Độ âm điện và loại liên kết: Hướng dẫn Hóa học HSC

Khí hiđro, \(\ce{H2}\), hiđro clorua, \(\ce{HCl}\), và natri clorua, \(\ce{NaCl}\), đều liên quan đến lực hút giữa các nguyên tử. Tuy nhiên, chúng ta mô tả liên kết H-H là cộng hóa trị không phân cực, H-Cl là cộng hóa trị phân cực, còn Na-Cl là phần lớn mang tính ion. Điều gì đã thay đổi?

Trước khi đọc tiếp, hãy thử dự đoán. Nếu hai nguyên tử liên kết hút các electron liên kết mạnh như nhau, các electron đó sẽ dành phần lớn thời gian ở đâu? Bây giờ hãy tưởng tượng một nguyên tử hút mạnh hơn nhiều. Câu trả lời cho hai câu hỏi này chính là ý tưởng cơ bản đằng sau độ âm điện.

01Bắt đầu từ lực hút đối với electron liên kết

Trong một liên kết cộng hóa trị, hai nguyên tử dùng chung một cặp electron. “Dùng chung” không nhất thiết có nghĩa là “chia đều”.

Hãy hình dung hai người cầm hai đầu đối diện của một chiếc chăn doona. Nếu họ kéo mạnh như nhau, chiếc chăn sẽ nằm gần như ở giữa. Nếu một người kéo mạnh hơn, phần lớn chiếc chăn sẽ dịch về phía người đó.

Độ âm điện hoạt động hơi giống như vậy. Nó đo khả năng của một nguyên tử trong việc hút electron liên kết về phía mình.

Phép so sánh này có giới hạn. Electron không phải là những mảnh vải nằm cố định ở một vị trí, và ngay cả các liên kết có tính ion mạnh cũng không thể được mô tả hoàn hảo là một nguyên tử sở hữu vĩnh viễn một electron. Phần hữu ích của phép so sánh chỉ đơn giản là sự cạnh tranh: các nguyên tử đang liên kết có thể hút mật độ electron dùng chung với mức độ khác nhau.

Độ âm điện cao có nghĩa là gì?

Một nguyên tử có độ âm điện cao hút electron liên kết về phía mình mạnh.

Một nguyên tử có độ âm điện thấp có lực hút yếu hơn đối với các electron liên kết đó.

Trong bảng tuần hoàn, độ âm điện nhìn chung:

• tăng từ trái sang phải trong một chu kì
• giảm khi đi xuống một nhóm
• cao nhất ở gần flo, thuộc vùng phía trên bên phải của bảng tuần hoàn

Điều này hợp lí nếu bạn nhớ hai ý tưởng đã học trước đó. Trong một chu kì, điện tích hạt nhân tăng trong khi các electron liên kết vẫn nằm gần như trong cùng một mức năng lượng chính. Khi đi xuống một nhóm, các lớp electron bổ sung làm tăng khoảng cách và hiệu ứng che chắn.

02Độ chênh lệch độ âm điện cho biết liên kết không đồng đều đến mức nào

Giả sử các nguyên tử \(A\) và \(B\) có độ âm điện lần lượt là \(\chi_A\) và \(\chi_B\). Độ chênh lệch độ âm điện là

\[ \Delta EN = |\chi_A-\chi_B| \]

Dấu giá trị tuyệt đối có nghĩa là chúng ta chỉ quan tâm đến độ lớn của chênh lệch, chứ không quan tâm phép trừ cho kết quả dương hay âm.

Giá trị độ âm điện là đại lượng không thứ nguyên, vì vậy \(\Delta EN\) không có đơn vị.

Chênh lệch càng lớn, một nguyên tử càng hút mật độ electron về phía mình mạnh hơn nguyên tử còn lại.

Điều đó cho chúng ta một dãy biến đổi hữu ích:

Các ranh giới này là quy tắc gần đúng, không phải định luật tự nhiên. Các bảng và sách giáo khoa khác nhau có thể sử dụng những ngưỡng hơi khác nhau. Liên kết tồn tại trên một phổ liên tục, vì vậy bạn không nên tưởng tượng có một công tắc vô hình tại \(\Delta EN=1.70\) đột ngột biến một liên kết cộng hóa trị thành liên kết ion.

Đối với câu hỏi HSC, hãy sử dụng các giá trị độ âm điện hoặc hướng dẫn phân loại được cho trong đề nếu có thể. Quan trọng hơn, hãy giải thích xu hướng: độ chênh lệch độ âm điện càng lớn thì độ phân cực của liên kết và tính ion càng lớn.

