ về chất có mạng cộng hóa trị.

Sự khác biệt đó trở nên rất quan trọng khi chúng ta cố gắng giải thích nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi.

02Có hai loại lực hút cần phân biệt rõ

Giả sử hai phân tử nước nằm cạnh nhau.

Bên trong mỗi phân tử, các nguyên tử oxygen và hydrogen được giữ với nhau bằng liên kết cộng hóa trị. Giữa hai phân tử có các lực hút liên phân tử.

Có thể hình dung như hai người nắm tay nhau khi đứng trong một chuyến tàu đông đúc. Việc họ nắm tay nhau tượng trưng cho liên kết cộng hóa trị bên trong một phân tử. Đám đông ép họ về phía những người gần đó tượng trưng cho các lực liên phân tử.

Nếu chuyến tàu vắng đi và cặp người đó di chuyển ra xa những người khác, họ không cần phải buông tay nhau. Tương tự, khi một chất phân tử sôi, các phân tử tách xa nhau mà thông thường không phá vỡ các liên kết cộng hóa trị bên trong chúng.

Phép so sánh này có giới hạn: các phân tử không chủ động lựa chọn thứ mà chúng “nắm giữ”, và các lực liên phân tử bắt nguồn từ các tương tác tĩnh điện liên quan đến điện tích và sự phân bố electron. Tuy vậy, phép so sánh này thể hiện được sự khác biệt cấu trúc quan trọng.

Lực nội phân tử

Nội phân tử nghĩa là bên trong một phân tử.

Trong các chất phân tử cộng hóa trị, đây chủ yếu là các liên kết cộng hóa trị nối các nguyên tử với nhau.

Phá vỡ một liên kết cộng hóa trị làm thay đổi phân tử về mặt hóa học. Ví dụ, phá vỡ một liên kết O-H trong nước không đơn thuần là làm nước sôi.

Lực liên phân tử

Liên phân tử nghĩa là giữa các phân tử.

Những lực hút này ảnh hưởng đến các tính chất vật lý như:

• nhiệt độ nóng chảy
• nhiệt độ sôi
• độ bay hơi
• chất tồn tại ở thể rắn, lỏng hay khí trong những điều kiện cụ thể
• độ tan
• độ nhớt, trong nhiều trường hợp

Một lỗi rất phổ biến là viết: “Nước có nhiệt độ sôi cao vì các liên kết cộng hóa trị của nó bền.”

Các liên kết cộng hóa trị trong nước chắc chắn là bền, nhưng đó không phải là các liên kết bị thắng khi nước sôi. Các lực hút liên quan là lực liên phân tử giữa các phân tử nước.

03Các lực liên phân tử bắt nguồn từ đâu?

Electron và hạt nhân mang điện tích. Vì vậy, ngay cả khi một phân tử không có điện tích tổng thể, sự phân bố điện tích của nó vẫn có thể tạo ra lực hút với các phân tử lân cận.

Trong Hóa học HSC, có ba lực liên phân tử quan trọng:

Một phân tử có thể chịu tác dụng của nhiều hơn một loại lực.

Ví dụ, nước có lực phân tán London và liên kết hydrogen. Khi giải thích nhiệt độ sôi cao bất thường của nước, chúng ta thường tập trung vào liên kết hydrogen vì tương tác này có ảnh hưởng lớn nhất trong phép so sánh này.

04Lực phân tán London xuất hiện trong mọi chất phân tử

Hãy bắt đầu với một phân tử như \(\ce{I2}\).

Xét tổng thể, phân tử này không phân cực. Vì vậy, bạn có thể dự đoán rằng hai phân tử iodine không thể hút nhau.

Nhưng chúng vẫn hút nhau.

Electron liên tục chuyển động. Tại một thời điểm cụ thể, đám mây electron của một phân tử có thể trở nên hơi không đều. Một phía tạm thời trở nên âm hơn và phía kia tạm thời trở nên dương hơn.

