Đang tải bài học…

AP Chemistry

momen lưỡng cực

dipole moment

Còn gọi: moment lưỡng cực

Momen lưỡng cực là đại lượng đo mức độ phân cực của phân tử, dựa trên độ lớn điện tích và khoảng cách giữa hai tâm điện tích trái dấu.

Khi hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau liên kết với nhau, đám mây điện tử (electron) sẽ bị kéo lệch về phía nguyên tử âm điện hơn, tạo ra một liên kết cộng hóa trị (covalent bond) có cực. Sự phân bố điện tích không đều này khiến cho một đầu của liên kết tích điện dương một phần, còn đầu kia tích điện âm một phần. Do đó, phân tử xuất hiện một lưỡng cực, và người ta dùng momen lưỡng cực (dipole moment) để định lượng mức độ phân cực đó.

Về mặt toán học, đại lượng này được tính bằng tích của độ lớn điện tích riêng phần và khoảng cách giữa hai tâm điện tích. Công thức liên hệ là $\mu = Q \cdot r$ , trong đó $Q$ là điện tích riêng phần tính bằng coulomb, còn $r$ là khoảng cách giữa hai tâm điện tích tính bằng mét. Nhờ đó, ta thấy rằng liên kết càng phân cực hoặc khoảng cách giữa hai nguyên tử càng lớn thì giá trị này càng cao. Tuy nhiên, đối với một phân tử có nhiều liên kết, ta không thể chỉ xét từng liên kết riêng lẻ mà phải cộng gộp các vectơ lại với nhau.

Hệ quả của việc cộng gộp này phụ thuộc hoàn toàn vào hình dạng không gian của phân tử. Nếu các liên kết phân cực sắp xếp đối xứng, chẳng hạn như trong khí cacbonic, các vectơ sẽ triệt tiêu lẫn nhau và phân tử không có momen lưỡng cực tổng cộng. Ngược lại, một phân tử có cấu tạo lệch như nước lại sở hữu một momen lưỡng cực đáng kể, giúp nó dễ dàng tạo ra các lực liên phân tử mạnh mẽ. Vì vậy, việc kết hợp giữa độ âm điện và hình học phân tử (molecular geometry) là chìa khóa để dự đoán tính chất vật lý của chất.

Ký hiệu

\mu

Q

r

Đơn vịDebye (D)

Trực giác: Hãy tưởng tượng một nam châm thanh nhỏ luôn có hai đầu bắc nam tách biệt, giống như phân tử nước luôn có một đầu tích điện dương và một đầu tích điện âm rõ rệt.

Công thức

\mu = \htmlClass{fp-0}{Q} \cdot \htmlClass{fp-1}{r}

Dùng để tính toán định lượng mức độ phân cực của một liên kết hoặc phân tử khi biết độ lớn điện tích riêng phần và khoảng cách giữa hai tâm điện tích.

Trong đó

\mu

momen lưỡng cực, thường được quy đổi sang đơn vị Debye — D

Q

độ lớn điện tích riêng phần trên mỗi nguyên tử — C

r

khoảng cách giữa hai tâm điện tích dương và âm — m

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1912Peter DebyeLinus Pauling

Khái niệm momen lưỡng cực được nhà khoa học Peter Debye đưa ra năm 1912 để giải thích tính chất điện của phân tử, và được Linus Pauling phát triển thêm trong hóa học vào năm 1932.

Đầu thế kỷ 20, các nhà nghiên cứu đã biết rằng nhiều chất phản ứng rất khác nhau khi đặt trong điện trường, nhưng chưa có một đại lượng gọn gàng nào để mô tả mức độ "lệch điện" bên trong từng phân tử. Năm 1912, Peter Debye đưa ra momen lưỡng cực điện dưới dạng một đại lượng vectơ, nhờ đó sự phân bố điện tích không đều trong phân tử được quy về một mũi tên có độ lớn và hướng xác định. Đến năm 1932, Linus Pauling tiếp tục phát triển ý tưởng này trong hóa học, gắn nó với bản chất của liên kết giữa các nguyên tử. Từ đó, đại lượng này trở thành công cụ tiêu chuẩn để bàn về phân tử phân cực (polar molecule).