03Liên kết cộng hóa trị không phân cực: không nguyên tử nào thắng trong cuộc kéo co

Xét \(\ce{Cl2}\).

Hai nguyên tử clo có độ âm điện hoàn toàn giống nhau. Do đó,

\[ \Delta EN = |3.16-3.16|=0 \]

Không nguyên tử clo nào hút các electron liên kết mạnh hơn nguyên tử kia.

Vì vậy, mật độ electron được phân bố đối xứng giữa hai nguyên tử, tạo nên một liên kết cộng hóa trị không phân cực.

Điều này tự động xảy ra khi hai nguyên tử giống hệt nhau liên kết, chẳng hạn như \(\ce{H2}\), \(\ce{N2}\), \(\ce{O2}\), và \(\ce{F2}\).

Các nguyên tử khác nhau cũng có thể tạo ra những liên kết được xem là gần như không phân cực nếu độ âm điện của chúng rất giống nhau.

04Liên kết cộng hóa trị phân cực: electron vẫn được chia sẻ, nhưng không đồng đều

Bây giờ hãy xét \(\ce{HCl}\).

Clo có độ âm điện lớn hơn hiđro đáng kể:

\[ \Delta EN = |3.16-2.20|=0.96 \]

Các electron vẫn được chia sẻ, vì vậy liên kết vẫn là cộng hóa trị. Tuy nhiên, mật độ electron dịch chuyển về phía clo.

Sự phân bố không đồng đều đó tạo ra điện tích riêng phần:

\[ \ce{H^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

Kí hiệu \(\delta\), chữ cái Hy Lạp delta, có nghĩa là “riêng phần”. Clo chưa nhận một điện tích đầy đủ \(-1\), và hiđro cũng chưa nhận một điện tích đầy đủ \(+1\). Liên kết nằm đâu đó giữa trạng thái chia sẻ hoàn toàn đồng đều và trạng thái phân tách điện tích hoàn toàn.

Đầu clo là \(\delta-\) vì nó có mật độ electron lớn hơn. Đầu hiđro là \(\delta+\) vì mật độ electron đã bị kéo ra xa khỏi nó.

Đó là một liên kết cộng hóa trị phân cực.

Một lỗi phổ biến là gán đầu âm cho nguyên tử có tổng số electron nhiều hơn. Đó không phải là quy tắc. Hãy so sánh độ âm điện. Nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ mang đầu \(\delta-\).

05Liên kết ion: khi độ chênh lệch trở nên rất lớn

Bây giờ hãy so sánh natri và clo.

Sử dụng độ âm điện 0.93 cho natri và 3.16 cho clo,

\[ \Delta EN = |3.16-0.93|=2.23 \]

Đây là chênh lệch lớn hơn nhiều so với trong H-Cl.

Một mô hình đơn giản cho rằng natri mất một electron để tạo thành \(\mathrm{Na}^{+}\), trong khi clo nhận một electron để tạo thành \(\mathrm{Cl}^{-}\):

\[ \ce{Na -> Na+ + e-} \]

\[ \ce{Cl + e- -> Cl-} \]

Sau đó, các ion mang điện tích trái dấu hút nhau bằng lực tĩnh điện. Trong natri clorua rắn, lực hút này trải rộng khắp một mạng tinh thể ion khổng lồ ba chiều, thay vì tạo ra các phân tử \(\ce{NaCl}\) nhỏ riêng biệt.

Đó là lí do vì sao chỉ nói “liên kết ion là khi một electron được chuyển giao” là chưa đầy đủ. Sự chuyển electron giải thích quá trình hình thành ion. Bản thân liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu.

06Liên kết là một phổ liên tục, không phải ba thế giới tách biệt

Các nhãn cộng hóa trị không phân cực, cộng hóa trị phân cực và ion rất hữu ích, nhưng tự nhiên không chia các liên kết thành ba nhóm hoàn toàn tách biệt.

Hãy tưởng tượng độ âm điện của một nguyên tử trong liên kết tăng dần. Mật độ electron sẽ dần dịch chuyển về phía nguyên tử đó. Không có điều gì kì diệu xảy ra khi độ chênh lệch vượt qua một giá trị thập phân cụ thể.

