Đang tải bài học…
Đang tải bài học…
AP Chemistry
hydrogen bonding
Còn gọi: liên kết hiđro · liên kết hydro · h-bond
Liên kết hydrogen là lực hút liên phân tử đặc biệt mạnh giữa nguyên tử hydrogen đã gắn với N, O hoặc F và cặp electron chưa liên kết của một N, O, F khác.
Khi nguyên tử hydrogen liên kết cộng hóa trị (covalent bond) với nitrogen, oxygen hoặc fluorine, chênh lệch độ âm điện (electronegativity) rất lớn kéo mật độ electron về phía nguyên tử kia và để lộ hạt nhân hydrogen gần như trần trụi. Điện tích dương cục bộ này nhỏ và không bị lớp electron nào che chắn, do đó nó có thể tiến rất sát tới cặp electron chưa liên kết của một nguyên tử N, O hay F thuộc phân tử bên cạnh. Kết quả là một lực hút mạnh bất thường mà ta gọi là liên kết hydrogen, thường được vẽ bằng đường chấm chấm để nhấn mạnh rằng nó nằm giữa các phân tử chứ không phải bên trong phân tử.
Về bản chất, đây vẫn là một trường hợp cực đoan của lực lưỡng cực–lưỡng cực, nhưng độ lớn thì vượt xa, vào khoảng – so với vài kJ/mol của tương tác lưỡng cực thông thường. Tuy vậy, nó vẫn yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị nội phân tử, vốn cỡ vài trăm kJ/mol. Vì vậy, khi đun sôi nước, ta chỉ phá vỡ mạng liên kết hydrogen giữa các phân tử chứ không hề bẻ gãy liên kết O–H bên trong mỗi phân tử .
Chính vì thế, hệ quả của lực này hiện ra khắp nơi trong đề thi. Nhiệt độ sôi (boiling point) của , và cao vọt lên so với các hydride cùng nhóm, tạo ra những điểm bất thường quen thuộc trên đồ thị nhiệt độ sôi theo chu kỳ. Hơn nữa, nước đá nổi trên nước lỏng cũng vì mỗi phân tử tạo bốn liên kết hydrogen theo hướng tứ diện, dựng nên mạng lưới rỗng có mật độ thấp hơn. Ngược lại, không có liên kết hydrogen vì carbon không đủ âm điện, còn tuy chứa oxygen nhưng không có hydrogen gắn trực tiếp vào oxygen nên chỉ đóng vai trò chất nhận liên kết hydrogen khi gặp nước.
Trực giác: Giống như nam châm tí hon lộ hẳn cực bắc ra ngoài nên dính chặt vào cực nam của nam châm kế bên, chặt hơn hẳn những viên bi chỉ hơi nhiễm điện.
1912T. S. MooreT. F. WinmillWendell LatimerWorth RodebushMaurice Loyal Huggins
Liên kết hydrogen không phải là liên kết cộng hóa trị giữa hai nguyên tử.
Đây là lực hút giữa các phân tử (intermolecular force), yếu hơn liên kết cộng hóa trị hàng chục lần, chỉ khoảng – so với vài trăm. Rất nhiều bài viết rằng "đun sôi nước làm đứt liên kết O–H", nhưng thực tế khi sôi chỉ có lực hút giữa các phân tử bị phá vỡ, còn phân tử vẫn nguyên vẹn. Vì vậy khi giải thích nhiệt độ sôi cao, hãy nói rõ rằng năng lượng cung cấp dùng để tách các phân tử ra khỏi nhau chứ không để bẻ gãy liên kết bên trong phân tử.
Có nguyên tử hydrogen trong phân tử không có nghĩa là có liên kết hydrogen.
Điều kiện bắt buộc là hydrogen phải gắn trực tiếp vào nitrogen, oxygen hoặc fluorine, vì chỉ ba nguyên tố này đủ độ âm điện (electronegativity) để kéo mật độ electron mạnh và để lộ hạt nhân hydrogen gần như trần trụi. Do đó hay không tạo được liên kết hydrogen dù đầy hydrogen, và cũng vì vậy không tự tạo liên kết hydrogen với nhau trong khi có cùng công thức phân tử thì tạo được. Khi so sánh hai chất, hãy khoanh vào cấu trúc chỗ H–O, H–N hay H–F trước khi viết bất cứ câu nào.
Liên kết hydrogen cần cả bên cho lẫn bên nhận, không phải chỉ một bên.
Một đầu là hydrogen đã bị phân cực gắn với N, O hay F; đầu kia phải là một nguyên tử N, O hoặc F còn cặp electron chưa liên kết (lone pair) trên phân tử bên cạnh. Câu trả lời được điểm thường có dạng: liên kết N–H phân cực làm nguyên tử hydrogen mang một phần điện tích dương, và hydrogen đó bị hút mạnh về phía nguyên tử nitrogen của phân tử lân cận. Trong các câu về cặp base thymine–adenine của DNA, đáp án đúng luôn là hình vẽ nét đứt nối từ H (của N–H) sang O hoặc N có cặp electron chưa liên kết, chứ không nối H với H hay O với O.
Đừng viết "phân tử này phân cực hơn nên nhiệt độ sôi cao hơn" rồi dừng lại.
