Lực liên phân tử và lực nội phân tử trong Hóa học HSC

Tìm hiểu cách phân biệt lực bên trong phân tử với lực giữa các phân tử, so sánh độ mạnh của chúng và dùng chúng để giải thích nhiệt độ sôi và các biến đổi vật lí.

September 24, 2026 26 min read

Đun nóng nước lỏng cho đến khi sôi. Các phân tử nước tách xa nhau và chuyển thành khí, nhưng mỗi tiểu phân vẫn là \(\ce{H2O}\). Nguyên tử oxygen không đột nhiên tách khỏi hai nguyên tử hydrogen của nó.

Vậy thực sự có gì bị phá vỡ khi nước sôi?

Một dự đoán dễ mắc phải là các liên kết O-H bị phá vỡ vì các phân tử đang tách ra xa nhau. Điều đó không xảy ra. Sự sôi thắng được các lực hút giữa các phân tử nước. Các liên kết cộng hóa trị mạnh hơn nhiều bên trong mỗi phân tử nước vẫn còn nguyên vẹn.

Sự khác biệt này chính là điểm cốt lõi của lực liên phân tử và lực nội phân tử.

Bốn phân tử nước có dạng gấp khúc thể hiện các liên kết O-H nét liền bên trong mỗi phân tử và các lực hút H···O nét chấm giữa các phân tử lân cận. — Các liên kết O-H nét liền là liên kết cộng hóa trị nội phân tử; các lực hút H···O nét chấm là liên kết hydrogen liên phân tử.

01Bắt đầu với hai vai trò khác nhau

Hãy hình dung một phân tử như một cặp đôi đang nắm tay nhau trong một buổi hòa nhạc đông người.

Việc nắm tay tượng trưng cho các liên kết giữ các nguyên tử lại với nhau thành một phân tử. Sự va chạm và lực hút yếu hơn giữa các cặp đôi khác nhau tượng trưng cho các lực giữa những phân tử lân cận. Nếu đám đông giãn ra, các cặp đôi có thể rời xa nhau mà không phải tách nhau ra.

Đó gần đúng là điều xảy ra khi một chất lỏng phân tử sôi.

Phép so sánh này có giới hạn. Các phân tử không tự lựa chọn đối tác, và các lực hút thực sự là những tương tác điện giữa các hạt mang điện. Ngoài ra, một phân tử có thể hút nhiều phân tử lân cận cùng lúc. Dù vậy, sự phân biệt này vẫn rất hữu ích:

Lực nội phân tử tác dụng bên trong một tiểu phân và giữ các nguyên tử của nó lại với nhau.
Lực liên phân tử tác dụng giữa các phân tử riêng biệt.

Tiền tố cũng giúp ghi nhớ. Intra nghĩa là bên trong. Inter nghĩa là ở giữa.

Đối với một chất phân tử như nước, methane hoặc ethanol, các lực nội phân tử chính là liên kết cộng hóa trị.

Ví dụ, bên trong một phân tử nước:

\[ \ce{H-O-H} \]

hai liên kết cộng hóa trị O-H là lực nội phân tử.

Giữa một phân tử nước và một phân tử nước khác có các lực hút liên phân tử.

Sự phân biệt này quan trọng vì hai loại lực thực hiện những vai trò hoàn toàn khác nhau.

Loại lực	Nơi tác dụng	Vai trò chính	Ví dụ
Nội phân tử	Bên trong một tiểu phân	Giữ các nguyên tử lại với nhau	Liên kết cộng hóa trị O-H trong \(\ce{H2O}\)
Liên phân tử	Giữa các phân tử	Hút các phân tử riêng biệt	Liên kết hydrogen giữa các phân tử nước

02Biến đổi vật lí hay biến đổi hóa học?

Điều này cho bạn một quy tắc hữu ích để đưa ra quyết định.

Nếu các phân tử tách xa nhau nhưng vẫn là những phân tử ban đầu, thì các lực liên phân tử đang bị thắng.

Nếu các nguyên tử được sắp xếp lại để tạo thành các chất khác, thì các liên kết nội phân tử phải bị phá vỡ và các liên kết mới phải được hình thành.

Khi nước sôi:

\[ \ce{H2O(l) -> H2O(g)} \]

Các tiểu phân đều là \(\ce{H2O}\) cả trước lẫn sau. Đây là một biến đổi vật lí.

Khi nước bị phân hủy về mặt hóa học:

\[ \ce{2H2O -> 2H2 + O2} \]

Các liên kết cộng hóa trị O-H phải bị phá vỡ, đồng thời các liên kết H-H và O=O mới được hình thành. Đây là một biến đổi hóa học.

Đó là lý do nước sôi không tạo ra khí hydrogen và oxygen.

03Vì sao các liên kết nội phân tử thường mạnh hơn nhiều

Liên kết cộng hóa trị liên quan đến lực hút tĩnh điện mạnh giữa các hạt nhân mang điện dương và các electron dùng chung. Việc phá vỡ một liên kết như vậy thường cần hàng trăm kilojoule trên mỗi mole liên kết.

Các lực hút liên phân tử nhìn chung yếu hơn nhiều. Một lực hút liên phân tử riêng lẻ có thể chỉ tương ứng với vài kilojoule đến vài chục kilojoule trên mỗi mole.

Để so sánh, việc phá vỡ một liên kết cộng hóa trị O-H cần năng lượng cỡ hàng trăm kilojoule trên mỗi mole, trong khi việc tách các phân tử nước ra khỏi nhau trong quá trình hóa hơi cần ít năng lượng hơn nhiều trên mỗi mole nước.

Đừng biến điều đó thành quy tắc:

lực nội phân tử luôn mạnh chính xác gấp mười lần lực liên phân tử.

Không có một tỉ lệ cố định nào như vậy.

So sánh hữu ích là:

Các liên kết hóa học nội phân tử nhìn chung mạnh hơn nhiều so với từng lực hút liên phân tử riêng lẻ.

Đó là lý do việc đun nóng một chất có thể làm nó nóng chảy hoặc sôi mà không phá hủy các phân tử của nó.

04Ba lực liên phân tử bạn cần nhận biết

Đối với các chất phân tử trung hòa, ba lực liên phân tử đặc biệt quan trọng trong Hóa học HSC là:

lực phân tán London
lực lưỡng cực-lưỡng cực
liên kết hydrogen

Một phân tử có thể đồng thời chịu nhiều hơn một trong các lực này.

Lực phân tán London

Hãy hình dung các electron trong một phân tử không phân cực. Chúng luôn chuyển động.

Tại một thời điểm nào đó, mật độ electron có thể tình cờ lớn hơn một chút ở một phía của phân tử. Trong khoảnh khắc đó, một phía trở nên hơi âm và phía kia hơi dương.

Điều này tạo ra một lưỡng cực tạm thời.

Lưỡng cực tạm thời đó có thể làm biến dạng đám mây electron của một phân tử gần đó, tạo nên một lưỡng cực tạm thời khác. Các điện tích riêng phần trái dấu sau đó hút nhau.

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

Quy tắc quan trọng là:

Tất cả các nguyên tử và phân tử đều chịu lực phân tán London.

Điều đó bao gồm cả các phân tử phân cực.

Một lỗi thường gặp là viết: “Nước có liên kết hydrogen nên không có lực phân tán.” Nước có cả hai.

Lực phân tán nhìn chung mạnh hơn khi một tiểu phân có:

nhiều electron hơn
đám mây electron lớn hơn và dễ bị biến dạng hơn
khả năng bị phân cực lớn hơn
diện tích bề mặt tiếp xúc gần với các phân tử lân cận lớn hơn

Đó là lý do các phân tử không phân cực lớn có thể có lực hút liên phân tử mạnh đáng ngạc nhiên.

Lực lưỡng cực-lưỡng cực

Một số phân tử có sự phân bố điện tích không đồng đều mang tính thường trực.

Xét hydrogen chloride, \(\ce{HCl}\). Chlorine hút các electron liên kết mạnh hơn hydrogen. Đầu chlorine mang điện tích riêng phần âm, viết là \(\delta-\), còn đầu hydrogen mang điện tích riêng phần dương, viết là \(\delta+\).

Vì vậy, các phân tử lân cận có thể sắp xếp sao cho các điện tích riêng phần trái dấu hút nhau.

Lực hút này là lực lưỡng cực-lưỡng cực.

