Chương 10 TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC PHÂN TỬ HOÁ ĐẠI CƯƠNG 1 78 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 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 t ử t ồ n t ạ i d ướ i d ạ ng l ưỡ ng c ự c, nên các c ự c cùng d ấ u đẩ y nhau, các c ự c khác d ấ u hút nhau, vì v ậ y các phân t ử đượ c s ắ p x ế p theo m ộ t h ướ ng nh ấ t đị nh ( để n ă ng l ưỡ ng c ự c ti ể u) và n ă ng l ượ ng c ủ a nó : 6 4 3 2 kTr E đh µ −= (do Keesom tìm ra). V ớ i : : µ Momen l ưỡ ng c ự c c ủ a phân t ử ; k : H ằ ng s ố Boltzmann k 123 10.38066,1 −− == JK N R A ; T : Nhi ệ t độ Kelvin ; r : Kho ả ng cách gi ữ a 2 phân t ử . Nhìn vào bi ể u th ứ c ta th ấ y rõ là : L ự c đị nh h ướ ng t ỷ l ệ v ớ i momen l ưỡ ng c ự c và khi nhi ệ t độ t ă ng thì l ự c đị nh h ướ ng gi ả m d ầ n, nh ấ t là ph ụ thu ộ c vào kho ả ng cách, nh ư v ậ y l ự c đị nh h ướ ng có tác d ụ ng trong kho ả ng cách ng ắ n. 10.1.2.Lực cảm ứng : L ự c này để gi ả i thích t ươ ng tác gi ữ a phân t ử có c ự c v ớ i phân t ử không c ự c. Khi phân t ử không c ự c l ạ i g ầ n phân t ử có c ự c, d ướ i tác d ụ ng đ i ệ n tr ườ ng c ủ a phân t ử có c ự c, phân t ử không c ự c s ẽ b ị phân c ự c, t ứ c là phân t ử không c ự c s ẽ xu ấ t hi ệ n momen l ưỡ ng c ự c d ướ i tác d ụ ng c ủ a tr ườ ng phân t ử có c ự c lân c ậ n. Kh ả n ă ng phân c ự c c ủ a phân t ử d ướ i tác d ụ ng c ủ a đ i ệ n tr ườ ng ngoài g ọ i là độ phân c ự c α - là b ằ ng độ bi ế n d ạ ng t ươ ng đố i c ủ a phân t ử . Theo Debye : 6 2 2 r E cu αµ −= So sánh 2 bi ể u th ứ c ta th ấ y l ự c c ả m ứ ng nh ỏ h ơ n l ự c đị nh h ướ ng. 10.1.3.Lực khuyếch tán : Các phân t ử không phân c ự c, nh ư ng do các electron chuy ể n độ ng không ng ừ ng, trong m ộ t th ờ i đ i ể m nào đ ó m ậ t độ đ i ệ n tích ở n ơ i này cao h ơ n n ơ i khác làm phân t ử tr ở thành b ấ t đố i x ứ ng - nh ư v ậ y đ ã tr ở thành l ưỡ ng c ự c t ứ c th ờ i. L ưỡ ng c ự c t ứ c th ờ i này s ẽ c ả m ứ ng phân t ử lân c ậ n, d ẫ n đế n m ộ t tr ườ ng đồ ng b ộ cho toàn h ệ - Hi ệ u ứ ng này g ọ i là l ự c khuy ế ch tán do London đư a ra vào n ă m 1930 b ằ ng h ệ th ứ c : 6 2 4 3 r h E o kt να −= V ớ i 2 o h ν là n ă ng l ượ ng dao độ ng c ủ a các nguyên t ử ở 0K v ớ i t ầ n s ố o ν ; α : h ệ s ố phân c ự c trung bình Chương 10 TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC PHÂN TỬ HOÁ ĐẠI CƯƠNG 1 79 Lực 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 E h 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 E đ được tính theo hàm số mũ : ar đ beE − = (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 : E t = E h + E đ 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 NH 3 , H 2 O, 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, -35 o C Độ sôi của H 2 O, H 2 S, H 2 Se, H 2 Te lần lượt là 100, -61, -42, -2 o C Độ sôi của NH 3 , PH 3 , AsH 3 , SbH 3 lần lượt là -33, -87,5, -55, -18 o C 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 NH 3 , H 2 O, 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 E t E đ E h r Giản đồ năng lượng của hệ : Năng lượng toàn phần (E t ) : Năng lượng đẩy (E đ ) : Năng lượng hút (E h ) Chương 10 TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC PHÂN TỬ HOÁ ĐẠI CƯƠNG 1 80 δ+δ− C O H H O O H CH O H H 2 5 O H H Cl H Cl + H O - 3 + C O H C O O R _ _ R 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 δ+ H dễ 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 H 2 O so với H 2 S, H 2 Se, H 2 Te 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 H 2 O : Nhờ có liên kết H giữa phân tử nào đó (như C 2 H 5 -OH) với H 2 O nên chất đó sẽ tan trong H 2 O. 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 : . Chương 10 TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC PHÂN TỬ HOÁ ĐẠI CƯƠNG 1 78 CHƯƠNG 10 TƯƠNG TÁC GIỮA CÁC PHÂN TỬ Giữa nguyên tử này và nguyên tử khác trong một phân tử có lực liên kết. 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. 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