Đang tải bài học…

AP Chemistry

lực

force

Lực là đại lượng đo tương tác hút hoặc đẩy giữa các hạt, trong hóa học chủ yếu mang bản chất tĩnh điện.

Trong hóa học, mọi tương tác giữa nguyên tử, phân tử và ion đều có thể quy về khái niệm lực — một đại lượng vectơ đặc trưng cho mức độ đẩy hoặc hút mà hạt này tác dụng lên hạt kia. Nếu không có lực, các êlectron (electron) sẽ không bị giữ lại quanh hạt nhân, các nguyên tử sẽ không liên kết thành phân tử, và chất khí sẽ không bao giờ ngưng tụ thành chất lỏng. Vì vậy, hiểu bản chất của lực chính là chìa khóa để giải thích cấu trúc và tính chất vật chất ở cấp độ vi mô.

Lực quan trọng nhất trong hóa học là lực tĩnh điện, tức lực hút hoặc đẩy giữa hai điện tích điểm. Định luật Coulomb mô tả lực này qua biểu thức:

$F = k_e \frac{|q_1 \, q_2|}{r^2}$

trong đó $q_1$ và $q_2$ là độ lớn hai điện tích, $r$ là khoảng cách giữa chúng, và $k_e$ là hằng số Coulomb. Công thức cho thấy lực tỉ lệ thuận với tích hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách — nhờ đó, êlectron mang điện tích âm bị hạt nhân dương hút mạnh hơn khi ở gần, đồng thời lực liên kết yếu đi nhanh chóng khi khoảng cách tăng.

Hệ quả của lực tĩnh điện trải rộng khắp hóa học. Ở khoảng cách ngắn, lực hút tĩnh điện giữa êlectron và hạt nhân tạo nên liên kết hóa học, giữ các nguyên tử lại với nhau thành phân tử. Ở khoảng cách lớn hơn, lực tĩnh điện yếu hơn giữa các lưỡng cực tạm thời hoặc vĩnh cửu sinh ra lực liên phân tử, quyết định nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và độ tan của chất. Ngược lại, khi hai lớp vỏ êlectron của các nguyên tử đè lên nhau, lực đẩy giữa các êlectron ngăn không cho chúng xuyên qua nhau, tạo nên hình dạng phân tử mà thuyết VSEPR dự đoán. Do đó, hầu hết mọi hiện tượng hóa học đều có thể truy nguyên về lực tĩnh điện.

Ký hiệu

• $F$ — lực
• $q_1, q_2$ — điện tích
• $r$ — khoảng cách
• $k_e$ — hằng số Coulomb

Đơn vịNewton (N)

Trực giác: Hãy nghĩ đến hai viên nam châm: đưa cực trái dấu lại gần thì chúng hút mạnh, lật cùng cực thì chúng đẩy ra — các điện tích trong nguyên tử cũng đối xử với nhau y như vậy.

Công thức

\htmlClass{fp-0}{F} = \htmlClass{fp-1}{ma}

Dùng định luật II Newton khi cần tính lực net tác dụng lên một vật có khối lượng $m$ đang chuyển động với gia tốc $a$

Trong đó

F

lực (force) — N

m

khối lượng — kg

a

gia tốc — m/s^2

Hay hiểu sai

Đun sôi nước không phá vỡ liên kết O–H.

Phân tử phân cực vẫn có lực khuếch tán London.

Có nguyên tử O hay N trong phân tử chưa đủ để tạo liên kết hydrogen.

Phân tử phân cực không phải lúc nào cũng sôi cao hơn phân tử không phân cực.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Bảng dưới đây cho khối lượng mol và nhiệt độ sôi ở áp suất 1 atm của bốn chất: CH₄ (M = 16,0 g/mol; t_s = −161 °C), NH₃ (M = 17,0 g/mol; t_s = −33 °C), H₂S (M = 34,1 g/mol; t_s = −60 °C) và H₂O (M = 18,0 g/mol; t_s = 100 °C). Cả NH₃, H₂S và H₂O đều là phân tử phân cực; CH₄ không phân cực.

aGiữa hai phân tử phân cực ở pha lỏng, loại lực liên phân tử (intermolecular forces) nào mạnh nhất? Dùng loại lực đó giải thích vì sao NH₃ sôi ở nhiệt độ cao hơn H₂S dù khối lượng mol của NH₃ nhỏ hơn nhiều.
bMô tả sự thay đổi của các lực hút khi H₂O chuyển từ lỏng sang hơi. Nêu rõ liên kết O–H trong phân tử có bị phá vỡ trong quá trình này hay không.