Để có lực lưỡng cực-lưỡng cực, phân tử phải có moment lưỡng cực phân tử thường trực. Chỉ có các liên kết phân cực chưa chắc đã đủ.

Ví dụ, \(\ce{CO2}\) chứa các liên kết C=O phân cực, nhưng hình dạng thẳng của nó khiến các moment lưỡng cực liên kết triệt tiêu nhau. Toàn bộ phân tử là không phân cực.

Vì vậy, \(\ce{CO2}\) có lực phân tán London nhưng không có lực hút lưỡng cực-lưỡng cực thường trực.

Liên kết hydrogen

Liên kết hydrogen là một loại lực hút lưỡng cực-lưỡng cực đặc biệt mạnh.

Đối với các trường hợp thông thường trong HSC, hãy tìm hydrogen được liên kết cộng hóa trị trực tiếp với:

nitrogen
oxygen
fluorine

Một nguyên tử hydrogen gắn với một trong các nguyên tử có độ âm điện rất cao này sẽ mang điện tích riêng phần dương \(\delta+\) đáng kể. Sau đó, nó có thể hút một cặp electron không liên kết trên N, O hoặc F của một phân tử lân cận.

Nước là ví dụ kinh điển.

Bên trong một phân tử nước, liên kết O-H là liên kết cộng hóa trị và nội phân tử.

Giữa các phân tử nước lân cận, lực hút giữa một nguyên tử H của phân tử này và nguyên tử O của phân tử kia là liên kết hydrogen và liên phân tử.

Cách diễn đạt này rất quan trọng. Nói “liên kết hydrogen bên trong nước” thường làm lẫn lộn hai khái niệm khác nhau.

05Cách nhanh để xác định các lực liên phân tử

Khi được cho một chất phân tử, hãy lần lượt xét các câu hỏi sau.

Thứ nhất: có các phân tử riêng biệt hay không?

Nếu chất là mạng tinh thể ion hoặc mạng tinh thể kim loại, việc mô tả chất rắn bằng lực liên phân tử là không phù hợp. Trong mạng tinh thể không có các phân tử riêng biệt.

Thứ hai: lực liên phân tử nào chắc chắn có mặt?

Lực phân tán London. Mọi phân tử đều có lực này.

Thứ ba: toàn bộ phân tử có phân cực không?

Nếu có, thêm lực hút lưỡng cực-lưỡng cực thường trực.

Thứ tư: H có liên kết trực tiếp với N, O hoặc F không?

Nếu có, các phân tử thường có thể tạo liên kết hydrogen với các nguyên tử N, O hoặc F phù hợp ở phân tử lân cận.

Từ đó có bảng quyết định ngắn gọn:

Đặc điểm phân tử	Các lực liên phân tử có mặt
Bất kỳ phân tử nào	Lực phân tán London
Phân tử phân cực	Lực phân tán London + lực lưỡng cực-lưỡng cực
H liên kết với N, O hoặc F	Lực phân tán London + lực lưỡng cực-lưỡng cực + liên kết hydrogen

Bảng này hữu ích, nhưng nó che đi một điểm phức tạp quan trọng: chỉ gọi tên loại lực là chưa đủ để dự đoán mọi nhiệt độ sôi.

Kích thước và hình dạng cũng quan trọng.

Ví dụ có lời giải: Những lực nào tác dụng trong methanol?

Đối với methanol, \(\ce{CH3OH}\), hãy xác định các lực nội phân tử và liên phân tử quan trọng. Nêu loại lực nào bị thắng khi methanol sôi.

Bước 1

Các liên kết C-H, C-O và O-H bên trong một phân tử methanol là các liên kết cộng hóa trị. Đây là các lực nội phân tử.

Bước 2

Mỗi phân tử methanol đều chịu lực phân tán London.

Bước 3

Các liên kết C-O và O-H phân cực mạnh, và các moment lưỡng cực của chúng không triệt tiêu nhau. Vì vậy, methanol là phân tử phân cực.

Nó chịu lực hút lưỡng cực-lưỡng cực.

Bước 4

Methanol chứa một liên kết O-H. Nguyên tử hydrogen gắn với oxygen có thể tương tác mạnh với các cặp electron không liên kết trên oxygen của các phân tử methanol lân cận.

Vì vậy, methanol tạo được liên kết hydrogen.

