Độ phân cực liên kết và độ âm điện: Hướng dẫn HSC Chemistry

Hai nguyên tử tạo liên kết cộng hóa trị bằng cách dùng chung electron. Nhưng từ “dùng chung” có thể gây hiểu lầm. Nếu fluor liên kết với hydro, các electron vẫn được dùng chung, nhưng fluor thu hút chúng mạnh hơn nhiều. Nếu hai nguyên tử fluor liên kết với nhau, không nguyên tử nào có lợi thế hơn nguyên tử kia.

Vì vậy, câu hỏi hữu ích là: làm thế nào bạn có thể dự đoán một liên kết dùng chung electron đồng đều, hơi không đồng đều hay cực kỳ không đồng đều chỉ dựa vào các nguyên tố tham gia?

Trước khi đọc tiếp, hãy so sánh liên kết \(\ce{H-F}\) với liên kết \(\ce{H-I}\). Bạn dự đoán liên kết nào có sự phân bố electron không đồng đều hơn?

Đó là \(\ce{H-F}\). Nguyên nhân liên quan đến vị trí của fluor và iod trong bảng tuần hoàn, cũng như một tính chất gọi là độ âm điện.

01Bắt đầu với sự dùng chung không đồng đều

Hãy hình dung một liên kết cộng hóa trị giống như hai người cùng dùng chung một chiếc chăn. Nếu cả hai kéo với lực gần như bằng nhau, chiếc chăn sẽ nằm gần chính giữa. Nếu một người kéo mạnh hơn nhiều, phần lớn chiếc chăn sẽ dồn về phía người đó.

Chiếc chăn tượng trưng cho các electron liên kết. Lực kéo của mỗi người tượng trưng cho lực hút của một nguyên tử đối với các electron đó.

Đây là một hình dung hữu ích, nhưng nó chỉ là một mô hình. Electron không phải là những mảnh vải nằm tại một điểm cố định. Một liên kết liên quan đến sự phân bố mật độ electron giữa các hạt nhân. Việc “kéo chiếc chăn” chỉ là cách hình dung một nguyên tử hút mật độ electron đó mạnh hơn nguyên tử kia.

Khi hai nguyên tử hút các electron liên kết như nhau, hoặc gần như nhau, liên kết là không phân cực hoặc chỉ phân cực rất yếu.

Khi một nguyên tử hút các electron liên kết mạnh hơn, mật độ electron dịch chuyển về phía nguyên tử đó. Liên kết trở thành phân cực.

Ví dụ, trong \(\ce{H-Cl}\), clo hút các electron liên kết mạnh hơn hydro. Vì vậy, clo mang điện tích hơi âm còn hydro mang điện tích hơi dương:

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

Ký hiệu \(\delta\), đọc là “delta”, biểu thị điện tích riêng phần. Hydro chưa hoàn toàn mất một electron, và clo cũng chưa hoàn toàn nhận một electron. Các electron vẫn được dùng chung.

Sự phân biệt này rất quan trọng vì độ phân cực liên kết là một phổ liên tục, chứ không phải chỉ có hai lựa chọn “cộng hóa trị hoàn toàn” và “ion hoàn toàn”.

02Bảng tuần hoàn cho bạn dự đoán đầu tiên

Tính chất chi phối sự dùng chung không đồng đều này là độ âm điện.

Độ âm điện là khả năng của một nguyên tử hút các electron dùng chung trong liên kết cộng hóa trị.

Bạn không cần ghi nhớ độ âm điện của mọi nguyên tố để đưa ra những dự đoán hữu ích. Bảng tuần hoàn cho bạn xu hướng chính:

• độ âm điện nhìn chung tăng từ trái sang phải trong một chu kì
• độ âm điện nhìn chung giảm khi đi xuống một nhóm
• fluor, nằm gần góc trên bên phải của bảng tuần hoàn, có độ âm điện cao nhất
• các kim loại ở bên trái nhìn chung có độ âm điện thấp, trong khi các phi kim ở phía trên bên phải nhìn chung có độ âm điện cao hơn

Tại sao lại như vậy?