Vì vậy, mô hình tư duy hữu ích nhất là:

\[ \text{chia sẻ đồng đều} \longrightarrow \text{chia sẻ không đồng đều} \longrightarrow \text{mức độ phân tách điện tích tăng dần} \]

hoặc, theo ngôn ngữ liên kết,

\[ \text{cộng hóa trị không phân cực} \longrightarrow \text{cộng hóa trị phân cực} \longrightarrow \text{tính ion tăng dần} \]

Đây là lí do vì sao không nên phân loại một liên kết nằm gần ngưỡng quy ước trong sách giáo khoa với độ chính xác giả tạo.

Nếu \(\Delta EN=1.69\), sẽ không hợp lí về mặt hóa học khi cho rằng liên kết đó nhất thiết phải khác về bản chất so với một liên kết có \(\Delta EN=1.71\). Hãy dùng độ âm điện làm bằng chứng, rồi xem xét các thông tin khác về chất nếu chúng có sẵn.

07Quan niệm sai dễ mắc nhất: tính ion có nghĩa là electron đã biến mất hoàn toàn khỏi một nguyên tử

Học sinh thường được xem các sơ đồ trong đó một kim loại trao electron cho một phi kim. Mô hình đó hữu ích vì nó giải thích sự hình thành ion.

Tuy nhiên, nó sẽ gây hiểu lầm nếu bạn diễn giải quá máy móc.

Mật độ electron thực tế không được chia thành những phần hoàn toàn thuộc quyền sở hữu riêng biệt. Ngay cả những chất mà chúng ta phân loại là ion cũng có thể có một phần tính cộng hóa trị, trong khi các liên kết cộng hóa trị phân cực mạnh có thể thể hiện mức độ phân tách điện tích đáng kể.

Vậy bạn nên viết gì trong bài thi?

Đối với độ chênh lệch độ âm điện lớn, có thể nói rằng liên kết có tính ion mạnh và chất có thể được mô hình hóa dưới dạng các ion mang điện tích trái dấu được giữ với nhau bằng lực hút tĩnh điện. Tránh khẳng định rằng chỉ riêng độ âm điện đã chứng minh có sự chuyển electron hoàn toàn tuyệt đối.

08Độ phân cực của liên kết không giống với độ phân cực của phân tử

Sự phân biệt này gây ra rất nhiều lỗi có thể tránh được.

Độ chênh lệch độ âm điện cho bạn biết một liên kết riêng lẻ có phân cực hay không. Chỉ riêng thông tin đó không cho bạn biết toàn bộ phân tử có phân cực hay không.

Ví dụ, mỗi liên kết C-O trong cacbon đioxit đều phân cực vì oxi có độ âm điện lớn hơn cacbon. Nhưng \(\ce{CO2}\) có dạng thẳng:

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

Hai mômen lưỡng cực liên kết hướng theo hai chiều đối nhau và triệt tiêu nhau.

Vì vậy, \(\ce{CO2}\) chứa các liên kết cộng hóa trị phân cực nhưng toàn bộ phân tử lại không phân cực.

Điều này không mâu thuẫn với độ âm điện. Nó chỉ có nghĩa là bạn đã chuyển sang câu hỏi tiếp theo: một khi biết độ phân cực của từng liên kết, các liên kết đó được sắp xếp như thế nào trong không gian ba chiều?

09Quy trình quyết định nhanh

Khi bạn được cho hai nguyên tử đang liên kết và được hỏi về loại liên kết:

1. Tìm độ âm điện của mỗi nguyên tử.
2. Tính \(\Delta EN\) bằng giá trị tuyệt đối của hiệu.
3. Dùng độ lớn của \(\Delta EN\) để đánh giá mức độ không đồng đều khi chia sẻ electron.
4. Xác định nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Trong liên kết cộng hóa trị phân cực, nguyên tử đó mang \(\delta-\).
5. Xem các ngưỡng số là gần đúng chứ không phải tuyệt đối.
6. Nếu đề bài cung cấp bằng chứng vật lí, chẳng hạn như độ dẫn điện hoặc hành vi nóng chảy, hãy sử dụng cả bằng chứng đó.

Ý tưởng then chốt không phải là ghi nhớ \(0.4\) và \(1.7\). Ý tưởng then chốt là hiểu những con số đó biểu thị điều gì: mức độ chênh lệch trong lực hút đối với các electron liên kết.

10Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Photpho có độ âm điện 2.19 và clo có độ âm điện 3.16. Hãy phân loại một liên kết P-Cl và xác định nguyên tử nào mang điện tích âm riêng phần.

