CHƯƠNG 10 TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC PHÂN TỬ Giữa nguyên tử này và nguyên tử khác trong một phân tử có lực liên kết mạnh để hình thành phân tử là liên kết cộng hoá trị hay liên kết ion - Năng lư
Trang 1CHƯƠNG 10 TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC PHÂN TỬ
Giữa nguyên tử này và nguyên tử khác trong một phân tử có lực liên kết mạnh để hình thành phân tử là liên kết cộng hoá trị hay liên kết ion - Năng lượng của các liên kết này lớn hơn 200kJ/mol Giữa các phân tử vẫn có liên kết, nhưng yếu hơn nhiều thường nhỏ hơn 10kJ/mol, đó là lực Vander Walls, liên kết H
10.1.LỰC VANDER WALLS :
Lực giữa các phân tử cũng là lực tĩnh điện Coulomb Vì các electron của một phân tử nào đó ngoài việc có liên kết mạnh mẽ bởi các nhân trong phân tử, nó vẫn bị hút yếu bởi các hạt nhân của các phân tử bên cạnh, đồng thời các electron cũng như các hạt nhân của các phân
tử cạnh nhau thì đẩy nhau
Người ta gọi tương tác giữa các phân tử là lực Vander Walls để nhớ đến nhà Bác học Hà Lan, người đầu tiên tìm cách giải thích lực giữa các phân tử một cách định lượng phụ thuộc vào tương tác ban đầu mà người ta gọi 3 loại lực Vander Walls
10.1.1.Lực định hướng :
Lực này gây ra bởi các phân tử có momen lưỡng cực µ ≠0 Phân tử tồn tại dưới dạng lưỡng cực, nên các cực cùng dấu đẩy nhau, các cực khác dấu hút nhau, vì vậy các phân tử
được sắp xếp theo một hướng nhất định (để năng lưỡng cực tiểu) và năng lượng của nó :
6 4 3
2
kTr
E đh=− µ (do Keesom tìm ra)
Với : µ:Momen lưỡng cực của phân tử ; k : Hằng số Boltzmann
k = = 1 , 38066 10 −23JK−1
N
R
A
; T : Nhiệt độ Kelvin ; r : Khoảng cách giữa 2 phân tử
Nhìn vào biểu thức ta thấy rõ là : Lực định hướng tỷ lệ với momen lưỡng cực và khi nhiệt độ tăng thì lực định hướng giảm dần, nhất là phụ thuộc vào khoảng cách, như vậy lực
định hướng có tác dụng trong khoảng cách ngắn
10.1.2.Lực cảm ứng : Lực này để giải thích tương tác giữa phân tử có cực với phân tử
không cực Khi phân tử không cực lại gần phân tử có cực, dưới tác dụng điện trường của phân
tử có cực, phân tử không cực sẽ bị phân cực, tức là phân tử không cực sẽ xuất hiện momen lưỡng cực dưới tác dụng của trường phân tử có cực lân cận
Khả năng phân cực của phân tử dưới tác dụng của điện trường ngoài gọi là độ phân
cực α- là bằng độ biến dạng tương đối của phân tử Theo Debye :
6
2
2
r
E cu =− αµ
So sánh 2 biểu thức ta thấy lực cảm ứng nhỏ hơn lực định hướng
10.1.3.Lực khuyếch tán :
Các phân tử không phân cực, nhưng do các electron chuyển động không ngừng, trong một thời điểm nào đó mật độ điện tích ở nơi này cao hơn nơi khác làm phân tử trở thành bất
đối xứng - như vậy đã trở thành lưỡng cực tức thời Lưỡng cực tức thời này sẽ cảm ứng phân
tử lân cận, dẫn đến một trường đồng bộ cho toàn hệ - Hiệu ứng này gọi là lực khuyếch tán do
London đưa ra vào năm 1930 bằng hệ thức :
6 2 4
3
r
h
E kt =− α νo
Với
2
o
hν
là năng lượng dao động của các nguyên tử ở 0K với tần số νo;
α : hệ số phân cực trung bình
Trang 2Lực khuyếch tán này rất yếu, nó dễ bị phá vỡ dưới tác dụng của chuyển động nhiệt Nếu giữa các phân tử chỉ có lực khuyếch tán thì nhiệt độ hoá lỏng và nhiệt độ đông đặc sẽ rất thấp Như ta thấy trên cả 3 biểu thức của lực Vander
Walls, năng lượng hút Eh đều tỷ lệ nghịch với luỹ thừa sáu
khoảng cách giữa các phân tử, nên lực Vander Walls chỉ
có tác dụng khi các phân tử nằm gần nhau - Khi khoảng
cách tăng lên gấp 2 lần thì năng lượng tương tác giảm đi
64 lần
Nếu chỉ tồn tại các lực hút Vander Walls thì không
thể giải thích sự tồn tại khoảng cách cân bằng giữa các
phân tử Như vậy phải có lực đẩy giữa các phân tử Lực
đẩy chỉ xuất hiện giữa các phân tử khi chúng tiếp xúc với
nhau - Khi đó lớp vỏ electron của các phân tử bắt đầu đẩy
nhau Năng lượng đẩy Eđ được tính theo hàm số mũ :
ar