Thử nghiệm tương tác

Xoay phân tử C₂N₂ — hai lưỡng cực liên kết ngược chiều nhau thì tổng bằng không

Hay hiểu sai

Liên kết phân cực không đảm bảo phân tử phân cực.

Bỏ quên cặp electron chưa liên kết khi xét tính phân cực là mất điểm.

Từ "đối xứng" viết trống không không được chấm điểm.

Phân tử có momen lưỡng cực lớn hơn chưa chắc có lực liên phân tử mạnh hơn.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Xianogen có công thức phân tử

C_2N_2

. Công thức Lewis đúng của nó là

N\equiv C-C\equiv N

, trong đó mỗi nguyên tử nitrogen còn một cặp electron chưa liên kết và toàn bộ bốn nguyên tử nằm trên cùng một đường thẳng. Bảng độ âm điện (electronegativity) cho

N = 3{,}0

;

C = 2{,}5

. Thực nghiệm đo được momen lưỡng cực của phân tử này bằng 0, trong khi phân tử

HCN

(cũng thẳng) lại có momen lưỡng cực khác 0 và khá lớn.

aXác định chiều và độ lớn tương đối của các momen lưỡng cực liên kết (bond dipole) trong $C_2N_2$ .
bDựa vào momen lưỡng cực liên kết và hình học phân tử (molecular geometry), giải thích vì sao momen lưỡng cực của $C_2N_2$ bằng 0.
cGiải thích vì sao $HCN$ có momen lưỡng cực khác 0 dù cũng là phân tử thẳng.

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 “Các loại liên kết hóa học” — khoá AP Chemistry

Cần trướchình học phân tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

momen lưỡng cực liên kết (bond dipole)bond dipole

Khác nhau ở đâuMomen lưỡng cực liên kết đo độ phân cực của một liên kết đơn lẻ giữa hai nguyên tử. Momen lưỡng cực phân tử là tổng vectơ của tất cả momen lưỡng cực liên kết trong toàn bộ phân tử.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi tại sao phân tử có liên kết phân cực nhưng vẫn không phân cực (ví dụ CO₂)

độ phân cực liên kết (bond polarity)bond polarity

Khác nhau ở đâuĐộ phân cực liên kết mô tả định tính sự phân bố electron không đều giữa hai nguyên tử. Momen lưỡng cực đo định lượng mức độ phân cực bằng tích điện tích riêng phần và khoảng cách.

Hay nhầm khiKhi đề yêu cầu so sánh mức độ phân cực giữa các phân tử khác nhau

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15, 386–387.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi ghép từ hai phần đều rất sát nghĩa. "Lưỡng cực" dịch từ dipole, trong đó tiền tố di- nghĩa là hai và pole là cực: một đầu mang phần điện tích âm trội hơn, đầu kia mang phần dương, hai cực này luôn đi thành cặp chứ không tồn tại riêng lẻ. Phần "momen" giữ đúng nghĩa quen thuộc trong vật lý, tức tích của một đại lượng với khoảng cách — ở đây là độ lớn điện tích nhân với khoảng cách giữa hai cực — nên tên gọi thực chất mô tả luôn cách tính. Điểm đáng nhớ nhất nằm ở đơn vị đo: đơn vị debye (D) được đặt theo chính tên người đưa ra khái niệm, nên khi đề thi ghi một giá trị kèm chữ D, con số ấy vẫn đang nhắc lại nguồn gốc lịch sử của đại lượng.

Xoay phân tử C₂N₂ — hai lưỡng cực liên kết ngược chiều nhau thì tổng bằng không

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Luôn vẽ công thức Lewis và xác định hình học trước khi kết luận về momen lưỡng cực.

Khi đề nói "explain based on bond dipoles and molecular geometry", phải trả lời đủ cả hai từ khóa.