Bài chấm đòi lập luận theo chuỗi: đặc điểm cấu trúc dẫn tới loại lực hút giữa các phân tử, loại lực đó dẫn tới độ mạnh, độ mạnh dẫn tới tính chất quan sát được. Ngoài ra cần nhớ rằng liên kết hydrogen không xóa bỏ lực phân tán London (London dispersion forces); một phân tử rất lớn có thể sôi cao hơn một phân tử nhỏ có liên kết hydrogen. Vì vậy khi hai chất chênh lệch nhiều về khối lượng phân tử, hãy cân nhắc cả hai loại lực thay vì mặc định liên kết hydrogen luôn thắng.
Quiz câu thật từ ngân hàng đề
Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.
Biên soạn bởi DucklingStudy, bản quyền thuộc DucklingStudy. Xuất bản .
Bài toán ban đầu không hề liên quan đến nước. Năm 1912, hai nhà hóa học Moore và Winmill loay hoay với một điều khó hiểu: trimethylammonium hydroxide lại là base yếu hơn tetramethylammonium hydroxide, dù công thức của chúng rất giống nhau. Để lý giải, họ giả định có một mối "liên kết" đặc biệt đi qua nguyên tử hydrogen — vào thời điểm đó thuyết cặp electron của Lewis còn chưa ra đời, nên họ chỉ có thể gọi bằng những cách diễn đạt mơ hồ như "sự kết hợp mạnh". Tám năm sau, Latimer và Rodebush dùng chính ý tưởng ấy để giải thích các tính chất bất thường của nước, đồng thời ghi nhận Maurice Loyal Huggins ở cùng phòng thí nghiệm đã hình dung một "hạt nhân hydrogen bị giữ giữa hai nguyên tử". Nhờ đó khái niệm dần định hình thành thứ mà hôm nay đề thi gọi là hydrogen bonding.
Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe có vẻ vô lý, vì đây không phải một liên kết hóa học thông thường giữa hai nguyên tử hydrogen. Tên gọi phản ánh đúng hình ảnh mà những người đầu tiên mô tả nó đã nghĩ ra: một nhân hydrogen bị kẹp giữ giữa hai nguyên tử khác, tức hydrogen đóng vai trò cầu nối chứ không phải một đầu của liên kết bình thường. Từ "bond" được giữ lại vì Pauling về sau lập luận rằng tương tác này mang một phần bản chất cộng hóa trị (covalent) — một cách hiểu từng gây tranh cãi rất lâu, cho đến khi kỹ thuật cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) cho thấy có sự truyền thông tin qua cầu nối ấy. Vì vậy, tuy về bản chất là lực hút tĩnh điện giữa các phân tử, cái tên "liên kết" vẫn được giữ nguyên vì lý do lịch sử.
Trên free-response, phải chỉ đích danh nguyên tử nào hút nguyên tử nào.
Câu trả lời chung chung kiểu "chất W có liên kết hydrogen nên tan tốt hơn" thường mất điểm vì không nêu được vị trí cụ thể. Hãy viết theo mẫu: nhóm –OH của phân tử W tạo liên kết hydrogen với cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử oxygen của nước. Nếu đề cho cấu trúc vẽ sẵn, việc tham chiếu trực tiếp vào nhóm chức trên hình gần như luôn là điều giám khảo tìm kiếm.
Khi so sánh hai chất, luôn viết ra tên loại lực của CẢ HAI chất.
Nhiều thí sinh chỉ mô tả chất có liên kết hydrogen rồi im lặng về chất kia, khiến lập luận thiếu vế so sánh và bị trừ điểm. Câu an toàn là: chất X chỉ có lực phân tán London và tương tác lưỡng cực–lưỡng cực (dipole–dipole), còn chất Y có thêm liên kết hydrogen mạnh hơn, do đó cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử. Chỉ thêm vài chữ nhưng đó thường là chỗ chứa điểm.
Kiểm tra nét đứt bằng quy tắc 'H phân cực đi tìm cặp electron chưa liên kết'.
Loại ngay mọi phương án nối nét đứt từ carbon, từ H gắn với carbon, hoặc nối hai nguyên tử cùng mang điện tích âm phần. Sau đó đếm số nét đứt xem có khớp với con số đề cho hay không, chẳng hạn hai liên kết ở cặp thymine–adenine. Hai bước lọc này thường đủ để còn lại đúng một đáp án.
Hợp chất W tạo được liên kết hydrogen nhờ nhóm , còn hợp chất Y chỉ có tương tác lưỡng cực – lưỡng cực và lực khuếch tán London vì mọi hydrogen của nó đều gắn với carbon. Do hai chất có cùng khối lượng mol nên đóng góp của lực khuếch tán là tương đương, và sự chênh lệch khoảng về nhiệt độ sôi hoàn toàn đến từ việc phá vỡ mạng liên kết hydrogen giữa các phân tử W đòi hỏi nhiều năng lượng hơn.
Sơ đồ đúng là sơ đồ có hai nét đứt kiểu (từ thymine sang nitrogen vòng của adenine) và (từ nhóm của adenine sang oxygen carbonyl của thymine). Mọi phương án đặt nét đứt xuất phát từ , hoặc nối trực tiếp hai nguyên tử nặng, đều sai vì thiếu một trong hai điều kiện bắt buộc: hydrogen gắn với N, O hoặc F và đối tác có cặp electron chưa liên kết.