Trong một chu kì, số proton trong hạt nhân tăng lên trong khi các electron được thêm vào vẫn đi vào cùng lớp electron chính. Vì vậy, hạt nhân có xu hướng hút các electron liên kết mạnh hơn.

Khi đi xuống một nhóm, nguyên tử có thêm các lớp electron đã được chiếm chỗ. Các electron liên kết nằm xa hạt nhân hơn và chịu hiệu ứng che chắn lớn hơn từ các electron bên trong, nên nhìn chung nguyên tử hút các electron dùng chung kém mạnh hơn.

Điều này cho chúng ta một quy tắc dự đoán hữu ích:

Độ chênh lệch độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết càng lớn thì các electron liên kết càng có xu hướng được dùng chung không đồng đều.

Bây giờ hãy quay lại \(\ce{H-F}\) và \(\ce{H-I}\). Fluor nằm cao hơn iod rất nhiều trong Nhóm 17, nên fluor có độ âm điện lớn hơn. Điều đó làm cho độ chênh lệch độ âm điện trong \(\ce{H-F}\) lớn hơn, và liên kết \(\ce{H-F}\) phân cực hơn.

03Đo độ chênh lệch

Độ âm điện thường được biểu diễn bằng ký hiệu \(\chi\), chữ cái Hy Lạp chi.

Đối với các nguyên tử A và B, độ chênh lệch độ âm điện là

\[ \Delta \chi = |\chi_{\mathrm{A}}-\chi_{\mathrm{B}}| \]

trong đó:

• \(\Delta \chi\) là độ chênh lệch độ âm điện
• \(\chi_{\mathrm{A}}\) là độ âm điện của nguyên tử A
• \(\chi_{\mathrm{B}}\) là độ âm điện của nguyên tử B

Hai dấu gạch đứng biểu thị giá trị tuyệt đối, vì vậy \(\Delta \chi\) luôn dương bất kể bạn viết nguyên tố nào trước.

Giả sử nguyên tử A có độ âm điện là \(3.0\), còn nguyên tử B có độ âm điện là \(2.0\).

Khi đó

\[ \Delta \chi = |3.0-2.0|=1.0 \]

Nguyên tử A hút các electron liên kết mạnh hơn, vì vậy A mang điện tích âm riêng phần và B mang điện tích dương riêng phần.

Một phổ liên tục, không phải ba ô riêng biệt

Đôi khi bạn sẽ thấy liên kết được chia thành các loại như cộng hóa trị không phân cực, cộng hóa trị phân cực và ion. Các loại này hữu ích, nhưng ranh giới giữa chúng không phải là những quy luật tuyệt đối của tự nhiên.

Một mô hình tư duy tốt hơn là xem chúng như một phổ liên tục:

Khi \(\Delta \chi\) tăng, liên kết nhìn chung có mức độ phân tách điện tích lớn hơn.

Một số sách giáo khoa quy định các ngưỡng số cụ thể cho những loại này. Hãy xem các con số đó là hướng dẫn, chứ không phải các quy tắc phổ quát. Giá trị \(1.69\) không tạo ra một loại liên kết khác biệt về bản chất so với giá trị \(1.71\).

Tính chất hóa học thay đổi dần dần.

04Vị trí của cả hai phía trong liên kết đều quan trọng

Bạn rất dễ chỉ tập trung vào nguyên tố nào có độ âm điện lớn hơn. Tuy nhiên, đối với độ phân cực liên kết, bạn cần xét độ chênh lệch giữa cả hai nguyên tố.

Hãy xét ba liên kết sau:

• \(\ce{C-F}\)
• \(\ce{Si-F}\)
• \(\ce{Si-Cl}\)

Bạn có thể nhận ra ngay rằng fluor có độ âm điện cực cao. Đúng. Nhưng silic cũng có độ âm điện thấp hơn carbon, vì vậy việc thay đổi nguyên tử ở đầu kia của liên kết cũng quan trọng.