Bước 5

Khi methanol sôi, các phân tử tách xa nhau. Các lực liên phân tử bị thắng, nhưng các liên kết cộng hóa trị C-H, C-O và O-H vẫn còn nguyên.

Vì vậy, methanol có các liên kết cộng hóa trị nội phân tử và các lực liên phân tử gồm lực phân tán London, lực lưỡng cực-lưỡng cực và liên kết hydrogen.

Việc có nhiều loại lực liên phân tử không có nghĩa là có ba lớp lực riêng biệt phải được “phá vỡ” lần lượt từng lớp. Chúng là những đóng góp khác nhau vào tổng lực hút giữa các phân tử.

06So sánh độ mạnh của các lực liên phân tử

Bạn có thể gặp thứ tự gần đúng:

\[ \text{liên kết hydrogen} > \text{lực lưỡng cực-lưỡng cực} > \text{lực phân tán London} \]

Thứ tự này chỉ hữu ích khi so sánh các phân tử có kích thước tương tự nhau.

Đó không phải là một bảng xếp hạng phổ quát cho phép bạn bỏ qua mọi yếu tố khác.

Giả sử một học sinh so sánh một phân tử phân cực rất nhỏ với một phân tử không phân cực rất lớn và nói: “Phân tử phân cực chắc chắn có nhiệt độ sôi cao hơn vì lực lưỡng cực-lưỡng cực mạnh hơn lực phân tán.”

Dự đoán đó có vẻ hợp lý vì chúng ta thường dạy lực liên phân tử theo một thứ bậc đơn giản.

Ý tưởng còn thiếu là lực phân tán London không có một độ mạnh cố định. Chúng trở nên mạnh hơn nhiều khi đám mây electron lớn hơn và dễ bị phân cực hơn.

Vì vậy, một phân tử không phân cực lớn có thể chịu tổng lực hút liên phân tử mạnh hơn một phân tử phân cực nhỏ.

Quy trình quyết định tốt hơn là:

Xác định mọi loại lực liên phân tử có mặt.
So sánh kích thước phân tử và số lượng electron.
So sánh hình dạng và diện tích bề mặt.
Chỉ sau đó mới quyết định chất nào có tổng lực hút liên phân tử mạnh hơn.

07Vì sao lực liên phân tử mạnh hơn ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi

Một chất lỏng sôi khi các phân tử của nó có thể thoát vào pha khí trên toàn bộ chất lỏng.

Để làm được điều đó, các phân tử phải thắng đủ các lực hút đang giữ chúng gần các phân tử lân cận.

Vì vậy, trong những điều kiện có thể so sánh:

lực liên phân tử mạnh hơn nhìn chung dẫn đến nhiệt độ sôi cao hơn.

Hãy chú ý điều không xuất hiện trong phát biểu này: các liên kết cộng hóa trị mạnh hơn bên trong phân tử.

Các liên kết C-H trong một hydrocarbon không bị phá vỡ khi hydrocarbon đó sôi. Vì vậy, độ mạnh của chúng không phải là nguyên nhân trực tiếp quyết định nhiệt độ sôi.

Đây là một trong những lỗi phổ biến nhất khi nói về lực liên phân tử.

Ví dụ có lời giải: Ethanol hay dimethyl ether?

Ethanol, \(\ce{CH3CH2OH}\), và dimethyl ether, \(\ce{CH3OCH3}\), có cùng công thức phân tử, \(\ce{C2H6O}\). Hãy dự đoán chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn và giải thích tại sao.

Bước 1

Hai phân tử có cùng công thức phân tử và do đó có cùng số lượng và loại nguyên tử. Khối lượng mol của chúng về cơ bản là giống nhau.

Điều này làm cho đây trở thành một phép so sánh hữu ích vì kích thước phân tử không phải là điểm khác biệt chính.

Bước 2

Dimethyl ether có lực phân tán London.

Các liên kết C-O của nó phân cực, và phân tử có moment lưỡng cực thường trực, nên nó cũng có lực hút lưỡng cực-lưỡng cực.

Tuy nhiên, không nguyên tử hydrogen nào của nó liên kết trực tiếp với oxygen. Nó không thể tạo liên kết hydrogen với các phân tử dimethyl ether khác theo nghĩa cho-nhận thông thường.

