LIÊN KẾT YẾU LIÊN KẾT HYDROGEN LIÊN KẾT VANDERWAALS

CÁC LOẠI LIÊN KẾT YẾU LIÊN KẾT VAN DER WAALS – LIÊN KẾT HYDROGEN HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1. TÀI LIỆU DÀNH CHO THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN HỌC SINH, SINH VIÊN MUỐN THAM KHẢO THÊM VỀ NỘI DUNG LIÊN KẾT YẾU. TRONG TÀI LIỆU CÓ ĐỀ CẬP ĐẾN CƠ SỞ LÝ THUYẾT, BÀI TẬP ÁP DỤNG, MỘT SỐ ĐỀ XUẤT NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ GIẢNG DẠY NỘI DUNG LIÊN KẾT YẾU TRONG CHƯƠNG TRÌNH GIÁO DỤC PHỔ THÔNG. MỌI ĐÓNG GÓP VỀ NỘI DUNG XIN GỬI VỀ FB: https:www.facebook.com/vuong150 HOẶC EMAIL: VANVUONGH239GMAIL.COM MỌI ĐÓNG GÓP CỦA QUÝ BẠN ĐỌC ĐỀU RẤT ĐƯỢC TRÂN TRỌNG VÀ GHI NHẬNXIN CẢM ƠN

CÁC LOẠI LIÊN KẾT YẾU LIÊN KẾT VAN DER WAALS – LIÊN KẾT HYDROGEN

TIỂU LUẬN HỌC PHẦN HÓA HỌC ĐẠI CƯƠNG 1

Giảng viên hướng dẫn: TS Đặng Xuân Dự

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2022

Lời mở đầu

Nhận thấy tầm quan trọng trong việc giảng dạy kiến thức phần liên kết yếu trong chương trình giáo dục phổ thông tôi và nhóm của mình đã cùng nhau thực hiện một bài báo cáo có liên quan Trong báo cáo chúng tôi trình bày tương đối đầy đủ cơ sở lý thuyết về liên kết yếu, ứng dụng giải thích một số hiện tượng thực tế Ngoài ra, còn xây dựng một số bài tập áp dụng Xây dựng quan điểm trong việc nâng cao chất lượng giảng dạy nội dung liên kết yếu mong muốn mang lại nguồn tài liệu tham khảo đáng tin cậy cho bạn đọc Trong quá trình soạn không tránh khỏi những sai sót mong được nghe những lời nhận xét,

từ đó nhóm của tôi có cơ sở hoàn thiện thêm bài báo cáo của mình

Người thực hiện

Hoàng Văn Vương trưởng nhóm Phạm Anh Khoa thành viên Nguyễn Ngọc Trúc My thành viên

MỤC LỤC

Lời mở đầu 1

MỤC LỤC 2

MỞ ĐẦU 3

1 Lí do chọn đề tài 3

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 3

4 Các phương pháp nghiên cứu 4

NỘI DUNG 5

1 Liên kết yếu 5

2 Nội dung liên kết Van Der Waals 5

2.1 Khái niệm về liên kết Van Der Waals 5

2.2 Các loại tương tác chính trong lực Van Der Waals 6

2.2.1 Lực tương tác lưỡng cực – lưỡng cực 8

2.2.2 Lực tương tác lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng 9

2.2.3 Lực tương tác lưỡng cực cảm ứng – lưỡng cực cảm ứng 9

2.2.4 Lực đẩy Van der waals 11

2.3 Ảnh hưởng của liên kết Van Der Waals tới tính chất vật lý của các chất 11

2.4 Liên kết Van Der Waals trong chương trình hóa học phổ thông 12

2.4.1 Phạm vi giảng dạy nội dung liên kết Van Der Waals tại trường THPT 12

2.4.2 Các giải pháp nâng cao chất lượng giảng dạy nội dung liên kết Van Der Waals tại trường THPT 12

2.5 Bài tập tham khảo 12

3 Nội dung liên kết hydrogen 13

3.1 Bản chất của liên kết hydrogen 13

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới độ bền của liên kết Hydrogen 14