Lưỡng cực tạm thời này có thể làm biến dạng đám mây electron của một phân tử lân cận, tạo ra một lưỡng cực cảm ứng. Khi đó, hai phân tử hút nhau.

Những lực hút này được gọi là lực phân tán London.

Chúng tồn tại giữa mọi hạt vì mọi nguyên tử và phân tử đều chứa electron.

Điều gì làm lực phân tán mạnh hơn?

Theo một quy tắc tổng quát hữu ích, lực phân tán trở nên mạnh hơn khi các hạt có đám mây electron lớn hơn và dễ bị biến dạng hơn.

Hãy so sánh các halogen:

• \(\ce{F2}\)
• \(\ce{Cl2}\)
• \(\ce{Br2}\)
• \(\ce{I2}\)

Khi các phân tử trở nên lớn hơn và chứa nhiều electron hơn, đám mây electron của chúng trở nên dễ phân cực hơn. Lực phân tán của chúng trở nên mạnh hơn.

Điều này giúp giải thích vì sao \(\ce{F2}\) và \(\ce{Cl2}\) là chất khí ở điều kiện phòng, \(\ce{Br2}\) là chất lỏng, còn \(\ce{I2}\) là chất rắn.

“Nhiều electron hơn nghĩa là lực phân tán mạnh hơn” là một quy tắc hữu ích, nhưng đừng biến nó thành một định luật tuyệt đối cho mọi phép so sánh. Hình dạng phân tử và mức độ các phân tử có thể tiến sát nhau cũng có thể quan trọng.

05Các phân tử phân cực có thêm lực hút lưỡng cực-lưỡng cực

Bây giờ hãy xét hydrogen chloride, \(\ce{HCl}\).

Chlorine hút cặp electron liên kết dùng chung mạnh hơn hydrogen. Vì vậy, mật độ electron trong liên kết H-Cl phân bố không đều.

Ta mô tả hydrogen mang điện tích riêng phần dương, \(\delta+\), và chlorine mang điện tích riêng phần âm, \(\delta-\).

Phân tử có một lưỡng cực vĩnh viễn.

Các phân tử \(\ce{HCl}\) lân cận có xu hướng định hướng sao cho vùng mang điện tích riêng phần dương bị hút về phía vùng mang điện tích riêng phần âm. Những lực hút này được gọi là lực lưỡng cực-lưỡng cực.

Điều quan trọng là \(\ce{HCl}\) cũng có lực phân tán. Các phân tử phân cực không làm cho lực phân tán bằng cách nào đó biến mất.

06Một liên kết phân cực không tự động làm cho cả phân tử phân cực

Đây là một trong những điểm phân biệt hữu ích nhất trong chủ đề này.

Hãy xét carbon dioxide. Mỗi liên kết C=O đều phân cực vì oxygen hút các electron liên kết mạnh hơn carbon.

Vậy hãy dự đoán tính chất của toàn bộ phân tử: \(\ce{CO2}\) có phân cực không?

Xét tổng thể, nó không phân cực.

Phân tử có dạng thẳng:

\[
\ce{O=C=O}
\]

Hai moment lưỡng cực liên kết có cùng độ lớn và hướng ngược nhau. Tác dụng của chúng triệt tiêu nhau.

Nước thì khác. Các liên kết O-H của nước cũng phân cực, nhưng phân tử \(\ce{H2O}\) có dạng gấp khúc. Các moment lưỡng cực liên kết không hướng hoàn toàn ngược nhau, nên chúng không triệt tiêu.

Vì vậy, nước có moment lưỡng cực phân tử tổng thể.

Từ đó, bạn có một quy trình ra quyết định quan trọng:

1. Xác định xem từng liên kết riêng lẻ có phân cực hay không.
2. Xác định hình dạng phân tử.
3. Xem xét hướng của các moment lưỡng cực liên kết.
4. Xác định xem các moment lưỡng cực đó có triệt tiêu nhau hay không.
5. Dùng độ phân cực tổng thể của phân tử để xác định các lực liên phân tử có liên quan.

