Mục lục bài họcĐang ở d03-b2
Intermolecular forces, hydrogen bonding and giant structures
Three intermolecular forces
Instantaneous dipole–induced dipole (dispersion) forces exist between all molecules and get stronger as the number of electrons rises, because a larger electron cloud is more easily distorted. Permanent dipole–permanent dipole forces act between polar molecules. Hydrogen bonding occurs only when hydrogen is bonded directly to $\ce{N}$, $\ce{O}$ or $\ce{F}$, and a lone pair on a second $\ce{N}$, $\ce{O}$ or $\ce{F}$ atom points at it.
All three are far weaker than a covalent bond. Boiling a liquid breaks intermolecular forces only; the covalent bonds inside each molecule survive.
Consequences of hydrogen bonding
Water, ammonia and hydrogen fluoride all boil far above the trend set by the rest of their groups. Ice is less dense than water because each molecule forms four hydrogen bonds in a rigid, open tetrahedral lattice; melting collapses part of that lattice.
Giant structures
A giant ionic lattice (e.g. $\ce{NaCl}$) is hard, high melting, and conducts only when molten or aqueous. A giant covalent lattice ($\ce{SiO2}$, diamond, graphite) has very high melting points because covalent bonds must be broken to melt it. A metallic lattice is a regular array of cations in a sea of delocalised electrons; strength rises with charge on the cation and with the number of delocalised electrons per atom.
Ba loại lực giữa các phân tử. Lực khuếch tán (lưỡng cực tức thời gây lưỡng cực cảm ứng) tồn tại giữa mọi phân tử và mạnh lên khi số electron tăng, vì đám mây electron lớn hơn thì dễ bị biến dạng hơn. Lực lưỡng cực–lưỡng cực tác dụng giữa các phân tử phân cực. Liên kết hiđro chỉ xuất hiện khi hiđro nối trực tiếp với $\ce{N}$, $\ce{O}$ hoặc $\ce{F}$, và có một cặp electron chưa liên kết trên một nguyên tử $\ce{N}$, $\ce{O}$, $\ce{F}$ khác chĩa vào nó. Cả ba đều yếu hơn liên kết cộng hoá trị rất nhiều.
Đun sôi chỉ phá lực giữa các phân tử. Khi nước sôi, liên kết $\ce{O-H}$ bên trong mỗi phân tử vẫn nguyên vẹn — hơi nước vẫn là $\ce{H2O}$. Viết "đun sôi để phá liên kết cộng hoá trị" là mất trọn ý giải thích, và đó là lỗi bị trừ điểm nhiều nhất của chương này.
Hệ quả của liên kết hiđro. Nước, amoniac và hiđro florua đều sôi cao vượt hẳn xu hướng của nhóm chúng. Nước đá nhẹ hơn nước lỏng vì mỗi phân tử tạo bốn liên kết hiđro trong một mạng tứ diện cứng và rỗng; khi tan chảy, một phần mạng ấy sụp xuống nên các phân tử xích lại gần nhau hơn.
Cấu trúc khổng lồ. Mạng ion ($\ce{NaCl}$) cứng, nóng chảy cao, chỉ dẫn điện khi nóng chảy hoặc khi tan trong nước. Mạng cộng hoá trị khổng lồ ($\ce{SiO2}$, kim cương, than chì) có nhiệt độ nóng chảy rất cao vì muốn nóng chảy phải phá chính liên kết cộng hoá trị. Mạng kim loại là các cation xếp đều trong biển electron tự do; độ bền tăng theo điện tích cation và theo số electron tự do mỗi nguyên tử đóng góp.
Sắp xếp $\ce{CH3CH2CH2OH}$ (propan-1-ol, $M_r=60$), $\ce{CH3CH2CHO}$ (propanal, $M_r=58$) và $\ce{CH3CH2CH2CH3}$ (butan, $M_r=58$) theo chiều tăng nhiệt độ sôi, và giải thích.
Ba chất có khối lượng phân tử gần bằng nhau, nên lực khuếch tán của chúng gần như nhau. Sự khác biệt phải đến từ chỗ khác, và ta tìm nó bằng ba câu hỏi theo đúng thứ tự này.
