Bài 12: Liên kết hydrogen và tương tác Van der Waals

Dựa vào sự phân bố điện tích trong phân tử nước (hình 12.1), liên kết giữa hai phân tử nước được hình thành qua cặp nguyên tử O với H.

Do nguyên tử H mang điện tích dương nên liên kết với nguyên tử mang điện tích âm là O. Ngoài ra O còn 2 cặp electron riêng và độ âm điện lớn hơn H. Vì vậy phân tử H₂O được tạo bởi các liên kết hydrogen của cặp nguyên tử O – H, liên kết này có bản chất tĩnh điện, tương tác hút điện giữa và , giúp liên kết hai phân tử H₂O với nhau.

Nguyên tử H của H của của phân tử H₂O không tạo được liên kết hydrogen với nguyên tử C của phân tử CH₄. Vì nguyên tử C của phân tử CH₄ không còn cặp electron riêng:

- CT electron và CT Lewis của NH₃:

⟹ NH₃ còn 1 cặp electron riêng của N.

- Vì N còn 1 của phân tử NH₃ còn 1 cặp electron riêng và có độ âm điện lớn hơn nguyên tử H của phân tử H₂O.

⟹ Một phân tử H₂O có khả năng tạo thành liên kết hydrogen với một phân tử NH₃, liên kết tạo bởi H và N.

- Tính acid của một chất càng mạnh nếu phân tử đó càng dễ phân li thành ion H⁺.

⟹ HF khó phân li thành ion H⁺ hơn so với HCl.

- Các phân tử hydrogen halide thì chỉ HF có liên kết hydrogen, các liên kết này sẽ làm cho nguyên tử H bị giữ chặt hơn ⟹ Khó tách ion H⁺ hơn so với HCl.

Vì vậy tính acid của HF yếu hơn rất nhiều so với HCl.

Tham khảo:

H₂O có khối lượng phân tử thấp hơn so với C₂H₅OH nhưng các phân tử nước liên kết khá chặt chẽ với nhau bởi các liên kết hydrogen.

⟹ Nhiệt độ sôi của nước cao hơn C₂H₅OH.

⟹ Khi chưng cất rượu, C₂H₅OH có điểm sôi thấp hơn nước sẽ bay hơi trước.

- Bàn chân của tắc kè có rất nhiều sợi lông cực nhỏ, được gọi là sợi stetae có kích thước cỡ micromet. Ở đầu mỗi sợi lông lại phân nhánh thành rất nhiều sợi lông nhỏ dơn được gọi là spatulae với kích cỡ nanomet.

- Các sợi spatulae cho phép tắc kè bám được trên trường hay mặt phẳng nhờ tương tác tĩnh điện “hai điện tích trái dấu hút nhau”. Mỗi phân tử trong cơ thể sống hoặc một vật nào đó thường cân bằng về điện tích. Nhưng một mặt có xu hướng mang điện tích dương và mặt còn lại mang điện tích âm. Khi tắc kè leo tường, các sợi spatulae siêu nhỏ có thể quay mặt mang điện tích âm của chúng về phía mặt mang điện tích dương của phân tử trên bề mặt tường (và ngược lại), tạo ra lực hút giữa các phân tử được gọi là lực liên kết Van der Waals.

Các hiện tượng có xuất hiện của liên kết hydrogen, tương tác van der Waals trong thực tiễn: 

- Liên kết hydrogen: có trong DNA để tạo thành các chuỗi kép, hình thành cấu trúc chuỗi cấp trong các protein…

Liên kết hydrogen trong nước giúp duy trì sự ổn định chất lỏng trong một phạm vi diện rộng, làm cho băng đá nhẹ hơn nước lỏng bởi vậy băng nổi trên mặt nước, nước có thể bay hơi làm cho hệ sinh thái trên Trái Đất tuần hoàn tự nhiên.

- Lực tương tác van der Waals: sự bám hút của hạt bụi trên bề măt; tắc kè, thạch sùng có thể bám chắc trên các bề mặt trơn nhẵn; khả năng kết dính của băng dính; sự hấp phụ chất độc và phân tử màu trong nước bởi than hoạt tính…

Liên kết hydrogen xuất hiện giữa những phân tử cùng loại NH₃: