Giải Hóa 10 Bài 12 ( Cánh diều): Liên kết hydrogen và tương tác Van Der Waals

Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 12: Liên kết hydrogen và tương tác Van Der Waals

Video giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 12: Liên kết hydrogen và tương tác Van Der Waals

Mở đầu trang 64 Hóa học 10: Hai phân tử nước có thể liên kết được với nhau. Dựa vào sự phân bố điện tích trong phân tử nước (Hình 12.1), cho biết liên kết giữa hai phân tử nước có thể được hình thành qua cặp nguyên tử nào?

(1) O với O

(2) H với H

(3) O với H

Giải thích sự lựa chọn của em.

Trả lời:

Chọn (3) O với H

Giải thích:

Nguyên tử O của phân tử nước này (mang một phần điện tích âm) và nguyên tử H của phân tử nước kia (mang một phần điện tích dương) sẽ hút nhau bằng lực hút tĩnh điện.

Vậy liên kết giữa hai phân tử nước có thể được hình thành qua cặp nguyên tử O với H do lực hút tĩnh điện giữa hai nguyên tử.

I. Liên kết hydrogen

1. Khái niệm

Câu hỏi 1 trang 65 Hóa học 10: Vì sao nguyên tử H của phân tử H₂O không tạo được liên kết hydrogen với nguyên tử C của phân tử CH₄?

Trả lời:

Vì nguyên tử C của phân tử CH₄ không còn cặp electron riêng

Công thức Lewis của CH₄:

Luyện tập 1 trang 65 Hóa học 10: Viết các khả năng tạo thành liên kết hydrogen giữa một phân tử H₂O và một phân tử NH₃.

Trả lời:

Các khả năng tạo thành liên kết hydrogen giữa một phân tử H₂O và một phân tử NH₃:

+ Nguyên tử H trong phân tử H₂O tạo liên kết hydrogen với nguyên tử N trong phân tử NH₃

+ Nguyên tử H trong phân tử NH₃ tạo liên kết hydrogen với nguyên tử O trong phân tử H₂O.

Vận dụng 1 trang 65 Hóa học 10: Vì sao HF có tính acid yếu hơn rất nhiều so với HCl? Biết rằng tính acid của một chất càng mạnh nếu phân tử đó càng dễ phân li thành ion H⁺.

Trả lời:

Độ âm điện của F lớn hơn Cl nên tương tác hút tĩnh điện giữa H^δ+ và F^δ- lớn hơn tương tác hút tĩnh điện giữa H^δ+ và Cl^δ-

⇒ H^δ+ trong phân tử HCl dễ phân li ra ion H⁺ hơn

⇒ Tính acid của HCl mạnh hơn tính acid của HF

Ngoài ra, ở nhiệt độ thấp, hydrogen fluoride (HF) tồn tại ở thể rắn dưới dạng polymer (HF)_­n nhờ liên kết hydrogen:

2. Ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới tính chất vật lí của nước

a) Đặc điểm tập hợp

b) Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

Luyện tập 2 trang 66 Hóa học 10: Vẽ các liên kết hydrogen được hình thành giữa H₂O với mỗi phân tử NH₃, C₂H₅OH.

Trả lời:

- Liên kết hydrogen được hình thành giữa H₂O và NH₃

Hoặc

- Liên kết hydrogen được hình thành giữa H₂O và C₂H₅OH

Hoặc

Vận dụng 2 trang 66 Hóa học 10: Hãy giải thích vì sao trong quá trình chưng cất rượu, C₂H₅OH bay trước H₂O mặc dù khối lượng phân tử C₂H₅OH lớn hơn rất nhiều khối lượng phân tử H₂O

Trả lời:

Liên kết O-H trong phân tử nước phân cực hơn so với liên kết O-H trong phân tử rượu.

Liên kết hydrogen giữa các phân tử nước với nhau bền vững hơn rất nhiều liên kết hydrogen giữa các phân tử rượu với nhau dẫn đến nhiệt độ sôi của nước (100^oC) lớn hơn nhiệt độ sôi của rượu (78,3^oC) mặc dù khối lượng phân tử C₂H₅OH lớn hơn rất nhiều khối lượng phân tử H₂O.

II. Tương tác van der Waals

1. Khái niệm

Vận dụng 3 trang 67 Hóa học 10: Giải thích vì sao con tắc kè có thể di chuyển trên mặt kính trơn nhẵn, thẳng đứng.

Trả lời:

Con tắc kè có thể di chuyển trên mặt kính trơn nhẵn, thẳng đứng vì có sự bám hút (tương tác van der Waals) giữa bàn chân con tắc kè và mặt kính.