Câu hỏi 1 — có liên kết hiđro giữa các phân tử không? Điều kiện là $\ce{H}$ nối trực tiếp với $\ce{N}$, $\ce{O}$ hoặc $\ce{F}$. Propan-1-ol có nhóm $\ce{-OH}$ nên có; propanal có oxi nhưng hiđro của nó chỉ nối với cacbon nên không; butan hoàn toàn không.
Câu hỏi 2 — phân tử có phân cực không? Propanal có nhóm $\ce{C=O}$ phân cực mạnh và mômen lưỡng cực không bị triệt tiêu, nên có lực lưỡng cực–lưỡng cực. Butan gần như không phân cực.
Câu hỏi 3 — lực khuếch tán có chênh nhau đáng kể không? Ở đây thì không, vì $M_r$ chỉ chênh $2$ đơn vị.
Kết luận theo chiều tăng: butan $(-0{,}5\ ^\circ\text{C})$ < propanal $(49\ ^\circ\text{C})$ < propan-1-ol $(97\ ^\circ\text{C})$.
Chú ý một điều thường bị bỏ qua khi trình bày: butan và propanal có cùng $M_r=58$, nên không thể viện lực khuếch tán để giải thích chênh lệch gần $50\ ^\circ\text{C}$ giữa chúng. Đây chính là chỗ đề muốn thấy học viên gọi tên đúng loại lực. Ngược lại, nếu so butan với octan thì lực khuếch tán mới là lý do duy nhất, và khi ấy nhắc tới liên kết hiđro là lạc đề.
Nhiệt độ nóng chảy của bốn chất chu kì 3 được cho trong bảng.
| chất | $\ce{Na}$ | $\ce{Al}$ | $\ce{SiO2}$ | $\ce{P4O10}$ |
|---|---|---|---|---|
| t nóng chảy / $^\circ$C | $98$ | $660$ | $1610$ | $580$ (thăng hoa) |
Giải thích thứ tự này theo cấu trúc và loại liên kết.
Natri và nhôm — cùng loại liên kết, khác độ mạnh. Cả hai đều là mạng kim loại: cation trong biển electron tự do. Natri cho $1$ electron tự do mỗi nguyên tử và tạo ion $\ce{Na+}$; nhôm cho $3$ electron và tạo ion $\ce{Al^{3+}}$ nhỏ hơn. Điện tích lớn hơn trên một ion nhỏ hơn, cộng với gấp ba số electron tự do, làm lực hút giữa cation và biển electron mạnh hơn nhiều — nên nhôm nóng chảy cao hơn natri gần bảy lần về thang Celsius.
Silic đioxit — mạng cộng hoá trị khổng lồ. Mỗi nguyên tử silic nối cộng hoá trị với bốn nguyên tử oxi và mỗi oxi nối với hai silic, tạo thành một mạng ba chiều liên tục. Muốn nóng chảy phải phá liên kết cộng hoá trị, mà liên kết cộng hoá trị bền hơn hẳn lực hút kim loại ở đây, nên nó đứng đầu bảng.
Photpho(V) oxit — mạng phân tử đơn giản. Đây là điểm phân loại của câu hỏi. Bên trong mỗi phân tử $\ce{P4O10}$ cũng toàn liên kết cộng hoá trị bền, nhưng giữa các phân tử chỉ có lực khuếch tán và lực lưỡng cực yếu. Khi đun, ta chỉ phá lực giữa các phân tử chứ không đụng tới liên kết bên trong, nên nhiệt độ cần thiết thấp hơn $\ce{SiO2}$ rất nhiều dù cả hai đều là oxit cộng hoá trị.
Bài học rút ra: câu hỏi "chất nào nóng chảy cao hơn" không bao giờ trả lời được bằng loại liên kết bên trong phân tử. Phải hỏi thứ gì bị phá khi nóng chảy — và với chất phân tử, thứ bị phá luôn là lực giữa các phân tử.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Chemical Bonding gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.