Bước 3

Ethanol cũng có lực phân tán London và lực lưỡng cực-lưỡng cực.

Nhóm O-H của nó cho phép các phân tử ethanol lân cận tạo liên kết hydrogen.

Bước 4

Vì kích thước phân tử tương tự nhau, liên kết hydrogen bổ sung trong ethanol là một khác biệt quan trọng.

Do đó, ethanol có tổng lực hút liên phân tử mạnh hơn và nhiệt độ sôi cao hơn.

Bước 5

Cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử ethanol vào pha khí. Sự khác biệt không xuất phát từ việc các liên kết cộng hóa trị của ethanol bị phá vỡ khi sôi.

08Hình dạng phân tử cũng có thể quan trọng

Hai phân tử có khối lượng phân tử tương tự nhau vẫn có thể có lực phân tán khác nhau vì hình dạng của chúng ảnh hưởng đến mức độ chúng có thể tiến gần nhau.

Các phân tử dài, tương đối thẳng thường có thể tạo diện tích tiếp xúc bề mặt lớn hơn với các phân tử lân cận so với các phân tử nhỏ gọn, phân nhánh nhiều.

Diện tích tiếp xúc lớn hơn có thể đồng nghĩa với lực phân tán mạnh hơn.

Điều này đặc biệt quan trọng khi so sánh các hydrocarbon. Nếu hai hydrocarbon có số lượng electron tương tự nhau, phân tử ít phân nhánh hơn thường có nhiệt độ sôi cao hơn vì hình dạng của nó cho phép mức độ tiếp xúc liên phân tử lớn hơn.

Một lần nữa, đây là một hiệu ứng liên phân tử. Các liên kết cộng hóa trị bên trong các phân tử không phải là đối tượng đang được so sánh.

09Quan niệm sai lầm dễ mắc nhất: “liên kết hydrogen luôn mạnh nhất”

Liên kết hydrogen là một lực hút liên phân tử mạnh giữa các phân tử trung hòa nhỏ. Điều đó không có nghĩa là mọi chất có liên kết hydrogen đều phải có nhiệt độ sôi cao hơn mọi chất không có liên kết hydrogen.

Hãy xét một hydrocarbon lớn. Nó có thể chứa nhiều electron hơn rất nhiều so với một alcohol nhỏ, khiến đám mây electron của nó dễ bị phân cực và tạo ra lực phân tán đáng kể.

Vì vậy, cách lập luận sau không an toàn:

Chất A tạo liên kết hydrogen. Chất B chỉ có lực phân tán. Vì vậy A chắc chắn phải có nhiệt độ sôi cao hơn.

Bạn cần hỏi các tiểu phân lớn đến mức nào.

Ví dụ, butan-1-ol có thể tạo liên kết hydrogen, trong khi octane không phân cực và không thể tạo liên kết hydrogen. Tuy nhiên, octane có nhiệt độ sôi khoảng \(126^\circ\text{C}\), cao hơn một chút so với butan-1-ol ở khoảng \(118^\circ\text{C}\).

Không có mâu thuẫn nào ở đây.

Octane lớn hơn đáng kể, có nhiều electron hơn và có đám mây electron dễ bị phân cực hơn. Nhiều tương tác phân tán của nó cộng lại tạo nên tổng lực hút liên phân tử mạnh.

Thứ bậc đơn giản không sai. Nó chỉ chưa đầy đủ.

10Đừng gọi mọi lực hút mạnh là liên kết hydrogen

Một lỗi phổ biến khác là thấy hydrogen ở bất kỳ đâu trong phân tử rồi kết luận có liên kết hydrogen.

Methane, \(\ce{CH4}\), chứa bốn liên kết C-H nhưng không tạo loại liên kết hydrogen đang xét ở đây.

Tại sao?

Hydrogen phải liên kết trực tiếp với nguyên tử N, O hoặc F có độ âm điện cao thì liên kết mới đủ phân cực.

Vì vậy:

\(\ce{H2O}\): có
\(\ce{NH3}\): có
\(\ce{HF}\): có
\(\ce{CH3OH}\): có
\(\ce{CH4}\): không
\(\ce{CH3CH3}\): không

Đừng nhầm lẫn sự có mặt của nguyên tử hydrogen với liên kết hydrogen.