Lời giải 1

Liên kết P-Cl là liên kết cộng hóa trị phân cực, và clo mang điện tích âm riêng phần.

Độ chênh lệch độ âm điện là

\[ \Delta EN=|3.16-2.19|=0.97 \]

Chênh lệch \(0.97\) cho thấy sự chia sẻ electron không đồng đều đáng kể, nhưng theo hướng dẫn gần đúng thông thường, chưa đủ lớn để mô tả liên kết là chủ yếu mang tính ion.

Clo có độ âm điện lớn hơn, vì vậy nó hút mật độ electron liên kết về phía mình:

\[ \ce{P^{\delta+}-Cl^{\delta-}} \]

Lập luận quan trọng là dấu của điện tích riêng phần phụ thuộc vào nguyên tử nào có độ âm điện lớn hơn, chứ không phụ thuộc vào nguyên tử nào xuất hiện trước trong công thức.

Câu hỏi 2

Sử dụng các độ âm điện sau:

• hiđro: 2.20
• lưu huỳnh: 2.58
• oxi: 3.44

So sánh một liên kết S-H với một liên kết O-H.

Liên kết nào phân cực hơn, và nguyên tử nào là \(\delta-\) trong mỗi liên kết?

Lời giải 2

Liên kết O-H phân cực hơn. Lưu huỳnh là \(\delta-\) trong S-H, còn oxi là \(\delta-\) trong O-H.

Đối với S-H,

\[ \Delta EN=|2.58-2.20|=0.38 \]

Đối với O-H,

\[ \Delta EN=|3.44-2.20|=1.24 \]

Liên kết O-H có độ chênh lệch độ âm điện lớn hơn, vì vậy các electron liên kết của nó được chia sẻ không đồng đều hơn nhiều.

Trong S-H, lưu huỳnh có độ âm điện lớn hơn hiđro một chút, vì vậy mật độ electron dịch chuyển về phía lưu huỳnh.

Trong O-H, oxi có độ âm điện lớn hơn hiđro đáng kể, vì vậy mật độ electron dịch chuyển về phía oxi.

Một bẫy phổ biến là cho rằng cả hai liên kết phân cực như nhau vì chúng đều chứa hiđro. Độ phân cực của liên kết phụ thuộc vào chênh lệch giữa cả hai nguyên tử, chứ không chỉ phụ thuộc vào danh tính của một nguyên tử.

Câu hỏi 3

Một học sinh tính được độ chênh lệch độ âm điện chính xác là \(1.70\) cho một liên kết và viết:

“Vì \(1.70\) là ngưỡng của liên kết ion, liên kết này chắc chắn là ion và không có bất kì tính cộng hóa trị nào.”

Hãy đánh giá kết luận của học sinh.

Lời giải 3

Kết luận của học sinh quá tuyệt đối. Độ chênh lệch độ âm điện \(1.70\) đặt liên kết gần một ranh giới quy ước, vì vậy chỉ riêng độ âm điện không đủ để khẳng định liên kết hoàn toàn là ion và không có tính cộng hóa trị.

Các giá trị như \(0.4\) và \(1.7\) là những hướng dẫn phân loại gần đúng. Chúng giúp chúng ta mô tả sự thay đổi liên tục trong phân bố electron.

Một liên kết có \(\Delta EN=1.69\) không đột nhiên trở thành một đối tượng vật lí hoàn toàn khác về bản chất so với liên kết có \(\Delta EN=1.70\) hoặc \(1.71\).

Kết luận phù hợp hơn là liên kết có độ phân cực đáng kể và tính ion đáng kể. Nếu có thêm bằng chứng, chẳng hạn như cấu trúc của chất, hành vi nóng chảy hoặc độ dẫn điện, thì cũng nên sử dụng bằng chứng đó để quyết định mô hình nào mô tả chất phù hợp nhất.

Quan niệm sai ở đây là xem một ranh giới tiện dụng trong lớp học như một định luật chính xác của tự nhiên.

Câu hỏi 4

Một chất rắn giả định, \(\ce{MX}\), chứa hai nguyên tố khác nhau có độ chênh lệch độ âm điện là \(1.55\).

Vì vậy, một học sinh dự đoán rằng chất rắn này chắc chắn phải gồm các phân tử cộng hóa trị phân cực riêng biệt.