3.3 Phân loại liên kết Hydrogen 15

3.3.1 Liên kết Hydrogen liên phân tử 15

3.3.2 Liên kết Hydrogen nội phân tử 15

3.4 Ảnh hưởng của liên kết Hydrogen tới tính chất vật lý của các chất 16

3.5 Liên kết Hydrogen trong chương trình hóa học phổ thông 17

3.5.1 Phạm vi giảng dạy nội dung liên kết Hydrogen tại trường THPT 17

3.5.2 Các giải pháp nâng cao chất lượng giảng dạy nội dung liên kết Hydrogen tại trường THPT 17

3.6 Bài tập tham khảo 17

KẾT LUẬN 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Chương trình Hóa học năm 2018, đã có những sự thay đổi, cập nhật lớn về mặt kiến thức mà học sinh sẽ được học tại trường phổ thông Đối với môn hóa học, bên cạnh những kiến thức cũ, có sự bổ xung thêm một số nội dung kiến thức hoàn toàn mới mẻ hoặc đã được chỉnh sửa tùy theo mức độ Điều này bước đầu gây khó khăn cho cả giáo viên và học sinh trong việc dạy và học các nội dung mới này Đây là lý do tôi và hai thành viên trong nhóm đã cùng nhau hệ thống hóa một số nội dung kiến thức mới xuất hiện trong chương trình giáo dục phổ thông mới, với mục đích làm tài liệu tham khảo cho giáo viên và học sinh trong việc tìm hiểu các nội dung liên quan Bài báo cáo này cung cấp các cơ sở lý thuyết về liên kết yếu (liên kết hydrogen và liên kết Van Der Waals) làm nền tảng kiến thức tham khảo cho giáo viên và học sinh Bên cạnh đó bài báo cáo còn xây dựng quan điểm trong việc nâng cao chất lượng giảng dạy phần liên kết yếu trong chương trình giáo dục phổ thông Và còn xây dựng hệ thống bài tập áp dụng mong muốn đem lại một cái nhìn tổng quát về phần liên kết yếu và một số biện pháp cụ thể trong việc nâng cao chất lượng giảng dạy

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về liên kết yếu (liên kết hidro và liên kết van der waals)

- Cung cấp tư liệu tham khảo cho học sinh và giáo viên trong việc tìm hiểu các nội dung kiến thức về liên kết yếu

- Chỉ ra một số quan điểm trong việc nâng cao chất lượng dạy học nội dung liên kết yếu trong chương trình Hóa học trung học phổ thông

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu, hệ thống hóa cơ sở lý thuyết nội dung liên kết yếu (liên kết hydrogen và liên kết Van Der Waals)

- Nghiên cứu nội dung liên kết yếu trong cả 3 bộ sách giáo khoa Hóa học lớp 10 theo chương trình mới (sách Kết nối tri thức, sách Chân trời sáng tạo, sách Cánh diều)

- Xây dựng quan điểm, định hướng nâng cao chất lượng giảng dạy phần liên kết yếu trong chương trình giáo dục phổ thông

- Ứng dụng hệ thống cơ sở lý thuyết, xây dựng bài tập vận dụng về giải thích tính chất vật lý của các chất thông qua bản chất liên kết yếu

4 Các phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo các tài liệu có liên quan tới liên kết yếu trong và ngoài nước

NỘI DUNG

1 Liên kết yếu

Liên kết yếu là một nội dung kiến thức thú vị mang nhiều ý nghĩa thực tế trong ứng dụng Ngoài ra liên kết yếu còn giúp giải thích các hiện tượng vật lý bất thường của một số chất Như việc giải thích trạng thái tồn tại của chất, thông thường ta quan sát thấy chất tồn tại ở 3 pha là rắn, lỏng, khí ngoài ra còn trạng thái plasma Khi ở trạng thái khí, các lực liên kết yếu không thắng được động năng của phân tử do đó chúng khuếch tán và tồn tại ở dạng khí Khi các lực liên kết này đủ mạnh để giữ các phân tử không tách ra khỏi nhau nhưng có thể trượt trên nhau thì chất tồn tại ở thể lỏng Còn thể rắn là khi lực liên kết yếu đủ mạnh

để thắng động năng của phân tử, làm cho nó duy chuyển cố định quanh vị trí cân bằng

