Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals

1. Khái niệm

Các nguyên tử có độ âm điện lớn thường gặp trong liên kết hydrogen là N, O, F.

Liên kết hydrogen thường được kí hiệu là dấu ba chấm (...), rải đều từ nguyên tử H đến nguyên tử tạo liên kết hydrogen với nó.

Trong đó, X, Y là các nguyên tử N, O, F

Liên kết hydrogen có bản chất tĩnh điện. Tương tác hút tĩnh điện giữa H^δ+ và Y^δ−  thể hiện bản chất của liên kết hydrogen.

Ví dụ 1: Liên kết hydrogen được tạo ra giữa hai phân tử nước được thể hiện qua hình.

Liên kết hydrogen giữa hai phân tử nước

Ở khoảng cách 177 pm, lớn hơn độ dài liên kết cộng hóa trị O – H (96pm), đã xuất hiện liên kết hydrogen.

Lưu ý: Độ dài liên kết là khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử tham gia liên kết.

2. Ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới tính chất vật lí của nước

2.1. Đặc điểm tập hợp

Nhờ liên kết hydrogen, các phân tử nước có thể tập hợp với nhau, ngay cả ở thể hơi, thành một cụm phân tử. Kích thước các cụm phân tử này thay đổi tùy theo điều kiện nhiệt độ, áp suất.

Một số cụm phân tử nước

Đây là nguyên nhân dẫn tới các tính chất vật lí khác biệt của nước so với những chất lỏng khác. Do đặc điểm tập hợp đặc biệt này, khi làm lạnh, nước có thể hình thành bông tuyết với nhiều hình dạng khác nhau.

2.2. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

Tại áp suất 1atm, nước có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương ứng là 0^oC và 100^oC, cao hơn so với nhiều chất có khối lượng phân tử lớn hơn của nước. Tính chất này là do các phân tử nước liên kết khá chặt chẽ với nhau bởi các liên kết hydrogen.

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của một số chất tại áp suất 1 atm

Chất	Khối lượng phân tử (amu)	Nhiệt độ nóng chảy (oC)	Nhiệt độ sôi (oC)
H2O	18	0	100
H2S	34	-82,3	-60,3
CO2	44	-57,0	-78,0

Chú ý: Để một chất có thể nóng chảy hoặc sôi, cần phải cung cấp năng lượng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử và cung cấp động năng để các phân tử chuyển động. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của chất phụ thuộc vào hai yếu tố:

(1) Khối lượng phân tử: Khối lượng phân tử càng lớn thì càng cần nhiều động năng để chuyển động nên nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi càng cao.

(2) Liên kết giữa các phân tử: Số lượng liên kết giữa các phân tử càng nhiều, lực liên kết càng mạnh thì càng cần nhiều năng lượng để phá vỡ liên kết giữa chúng. Khi đó, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của chất đó càng cao.

II. Tương tác van der Waals

Giữa các phân tử thậm chí không có liên kết hydrogen thì vẫn có tương tác với nhau, mặc dù yếu hơn. Đó là tương tác van der Waals.

1. Khái niệm

Các khả năng tương tác hút tĩnh điện giữa các cực trái dấu của hai phân tử

Liên kết cộng hóa trị có cực là nguyên nhân dẫn tới sự phân cực ở các phân tử HCl, SO₂, ...

Một số phân tử có cực (a) và biểu diễn các cực của phân tử (b)

Mặc dù có lực liên kết rất yếu, nhưng tương tác van der Waals lại có nhiều ảnh hưởng đến thực tiễn.

Ví dụ: sự bám hút của các hạt bụi lên bề mặt nhẵn, sự hấp phụ các phân tử chất màu và chất độc hại trong nước bởi than hoạt tính, ...

Lưu ý: Phân tử CO₂ không có cực, mặc dù liên kết C=O trong phân tử là liên kết có cực. Lí do bởi phân tử này có dạng thẳng, hai liên kết C=O lại có cực ngược chiều nhau nên triệt tiêu lẫn nhau khi xét cho cả phân tử.

2. Ảnh hưởng của tương tác van der Waals tới tính chất vật lí của các chất

Tương tự như liên kết hydrogen, tương tác van der Waals làm tăng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi các chất, nhưng ở mức độ ảnh hưởng yếu hơn so với liên kết hydrogen.