Bài 13. Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals
Tìm hiểu về liên kết hydrogen, tương tác van der Waals và ảnh hưởng của chúng đến tính chất vật lí.
Lý thuyết Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals
1. Liên kết hydrogen
a) Định nghĩa
Liên kết hydrogen là liên kết được hình thành giữa nguyên tử H (liên kết với F, O, N) của phân tử này với nguyên tử F, O, N của phân tử khác.
Kí hiệu: Dùng dấu ... (ba chấm)
Ví dụ: H-O-H...H-O-H (liên kết hydrogen giữa các phân tử H₂O)
b) Điều kiện hình thành
- Phân tử phải có nguyên tử H liên kết với F, O, hoặc N
- F, O, N có độ âm điện lớn → H mang điện tích dương một phần (δ⁺)
- H(δ⁺) hút nguyên tử F, O, N (mang δ⁻) của phân tử khác
c) Các trường hợp có liên kết hydrogen
1. Giữa các phân tử H₂O:
H-O^(δ⁻)-H^(δ⁺)...O^(δ⁻)-H^(δ⁺)
Mỗi phân tử H₂O có thể tạo tối đa 4 liên kết hydrogen
2. Giữa các phân tử HF:
H-F...H-F...H-F
3. Giữa các phân tử NH₃:
H-N-H...H-N-H
4. Trong phân tử protein, DNA:
Liên kết hydrogen giữ cấu trúc xoắn của protein và DNA
d) Đặc điểm
- Liên kết yếu hơn liên kết cộng hóa trị và liên kết ion
- Mạnh hơn tương tác van der Waals
- Năng lượng: 10-40 kJ/mol
- Có tính định hướng
2. Tương tác van der Waals
a) Định nghĩa
Tương tác van der Waals là lực hút yếu giữa các phân tử, do sự phân bố không đều electron tạm thời.
b) Nguyên nhân hình thành
- Electron trong phân tử chuyển động không ngừng
- Tại một thời điểm, electron có thể tập trung về một phía
- Tạo ra lưỡng cực tạm thời (δ⁺ và δ⁻)
- Lưỡng cực này hút các phân tử khác
c) Đặc điểm
- Lực hút rất yếu
- Năng lượng: 0.1-10 kJ/mol
- Có trong tất cả các chất
- Tăng theo khối lượng phân tử
d) Ví dụ
- Giữa các phân tử khí hiếm: He, Ne, Ar
- Giữa các phân tử không phân cực: H₂, O₂, N₂, CH₄
- Giữa các phân tử hợp chất hữu cơ
3. So sánh các loại lực liên kết giữa các phân tử
| Loại lực | Năng lượng (kJ/mol) | Ví dụ |
|---|---|---|
| Liên kết cộng hóa trị | 150-1000 | H-H, O=O |
| Liên kết ion | 400-4000 | Na⁺Cl⁻ |
| Liên kết hydrogen | 10-40 | H₂O...H₂O |
| Tương tác van der Waals | 0.1-10 | CH₄...CH₄ |
Thứ tự độ bền: Liên kết ion ≈ Liên kết cộng hóa trị > Liên kết hydrogen > Tương tác van der Waals
4. Ảnh hưởng đến tính chất vật lí
a) Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy
Liên kết hydrogen làm tăng nhiệt độ sôi:
| Hợp chất | Nhiệt độ sôi (°C) | Liên kết hydrogen |
|---|---|---|
| H₂O | 100 | Có |
| H₂S | -60 | Không |
| HF | 20 | Có |
| HCl | -85 | Không |
H₂O có nhiệt độ sôi cao bất thường so với H₂S do có liên kết hydrogen mạnh.