07Liên kết hydrogen là một lực hút liên phân tử đặc biệt mạnh

Nước có hành vi khác thường khi so sánh với các phân tử nhỏ tương tự.

Khối lượng mol của nước chỉ khoảng \(18.0\ \text{g mol}^{-1}\), nhưng nước lại ở thể lỏng ở nhiệt độ phòng thông thường. Nhiều phân tử có kích thước nhỏ tương tự lại là chất khí.

Tại sao?

Các liên kết O-H trong nước có độ phân cực lớn. Oxygen mang điện tích riêng phần âm đáng kể, còn các nguyên tử hydrogen liên kết với nó mang điện tích riêng phần dương.

Một nguyên tử hydrogen liên kết với oxygen trong một phân tử nước có thể bị hút mạnh bởi một cặp electron không liên kết trên nguyên tử oxygen của một phân tử nước lân cận.

Lực hút này được gọi là liên kết hydrogen.

Trong các hợp chất thường được xét ở trình độ HSC, liên kết hydrogen xuất hiện khi hydrogen liên kết cộng hóa trị trực tiếp với:

• nitrogen, N
• oxygen, O
• fluorine, F

Phân tử lân cận cũng phải cung cấp một vùng N, O hoặc F giàu electron phù hợp.

Hãy cẩn thận với cách diễn đạt. Liên kết hydrogen không phải là liên kết cộng hóa trị O-H bên trong một phân tử nước. Đó là một lực hút liên phân tử có sự tham gia của các phân tử khác nhau.

08Lực liên phân tử ảnh hưởng đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi như thế nào

Để làm nóng chảy hoặc làm sôi một chất phân tử, các phân tử của nó phải nhận đủ năng lượng để thắng một phần các lực hút giữ chúng ở gần nhau.

Lực liên phân tử mạnh hơn thường có nghĩa là cần nhiều năng lượng hơn.

Vì vậy, khi các yếu tố khác tương đối tương đương:

\[
\text{lực liên phân tử mạnh hơn} \longrightarrow \text{nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ sôi cao hơn}
\]

Đối với sự sôi, mối quan hệ này đặc biệt hữu ích vì các phân tử phải trở nên cách xa nhau trong pha khí.

Nhiệt độ nóng chảy có thể khó dự đoán hơn. Cách các phân tử sắp xếp trong tinh thể rắn cũng quan trọng, vì vậy hai hợp chất tương tự đôi khi có thể có nhiệt độ nóng chảy không tuân theo xu hướng đơn giản mà bạn dự đoán.

Đây là một ví dụ điển hình cho việc một mô hình ban đầu hữu ích cần thêm một lớp chính xác nữa.

09Lực liên phân tử mạnh hơn thường đồng nghĩa với độ bay hơi thấp hơn

Một chất lỏng dễ bay hơi sẽ bay hơi dễ dàng.

Để một phân tử thoát khỏi chất lỏng và chuyển sang pha khí, nó phải thắng được lực hút từ các phân tử xung quanh.

Nếu những lực hút đó mạnh, sẽ có ít phân tử hơn có đủ năng lượng để thoát ra ở một nhiệt độ nhất định.

Vì vậy, lực liên phân tử mạnh hơn thường có nghĩa là:

• độ bay hơi thấp hơn
• áp suất hơi thấp hơn ở cùng nhiệt độ
• nhiệt độ sôi cao hơn

Đây là ba quan sát khác nhau cùng liên hệ với một ý tưởng nền tảng.

Ví dụ, nếu chất lỏng A bay hơi nhanh hơn nhiều so với chất lỏng B trong cùng điều kiện, một giả thuyết ban đầu hợp lý là A có lực hút liên phân tử yếu hơn. Các biến khác, bao gồm nhiệt độ và diện tích bề mặt tiếp xúc, cần được kiểm soát trước khi đưa ra một phép so sánh công bằng.

10Vì sao phần lớn các chất phân tử không dẫn điện

Sự dẫn điện cần có các hạt mang điện có khả năng chuyển động.