Việc nắm lý thuyết về liên kết yếu là quan trọng trong việc giải thích tính chất vật

lý của chất, hoặc nâng cao hơn là giải thích khả năng phản ứng của các chất Do đó việc dạy nội dung này cũng quan trọng không kém, sau đây tôi và nhóm của mình sẽ trình bày

cơ sở lý thuyết về hai loại liên kết yếu đó là liên kết Van Der Waals và liên kết hydrogen

2 Nội dung liên kết Van Der Waals

2.1 Khái niệm về liên kết Van Der Waals

Liên kết Van Der Waals được sử dụng cùng nghĩa

với các thuật ngữ Lực Van Der Waals hay tương tác Van

Der Waals để chỉ một loại tương tác giữa các phân tử khi

chúng tiếp xúc với nhau Đặt theo tên nhà vật lí Hà Lan

Johannes Diderik Van Der Waals, người giải thích bản

chất của liên kết Van Der Waals do chính ông đưa ra

năm 1873 khi ông đang cố gắng phát triển một mô hình

có thể giải thích hành vi của chất lỏng bằng cách đưa vào

các thuật ngữ phản ánh kích thước của nguyên tử hoặc

phân tử trong chất lỏng và cường độ của lực giữa các nguyên tử hoặc phân tử [1]

Cũng mang bản chất của lực hút tĩnh điện, nhưng lực Van Der Waals là một lực yếu giữa các phân tử Các electron liên tục quay quanh hạt nhân và tình cờ chúng có thể đến gần nhau Sự tập trung không đồng đều của các điện tử có thể làm cho một bên của nguyên tử tích điện âm hơn bên kia, tạo ra một lưỡng cực tạm thời [2] Từ đó lực Van Der Waals sinh ra bởi lực hút giữa các lưỡng cực hoặc lưỡng cực cảm ứng (ký hiệu tương ứng

là p và p’) và nhanh chóng biến mất khi các phân tử cách xa nhau được biểu diễn theo biểu thức sau:

' n

2.2 Các loại tương tác chính trong lực Van Der Waals

Trước khi tìm hiểu về các lực hút tham gia tạo nên liên kết Van Der Waals ta cần nhắc lại một số quan điểm về sự phân cực liên kết trong phân tử, bởi đây chính là một phần quan trọng trong việc tìm hiểu sự hình thành các lực hút trong liên kết Van Der Waals khi

sự phân cực làm cho một phân tử đang xét trở thành một lưỡng cực, và chính những lưỡng cực này sẽ hút nhau tạo thành lực Van Der Waals

Sự khác biệt đủ lớn về độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết trực tiếp với nhau trong một phân tử thì liên kết đó được cho là có cực hay nói cách khác là liên kết bị phân cực (  0) Cực của một liên kết có thể được biểu diễn bằng mũi tên có dấu cộng ở đầu dương và đầu mũi tên hướng về phía đầu âm là nguyên tử có độ âm điện lớn hơn Độ lớn của độ phân cực của một liên kết được đánh giá bằng momen lưỡng cực và đại lượng này phụ thuộc vào 2 yếu tố [1]:

(1) Độ lớn điện tích

(2) Khoảng cách giữa cực âm và cực dương

Xét một số ví dụ điển hình đối với: HCl; H2O

Cũng cần phân biệt sự phân cực của liên kết với sự phân cực phân tử Các liên kết trong phân tử có thể bị phân cực nhưng trong một số trường hợp do yếu tố định hướng mà các vector momen lưỡng cực này triệt tiêu lẫn nhau làm cho tổng thể phân tử không bị phân cực Một cách để xác định liệu một phân tử có momen lưỡng cực hay không là lập tổng vector momen các lưỡng cực liên kết, có tính đến độ lớn và hướng của chúng nếu kết quả khác vector 0⃗ thì phân tử đó bị phân cực [4]

Ví dụ như trong trường hợp phân tử Methane: CH4, các liên kết C – H phân cực với đầu âm là nguyên tử C còn đầu dương là các nguyên tử H

Nhưng do yếu tố định hướng không gian mà 4 liên kết này chĩa về 4 hướng của một hình tứ diện đều làm cho tổng vector momen lưỡng cực của phân từ là một vector 0⃗ do đó phân tử CH4 không bị phân cực mặc dù cả 4 liên kết C – H đều phân cực Điều tương tự đối với các trường hợp của CCl4; CO2; C(CH3)4; trans-dichloroethylene,…