E = − (trong đó a, b là các hằng số, phụ thuộc vào bản
chất của mỗi phân tử) và khoảng cách cân bằng giữa lực
Vander Walls và lực đẩy vào khoảng 4-7
o
A - lúc bấy giờ
năng lượng của hệ cực tiểu Năng lượng toàn phần của hệ
sẽ là : Et = Eh + Eđ
10.1.4.Ảnh hưởng của liên kết Vander Walls đến tính chất các chất :
Ảnh hưởng đầu tiên ta có thể dễ dàng thấy ngay được là độ sôi và độ nóng chảy Lực Vander Walls càng mạnh thì các phân tử càng gần nhau - đó là điều kiện đầu tiên
để cho chất ở trạng thái rắn Vì vậy khi lực Vander Walls càng mạnh thì độ sôi và độ nóng
chảy càng cao Lực Vander Walls càng mạnh khi phân tử có cực hoặc dễ bị phân cực - mà dễ
bị phân cực khi kích thước (thể tích) của phân tử càng lớn - Vì vậy người ta thường nói : độ sôi, độ nóng chảy của chất tỷ lệ với khối lượng mol của phân tử (vì thông thường thể tích tỷ lệ thuận với số electron - Vì vậy tỷ lệ với khối lượng mol)
Liên kết Vander Walls còn dùng để giải thích hiện tượng hấp thụ vật lý gây nên sự gắn
kết giữa chất rắn (như Ni, Pt, Pd, ) với chất khí
10.2.LIÊN KẾT HIDRO :
- Người ta nhận thấy NH3, H2O, HF có độ sôi bất thường so với các Hidrua của phi kim ở cùng phân nhóm
Độ sôi của HF, HCl, HBr, HI lần lượt là 19,5, -85, -66, -35oC
Độ sôi của H2O, H2S, H2Se, H2Te lần lượt là 100, -61, -42, -2oC
Độ sôi của NH3, PH3, AsH3, SbH3 lần lượt là -33, -87,5, -55, -18oC
Điều này mâu thuẩn với lực Vander Walls Vì theo Vander Walls sự phân cực từ HF
đến HI tăng dần (do khối lượng mol) dẫn đến lực Vander Walls càng tăng và làm cho độ sôi
tăng, điều này đúng cho các hidrua của nguyên tố từ chu kỳ 3 trở đi trong cùng phân nhóm Như vậy ở NH3, H2O, HF có sự bất thường ta đã thấy, để giải thích điều này, ngườì ta nói đến liên kết H
- Điều kiện để có liên kết H : Phải có H nhưng chưa đủ, muốn có được liên kết H thì H
đó phải liên kết cộng hoá trị với nguyên tố X có độ âm điện mạnh và sau đó H mới tạo được
liên kết H với nguyên tố Y phải giàu (thật giàu) electron
Lúc ấy X-H Y ; Với : X, Y : F, O, N, Cl
(Trong một số trường hợp người ta thấy có liên kết H khi Y có liên kết π giàu electron)
E
O
Et
Eđ
Eh
r
Giản đồ năng lượng của hệ : Năng lượng toàn phần (Et) : Năng lượng đẩy (Eđ) : Năng lượng hút (Eh)
Trang 3+
δ
−
C O H
H
O
O H C H
H
2 5
H
-3 +
C
C O
O H
- Điều kiện để có liên kết H được giải thích là do liên kết X-H bị phân cực mạnh :
X H, do X có độ âm điện mạnh nên H thiếu electron nhiều, hơn nữa H là nguyên tố nhỏ nhất lại chỉ có 1 electron duy nhất nên H+δdễ len lõi vào vùng có mật độ electron lớn và δ
+
H gần như không còn electron nào nên không có lực đẩy điện tích âm - điện tích âm của Y
- Năng lượng của liên kết H nhỏ hơn liên kết cộng hoá trị hoặc liên kết ion, nhưng lớn hơn lực Vander Walls nhiều
- Bản chất của liên kết H là lực tĩnh điện, hiện nay người ta còn cho rằng liên kết H không chỉ là tĩnh điện mà còn có một phần tính cộng hoá trị (kiểu liên kết 3 tâm) - chính xác hơn là liên kết phối trí do sự phủ lên giữa các MO* không chứa electron của HX với MO có chứa đôi electron của phân tử có chứa Y, do vậy Y H-X thẳng hàng (trừ F H-F) Điều này giải thích tại sao liên kết H có độ bền (năng lượng) cao hơn lực Van der Walls
- Ảnh hưởng của liên kết H :
Độ sôi, độ nóng chảy của chất :
Khi có liên kết H liên phân tử sẽ làm cho khối lượng mol phân tử tăng lên nên độ sôi, độ nóng chảy của chất tăng cao như độ sôi của H2O so với H2S, H2Se, H2Te ta đã xét từ trước Nhưng khi có liên kết H nội phân tử như phân tử o hidroxi benzaldehid thì
phân tử trở nên "gọn" hơn Vì vậy làm giảm độ sôi, độ nóng chảy
Độ tan trong H2O :
Nhờ có liên kết H giữa phân tử nào đó (như C2H5-OH) với H2O nên
chất đó sẽ tan trong H2O
Hoặc :
Tập hợp phân tử :
Người ta nhận thấy các axit hữu cơ khi ở trong dung môi không phân cực, thì các axit tồn tại dưới dạng nhị phân tử :