AP Chemistry

lực phân tán London

London dispersion forces

Còn gọi: lực khuếch tán london · lực london · LDF · lực London · london forces

Lực phân tán London là lực hút liên phân tử yếu xuất hiện giữa các phân tử không phân cực do chuyển động electron tạo ra lưỡng cực tức thời.

Lực phân tán London (London dispersion forces) là loại lực liên phân tử yếu nhất nhưng phổ biến nhất, xuất hiện giữa tất cả các nguyên tử (atom) và phân tử bất kể chúng có phân cực hay không. Năm 1930, Fritz London đã giải thích rằng chuyển động liên tục của các êlectron quanh hạt nhân tạo ra những khoảnh khắc mà mật độ êlectron lệch về một phía, sinh ra lưỡng cực tức thời. Chính lưỡng cực này lại tác động lên đám mây êlectron của phân tử lân cận, làm biến dạng đám mây đó và tạo ra lưỡng cực cảm ứng. Nhờ đó, hai phân tử trung hòa về điện vẫn hút nhau được, dù lực hút này rất yếu so với liên kết ion hay liên kết cộng hóa trị.

Độ mạnh của lực phân tán London phụ thuộc vào độ phân cực của phân tử (molecule), tức là mức độ dễ dàng mà đám mây êlectron bị biến dạng dưới ảnh hưởng của điện trường bên ngoài. Phân tử càng lớn, càng nhiều êlectron thì đám mây êlectron càng dễ bị kéo lệch, do đó lực London càng mạnh. Vì vậy, nhiệt độ sôi (boiling point) của các nguyên tố halogen tăng dần từ flo đến iot: phân tử iot có nhiều êlectron hơn phân tử flo nên lực London mạnh hơn, khiến iot tồn tại ở thể rắn trong khi flo là chất khí (gas) ở điều kiện thường.

Tuy nhiên, hình dạng phân tử cũng đóng vai trò quan trọng. Hai phân tử có cùng khối lượng mol nhưng hình dạng khác nhau sẽ có diện tích tiếp xúc khác nhau, dẫn đến lực London khác nhau. Phân tử dài, dẹt có nhiều diện tích tiếp xúc hơn phân tử cầu, gọn, nên lực London mạnh hơn và nhiệt độ sôi cao hơn. Do đó, khi so sánh sức mạnh của lực phân tán London, ta phải xét cả số lượng êlectron lẫn hình dạng phân tử.

Trực giác: Như một người đứng yên bỗng nhiên dồn trọng lượng sang một bên trong tích tắc, làm người kế bên cũng bị nghiêng theo, rồi người tiếp theo cũng vậy — hiệu ứng lan dần từng người.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

khoảng 1928–1930Fritz London

Lực phân tán London được nhà vật lý gốc Đức Fritz London giải thích lần đầu vào khoảng 1928–1930, nhằm trả lời câu hỏi vì sao những nguyên tử và phân tử trung hòa, phân bố electron đối xứng, vẫn hút được nhau.

Trước London, người ta đã biết các chất khí trơ và các phân tử không phân cực vẫn hóa lỏng khi đủ lạnh, nghĩa là giữa chúng phải tồn tại một lực hút nào đó. Nhưng những phân tử này không mang điện tích cũng không có lưỡng cực vĩnh cửu, nên lời giải cổ điển bế tắc. Dùng công cụ của cơ học lượng tử, London chỉ ra rằng đám mây electron luôn dao động; tại mỗi khoảnh khắc, sự phân bố lệch tạm thời tạo ra một lưỡng cực tức thời (instantaneous dipole), và lưỡng cực này làm biến dạng đám mây electron của hạt bên cạnh, sinh ra lưỡng cực cảm ứng (induced dipole). Hai lưỡng cực đó hút nhau. Nhờ vậy, lực hút yếu nhất trong các lực liên phân tử cuối cùng cũng có nền tảng lý thuyết.

Hay hiểu sai

Lực phân tán London tồn tại ở MỌI chất, không riêng phân tử không phân cực.

Nói "khối lượng mol lớn hơn nên nhiệt độ sôi cao hơn" là lập luận thiếu, thường không được điểm.

Lực London luôn yếu hơn lực lưỡng cực–lưỡng cực là một khẳng định sai.

Đun sôi một chất không phá vỡ liên kết cộng hóa trị bên trong phân tử.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh đo nhiệt độ sôi của hai chất có cùng công thức phân tử

\text{C}_5\text{H}_{12}

và cùng khối lượng mol

72{,}15\ \text{g/mol}

. Chất thứ nhất là pentan, mạch cacbon thẳng gồm năm nguyên tử C nối tiếp, sôi ở

309\ \text{K}

. Chất thứ hai là 2,2-đimetylpropan, có một nguyên tử C trung tâm gắn bốn nhóm

\text{CH}_3

nên phân tử gần như hình cầu, sôi ở

283\ \text{K}

. Cả hai đều chỉ chứa liên kết C–C và C–H.

aNêu loại lực liên phân tử duy nhất tồn tại giữa các phân tử trong mỗi chất và mô tả ngắn gọn nguồn gốc của lực đó.
bGiải thích, dựa trên cấu trúc phân tử, vì sao nhiệt độ sôi của pentan cao hơn của 2,2-đimetylpropan.