Một chất phân tử cộng hóa trị tinh khiết chủ yếu gồm các phân tử trung hòa. Các electron của nó bị định xứ trong các liên kết và đám mây electron thay vì tự do chuyển động xuyên qua chất giống như các electron phi định xứ trong kim loại.

Vì vậy, phần lớn các chất phân tử tinh khiết dẫn điện kém.

Nhưng có một điểm dễ mắc sai lầm quan trọng ở đây.

“Được tạo thành từ các phân tử” không có nghĩa là “không bao giờ có thể tạo ra một dung dịch dẫn điện”.

Hydrogen chloride là chất phân tử khi ở trạng thái tinh khiết, nhưng khi hòa tan trong nước, nó phản ứng tạo ra ion:

\[
\ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)}
\]

Các ion trong dung dịch có khả năng chuyển động này cho phép dung dịch dẫn điện.

Vì vậy, hãy luôn hỏi những hạt nào thực sự hiện diện trong các điều kiện được nêu.

11Độ tan phụ thuộc vào tương tác với dung môi

Học sinh thường được dạy quy tắc “giống nhau hòa tan nhau”.

Quy tắc này hữu ích, nhưng đó là một cách nói tắt chứ không phải một định luật vật lý hoàn chỉnh.

Khi một chất hòa tan, có ba thay đổi tổng quát quan trọng:

1. một số lực hút giữa các hạt chất tan phải bị phá vỡ
2. một số lực hút giữa các phân tử dung môi phải bị phá vỡ
3. các lực hút mới giữa chất tan và dung môi được hình thành

Quá trình hòa tan có xu hướng thuận lợi hơn khi các tương tác mới bù đắp đủ cho những tương tác đã phải bị phá vỡ.

Đó là lý do các chất phân tử phân cực thường tan tốt trong các dung môi phân cực như nước.

Ví dụ, methanol trộn lẫn dễ dàng với nước. Vùng O-H phân cực của nó có thể tham gia tạo liên kết hydrogen với các phân tử nước.

Các phân tử không phân cực nhìn chung tương tác yếu hơn với nước. Chúng thường tan tốt hơn trong các dung môi không phân cực, nơi các tương tác do lực phân tán tương thích hơn với những tương tác vốn đã tồn tại.

Đừng rút gọn điều này thành “chất phân cực luôn tan trong chất phân cực”. Kích thước phân tử cũng quan trọng. Một phân tử có thể chứa một nhóm phân cực nhưng đồng thời có một vùng không phân cực rất lớn, điều này có thể làm giảm đáng kể độ tan của nó trong nước.

12Một phương pháp đáng tin cậy để liên hệ cấu trúc với tính chất

Khi một câu hỏi HSC yêu cầu bạn liên hệ cấu trúc phân tử với một tính chất quan sát được, đừng chuyển ngay từ công thức sang tính chất.

Hãy đi theo chuỗi:

\[
\text{cấu trúc} \rightarrow \text{độ phân cực} \rightarrow \text{lực liên phân tử} \rightarrow \text{năng lượng cần thiết} \rightarrow \text{tính chất}
\]

Đối với một phép so sánh nhiệt độ sôi, chuỗi đó có thể trở thành:

Phân tử X chứa một liên kết O-H và có thể hình thành liên kết hydrogen giữa các phân tử của nó. Phân tử Y không thể hình thành liên kết hydrogen giữa các phân tử của chính nó. Vì vậy, X có lực hút liên phân tử mạnh hơn, nên cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử của nó sang pha khí. Do đó, X có nhiệt độ sôi cao hơn.

Cách giải thích này chặt chẽ hơn nhiều so với việc chỉ viết: “X có liên kết hydrogen nên nhiệt độ sôi của nó cao hơn.”

Bước trung gian bị thiếu chính là cơ sở vật lý: cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử ra khỏi nhau.

13Quan niệm sai dễ mắc nhất: “liên kết cộng hóa trị bền nghĩa là nhiệt độ sôi cao”

Giả sử methane, \(\ce{CH4}\), đang được đun sôi.