b) Độ tan
- Chất có liên kết hydrogen với H₂O → Tan tốt trong nước
- Ví dụ: Đường, rượu, axit hữu cơ
c) Tính chất đặc biệt của nước
- Nước đá nổi trên nước: Do liên kết hydrogen tạo cấu trúc rỗng → Khối lượng riêng nước đá < nước lỏng
- Nước là dung môi tốt: Do có liên kết hydrogen với nhiều chất
- Nhiệt dung riêng cao: Điều hòa nhiệt độ môi trường
d) Vai trò trong sinh học
- Cấu trúc protein: Liên kết hydrogen giữ cấu trúc xoắn α và nếp gấp β
- Cấu trúc DNA: Liên kết hydrogen giữa các cặp base (A-T, G-C)
- Tính chất nước: Quan trọng cho sự sống
Các dạng bài tập
Dạng 1: Dạng 1: Xác định liên kết hydrogen
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Kiểm tra phân tử có H liên kết với F, O, N không
- Nếu có → Có liên kết hydrogen giữa các phân tử
- Nếu không → Chỉ có tương tác van der Waals
Ví dụ:
a) H₂O: Có H liên kết với O → Có liên kết hydrogen
H-O-H...H-O-H
b) CH₄: H liên kết với C (không phải F, O, N) → Không có liên kết hydrogen
Chỉ có tương tác van der Waals
c) NH₃: Có H liên kết với N → Có liên kết hydrogen
H-N-H...H-N-H
d) HCl: H liên kết với Cl (không phải F, O, N) → Không có liên kết hydrogen
Chỉ có tương tác van der Waals
e) C₂H₅OH: Có nhóm -OH (H liên kết với O) → Có liên kết hydrogen
C₂H₅-O-H...H-O-C₂H₅
Dạng 2: Dạng 2: So sánh nhiệt độ sôi dựa vào liên kết
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Xác định loại lực liên kết giữa các phân tử
- Có liên kết hydrogen → Nhiệt độ sôi cao hơn
- Chỉ có van der Waals → So sánh khối lượng phân tử
- Khối lượng phân tử càng lớn → Nhiệt độ sôi càng cao
Ví dụ:
a) H₂O và H₂S:
- H₂O: Có liên kết hydrogen mạnh
- H₂S: Không có liên kết hydrogen (S không đủ âm điện)
→ t°sôi(H₂O) > t°sôi(H₂S)
Thực tế: H₂O (100°C) > H₂S (-60°C)
b) HF và HCl:
- HF: Có liên kết hydrogen
- HCl: Không có liên kết hydrogen
→ t°sôi(HF) > t°sôi(HCl)
Thực tế: HF (20°C) > HCl (-85°C)
c) CH₄ và C₂H₆:
- Cả hai đều không có liên kết hydrogen
- Chỉ có tương tác van der Waals
- M(C₂H₆) = 30 > M(CH₄) = 16
→ t°sôi(C₂H₆) > t°sôi(CH₄)
Thực tế: C₂H₆ (-89°C) > CH₄ (-162°C)
Dạng 3: Dạng 3: Bài toán thực tế về liên kết hydrogen
Phương pháp giải:
Phương pháp:
- Phân tích hiện tượng thực tế
- Giải thích dựa trên liên kết hydrogen
- Liên hệ với ứng dụng trong đời sống
Ví dụ:
Giải thích hiện tượng:
1. Cấu trúc nước lỏng:
- Các phân tử H₂O liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen
- Cấu trúc linh động, các phân tử gần nhau
- Khối lượng riêng: d ≈ 1 g/cm³ (ở 4°C)
2. Cấu trúc nước đá:
- Liên kết hydrogen tạo cấu trúc tinh thể lục giác
- Cấu trúc rỗng, các phân tử xa nhau hơn
- Khối lượng riêng: d ≈ 0.92 g/cm³
3. So sánh:
d(nước đá) < d(nước lỏng) → Nước đá nổi
Ý nghĩa sinh học:
1. Bảo vệ sinh vật dưới nước:
- Mùa đông, nước đá nổi trên mặt
- Tạo lớp cách nhiệt
- Nước dưới đáy không đóng băng hoàn toàn
- Cá và sinh vật vẫn sống được
2. Điều hòa khí hậu:
- Băng tan chậm, hấp thụ nhiệt
- Giảm biến đổi nhiệt độ đột ngột
3. Chu trình nước:
- Băng tan cung cấp nước ngọt
- Quan trọng cho hệ sinh thái
Kết luận: Liên kết hydrogen tạo nên tính chất đặc biệt của nước, rất quan trọng cho sự sống trên Trái Đất.