Giải Hóa 10 Bài 11 ( Chân trời sáng tạo ): Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals

Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 11: Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals

Video giải Hóa lớp 10 Bài 11: Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals

Mở đầu trang 67 Hóa học 10: Các nhà hóa học đã nghiên cứu và kết luận rằng nếu không có liên kết hydrogen thì nước sẽ sôi ở -80^oC. Như vậy, trong điều kiện thường, nước sẽ tồn tại ở thể khí (hơi nước). Khi đó, trên Trái Đất sẽ chẳng có các đại dương, sông, hồ,… và cũng không bao giờ có mưa. Mọi sự sống sẽ không tồn tại. Trái Đất sẽ là một hành tinh chết nếu không có sự hiện của liên kết hydrogen.

Liên kết hydrogen giữa các phân tử nước được tạo thành như thế nào? Ảnh hưởng của liên kết hydrogen với tính chất vật lí của nước ra sao?

Lời giải:

Lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử H mang một phần điện tích dương (linh động) của phân tử H₂O này với nguyên tử O mang một phần điện tích âm của phân tử nước khác, tạo thành liên kết giữa các phân tử nước, gọi là liên kết hydrogen, thường được biểu diễn bằng dấu ba chấm (…).

Nhờ có liên kết hydrogen mà ở điều kiện thường nước ở thể lỏng, có nhiệt độ sôi cao (100^oC).

1. Liên kết hydrogen

Câu hỏi 1 trang 67 Hóa học 10: Giữa liên kết S-H và liên kết O-H, liên kết nào phân cực mạnh hơn? Vì sao?

Lời giải:

- Xét liên kết O – H:

∆χ = 3,44 – 2,2 = 1,24 ⇒ Liên kết O-H là liên kết cộng hóa trị phân cực.

- Xét liên kết S – H:

∆χ = 2,58 – 2,2 = 0,38 ⇒ Liên kết S-H là liên kết cộng hóa trị không phân cực.

Vậy liên kết O-H phân cực mạnh hơn.

Câu hỏi 2 trang 68 Hóa học 10: Quan sát các Hình 11.2 và 11.3, em hiểu thế nào là liên kết hydrogen giữa các phân tử?

Lời giải:

Liên kết hydrogen là một loại liên kết yếu, được hình thành giữa nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử có độ âm điện lớn, thường là F, O, N) với một nguyên tử khác có độ âm điện lớn (thường là F, O, N) còn cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết.

Liên kết hydrogen thường được biểu diễn bằng dấu ba chấm (…)

Câu hỏi 3 trang 68 Hóa học 10: So sánh độ bền của liên kết hydrogen với liên kết cộng hóa trị và liên kết ion.

Lời giải:

Thứ tự tăng dần độ bền liên kết: Liên kết hydrogen < liên kết cộng hóa trị < liên kết ion.

Luyện tập trang 68 Hóa học 10: Điều gì đã khiến H₂O có nhiệt độ sôi cao hơn H₂S? Giải thích.

Lời giải:

H₂O có liên kết hydrogen liên phân tử còn H₂S không có liên kết này nên H₂O có nhiệt độ sôi cao hơn H₂S.

Câu hỏi 4 trang 68 Hóa học 10: So sánh nhiệt độ sôi và khả năng hòa tan trong nước giữa NH₃ và CH₄. Giải thích.

Lời giải:

- NH₃ có nhiệt độ sôi cao hơn CH₄ do các phân tử NH₃ có thể tạo liên kết hydrogen với nhau (còn CH₄ thì không):

- NH₃ tan trong nước nhiều hơn CH₄ do phân tử NH₃ có thể tạo liên kết hydrogen với nước còn CH₄ thì không.

Câu hỏi 5 trang 69 Hóa học 10: Giải thích vì sao một phân tử nước có thể tạo được liên kết hydrogen tối đa với bốn phân tử nước khác

Lời giải:

Nguyên tử O có 2 cặp electron chưa liên kết nên có thể tạo 2 liên kết hydrogen với 2 nguyên tử H của các phân tử nước khác; 2 nguyên tử H của phân tử nước đủ điều kiện tạo liên kết hydrogen với 2 nguyên tử O của các phân tử nước khác.