2. Ảnh hưởng của tương tác van der Waals tới tính chất vật lí của các chất.

Vận dụng 4 trang 68 Hóa học 10: Sưu tầm hình ảnh tinh thể nước đá, bông tuyết.

Trả lời:

Một số hình ảnh tinh thể nước đá, bông tuyết:

Vận dụng 5 trang 68 Hóa học 10: Thu thập thông tin liên quan đến các hiện tượng có xuất hiện của liên kết hydrogen, tương tác van der Waals trong thực tiễn.

Trả lời:

- Liên kết hydrogen giữa các phân tử nước trên bề mặt nước và giữa các phân tử nước trên bề mặt và lớp nước bên dưới tạo ra sức căng bề mặt cho nước. 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.

- Bong bóng xà phòng thể hiện tương tác giữa các phân tử nước và các phân tử xà phòng tạo thành màng mỏng, giữ được không khí bên trong bay lên.

Bài tập (trang 69)

Bài 1 trang 69 Hóa học 10: Liên kết hydrogen xuất hiện giữa những phân tử cùng loại nào sau đây?

A. CH₄

B. NH₃

C. H₃C-O-CH₃

D. PH₃

Trả lời:

Đáp án đúng là: B

A. Loại vì trong phân tử CH₄ nguyên tử C không có cặp electron riêng.

Công thức Lewis của CH₄

B. Chọn

C. Loại vì trong phân tử H₃C-O-CH₃ nguyên tử C và O đều không có cặp electron riêng.

D. Loại vì độ âm điện của P nhỏ hơn của H

Bài 2 trang 69 Hóa học 10: Nhiệt nóng chảy và nhiệt độ sôi của hai chất HBr và HF như sau:

Hãy gán công thức chất thích hợp vào các ô có dấu?.

Trả lời:

Độ âm điện của F lớn hơn Br nên tương tác hút tĩnh điện giữa H^δ+ và F^δ- lớn hơn tương tác hút tĩnh điện giữa H^δ+ và Br^δ-

⇒ Các phân tử HF liên kết chặt chẽ với nhau bởi các liên kết hydrogen hơn so với các phân tử HBr.

⇒ Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của HF lớn hơn so với HBr.

Chú ý: Ở nhiệt độ thấp, hydrogen fluoride (HF) tồn tại ở thể rắn dưới dạng polymer (HF)_­n nhờ liên kết hydrogen:

Bài 3 trang 69 Hóa học 10: Những phát biểu nào sau đây đúng khi nói về các loại liên kết?

a) Liên kết hydrogen yếu hơn liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.

b) Liên kết hydrogen mạnh hơn liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.

c) Tương tác van der Waals yếu hơn liên kết hydrogen.

d) Tương tác van der Waals mạnh hơn liên kết hydrogen.

Trả lời:

Phát biểu đúng là: a), c)

a) Liên kết hydrogen yếu hơn liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.

c) Tương tác van der Waals yếu hơn liên kết hydrogen.

Bài 4 trang 69 Hóa học 10: Các liên kết biểu diễn bằng các đường nét đứt được minh họa như hình dưới đây có vai trò quan trọng trong việc làm bền chuỗi xoắn đôi DNA. Đó là loại liên kết gì?

A. Liên kết ion

B. Liên kết cộng hóa trị có cực

C. Liên kết cộng hóa trị không cực

D. Liên kết hydrogen.

Trả lời

Đáp án đúng là: D

Liên kết biểu diễn bằng các đường nét đứt là liên kết hydrogen.

Bài 5 trang 69 Hóa học 10: Một kết quả nghiên cứu mới đây cho thấy các phân tử NH₃ có thể liên kết với nhau thành những cụm (NH₃)_n với n = 3 – 6. (Theo ACS Omega 2020, 5, 49, 31724-31729)

Vì sao các phân tử NH₃ có thể hình thành được cụm phân tử này?

Trả lời:

Trong phân tử NH₃ có nguyên tử H liên kết với nguyên tử N (có độ âm điện mạnh) còn cặp electron riêng.

Do đó các phân tử NH₃ có thể liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen tạo thành những cụm phân tử.

Cụm phân tử (NH₃)₃

Cụm phân tử (NH₃)₄

Lý thuyết Liên kết hydrogen và tương tác Van Der Waals

I. Liên kết hydrogen

1. Khái niệm

- 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) với một nguyên tử khác (có độ âm điện lớn) còn cặp electron hóa trị riêng.

- Các nguyên tử có độ âm điện lớn thường gặp trong liên kết hydrogen là N, O, F.