Đừng dùng momen lưỡng cực để lý giải điện tích hình thức hay ngược lại.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết phải xét từng liên kết một. Liên kết

C-C

ở giữa nối hai nguyên tử giống hệt nhau nên hiệu độ âm điện bằng 0; liên kết này hoàn toàn không phân cực và không đóng góp gì. Ngược lại, mỗi liên kết

C\equiv N

có

\Delta EN = 3{,}0 - 2{,}5 = 0{,}5

, nên nitrogen mang một phần điện tích âm còn carbon mang một phần điện tích dương. Do đó mỗi liên kết ba tạo ra một vectơ momen lưỡng cực hướng từ carbon về phía nitrogen.

2Bước 2: Vì hai liên kết

C\equiv N

là hai liên kết giống hệt nhau giữa cùng một cặp nguyên tố, chúng có cùng độ lớn momen lưỡng cực. Điểm mấu chốt nằm ở chiều: nguyên tử nitrogen thứ nhất nằm ở đầu trái, nitrogen thứ hai nằm ở đầu phải, nên hai vectơ hướng ra hai phía ngược nhau dọc theo trục phân tử. Đây chính là điều kiện để hai vectơ triệt tiêu nhau, chứ không phải vì bản thân các liên kết không phân cực.

3Bước 3: Bây giờ cộng vectơ. Phân tử thẳng và đối xứng qua trung điểm của liên kết

C-C

, nên

\vec{\mu}_1 + \vec{\mu}_2 = \vec{0}

, tức

\mu_{total} = 0

. Câu trả lời cho ý (b) phải nêu đủ hai vế: các liên kết

C\equiv N

có phân cực, nhưng do phân tử thẳng và đối xứng nên hai momen lưỡng cực liên kết bằng nhau về độ lớn và ngược chiều, bởi vậy chúng triệt tiêu và phân tử không phân cực.

4Bước 4: Với

HCN

(

H-C\equiv N

), tình hình khác hẳn. Hai đầu phân tử không còn giống nhau: liên kết

C\equiv N

kéo electron về phía nitrogen, còn liên kết

C-H

(

\Delta EN = 2{,}5 - 2{,}1 = 0{,}4

) lại kéo electron về phía carbon, tức là cùng chiều với vectơ kia chứ không ngược chiều. Vì vậy hai momen lưỡng cực liên kết cộng dồn thay vì triệt tiêu, cho

\mu \neq 0

với đầu nitrogen mang điện tích âm. Bài học rút ra là hình học đối xứng chỉ triệt tiêu được momen lưỡng cực khi các nhóm gắn ở hai đầu là như nhau.

Mỗi liên kết $C\equiv N$ trong $C_2N_2$ đều phân cực với vectơ hướng từ carbon sang nitrogen, còn liên kết $C-C$ ở giữa không phân cực. Do phân tử thẳng và đối xứng, hai vectơ này có cùng độ lớn nhưng ngược chiều nên triệt tiêu hoàn toàn, làm cho momen lưỡng cực của cả phân tử bằng 0 và $C_2N_2$ là phân tử không phân cực. Trong $HCN$ , hai đầu phân tử khác nhau nên các momen lưỡng cực liên kết cộng dồn theo cùng một chiều, khiến phân tử có momen lưỡng cực khác 0.

2Ví dụ 2/2

Phân tử

HF

có độ dài liên kết

r = 91{,}7 \text{ pm}

và momen lưỡng cực đo được bằng thực nghiệm là

1{,}82 \text{ D}

. Biết điện tích nguyên tố

e = 1{,}602 \times 10^{-19} \text{ C}

và

1 \text{ D} = 3{,}34 \times 10^{-30} \text{ C}\cdot\text{m}

. Để so sánh, phân tử

HCl

có

r = 127 \text{ pm}

và momen lưỡng cực

1{,}08 \text{ D}

aTính momen lưỡng cực của $HF$ nếu liên kết là ion hoàn toàn, tức là hydrogen mang điện tích $+1e$ và fluorine mang $-1e$ .
bTừ đó tính phần trăm tính ion (percent ionic character) của liên kết $H-F$ .
cGiải thích vì sao $HCl$ có momen lưỡng cực nhỏ hơn $HF$ mặc dù độ dài liên kết của nó lớn hơn.