1Bước 1: Trước hết phải xác định độ phân cực của phân tử. Hiệu độ âm điện giữa C và H rất nhỏ, đồng thời cả hai phân tử đều có hình học sắp xếp gần đối xứng nên các mômen lưỡng cực liên kết triệt tiêu nhau, cho

\mu \approx 0

. Vì không có cực vĩnh cửu và không có nguyên tử H gắn trực tiếp vào N, O hay F, hai chất này không thể có lực lưỡng cực–lưỡng cực (dipole–dipole forces) hay liên kết hydrogen. Do đó lực liên phân tử duy nhất trong cả hai chất là lực phân tán London.

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 nàyLực liên phân tử · bài “Lực liên phân tử và giữa các hạt” — khoá AP Chemistry

Cần trướcelectron

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

tương tác lưỡng cực–lưỡng cực (dipole–dipole interactions)dipole–dipole interactions

Khác nhau ở đâuLực phân tán London có ở mọi phân tử, sinh ra từ lưỡng cực tạm thời do electron chuyển động. Tương tác lưỡng cực–lưỡng cực chỉ có giữa các phân tử phân cực vĩnh cửu.

Hay nhầm khiĐề hỏi 'chất X có những lực liên phân tử nào' và học sinh ghi thiếu lực phân tán London vì nghĩ nó chỉ dành cho chất không phân cực.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 524, 1378, 1435.

2Ví dụ 2/2

Bảng dữ liệu cho hai chất:

\text{HCl}

có khối lượng mol

36{,}46\ \text{g/mol}

, mômen lưỡng cực

\mu = 1{,}08\ \text{D}

và sôi ở

188\ \text{K}

;

\text{I}_2

có khối lượng mol

253{,}8\ \text{g/mol}

\mu = 0

và sôi ở

457\ \text{K}

. Một học sinh kết luận rằng dữ liệu này "sai", vì phân tử phân cực thì phải sôi cao hơn phân tử không cực.

aLiệt kê tất cả các lực liên phân tử có mặt trong mỗi chất ở trạng thái lỏng.
bGiải thích vì sao $\text{I}_2$ sôi cao hơn $\text{HCl}$ và chỉ ra chỗ sai trong lập luận của học sinh.

1Bước 1:

\text{HCl}

là phân tử hai nguyên tử với hiệu độ âm điện đáng kể nên có cực vĩnh cửu; giữa các phân tử

\text{HCl}

vừa có lực lưỡng cực–lưỡng cực vừa có lực phân tán London, vì mọi chất đều có lực London.

\text{I}_2

gồm hai nguyên tử giống nhau nên hoàn toàn không cực, và lực liên phân tử duy nhất của nó là lực phân tán London. Lưu ý

\text{HCl}

không tạo được liên kết hydrogen vì Cl không thuộc nhóm N, O, F.

2Bước 2: Độ mạnh của lực London phụ thuộc vào độ phân cực hóa (polarizability), tức mức độ dễ biến dạng của đám mây electron. Đếm electron cho thấy chênh lệch rất lớn:

\text{HCl}

có

1 + 17 = 18

electron, còn

\text{I}_2

có

2 \times 53 = 106

electron. Nhờ đó, đám mây electron của

\text{I}_2

vừa nhiều electron vừa trải rộng, các electron ngoài cùng bị hạt nhân giữ lỏng lẻo hơn.

3Bước 3: Đám mây electron càng lớn và càng lỏng lẻo thì lưỡng cực tức thời hình thành càng mạnh, kéo theo lưỡng cực cảm ứng càng mạnh ở phân tử lân cận. Vì vậy lực London giữa các phân tử

\text{I}_2

vượt xa tổng của lực lưỡng cực–lưỡng cực cộng lực London yếu ớt trong

\text{HCl}

. Chênh lệch nhiệt độ sôi

457 - 188 = 269\ \text{K}

cho thấy khoảng cách này rất lớn chứ không phải sát sao.

4Bước 4: Chỗ sai của học sinh là coi lực lưỡng cực–lưỡng cực luôn thắng lực London. Quy tắc "phân cực thì sôi cao hơn" chỉ dùng được khi hai chất có khối lượng mol và số electron xấp xỉ nhau, ví dụ khi so

\text{HCl}

với

\text{F}_2

hay

\text{Ar}

. Khi số electron chênh nhau gấp nhiều lần như ở đây, lực London trở thành yếu tố quyết định. Trong bài thi, câu trả lời cần nói rõ "số electron nhiều hơn nên độ phân cực hóa lớn hơn", chỉ viết "khối lượng mol lớn hơn" thường không được trọn điểm.

Trong $\text{HCl}$ lỏng có cả lực lưỡng cực–lưỡng cực lẫn lực phân tán London, còn trong $\text{I}_2$ lỏng chỉ có lực phân tán London. Tuy vậy $\text{I}_2$ mang $106$ electron so với $18$ electron của $\text{HCl}$ , nên đám mây electron của nó dễ biến dạng hơn nhiều và tạo ra lưỡng cực tức thời mạnh hơn hẳn. Do đó lực London trong $\text{I}_2$ áp đảo toàn bộ lực liên phân tử trong $\text{HCl}$ , giải thích nhiệt độ sôi $457\ \text{K}$ so với $188\ \text{K}$ ; kết luận của học sinh sai vì đã bỏ qua vai trò của độ phân cực hóa.