Như vậy, một phân tử nước có thể tạo 4 liên kết hydrogen với các phân tử nước khác xung quanh.

Vận dụng trang 69 Hóa học 10: Vì sao nên tránh ướp lạnh các lon bia, nước giải khát,… trong ngăn đá của tủ lạnh?

Lời giải:

Khi cho nước vào ngăn đá tủ lạnh, nước chuyển từ trạng thái lỏng thành trạng thái rắn. Ở trạng thái rắn nước có cấu trúc tinh thể phân tử với bốn phân tử H₂O phân bố ở bốn đỉnh của một tứ diện đều, bên trong là cấu trúc rỗng.

Ướp lạnh các lon bia, nước giải khát,… trong ngăn đá của tủ lạnh thể tích dung dịch trong chai giãn nở làm lon bị biến dạng và có thể phát nổ.

2. Tương tác Van Der Waals

Câu hỏi 6 trang 69 Hóa học 10: Quan sát Hình 11.7, cho biết thế nào là một lưỡng cực tạm thời?

Lời giải:

Trong các phân tử, các electron không ngừng chuyển động. Khi các electron di chuyển tập trung về một phía bất kì của phân tử sẽ hình thành nên các lưỡng cực tạm thời.

Câu hỏi 7 trang 70 Hóa học 10: Các lưỡng cực tạm thời và lưỡng cực cảm ứng hút nhau bằng lực hút nào?

Lời giải:

Các lưỡng cực tạm thời và lưỡng cực cảm ứng hút nhau bằng lực hút trái dấu.

Câu hỏi 8 trang 70 Hóa học 10: Giải thích xu hướng biến đổi bán kính nguyên tử, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các nguyên tố khí hiếm trong Bảng 11.1

Lời giải:

Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử trong nhóm VIIIA, bán kính nguyên tử tăng đồng thời khối lượng nguyên tử tăng ⇒ Tương tác van der Waals tăng ⇒ Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng.

Vận dụng trang 70 Hóa học 10: Tại sao nhện nước có thể di chuyển trên mặt nước?

Lời giải:

Liên kết hydrogen giữa các phân tử nước trên bề mặt nước và giữa các phân tử nước trên bề mặt với lớp nước bên dưới tạo ra sức căng bề mặt cho nước. Con nhện nước có khối lượng nhỏ, chân của con nhện nước gồm các chất kị nước, phân tử các chất này đẩy nước khiến cho chân của nhện nước không bị nước bao bọc và tụt xuống dưới nước. Vì vậy chúng có thể di chuyển trên bề mặt nước mà không làm vỡ bề mặt nước.

Bài tập (trang 71)

Bài 1 trang 71 Hóa học 10: Hợp chất nào dưới đây tạo được liên kết hydrogen liên phân tử

A. CH₄

B. H₂O

C. PH₃

D. H₂S

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

H₂O tạo được liên kết hydrogen liên phân tử:

Bài 2 trang 71 Hóa học 10: Sự phân bố electron không đồng đều trong một nguyên tử hay một phân tử hình thành nên

A. một ion dương

B. một ion âm

C. một lưỡng cực vĩnh viễn

D. một lưỡng cực tạm thời

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

Sự phân bố electron không đồng đều trong một nguyên tử hay một phân tử hình thành nên một lưỡng cực tạm thời.

Bài 3 trang 71 Hóa học 10: Khí hiếm nào dưới đây có nhiệt độ sôi thấp nhất?

A. Ne

B. Xe

C. Ar

D. Kr

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Ne có nhiệt độ sôi thấp nhất do trong nhóm VIIIA, từ Ne đến Rn bán kính nguyên tử tăng đồng thời khối lượng nguyên tử tăng ⇒ Tương tác van der Waals tăng ⇒ Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng.

Bài 4 trang 71 Hóa học 10: Biểu diễn liên kết hydrogen giữa các phân tử:

a) Hydrogen fluoride

b) Ethanol (C₂H₅OH) và nước

Lời giải:

b) Liên kết hydrogen được hình thành giữa các phân tử HF:

b) Liên kết hydrogen được hình thành giữa H₂O và C₂H₅OH

Bài 5 trang 71 Hóa học 10: Trong hai chất ammonia (NH₃) và phosphine (PH₃), theo em chất nào có nhiệt độ sôi và độ tan trong nước lớn hơn? Giải thích

Lời giải:

NH₃ có nhiệt độ sôi và độ tan trong nước lớn hơn PH₃ do NH₃ có thể tạo liên kết hydrogen với nhau và với nước.