Một cách thống nhất trong việc tìm hiểu các lực chính tạo nên liên kết Van Der Waals ta sẽ quy ước các lưỡng cực và các phân tử không phân cực như sau:

2.2.1 Lực tương tác lưỡng cực – lưỡng cực

Lực tương tác lưỡng cực - lưỡng cực hay trong một số tài liệu có thể gọi là lực định hướng Lực này mô tả các phân tử bị phân cực có momen lưỡng cực vĩnh viễn được coi là một lưỡng cực Khi các lưỡng cực tiến lại gần nhau thì các đầu trái dấu sẽ hút nhau, tạo ra

sự định hướng tương đối giữa chúng sao cho hệ có năng lượng thấp nhất, ở trạng thái bền

Hình 1: Sự định hướng của các lưỡng cực

Thế năng do lực này tạo ra được tính dựa theo hệ thức của Keesom [5]:

4

2μ U

3r kT

= − (*) Trong đó: μ: momen lưỡng cực của phân tử

K : hằng số Boltzmann

T : nhiệt độ tuyệt đối Kelvin

r : được xác định theo hình 1 Dựa vào bản chất của sự hình thành lưỡng cực, hay dựa vào hệ thức trên ta đều có thể kết luận rằng các phân tử có momen lưỡng cực càng lớn thì lực tương tác lưỡng cực – lưỡng cực giữa chúng càng mạnh

Xu hướng tự sắp xếp của các lưỡng cực này có thể ảnh hưởng đến các tính chất vật

lý, chẳng hạn như điểm nóng chảy của chất rắn và điểm sôi của chất lỏng [4]

Ví dụ trong trường hợp giữa 2 đồng phân của dichloroethylene:

2.2.2 Lực tương tác lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng

Nếu như tương tác lưỡng cực – lưỡng cực là tương tác sinh ra giữa các lưỡng cực (các phân tử có momen lưỡng cực vĩnh viễn) với nhau Thì trong tương tác lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng được mô tả đơn giản là một phân tử không bị phân cực ( = 0) khi đặt trong một điện trường (có thể của ion hay lưỡng cực) thì một liên kết không bị phân cực hoặc một phân tử không phân cực sẽ bị phân cực tạm thời, sự phân cực này gọi là phân cực do cảm ứng, và phân tử đó trở thành một lưỡng cực cảm ứng Cuối cùng, các lưỡng cực cảm ứng này lại tương tác hút với các lưỡng cực ban đầu Chính xu hướng hình thành lượng cực cảm ứng này mà lực này còn được gọi là lực cảm ứng

r

= − (**) Trong đó: μvà r : có ý nghĩa như biểu thức (*) ở trên

α: hệ số phân cực

Do quá trình một lưỡng cực tạo ra điện trường làm phân cực hóa tạm thời một phân

tử, nên momen lưỡng cực của các lưỡng cực và lưỡng cực cảm ứng tạo thành sau định hướng sẽ nhỏ hơn momen lưỡng cực ban đầu của lưỡng cực gốc làm cho lực cảm ứng yếu hơn lực định hướng Trong thực tế, lực cảm ứng thường rất yếu

2.2.3 Lực tương tác lưỡng cực cảm ứng – lưỡng cực cảm ứng

Hai tương tác trước chúng ta nhận thấy đều cần có một lưỡng cực đề khơi mào quá trình tạo lực hút giữa các lượng cực – lưỡng cực hay lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng Vậy giữa các phân tử của đơn chất khí như: O2; Br2; N2,… hay các phân tử không phân cực như: CH4; CCl4,…thì giữa chúng lực hút được đảm bảo bởi tương tác lưỡng cực cảm ứng – lưỡng cực cảm ứng [3]