11Nội phân tử không phải lúc nào cũng có nghĩa là “bên trong một phân tử”

Tên gọi có thể tạo ra một điểm hơi khó xử trong hóa học.

Trong các chất phân tử, lực nội phân tử là các liên kết bên trong từng phân tử riêng lẻ. Đây là phép so sánh chính trên trang này.

Nhưng các chất ion và kim loại không được tạo thành từ các phân tử riêng biệt.

Ví dụ, sodium chloride rắn chứa một mạng tinh thể khổng lồ gồm các ion \(\mathrm{Na}^{+}\) và \(\mathrm{Cl}^{-}\). Sẽ gây hiểu lầm nếu mô tả các lực hút ion trong chất rắn là “lực liên phân tử”, vì không có các phân tử \(\ce{NaCl}\) riêng biệt nằm cạnh nhau.

Tương tự, một kim loại gồm một mạng tinh thể kim loại chứ không phải các phân tử kim loại riêng biệt.

Vì vậy, trước khi nói về lực liên phân tử, hãy kiểm tra xem chất đó có thực sự chứa các phân tử hay không.

12Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Một mẫu ammonia lỏng, \(\ce{NH3}\), được đun nóng cho đến khi sôi.

Hãy xác định lực nội phân tử chính trong mỗi phân tử ammonia, xác định các lực liên phân tử giữa các phân tử ammonia, và nêu loại lực nào bị thắng trong quá trình sôi.

Lời giải 1

Sự sôi thắng các lực liên phân tử giữa các phân tử ammonia, trong khi các liên kết cộng hóa trị N-H bên trong mỗi phân tử \(\ce{NH3}\) vẫn còn nguyên vẹn.

Các liên kết N-H là các liên kết cộng hóa trị nội phân tử. Chúng giữ mỗi nguyên tử nitrogen với ba nguyên tử hydrogen của nó.

Tất cả các phân tử ammonia đều chịu lực phân tán London.

Ammonia cũng phân cực, nên nó chịu lực hút lưỡng cực-lưỡng cực. Các nguyên tử hydrogen của nó liên kết trực tiếp với nitrogen, cho phép hình thành liên kết hydrogen giữa các phân tử ammonia lân cận.

Vì vậy, các lực liên phân tử gồm lực phân tán London, lực lưỡng cực-lưỡng cực và liên kết hydrogen.

Trong quá trình sôi, đủ nhiều lực hút liên phân tử này bị thắng để các phân tử ammonia đi vào pha khí:

\[ \ce{NH3(l) -> NH3(g)} \]

Công thức hóa học không thay đổi, cho thấy các liên kết cộng hóa trị N-H không bị phá vỡ.

Câu hỏi 2

Hai chất phân tử có số lượng electron tương tự nhau.

Chất A không phân cực. Chất B phân cực nhưng không có nguyên tử H nào liên kết với N, O hoặc F.

Những lực liên phân tử nào tác dụng trong mỗi chất, và nhìn chung bạn sẽ dự đoán chất nào có lực hút liên phân tử mạnh hơn nếu hình dạng của chúng cũng tương tự nhau?

Lời giải 2

Nhìn chung, chất B được dự đoán có lực hút liên phân tử mạnh hơn vì nó chịu cả lực phân tán London và lực lưỡng cực-lưỡng cực, trong khi chất A chỉ chịu lực phân tán London.

Mọi phân tử đều chịu lực phân tán London, nên cả A và B đều có lực này.

Vì B phân cực, nó còn có lực hút lưỡng cực-lưỡng cực thường trực.

Không chất nào được mô tả là có khả năng tạo liên kết hydrogen.

Phép so sánh này hợp lý vì câu hỏi đã kiểm soát hai biến quan trọng: các phân tử có số lượng electron tương tự nhau và hình dạng tương tự nhau. Do đó, lực phân tán của chúng nhìn chung phải khá tương đương, khiến lực hút lưỡng cực-lưỡng cực thường trực của B trở thành một đóng góp bổ sung quan trọng.

Cái bẫy ở đây là nói chất A “không có lực liên phân tử” vì nó không phân cực. Các phân tử không phân cực vẫn chịu lực phân tán London.

Câu hỏi 3

Ethane, \(\ce{C2H6}\), và methanol, \(\ce{CH3OH}\), đều chứa các liên kết cộng hóa trị.