05Dự đoán độ phân cực khi không được cho số liệu

Trong nhiều câu hỏi, bạn có thể suy luận từ vị trí trên bảng tuần hoàn trước khi cần dùng đến các giá trị độ âm điện.

Giả sử bạn cần so sánh \(\ce{C-Cl}\) và \(\ce{Si-Cl}\).

Carbon và silic nằm trong cùng một nhóm, với carbon ở phía trên silic. Độ âm điện giảm khi đi xuống nhóm, nên carbon có độ âm điện lớn hơn silic.

Điều đó có nghĩa là độ âm điện của carbon gần với clo hơn so với độ âm điện của silic.

Vì vậy, bạn sẽ dự đoán:

\[ \Delta \chi_{\ce{Si-Cl}}>\Delta \chi_{\ce{C-Cl}} \]

và do đó \(\ce{Si-Cl}\) sẽ phân cực hơn.

Điều này cho bạn một quy trình thực tế.

1. Xác định vị trí của cả hai nguyên tố trên bảng tuần hoàn.
2. Xác định nguyên tử nào có độ âm điện lớn hơn.
3. Xem xét độ âm điện của chúng có khả năng chênh lệch nhau bao nhiêu.
4. Nếu được cung cấp các giá trị số, hãy tính \(\Delta \chi\).
5. Nguyên tử có độ âm điện lớn hơn nhận \(\delta-\), còn nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn nhận \(\delta+\).

Phần quan trọng là bước 3. Chỉ nói rằng “fluor có độ âm điện cao” là chưa đủ. Độ phân cực phụ thuộc vào độ chênh lệch, chứ không phải chỉ vào giá trị của một nguyên tử.

06Ngộ nhận dễ mắc: các nguyên tố khác nhau chắc chắn phải tạo liên kết phân cực

Đây là một dự đoán đáng kiểm tra. Nếu hai nguyên tố khác nhau tạo liên kết cộng hóa trị, có phải một nguyên tử nhất thiết sẽ hút electron mạnh hơn đáng kể so với nguyên tử kia không?

Không.

Hãy xét phosphor và hydro. Độ âm điện Pauling của chúng xấp xỉ

\[ \chi_{\ce{P}}=2.19 \]

và

\[ \chi_{\ce{H}}=2.20 \]

Vì vậy

\[ \Delta \chi=|2.20-2.19|=0.01 \]

Độ chênh lệch này rất nhỏ.

Do đó, theo cách đo này, liên kết \(\ce{P-H}\) về cơ bản là không phân cực, mặc dù phosphor và hydro là hai nguyên tố khác nhau.

Hãy so sánh với một liên kết giữa hai nguyên tử giống nhau như \(\ce{Cl-Cl}\). Độ chênh lệch độ âm điện của nó chính xác bằng không vì cả hai nguyên tử có cùng độ âm điện.

Vì vậy, có hai ý hữu ích cần phân biệt:

• liên kết giữa các nguyên tử giống nhau là không phân cực vì \(\Delta\chi=0\)
• liên kết giữa các nguyên tử khác nhau vẫn có thể gần như không phân cực nếu độ âm điện của chúng rất giống nhau

Tên của nguyên tố không quyết định độ phân cực. Điều quyết định là độ chênh lệch về khả năng hút các electron liên kết.

07Một ngộ nhận khác: một liên kết phân cực khiến cả phân tử trở nên phân cực

Độ phân cực liên kết và độ phân cực phân tử có liên quan, nhưng chúng không phải là cùng một câu hỏi.

Đối với một liên kết, câu hỏi là: “Mật độ electron có được phân bố không đồng đều giữa hai nguyên tử này hay không?”