- Liên kết hydrogen thường được kí hiệu là dấu ba chấm (...), rải đều từ nguyên tử H đến nguyên tử tạo liên kết hydrogen với nó.

Trong đó, X, Y là các nguyên tử N, O, F

- Liên kết hydrogen có bản chất tĩnh điện. Tương tác hút tĩnh điện giữa $H^{{\delta }^{+}}$và $Y^{{\delta }^{-}}$thể hiện bản chất của liên kết hydrogen.

Ví dụ 1: Liên kết hydrogen được tạo ra giữa hai phân tử nước được thể hiện qua hình 12.1.

Hình 12.1. Liên kết hydrogen giữa hai phân tử nước

Ở khoảng cách 177 pm, lớn hơn độ dài liên kết cộng hóa trị O – H (96pm), đã xuất hiện liên kết hydrogen.

Lưu ý: Độ dài liên kết là khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử tham gia liên kết.

2. Ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới tính chất vật lí của nước

a) Đặc điểm tập hợp

- Nhờ liên kết hydrogen, các phân tử nước có thể tập hợp với nhau, ngay cả ở thể hơi, thành một cụm phân tử tương đối bền vứng. Kích thước các cụm phân tử này thay đổi tùy theo điều kiện nhiệt độ, áp suất.

® Đây là nguyên nhân dẫn tới các tính chất vật lí khác biệt của nước so với những chất lỏng khác. Do đặc điểm tập hợp đặc biệt này, khi làm lạnh, nước có thể hình thành bông tuyết với nhiều hình dạng khác nhau.

Hình 12.2. Một số cụm phân tử nước

b) Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

- Tại áp suất 1atm, nước có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương ứng là 0^oC và 100^oC, cao hơn so với nhiều chất có khối lượng phân tử lớn hơn của nước. Tính chất này là do các phân tử nước liên kết khá chặt chẽ với nhau bởi các liên kết hydrogen.

Bảng 12.1. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của một số chất tại áp suất 1 atm

Chú ý: Để một chất có thể nóng chảy hoặc sôi, cần phải cung cấp năng lượng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử và cung cấp động năng để các phân tử chuyển động. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của chất phụ thuộc vào hai yếu tố:

(1) Khối lượng phân tử: Khối lượng phân tử càng lớn thì càng cần nhiều động năng để chuyển động nên nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi càng cao.

(2) Liên kết giữa các phân tử: Số lượng liên kết giữa các phân tử càng nhiều, lực liên kết càng mạnh thì càng cần nhiều năng lượng để phá vỡ liên kết giữa chúng. Khi đó, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của chất đó càng cao.

II. Tương tác van der Waals

Giữa các phân tử thậm chí không có liên kết hydrogen thì vẫn có tương tác với nhau, mặc dù yếu hơn. Đó là tương tác van der Waals.

1. Khái niệm

- Tương tác van der Waals là một loại liên kết yếu, hình thành do tương tác hút tĩnh điện giữa các cực trái dấu của phân tử.

Hình 12.3. Các khả năng tương tác hút tĩnh điện giữa các cực trái dấu của hai phân tử

- Liên kết cộng hóa trị có cực là nguyên nhân dẫn tới sự phân cực ở các phân tử HCl, SO₂, ...

Hình 12.4. Một số phân tử có cực (a) và biểu diễn các cực của phân tử (b)

- Mặc dù có lực liên kết rất yếu, nhưng tương tác van der Waals lại có nhiều ảnh hưởng đến thực tiễn. Ví dụ: sự bám hút của các hạt bụi lên bề mặt nhẵn, sự hấp phụ các phân tử chất màu và chất độc hại trong nước bởi than hoạt tính, ...

Lưu ý: Phân tử CO₂ không có cực, mặc dù liên kết C=O trong phân tử là liên kết có cực. Lí do bởi phân tử này có dạng thẳng, hai liên kết C=O lại có cực ngược chiều nhau nên triệt tiêu lẫn nhau khi xét cho cả phân tử

2. Ảnh hưởng của tương tác van der Waals tới tính chất vật lí của các chất

- Tương tự như liên kết hydrogen, tương tác van der Waals làm tăng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi các chất, nhưng ở mức độ ảnh hưởng yếu hơn so với liên kết hydrogen.

Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy

Bài 15: Ý nghĩa và cách tính biến thiên enthalpy phản ứng hóa học

Bài 16: Tốc độ phản ứng hóa học

Bài 17: Nguyên tố và đơn chất halogen

Xem thêm tài liệu Hóa học lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 12: Liên kết hydrogen và tương tác Van Der Waals

Trắc nghiệm Bài 12: Liên kết hydrogen và tương tác van der waals