1Bước 1: Công thức nền tảng là

\mu = Qr

, trong đó

Q

là độ lớn của hai điện tích trái dấu và

r

là khoảng cách giữa chúng. Trước khi thay số phải đổi đơn vị về hệ SI:

91{,}7 \text{ pm} = 91{,}7 \times 10^{-12} \text{ m} = 9{,}17 \times 10^{-11} \text{ m}

. Thiếu bước đổi đơn vị này thì kết quả sẽ lệch hàng chục bậc, một lỗi rất hay gặp khi chấm.

2Bước 2: Thay giá trị điện tích nguyên tố vào công thức:

\mu = (1{,}602 \times 10^{-19})(9{,}17 \times 10^{-11}) = 1{,}47 \times 10^{-29} \text{ C}\cdot\text{m}

Con số này là momen lưỡng cực giả định khi electron chuyển hẳn từ hydrogen sang fluorine. Đổi sang đơn vị debye cho dễ so sánh với số liệu thực nghiệm:

\mu = \frac{1{,}47 \times 10^{-29}}{3{,}34 \times 10^{-30}} = 4{,}40 \text{ D}

3Bước 3: So sánh giá trị thực nghiệm với giá trị lý tưởng vừa tính được sẽ cho biết liên kết "ion đến mức nào":

\frac{1{,}82}{4{,}40} \times 100\% = 41{,}4\%

Kết quả này nói rằng liên kết

H-F

chỉ mang khoảng 41% tính ion, nghĩa là điện tích thực tế trên mỗi nguyên tử chỉ vào cỡ

\pm 0{,}41e

chứ không phải

\pm 1e

. Vì vậy

HF

được xếp là liên kết cộng hóa trị phân cực (polar covalent bond) chứ không phải liên kết ion.

4Bước 4: Với

HCl

, nếu làm phép tính tương tự thì giá trị ion hoàn toàn là

(1{,}602 \times 10^{-19})(1{,}27 \times 10^{-10}) = 2{,}03 \times 10^{-29} \text{ C}\cdot\text{m}

, tức

6{,}08 \text{ D}

, và phần trăm tính ion chỉ còn

1{,}08/6{,}08 = 17{,}8\%

. Nguyên nhân nằm ở hiệu độ âm điện:

\Delta EN

của

H-F

là

4{,}0 - 2{,}1 = 1{,}9

trong khi của

H-Cl

chỉ là

3{,}0 - 2{,}1 = 0{,}9

. Do fluorine hút electron mạnh hơn nhiều, độ lệch điện tích

Q

trong

HF

lớn hơn hẳn, và ảnh hưởng của

Q

ở đây áp đảo ảnh hưởng của khoảng cách

r

dài hơn trong

HCl

Nếu liên kết $H-F$ là ion hoàn toàn thì momen lưỡng cực sẽ là $1{,}47 \times 10^{-29} \text{ C}\cdot\text{m}$ , tương đương $4{,}40 \text{ D}$ ; so với giá trị thực nghiệm $1{,}82 \text{ D}$ , liên kết này có khoảng 41% tính ion. $HCl$ có momen lưỡng cực nhỏ hơn vì hiệu độ âm điện giữa $H$ và $Cl$ chỉ bằng khoảng một nửa so với $H$ và $F$ , nên độ lệch điện tích $Q$ nhỏ hơn nhiều và bù trừ hết phần lợi thế về độ dài liên kết.

phân tử phân cực (sắp có)

Liên quanđộ âm điệntương tác lưỡng cực–lưỡng cực (sắp có)lực ion-lưỡng cực (sắp có)

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