Một học sinh nói: “Methanol có nhiệt độ sôi cao hơn vì liên kết cộng hóa trị O-H của nó mạnh hơn các liên kết C-H trong ethane.”

Hãy giải thích điểm sai trong lập luận của học sinh.

Lời giải 3

Lời giải thích của học sinh sử dụng sai loại lực. Nhiệt độ sôi chủ yếu phụ thuộc vào các lực hút liên phân tử, chứ không phải độ mạnh của các liên kết cộng hóa trị vẫn nằm bên trong từng phân tử.

Các phân tử methanol chịu lực phân tán London, lực hút lưỡng cực-lưỡng cực thường trực và liên kết hydrogen.

Ethane không phân cực, nên các phân tử của nó chủ yếu hút nhau bằng lực phân tán London.

Trong quá trình sôi, cả các liên kết cộng hóa trị O-H của methanol lẫn các liên kết cộng hóa trị C-H của ethane đều không cần bị phá vỡ. Các phân tử tách khỏi các phân tử lân cận nhưng vẫn giữ nguyên về mặt hóa học.

Vì vậy, nhiệt độ sôi cao hơn của methanol được giải thích bởi lực hút liên phân tử mạnh hơn, đặc biệt là liên kết hydrogen, chứ không phải vì liên kết O-H nội phân tử của nó phải bị phá vỡ.

Quan niệm sai lầm này khá dễ hiểu vì cụm từ “liên kết mạnh hơn” nghe có vẻ như phải đồng nghĩa với “khó sôi hơn”. Câu hỏi còn thiếu là: quá trình sôi thực sự thắng những liên kết hoặc lực nào?

Câu hỏi 4

Hydrogen chloride, \(\ce{HCl}\), là phân tử phân cực. Chlorine, \(\ce{Cl2}\), là phân tử không phân cực.

Vì vậy, một học sinh dự đoán rằng \(\ce{HCl}\) chắc chắn phải có nhiệt độ sôi cao hơn vì lực hút lưỡng cực-lưỡng cực mạnh hơn lực phân tán London.

Trên thực tế, chlorine có nhiệt độ sôi cao hơn. Hãy giải thích vì sao quan sát này không mâu thuẫn với lý thuyết về lực liên phân tử.

Lời giải 4

Quan sát này không mâu thuẫn với lý thuyết vì độ mạnh của lực phân tán London phụ thuộc mạnh vào kích thước đám mây electron và khả năng bị phân cực.

\(\ce{HCl}\) là phân tử phân cực. Vì vậy, các phân tử của nó chịu cả lực phân tán London và lực hút lưỡng cực-lưỡng cực thường trực.

\(\ce{Cl2}\) không phân cực, nên nó không có lực hút lưỡng cực-lưỡng cực thường trực. Tuy nhiên, nó vẫn có lực phân tán London.

Giả định ẩn trong lập luận của học sinh là mọi lực phân tán London đều có cùng độ mạnh. Điều đó không đúng.

Một phân tử \(\ce{Cl2}\) có đám mây electron lớn hơn và dễ bị phân cực hơn một phân tử \(\ce{HCl}\). Vì vậy, những dao động tạm thời trong sự phân bố electron của nó có thể tạo ra các lưỡng cực tức thời mạnh hơn.

Lực phân tán tạo ra trong chlorine đủ mạnh để tổng lực hút liên phân tử của nó dẫn đến nhiệt độ sôi cao hơn.

Thứ tự đơn giản hóa

\[ \text{liên kết hydrogen} > \text{lực lưỡng cực-lưỡng cực} > \text{lực phân tán} \]

hữu ích nhất khi các phân tử tương đối giống nhau về những mặt khác. Nó không thể thay thế việc so sánh kích thước phân tử và khả năng bị phân cực.

Câu hỏi 5

Hai chất lỏng có các tính chất sau:

Chất lỏng	Cấu trúc	Nhiệt độ sôi
P	\(\ce{CH3(CH2)3OH}\)	khoảng \(118^\circ\text{C}\)
Q	\(\ce{CH3(CH2)6CH3}\)	khoảng \(126^\circ\text{C}\)

Chất lỏng P có thể tạo liên kết hydrogen. Chất lỏng Q không phân cực.