1Bước 1: Trước hết cần xếp hạng ba loại lực hút giữa các phân tử trung hòa theo độ mạnh tăng dần: lực phân tán London (London dispersion forces) có ở mọi chất, rồi đến lực lưỡng cực–lưỡng cực (dipole–dipole) chỉ có ở phân tử phân cực, và mạnh nhất là liên kết hydrogen (hydrogen bonding). Liên kết hydrogen thực chất là một trường hợp đặc biệt rất mạnh của lực lưỡng cực–lưỡng cực, chỉ xuất hiện khi nguyên tử H liên kết trực tiếp với N, O hoặc F. Vì vậy, câu trả lời chuẩn cho ý (a) là liên kết hydrogen.

Bạn nắm chắc chưa?

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.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc phân tử & ion · bài “Lực nội phân tử và thế năng” — khoá AP Chemistry

Cần trướcvật chấtđiện tích hạt nhân

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

năng lượng (energy)energy

Khác nhau ở đâuLực là đại lượng vectơ đặc trưng cho tương tác, đo bằng newton. Năng lượng là đại lượng vô hướng đặc trưng cho khả năng sinh công, đo bằng joule.

Hay nhầm khinhầm lẫn khi tính toán, đặc biệt khi chuyển đổi giữa lực và thế năng tĩnh điện

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 1, 11, 13.

Mẹo phòng thi

Giải thích nhiệt độ sôi phải gọi đúng TÊN lực rồi mới so sánh độ mạnh.

Với câu đổi pha, viết thẳng ra rằng liên kết cộng hóa trị không bị phá vỡ.

Trong phần tự luận có tính toán, phải trình bày đủ bước mới được điểm.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

2Bước 2: Áp dụng vào cặp NH₃ và H₂S. Trong NH₃, H gắn với N có độ âm điện lớn và N còn một cặp electron chưa liên kết, nên các phân tử NH₃ kết nối với nhau bằng liên kết hydrogen. Ngược lại, S có độ âm điện thấp và bán kính lớn, nên H₂S chỉ có lực lưỡng cực–lưỡng cực yếu cùng lực phân tán London. Muốn sôi thì phải cung cấp đủ năng lượng để thắng lực hút giữa các phân tử; do lực trong NH₃ lỏng mạnh hơn hẳn nên NH₃ sôi ở −33 °C, cao hơn H₂S (−60 °C), mặc dù khối lượng mol lớn hơn của H₂S chỉ làm tăng phần đóng góp của lực phân tán.

3Bước 3: Với ý (b), phải tách rõ hai loại lực. Lực giữa các phân tử (liên phân tử) là thứ giữ các phân tử H₂O cạnh nhau trong chất lỏng; liên kết cộng hóa trị O–H là lực trong nội bộ một phân tử. Khi nước hóa hơi, chỉ có liên kết hydrogen giữa các phân tử bị thắng và các phân tử tách xa nhau, nên lực hút giữa chúng giảm mạnh và gần như không đáng kể ở pha hơi. Liên kết O–H hoàn toàn không bị phá vỡ, bằng chứng là phân tử ở pha hơi vẫn là H₂O chứ không phải H và O riêng lẻ.

4Bước 4: Có thể kiểm chứng lập luận bằng số liệu còn lại của bảng. H₂O sôi ở 100 °C, cao nhất, vì mỗi phân tử có hai nguyên tử H và hai cặp electron chưa liên kết nên tạo được mạng liên kết hydrogen dày đặc hơn NH₃. Còn CH₄ không phân cực, chỉ có lực phân tán yếu, nên sôi thấp nhất ở −161 °C. Trật tự nhiệt độ sôi CH₄ < H₂S < NH₃ < H₂O do đó phản ánh đúng trật tự độ mạnh của lực liên phân tử.

Lực mạnh nhất giữa hai phân tử phân cực ở pha lỏng là liên kết hydrogen; nhờ liên kết này mà NH₃ sôi cao hơn H₂S dù nhẹ hơn. Khi H₂O chuyển từ lỏng sang hơi, các lực hút giữa các phân tử bị thắng và giảm xuống mức không đáng kể, trong khi liên kết cộng hóa trị O–H bên trong mỗi phân tử vẫn nguyên vẹn.