Đối với một phân tử, câu hỏi là: “Khi tất cả độ phân cực của các liên kết được kết hợp trong không gian ba chiều, có tạo ra sự phân bố điện tích không đồng đều tổng thể hay không?”

Ví dụ, mỗi liên kết \(\ce{C=O}\) trong \(\ce{CO2}\) đều phân cực. Oxy có độ âm điện lớn hơn carbon.

Nhưng \(\ce{CO2}\) có dạng thẳng, với hai độ phân cực liên kết giống nhau hướng theo hai chiều ngược nhau. Tác dụng của chúng triệt tiêu nhau, vì vậy phân tử không có mômen lưỡng cực vĩnh viễn tổng thể.

Ngược lại, nước chứa các liên kết \(\ce{O-H}\) phân cực, và dạng gấp khúc của phân tử khiến độ phân cực của các liên kết đó không triệt tiêu nhau.

Vì vậy, độ phân cực liên kết là một thành phần của độ phân cực phân tử. Hình dạng phân tử cho bạn biết các thành phần đó kết hợp với nhau như thế nào.

Điều này trở nên quan trọng khi bạn chuyển sang học lực tương tác giữa các phân tử và các tính chất như độ tan và nhiệt độ sôi.

08Câu hỏi và lời giải

Câu hỏi 1

Độ âm điện Pauling của nitơ, phosphor và hydro lần lượt là \(3.04\), \(2.19\) và \(2.20\).

So sánh độ phân cực của liên kết \(\ce{N-H}\) với liên kết \(\ce{P-H}\). Xác định nguyên tử mang điện tích âm riêng phần trong mỗi liên kết, nếu tồn tại điện tích riêng phần có ý nghĩa.

Lời giải 1

Liên kết \(\ce{N-H}\) phân cực hơn nhiều so với liên kết \(\ce{P-H}\). Nitơ mang điện tích âm riêng phần trong \(\ce{N-H}\), còn liên kết \(\ce{P-H}\) về cơ bản là không phân cực.

Đối với \(\ce{N-H}\),

\[ \Delta\chi =|3.04-2.20| =0.84 \]

Nitơ có độ âm điện lớn hơn, vì vậy mật độ electron dịch chuyển về phía nitơ:

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

Đối với \(\ce{P-H}\),

\[ \Delta\chi =|2.19-2.20| =0.01 \]

Độ chênh lệch cực kỳ nhỏ, nên gần như không có sự dùng chung không đồng đều.

Bẫy ở đây là giả định rằng hai nguyên tố khác nhau chắc chắn phải tạo ra một liên kết phân cực mạnh. Điều quan trọng là độ chênh lệch độ âm điện giữa chúng.

Câu hỏi 2

Oxy và lưu huỳnh nằm trong Nhóm 16. Carbon tạo liên kết với cả hai nguyên tố.

Sử dụng các giá trị độ âm điện \(C=2.55\), \(O=3.44\) và \(S=2.58\):

1. tính độ chênh lệch độ âm điện của \(\ce{C-O}\) và \(\ce{C-S}\)
2. xác định liên kết nào phân cực hơn
3. giải thích kết quả phù hợp với xu hướng trong bảng tuần hoàn như thế nào

Lời giải 2

Liên kết \(\ce{C-O}\) phân cực hơn đáng kể, trong khi liên kết \(\ce{C-S}\) gần như không phân cực.

Đối với \(\ce{C-O}\),

\[ \Delta\chi_{\ce{C-O}} =|3.44-2.55| =0.89 \]

Đối với \(\ce{C-S}\),

\[ \Delta\chi_{\ce{C-S}} =|2.58-2.55| =0.03 \]

Do đó,

\[ \Delta\chi_{\ce{C-O}}>\Delta\chi_{\ce{C-S}} \]

nên \(\ce{C-O}\) phân cực hơn.

Trong liên kết \(\ce{C-O}\), oxy mang điện tích âm riêng phần vì nó có độ âm điện lớn hơn:

\[ \ce{C^{\delta+}-O^{\delta-}} \]

Carbon và lưu huỳnh có độ âm điện gần như giống nhau, nên liên kết \(\ce{C-S}\) có rất ít sự phân tách điện tích.