Một học sinh lập luận rằng dữ liệu chắc chắn phải sai vì một chất lỏng có liên kết hydrogen không thể có nhiệt độ sôi thấp hơn một chất lỏng không phân cực.

Hãy đánh giá nhận định của học sinh.

Lời giải 5

Nhận định của học sinh là không đúng. Một phân tử không phân cực lớn hơn có thể có tổng lực hút liên phân tử mạnh hơn một phân tử nhỏ hơn có liên kết hydrogen vì lực phân tán London tăng theo kích thước phân tử và khả năng bị phân cực.

Chất lỏng P, butan-1-ol, chịu các tương tác phân tán London, lưỡng cực-lưỡng cực và liên kết hydrogen.

Chất lỏng Q, octane, không phân cực và vì vậy dựa vào lực phân tán London.

Nếu các phân tử có kích thước tương tự nhau, liên kết hydrogen của P sẽ là một lý do mạnh để dự đoán lực hút liên phân tử lớn hơn. Nhưng chúng không có kích thước tương tự nhau.

Octane chứa nhiều electron hơn đáng kể và có đám mây electron lớn hơn. Vì vậy, sự phân bố electron của nó dễ bị phân cực hơn, tạo ra các lưỡng cực tạm thời mạnh hơn và lực hút phân tán mạnh hơn.

Cấu trúc hydrocarbon dài của nó cũng cho phép mức độ tiếp xúc đáng kể với các phân tử lân cận.

Kết quả là tổng lực hút liên phân tử của octane có thể lớn hơn tổng lực hút giữa các phân tử butan-1-ol nhỏ hơn, khiến octane có nhiệt độ sôi cao hơn một chút.

Bài học sâu hơn là chỉ gọi tên “loại lực mạnh nhất” có mặt là chưa đủ. Bạn phải so sánh tất cả các yếu tố quan trọng đóng góp vào lực hút.

Câu hỏi 6

Một bình kín chứa một chất phân tử được đun nóng.

Ở nhiệt độ \(T_1\), chất chuyển từ rắn sang lỏng. Ở nhiệt độ cao hơn \(T_2\), nó trở thành khí. Ở nhiệt độ còn cao hơn nữa \(T_3\), phân tích hóa học phát hiện các chất mới có công thức phân tử khác nhau.

Ở mỗi nhiệt độ, hãy cho biết các liên kết nội phân tử có nhất thiết phải bị phá vỡ hay không và giải thích lập luận của bạn.

Lời giải 6

Các liên kết nội phân tử không cần bị phá vỡ ở \(T_1\) hoặc \(T_2\), nhưng đến \(T_3\) phải có sự phá vỡ và hình thành liên kết hóa học vì đã xuất hiện các chất mới.

Ở \(T_1\), sự nóng chảy làm thay đổi cách sắp xếp và chuyển động của các phân tử hiện có. Các tiểu phân vẫn là cùng một loại chất hóa học, nên biến đổi có thể xảy ra bằng cách thắng một phần các lực hút liên phân tử.

Ở \(T_2\), sự sôi làm các phân tử tách xa nhau hơn nhiều. Nhiều lực hút liên phân tử hơn bị thắng, nhưng các phân tử vẫn có thể còn nguyên vẹn về mặt hóa học.

Ở \(T_3\), bằng chứng đã thay đổi. Các công thức phân tử mới đã được phát hiện.

Sự thay đổi danh tính phân tử đòi hỏi các nguyên tử phải được sắp xếp lại. Điều đó đòi hỏi các liên kết hóa học nội phân tử phải bị phá vỡ và các liên kết mới phải hình thành.

Điểm phân biệt quan trọng không đơn giản là \(T_3\) “nóng hơn”. Bằng chứng then chốt là bản thân các tiểu phân đã thay đổi bản chất hóa học.

Khi bạn có thể phân biệt rõ các liên kết nội phân tử với các lực hút liên phân tử, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, độ bay hơi, độ nhớt và nhiều quy luật về độ tan sẽ trở nên dễ giải thích hơn nhiều. Bước hữu ích tiếp theo là liên hệ tính phân cực của phân tử và lực liên phân tử với lý do vì sao một số chất tan trong dung môi này nhưng không tan trong dung môi khác.