Một học sinh có thể lập luận rằng vì các liên kết C-H là liên kết cộng hóa trị và liên kết cộng hóa trị rất bền, methane phải có nhiệt độ sôi rất cao.

Mệnh đề đầu tiên là đúng. Kết luận thì không.

Trong quá trình sôi, các phân tử methane tách xa nhau:

\[
\ce{CH4(l) -> CH4(g)}
\]

Các liên kết cộng hóa trị C-H vẫn nguyên vẹn. Sự chuyển pha chủ yếu thắng các lực hút liên phân tử giữa các phân tử methane riêng biệt.

Methane nhỏ và không phân cực, nên lực hút liên phân tử của nó là các lực phân tán London tương đối yếu. Đó là lý do methane có nhiệt độ sôi thấp mặc dù các liên kết cộng hóa trị bên trong mỗi phân tử rất bền.

Hãy so sánh điều đó với kim cương. Kim cương chứa một mạng cộng hóa trị liên tục. Để phá vỡ cấu trúc của nó, bạn không thể chỉ tách các phân tử rời rạc ra khỏi nhau vì các phân tử như vậy không tồn tại. Sự khác biệt đó là lý do các chất phân tử cộng hóa trị và các chất mạng cộng hóa trị có thể có các tính chất vật lý khác nhau rất lớn.

14Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Iodine, \(\ce{I2}\), là một chất phân tử không phân cực. Hãy xác định lực liên phân tử chính giữa các phân tử iodine và giải thích vì sao lực này có thể tồn tại mặc dù các phân tử không phân cực.

Lời giải 1

Lực hút liên phân tử chính giữa các phân tử \(\ce{I2}\) là lực phân tán London.

Electron trong một phân tử iodine liên tục chuyển động. Tại bất kỳ thời điểm nào, chúng có thể phân bố không đều, tạo ra một lưỡng cực tạm thời. Lưỡng cực tạm thời này có thể làm biến dạng đám mây electron của một phân tử \(\ce{I2}\) lân cận và cảm ứng một lưỡng cực khác.

Các điện tích riêng phần trái dấu tạm thời hút nhau.

Điểm dễ mắc sai lầm quan trọng là cho rằng không phân cực nghĩa là “không có lực liên phân tử”. Mọi nguyên tử và phân tử đều có lực phân tán London vì tất cả đều chứa các electron đang chuyển động.

Câu hỏi 2

Methane, \(\ce{CH4}\), và ethane, \(\ce{C2H6}\), đều là các phân tử không phân cực. Ethane có nhiệt độ sôi cao hơn.

Hãy giải thích sự khác biệt này bằng cấu trúc phân tử và lực liên phân tử.

Lời giải 2

Ethane có nhiệt độ sôi cao hơn vì đám mây electron lớn hơn của nó tạo ra lực phân tán London mạnh hơn.

Cả methane và ethane đều không phân cực, nên lực hút liên phân tử của chúng chủ yếu là lực phân tán. Một phân tử ethane chứa nhiều electron hơn và có đám mây electron lớn hơn, dễ phân cực hơn so với một phân tử methane.

Điều này khiến các lưỡng cực tạm thời và lưỡng cực cảm ứng nói chung mạnh hơn trong ethane.

Vì vậy, cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử ethane sang pha khí, làm cho ethane có nhiệt độ sôi cao hơn.

Điểm dễ mắc sai lầm là nghĩ rằng vì cả hai chất có cùng loại lực liên phân tử nên chúng phải có nhiệt độ sôi tương tự nhau. Độ mạnh của lực đó vẫn có thể khác nhau.

Câu hỏi 3

Carbon dioxide, \(\ce{CO2}\), chứa các liên kết C=O phân cực. Nước, \(\ce{H2O}\), chứa các liên kết O-H phân cực.

Hãy giải thích vì sao xét tổng thể \(\ce{CO2}\) không phân cực còn \(\ce{H2O}\) phân cực, đồng thời xác định loại lực hút liên phân tử mạnh nhất thường được nhấn mạnh đối với mỗi chất.

Lời giải 3

Xét tổng thể, \(\ce{CO2}\) không phân cực vì các moment lưỡng cực liên kết của nó triệt tiêu nhau, còn \(\ce{H2O}\) phân cực vì các moment lưỡng cực liên kết không triệt tiêu nhau.

Carbon dioxide có dạng thẳng. Hai moment lưỡng cực C=O bằng nhau hướng theo hai chiều ngược nhau, nên tổng vector của chúng bằng không. Vì vậy, \(\ce{CO2}\) không có moment lưỡng cực phân tử vĩnh viễn, và lực hút liên phân tử của nó chủ yếu là lực phân tán London.

Nước có dạng gấp khúc. Hai moment lưỡng cực liên kết O-H tạo với nhau một góc thay vì hướng trực tiếp ngược nhau, nên chúng không triệt tiêu. Nước có moment lưỡng cực phân tử vĩnh viễn.

Vì hydrogen liên kết trực tiếp với oxygen, các phân tử nước cũng có thể tạo liên kết hydrogen với nhau. Vì vậy, liên kết hydrogen là lực hút liên phân tử thường được nhấn mạnh khi giải thích các tính chất vật lý của nước.

Điểm dễ mắc sai lầm là xác định độ phân cực của phân tử chỉ dựa trên độ phân cực của liên kết. Hình dạng phân tử cũng phải được xem xét.

Câu hỏi 4

Hai chất lỏng phân tử P và Q có khối lượng mol tương tự nhau.

P gồm các phân tử có cấu trúc \(\ce{CH3CH2OH}\).

Q gồm các phân tử có cấu trúc \(\ce{CH3OCH3}\).

Một học sinh nói:

“Cả hai hợp chất đều chứa oxygen, nên cả hai đều phải tạo được các liên kết hydrogen mạnh như nhau giữa các phân tử của chính chúng.”

Hãy đánh giá lập luận của học sinh và dự đoán chất lỏng nào nên có nhiệt độ sôi cao hơn.

Lời giải 4

Lập luận của học sinh là không đúng, và P, \(\ce{CH3CH2OH}\), nên có nhiệt độ sôi cao hơn.

P chứa một liên kết O-H. Hydrogen của nó liên kết trực tiếp với nguyên tử oxygen có độ âm điện cao, cho phép các phân tử P tạo liên kết hydrogen với nhau.

Q chứa một nguyên tử oxygen có các cặp electron không liên kết, nhưng các hydrogen của nó liên kết với carbon thay vì trực tiếp với oxygen. Vì vậy, Q không thể hình thành cùng loại tương tác liên kết hydrogen giữa các phân tử của chính nó.

Cả hai chất vẫn có lực phân tán London, và cả hai đều đủ phân cực để có tương tác lưỡng cực-lưỡng cực. Tuy nhiên, P có thêm tương tác liên kết hydrogen mạnh.

Vì vậy, cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử P trong quá trình sôi, nên P có nhiệt độ sôi cao hơn.

Quan niệm sai ở đây là cho rằng chỉ cần có chứa N, O hoặc F thì một chất tinh khiết tự động có liên kết hydrogen. Vị trí của các nguyên tử hydrogen cũng quan trọng.

Câu hỏi 5

Một học sinh được cho ba chất:

• A gồm các phân tử rời rạc nhỏ, không phân cực.
• B gồm các phân tử rời rạc phân cực có khả năng tạo liên kết hydrogen.
• C gồm các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị trong một mạng ba chiều liên tục.

Học sinh dự đoán thứ tự nhiệt độ sôi phải là:

\[
A < B < C
\]

Hãy giải thích vì sao lập luận khi so sánh A và B là hợp lý, đồng thời giải thích vì sao mô tả hành vi của C đơn giản là do “lực liên phân tử mạnh hơn” là không đúng.

Lời giải 5

Phép so sánh \(A < B\) là hợp lý nếu kích thước phân tử đủ tương đương, nhưng C phải được giải thích bằng liên kết mạng cộng hóa trị, chứ không phải lực liên phân tử mạnh hơn.