2Ví dụ 2/2

Xét phản ứng tổng hợp ammonia: N₂(g) + 3 H₂(g) → 2 NH₃(g). Cho năng lượng liên kết trung bình (bond enthalpy): N≡N là 946 kJ/mol, H–H là 436 kJ/mol, N–H là 391 kJ/mol. Ngoài ra, NH₃ lỏng có enthalpy hóa hơi 23,4 kJ/mol và sôi ở −33 °C, còn PH₃ sôi ở −88 °C.

aTính biến thiên enthalpy của phản ứng từ năng lượng liên kết, có ghi rõ từng bước.
bGiải thích vì sao NH₃ sôi ở nhiệt độ cao hơn PH₃, dù PH₃ có khối lượng mol lớn hơn.
cVì sao chỉ cần 23,4 kJ để hóa hơi 1 mol NH₃, trong khi phá vỡ 1 mol liên kết N–H cần tới 391 kJ?

1Bước 1: Công thức tính enthalpy phản ứng từ năng lượng liên kết là

\Delta H_{rxn} = \sum D_{\text{broken}} - \sum D_{\text{formed}}

trong đó

D

là năng lượng của một liên kết. Công thức này nói rằng phá liên kết luôn thu năng lượng còn tạo liên kết luôn tỏa năng lượng, nên hiệu của hai tổng cho biết phản ứng tỏa hay thu nhiệt.

2Bước 2: Đếm liên kết ở vế trái: một liên kết N≡N và ba liên kết H–H. Tổng năng lượng cần cung cấp là

946 + 3(436) = 946 + 1308 = 2254

kJ. Đây là phần năng lượng thu vào để tách các nguyên tử ra khỏi nhau.

3Bước 3: Ở vế phải có 2 mol NH₃, mỗi phân tử ba liên kết N–H, tức 6 liên kết N–H. Năng lượng tỏa ra khi tạo chúng là

6(391) = 2346

kJ. Do đó

\Delta H_{rxn} = 2254 - 2346 = -92

kJ, nghĩa là phản ứng tỏa nhiệt và ứng với 2 mol NH₃ tạo thành, tức −46 kJ cho mỗi mol NH₃.

4Bước 4: Sang ý (b), so sánh NH₃ với PH₃. Nitrogen có độ âm điện lớn nên liên kết N–H rất phân cực và các phân tử NH₃ lỏng hút nhau bằng liên kết hydrogen, trong khi phosphorus có độ âm điện gần bằng hydrogen nên PH₃ chỉ có lực lưỡng cực–lưỡng cực rất yếu cùng lực phân tán. Khối lượng mol lớn hơn của PH₃ (34,0 so với 17,0 g/mol) đúng là làm lực phân tán mạnh hơn, tuy nhiên phần tăng thêm đó không bù nổi liên kết hydrogen bị mất. Vì vậy NH₃ sôi ở −33 °C, cao hơn hẳn PH₃ ở −88 °C.

5Bước 5: Ý (c) chính là phép so sánh định lượng giữa lực bên trong phân tử và lực giữa các phân tử. Hóa hơi chỉ đòi hỏi thắng liên kết hydrogen giữa các phân tử NH₃ nên tốn 23,4 kJ/mol; phân tử NH₃ sau khi bay hơi vẫn còn nguyên. Muốn cắt một liên kết cộng hóa trị N–H thì phải phá cấu trúc của chính phân tử, nên cần 391 kJ/mol, gấp khoảng

391/23{,}4 \approx 16{,}7

lần. Tỉ số này cho thấy lực liên phân tử yếu hơn liên kết hóa học tới hơn một bậc độ lớn.

Phản ứng tổng hợp ammonia tỏa nhiệt với ΔH = −92 kJ cho 2 mol NH₃. Ammonia sôi cao hơn phosphine vì các phân tử NH₃ liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen còn PH₃ thì không, và năng lượng hóa hơi nhỏ hơn năng lượng liên kết N–H khoảng 17 lần vì hóa hơi chỉ thắng lực giữa các phân tử chứ không đụng đến liên kết trong phân tử.

Dẫn tớiliên kết hóa họclực van der waals (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.