Lý thuyết Liên kết hydrogen và tương tác van der waals

I. Liên kết hydrogen

1. Tìm hiểu về liên kết hydrogen

- Liên kết hydrogen là một loại liên kết yếu, được hình thành giữa nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử có độ âm điện lớn, thường là F, O, N) với một nguyên tử khác có độ âm điện lớn (thường là F, O, N) còn cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết.

- Liên kết hydrogen thường được biểu diễn bằng dấu ba chấm (…).

- Ví dụ: Liên kết hydrogen giữa các phân tử nước:

+ Trong phân tử nước nguyên tử O có độ âm điện lớn và còn hai cặp electron chưa tham gia liên kết.

+ Lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử H mang một phần điện tích dương (linh động) của phân tử H₂O này với nguyên tử oxygen mang một phần điện tích âm của phân tử H₂O khác, tạo thành liên kết hydrogen giữa các phân tử nước.

Chú ý:

Thứ tự tăng dần độ bền liên kết: Liên kết hydrogen < liên kết cộng hóa trị < liên kết ion.

2. Vai trò, ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới tính chất vật lý của nước

- So với các hợp chất có cấu trúc tương tự, các hợp chất có liên kết hydrogen đều có nhiệt độ sôi cao hơn do tạo được liên kết hydrogen liên phân tử và tan tốt hơn trong nước do tạo được liên kết hydrogen với các phân tử nước.

- Nước là một hợp chất có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn nhiều so với hợp chất có cùng cấu trúc phân tử nhưng không tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử với nhau.

- Ngoài ra, nước còn là một dung môi tốt, không chỉ hòa tan được nhiều hợp chất ion mà còn hòa tan được nhiều hợp chất có liên kết cộng hóa trị phân cực. Đặc biệt các hợp chất có thể tạo liên kết hydrogen với nước thường tan tốt trong nước.

Ví dụ: Ammonia tan tốt trong nước do tạo được liên kết hydrogen với nước

- Nước ở trạng thái rắn có thể tích lớn hơn khi ở trạng thái lỏng. Đó là do nước đá có cấu trúc tinh thể phân tử với 4 phân tử H₂O phân bố ở 4 đỉnh của hình tứ diện đều, bên trong là cấu trúc rỗng. Điều này giải thích tại sao nước đá nổi lên trên nước lỏng.

II. Tương tác van der Waals

1. Giới thiệu về tương tác van der Waals

- Trong phân tử, các electron không ngừng chuyển động. Khi các electron di chuyển, tập trung về một phía bất kì của phân tử sẽ hình thành nên các lưỡng cực tạm thời.

- Các phân tử có lưỡng cực tạm thời cũng có thể làm các phân tử lân cận xuất hiện các lưỡng cực cảm ứng. Do đó, các phân tử có thể tập hợp tạo thành một mạng lưới với các tương tác lưỡng cực cảm ứng, được gọi là tương tác van der Waals.

Kết luận: Tương tác van der Waals là lực tương tác yếu giữa các phân tử, được hình thành do sự xuất hiện của các lưỡng cực tạm thời và lưỡng cực cảm ứng.

2. Ảnh hưởng của tương tác van der Waals đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi các chất

- Tương tác van der Waals làm tăng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các chất. Khi khối lượng phân tử tăng, kích thước phân tử tăng thì tương tác van der Waals tăng.

Ví dụ: Theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân nguyên tử trong nhóm VIIIA, bán kính nguyên tử tăng đồng thời khối lượng nguyên tử tăng ⇒ Tương tác van der Waals tăng ⇒ Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng.

Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 12: Phản ứng oxi hóa – khử và ứng dụng trong cuộc sống

Bài 1: Nhập môn Hóa học

Bài 2: Thành phần của nguyên tử

Bài 3: Nguyên tố hóa học

Bài 4: Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử

Xem thêm tài liệu Hóa học lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 11: Liên kết hydrogen và tương tác van der waals