A gồm các phân tử nhỏ không phân cực, nên các phân tử của nó được giữ với nhau chủ yếu bởi lực phân tán London tương đối yếu.

B có thể tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử. Những lực hút liên phân tử mạnh hơn này nhìn chung cần nhiều năng lượng hơn để thắng, nên B thường có nhiệt độ sôi cao hơn một chất phân tử nhỏ không phân cực tương đương.

C về cơ bản là khác. Nó không gồm các phân tử rời rạc được giữ với nhau bởi lực hút liên phân tử. Thay vào đó, các liên kết cộng hóa trị kéo dài xuyên suốt một mạng liên tục.

Điểm dễ mắc sai lầm là cố gắng đặt mọi chất cộng hóa trị lên cùng một thang lực liên phân tử. Lực liên phân tử mô tả lực hút giữa các phân tử riêng biệt. Trong một mạng cộng hóa trị, không có các phân tử riêng biệt đóng vai trò đó.

Do đó, để phá vỡ cấu trúc của C cần thắng một hệ thống liên kết cộng hóa trị rộng khắp thay vì chỉ tách các phân tử nguyên vẹn ra khỏi nhau.

Câu hỏi 6

Hydrogen chloride tinh khiết, \(\ce{HCl}\), là một chất phân tử cộng hóa trị. Vì vậy, một học sinh dự đoán:

“Một mẫu chứa HCl không nên dẫn điện vì các chất phân tử cộng hóa trị không chứa các ion có khả năng chuyển động.”

Dự đoán này đúng đối với \(\ce{HCl}\) ở thể khí, nhưng dung dịch HCl trong nước dẫn điện mạnh.

Hãy giải thích vì sao hai quan sát này không mâu thuẫn với nhau.

Lời giải 6

Không có mâu thuẫn vì các hạt hiện diện thay đổi khi \(\ce{HCl}\) phản ứng với nước.

Hydrogen chloride ở thể khí chủ yếu gồm các phân tử \(\ce{HCl}\) trung hòa. Chúng không cung cấp các ion có khả năng chuyển động để mang dòng điện.

Tuy nhiên, trong nước, hydrogen chloride chuyển một proton cho nước:

\[
\ce{HCl(g) + H2O(l) -> H3O+(aq) + Cl-(aq)}
\]

Vì vậy, dung dịch nước chứa các ion \(\ce{H3O+}\) và \(\mathrm{Cl}^{-}\) có khả năng chuyển động. Những hạt mang điện này có thể di chuyển qua dung dịch và mang dòng điện.

Giả định ẩn trong lập luận của học sinh là một chất phải chứa chính xác cùng những hạt sau khi hòa tan như trước khi hòa tan. Điều đó không phải lúc nào cũng đúng. Khi giải thích tính dẫn điện, hãy xác định các hạt thực sự hiện diện trong các điều kiện được nêu thay vì chỉ dựa vào loại liên kết của chất ban đầu.

15Điều này giúp bạn giải thích những gì tiếp theo

Khi bạn có thể tự tin đi từ hình dạng phân tử đến độ phân cực, lực liên phân tử và các tính chất quan sát được, một số ý tưởng sau đó sẽ trở nên dễ hiểu hơn.

Bạn có thể giải thích vì sao các chất có công thức tương tự nhau lại có thể có nhiệt độ sôi rất khác nhau, vì sao một số chất phân tử dễ tan trong nước trong khi những chất khác thì không, và vì sao một chất phân tử tinh khiết có thể biểu hiện khác đi sau khi phản ứng với dung môi.

Phép so sánh hữu ích tiếp theo là với cấu trúc ion và cấu trúc mạng cộng hóa trị. Khi đó, câu hỏi thay đổi từ “điều gì giữ các phân tử lại với nhau?” thành “thực sự có các phân tử riêng biệt hay không?” Quyết định về cấu trúc này thường là con đường nhanh nhất để giải thích nhiệt độ nóng chảy, tính dẫn điện, độ tan và trạng thái vật lý của một chất.