London đã giải thích tương tác này theo quan điểm của cơ học lượng tử Chúng ta

có thể hình dung trong một phân tử các electron chuyển động liên tục, điều đó có nghĩa là

sẽ có một xác suất nào đó mật độ electron sẽ bị phân bố lệch về một phía làm cho trọng tâm điện tích âm và điện tích dương không trùng nhau từ đó tạo ra một lưỡng cực tạm thời Lưỡng cực tạm thời này tạo ra điện trường làm cho các phân tử gần bên bị phân cực tạo thành lưỡng cực cảm ứng, các lưỡng cực cảm ứng mới tạo thành lại lan truyền khuynh hướng phân cực hóa các phân tử cạnh bên khác tạo ra nhiều lưỡng cực cảm ứng, sau đó chúng xảy ra tương tác hút lẫn nhau Chính do cơ chế lan truyền nay mà lực tương tác lưỡng cực cảm ứng – lưỡng cực cảm ứng còn gọi là lực khuếch tán Tuy giữa chúng vẫn có tương tác hút lẫn nhau, nhưng không phải hằng định và không có chiều cố định do electron chuyển động liên tục

Hình 3: Sự phân cực do khuếch tán

Thế năng của tương tác này xác định theo biểu thức gần đúng của London [5]:

2 o

3hν α U

4r

= − (***) Trong đó: αvà r : có ý nghĩa như ở biểu thức (*) và (**)

Tóm lại, lực Van der Waals trong trường hợp chung là tổng của ba loại lực kể trên

và nó là loại lực liên kết yếu Năng lượng tương tác toàn phần Utp được định bằng tổng của

3 công thức kể trên Utp mang dấu âm vì đây là tương tác hút (thế năng) giữa 2 phân tử khi tạo thành liên kết Van der Waals Giá trị tuyệt đối của Utp càng lớn thì năng lượng hệ giải phóng càng nhiều, thế năng trở nên cực tiểu, liên kết Van der Waals càng bền

2.2.4 Lực đẩy Van der waals

Khi các phân tử tiến tới gần nhau (gần hơn khoảng cách

Van Der Waals) thì giữa chúng sẽ xuất hiện lực đẩy, được gọi là

lực đẩy Van Der Waals Khoảng cách Van Der Waals là khoảng

cách gần nhất giữa 2 hạt nhân của của 2 tiểu phân không tham

gia liên kết với nhau

2.3 Ảnh hưởng của liên kết Van Der Waals tới tính chất vật lý của các chất

Nhìn chung lực Van Der Waals là một tương tác luôn tồn tại giữa các phân tử Do

đó nó cũng góp phần ảnh hưởng tới tính chất vật lý cơ bản của chất Khi so sánh độ lớn lực Van Der Waals với động năng của các phân tử chất, chúng ta có thể giải thích trạng thái vật lý của chúng:

• Khi lực Van Der Waals yếu hơn động năng của các phân tử chất Thì các phân tử chất sẽ khuếch tán và tách ra khỏi nhau, khi đó chúng tồn tại ở trạng thái khí

• Khi lực Van Der Waals mạnh ngang động năng của phân tử chất Thì nó sẽ giữ các phân tử chất trượt trên nhau, khi đó chất tồn tại ở trạng thái lỏng

• Khi lực Van Der Waals là đủ lớn để thắng động năng của phân tử chất Thì các phân tử chất giao động tại chỗ quanh vị trí cân bằng, khi đó ở trạng thái rắn Lực tương tác lưỡng cực cảm ứng – lưỡng cực cảm ứng ở trên ta đã tìm hiểu, có thể xuất hiện ở ở bất kỳ tiểu phân nào Nó sinh ra do sự phân bố

electron không đồng đều trên phân tử, do đó số lượng

electron là một yếu tố quyết định tới độ lớn của lực này Càng

nhiều electron lực tương tác càng mạnh, điều này giải thích

tại sao các phân tử hợp chất hữu cơ có nhiệt độ sôi và nhiệt

độ nóng chảy nhìn chung tăng theo chiều tăng khối lượng

phân tử Ngoài ra, tương tác lưỡng cực cảm ứng – lưỡng cực

cảm ứng còn góp phần giải thích được hiện tượng các đơn

chất khí hóa lỏng Ở nhiệt độ thường, bromine tồn tại ở dạng lỏng, điều này có nghĩa là phải có một lực nào đó đủ mạnh để giữ các phân tử Br2 lại với nhau, và lực đó được giải thích là lực tương tác lưỡng cực cảm ứng – lưỡng cực cảm ứng [1]