Xu hướng tuần hoàn giải thích nguyên nhân. Oxy nằm phía trên lưu huỳnh trong Nhóm 16, và độ âm điện nhìn chung giảm khi đi xuống một nhóm. Vì vậy, oxy hút các electron liên kết mạnh hơn lưu huỳnh rất nhiều.

Câu hỏi 3

Xét các liên kết giữa clo và ba nguyên tố thuộc Chu kì 3: natri, magie và nhôm.

Độ âm điện Pauling của chúng là \(Na=0.93\), \(Mg=1.31\), \(Al=1.61\) và \(Cl=3.16\).

Xếp hạng các tương tác \(\ce{Na-Cl}\), \(\ce{Mg-Cl}\) và \(\ce{Al-Cl}\) theo thứ tự độ chênh lệch độ âm điện giảm dần. Giải thích điều này gợi ý gì về tính ion tương đối của chúng.

Lời giải 3

Thứ tự độ chênh lệch độ âm điện giảm dần là \(\ce{Na-Cl > Mg-Cl > Al-Cl}\), vì vậy mô hình độ âm điện đơn giản dự đoán tính ion giảm dần theo chuỗi này.

Đối với \(\ce{Na-Cl}\),

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

Đối với \(\ce{Mg-Cl}\),

\[ \Delta\chi =|3.16-1.31| =1.85 \]

Đối với \(\ce{Al-Cl}\),

\[ \Delta\chi =|3.16-1.61| =1.55 \]

Do đó,

\[ \ce{Na-Cl > Mg-Cl > Al-Cl} \]

về độ chênh lệch độ âm điện.

Xu hướng này phù hợp với bảng tuần hoàn. Khi đi từ natri sang magie rồi đến nhôm trong Chu kì 3, độ âm điện tăng lên. Độ âm điện của clo không đổi, vì vậy độ chênh lệch giữa clo và nguyên tố còn lại giảm dần.

Độ chênh lệch độ âm điện lớn hơn nhìn chung tương ứng với sự phân tách điện tích lớn hơn và tính ion lớn hơn.

Bẫy ở đây là coi “ion” và “cộng hóa trị” như hai ô hoàn toàn tách biệt chỉ dựa trên một ngưỡng số. Liên kết và cấu trúc thực tế của hợp chất phụ thuộc vào nhiều yếu tố hơn \(\Delta\chi\), nhưng độ chênh lệch độ âm điện vẫn hữu ích để dự đoán xu hướng.

Câu hỏi 4

Một học sinh đưa ra lập luận sau:

Fluor là nguyên tố có độ âm điện lớn nhất, nên mọi liên kết chứa fluor đều phải phân cực hơn mọi liên kết chứa clo.

Hãy kiểm tra nhận định này bằng \(\ce{F-F}\) và \(\ce{Na-Cl}\). Sử dụng \(F=3.98\), \(Na=0.93\) và \(Cl=3.16\).

Lời giải 4

Nhận định này sai. Độ phân cực liên kết phụ thuộc vào độ chênh lệch giữa hai nguyên tử liên kết, chứ không phụ thuộc vào việc một nguyên tử có độ âm điện cao khi xét riêng lẻ hay không.

Đối với \(\ce{F-F}\), cả hai nguyên tử có cùng độ âm điện:

\[ \Delta\chi_{\ce{F-F}} =|3.98-3.98| =0 \]

Liên kết không phân cực.

Đối với \(\ce{Na-Cl}\),

\[ \Delta\chi_{\ce{Na-Cl}} =|3.16-0.93| =2.23 \]

Tương tác này có độ chênh lệch độ âm điện rất lớn và sự phân tách điện tích đáng kể.