Các quan sát thực nghiệm cho thấy chất rắn này:

• có nhiệt độ nóng chảy cao
• không dẫn điện khi ở trạng thái rắn
• dẫn điện khi nóng chảy

Mô hình nào được toàn bộ bằng chứng ủng hộ tốt hơn: chất rắn cộng hóa trị phân tử hay mạng tinh thể ion? Hãy giải thích vì sao chỉ riêng phép tính độ âm điện là chưa đủ.

Lời giải 4

Mạng tinh thể ion được toàn bộ bằng chứng ủng hộ tốt hơn.

Giá trị \(\Delta EN\) bằng \(1.55\) nằm gần vùng mà một hướng dẫn số đơn giản có thể gợi ý tính cộng hóa trị phân cực mạnh. Tuy nhiên, ngưỡng phân loại chỉ mang tính gần đúng.

Các quan sát vật lí cung cấp bằng chứng cấu trúc mạnh hơn.

Nhiệt độ nóng chảy cao phù hợp với sự tồn tại của các lực hút tĩnh điện mạnh cần nhiều năng lượng để vượt qua. Việc không dẫn điện ở trạng thái rắn cũng phù hợp với mạng tinh thể ion vì các ion bị cố định tại vị trí của chúng.

Khi chất nóng chảy, các ion trở nên có khả năng di chuyển. Vì vậy, chất lỏng nóng chảy có thể dẫn điện do các hạt mang điện có thể chuyển động qua nó.

Một chất cộng hóa trị phân tử đơn giản thường sẽ không tạo ra các hạt mang điện có khả năng di chuyển chỉ đơn thuần do nóng chảy.

Sai lầm ở đây là giả định rằng một giá trị độ âm điện duy nhất có thể lấn át mọi quan sát khác. Độ chênh lệch độ âm điện là bằng chứng về tính chất của liên kết, chứ không phải một phép thử tuyệt đối thay thế cho dữ liệu thực nghiệm.

Câu hỏi 5

Sử dụng các độ âm điện sau:

• cacbon: 2.55
• nitơ: 3.04
• flo: 3.98

Một phân tử \(\ce{CF4}\) có dạng tứ diện và hoàn toàn đối xứng. Một phân tử \(\ce{NF3}\) có dạng chóp tam giác.

Hãy so sánh độ phân cực của liên kết C-F với liên kết N-F, sau đó xác định toàn bộ mỗi phân tử là phân cực hay không phân cực.

Lời giải 5

Liên kết C-F phân cực hơn liên kết N-F, nhưng toàn bộ \(\ce{CF4}\) không phân cực trong khi toàn bộ \(\ce{NF3}\) phân cực.

Trước tiên, hãy tính độ chênh lệch độ âm điện.

Đối với C-F,

\[ \Delta EN=|3.98-2.55|=1.43 \]

Đối với N-F,

\[ \Delta EN=|3.98-3.04|=0.94 \]

Cả hai liên kết đều là cộng hóa trị phân cực, và flo là \(\delta-\) trong cả hai trường hợp. Liên kết C-F có độ chênh lệch độ âm điện lớn hơn, vì vậy nó có độ phân cực liên kết lớn hơn.

Tuy nhiên, độ phân cực của phân tử phụ thuộc vào cả độ phân cực liên kết và hình dạng phân tử.

Trong \(\ce{CF4}\) dạng tứ diện, bốn mômen lưỡng cực liên kết C-F giống hệt nhau được sắp xếp đối xứng. Tác dụng của chúng triệt tiêu nhau, vì vậy phân tử không có mômen lưỡng cực tổng thể và không phân cực.

Trong \(\ce{NF3}\) dạng chóp tam giác, ba mômen lưỡng cực liên kết N-F không triệt tiêu hoàn toàn. Vì vậy, phân tử có mômen lưỡng cực tổng thể và là phân cực.

Sai lầm dễ mắc là cho rằng một phân tử chứa các liên kết rất phân cực thì bản thân nó chắc chắn cũng phải phân cực. Độ âm điện trước hết cho bạn biết về từng liên kết. Hình học phân tử quyết định các mômen lưỡng cực liên kết đó tăng cường hay triệt tiêu lẫn nhau.

Khi bạn đã có thể dùng độ âm điện để dự đoán độ phân cực của liên kết, bước hữu ích tiếp theo là kết hợp thông tin đó với hình dạng phân tử. Điều này cho phép bạn dự đoán độ phân cực của toàn bộ phân tử, từ đó giúp giải thích lực liên phân tử, nhiệt độ sôi, độ tan và nhiều tính chất vật lí xuất hiện ở các phần sau của Hóa học HSC.