Do đó, \(\ce{Na-Cl}\) có độ phân cực hoặc tính ion lớn hơn \(\ce{F-F}\) rất nhiều, mặc dù bản thân fluor có độ âm điện lớn hơn clo.

Sai lầm của học sinh là chỉ xét một đầu của liên kết. Độ âm điện cho biết một nguyên tử hút các electron liên kết mạnh đến mức nào. Độ phân cực liên kết so sánh lực hút cạnh tranh của cả hai nguyên tử.

Câu hỏi 5

Một học sinh được cho hai liên kết cộng hóa trị chưa biết, X-Y và M-N. Cả hai cặp đều có cùng độ chênh lệch độ âm điện tính được.

Học sinh kết luận:

Hai liên kết chắc chắn có sự phân bố mật độ electron hoàn toàn giống nhau và mômen lưỡng cực liên kết hoàn toàn giống nhau.

Kết luận đó có hợp lý không? Hãy giải thích độ chênh lệch độ âm điện có thể và không thể cho bạn biết điều gì.

Lời giải 5

Không. Cùng một độ chênh lệch độ âm điện cho thấy xu hướng dùng chung không đồng đều tương tự nhau, nhưng không đảm bảo sự phân bố electron hoặc mômen lưỡng cực liên kết hoàn toàn giống nhau.

Độ âm điện là một mô hình dùng để so sánh mức độ các nguyên tử hút electron liên kết. Nếu hai liên kết có cùng \(\Delta\chi\), mô hình cho chúng ta cơ sở để kỳ vọng mức độ phân cực tương tự nhau.

Tuy nhiên, \(\Delta\chi\) không phải là phép đo trực tiếp của điện tích riêng phần. Sự phân bố electron thực tế phụ thuộc vào các nguyên tử liên quan và môi trường liên kết của chúng.

Mômen lưỡng cực liên kết cũng phụ thuộc cả vào lượng điện tích bị phân tách và khoảng cách mà điện tích đó được phân tách. Hai liên kết khác nhau không nhất thiết có độ dài liên kết hoặc điện tích riêng phần giống hệt nhau chỉ vì độ chênh lệch độ âm điện tra bảng của chúng bằng nhau.

Vì vậy, kết luận hợp lý chỉ nên giới hạn ở mức:

các giá trị \(\Delta\chi\) bằng nhau gợi ý độ phân cực tương tự, nhưng không chứng minh rằng hai liên kết khác nhau giống hệt nhau về mặt vật lý.

Bẫy ở đây là biến một mô hình dự đoán hữu ích thành một định luật chính xác tuyệt đối.

09Độ phân cực liên kết giúp bạn hiểu điều gì tiếp theo

Độ phân cực liên kết cung cấp cho bạn mắt xích đầu tiên trong một chuỗi lập luận lớn hơn.

Khi đã biết những liên kết nào phân cực, bạn có thể kết hợp hướng của chúng với hình dạng phân tử để xác định xem độ phân cực của các liên kết tăng cường hay triệt tiêu lẫn nhau. Từ đó, bạn xác định được độ phân cực phân tử.

Sau đó, bạn có thể dự đoán tốt hơn về lực tương tác giữa các phân tử, độ tan, nhiệt độ sôi và cách các chất ứng xử trong nước cũng như trong các dung môi khác.

Chuỗi hữu ích là:

\[ \text{vị trí trong bảng tuần hoàn} \rightarrow \text{độ âm điện} \rightarrow \Delta\chi \rightarrow \text{độ phân cực liên kết} \rightarrow \text{độ phân cực phân tử} \rightarrow \text{hành vi tương tác giữa các phân tử} \]

Vì vậy, khi nhìn thấy hai nguyên tố liên kết với nhau, đừng bắt đầu bằng câu hỏi: “Liên kết này là ion hay cộng hóa trị?”

Hãy bắt đầu bằng câu hỏi hữu ích hơn: nguyên tử nào hút các electron dùng chung mạnh hơn, và mạnh hơn bao nhiêu?