Đang tải bài học…

AP Chemistry

phân tử

molecule

Còn gọi: molecules

Phân tử là nhóm gồm hai hay nhiều nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị và trung hòa về điện tích.

Phân tử là đơn vị nhỏ nhất của một chất vẫn giữ được thành phần nguyên tố (elemental composition) đặc trưng của chất đó. Trong thế giới vi mô, các nguyên tử hiếm khi đứng riêng lẻ mà thường kết hợp với nhau để tạo thành những cấu trúc bền vững hơn. Một phân tử có thể chỉ gồm vài nguyên tử đơn giản như khí ô-xy ( $O_2$ ), nhưng cũng có thể chứa hàng nghìn nguyên tử sắp xếp phức tạp như prô-tê-in hay ADN. Do đó, khái niệm phân tử đóng vai trò trung tâm trong việc mô tả cấu trúc vật chất ở cấp độ hóa học.

Các nguyên tử trong phân tử được giữ chặt với nhau nhờ liên kết cộng hóa trị, tức là sự chia sẻ hạt êlec-trôn giữa những nguyên tử phi kim. Nhờ đó, mỗi nguyên tử đạt được cấu hình êlec-trôn bền vững tương tự khí hiếm. Vì tổng điện tích của phân tử luôn bằng không, nó khác hẳn với ion vốn mang điện tích dương hoặc âm. Ngược lại với hợp chất ion nơi các ion xếp thành mạng tinh thể khổng lồ, phân tử tồn tại như những đơn vị độc lập và riêng biệt trong không gian.

Công thức phân tử cho biết chính xác số lượng từng loại nguyên tử có trong phân tử, chẳng hạn $C_6H_{12}O_6$ cho đường glu-cô-zơ. Tuy nhiên, công thức đơn giản nhất chỉ thể hiện tỉ lệ tối giản giữa các nguyên tử; ví dụ hợp chất hy-đrô pê-rô-xít có công thức phân tử $H_2O_2$ nhưng công thức đơn giản nhất chỉ là $HO$ . Vì vậy, để hiểu đầy đủ về một phân tử, người ta còn cần biết cách các nguyên tử sắp xếp trong không gian ba chiều qua mô hình que-nút hoặc mô hình lấp đầy khoảng trống.

Ký hiệu

O_2

H_2O

CO_2

C_6H_{12}O_6

Trực giác: Phân tử giống như một nhóm bạn nắm chặt tay nhau khi nhảy vòng tròn — mỗi người là một nguyên tử, và cái nắm tay chính là liên kết cộng hóa trị giữ cả nhóm lại thành một đơn vị không thể tách rời mà không làm thay đổi tính chất của trò chơi.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

thế kỷ 17 (dạng chữ Pháp molécule ghi nhận năm 1678); khái niệm hóa học gắn với định luật Avogadro năm 1811René DescartesRobert BoyleWilliam HigginsJohn DaltonAmedeo Avogadro

Thử nghiệm tương tác

Xoay khối nước — đếm xem cụm này dừng lại ở đâu

Hay hiểu sai

Hợp chất ion không tồn tại dưới dạng phân tử.

Axit mạnh trong nước không còn phân tử $HA$ nào để vẽ.

Lực giữa các phân tử yếu hơn nhiều so với liên kết trong phân tử.

Phân tử không phân cực vẫn có liên kết phân cực.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một học sinh khảo sát bốn chất tinh khiết ở điều kiện phòng:

\mathrm{CH_4}

\mathrm{KBr}

\mathrm{SO_2}

và

\mathrm{CaCl_2}

. Bảng tuần hoàn cho biết

\mathrm{K}

và

\mathrm{Ca}

là kim loại nhóm

1

và nhóm

2

, còn

\mathrm{C}

\mathrm{H}

\mathrm{O}

\mathrm{S}

\mathrm{Br}

\mathrm{Cl}

đều là phi kim. Khối lượng mol:

M(\mathrm{SO_2}) = 64{,}07\ \mathrm{g/mol}

aChất nào trong bốn chất trên được biểu diễn bằng một đơn vị công thức chứ không phải bằng một phân tử? Giải thích.
bHoà tan riêng $\mathrm{KBr}$ và $\mathrm{CH_3OH}$ vào nước. Mô tả mô hình hạt biểu diễn một phần của mỗi dung dịch (bỏ qua các phân tử nước) và chỉ ra điểm khác nhau cốt lõi giữa hai mô hình.
cTính số phân tử $\mathrm{SO_2}$ có trong mẫu nặng $6{,}40\ \mathrm{g}$ .

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 “Cấu trúc phân tử & ion” — khoá AP Chemistry

Cần trướcnguyên tử

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nguyên tửatom

Khác nhau ở đâuNguyên tử là hạt nhỏ nhất của một nguyên tố còn giữ tính chất hóa học, tồn tại đơn lẻ hoặc liên kết với nguyên tử khác. Phân tử gồm hai nguyên tử trở lên liên kết hóa học với nhau và mang tính chất riêng biệt của hợp chất hoặc đơn chất tạo thành.

Hay nhầm khiĐề hỏi tính số hạt vi mô trong một mẫu chất, thí sinh nhầm khối lượng nguyên tử với khối lượng phân tử khi chất tồn tại ở dạng phân tử như O₂ hay H₂O.

ionion

Khác nhau ở đâuPhân tử là hạt trung hòa điện, tổng điện tích các proton và electron bằng không. Ion mang điện tích dương hoặc âm do mất hay nhận thêm electron so với trạng thái trung hòa.

Hay nhầm khiViết phương trình ion rút gọn, thí sinh nhầm một phân tử trung hòa như H₂O với ion đa nguyên tử như OH⁻ và gán sai điện tích.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 11, 13–14.

Từ "phân tử" xuất hiện trong tiếng Pháp từ thế kỷ 17 và trở nên phổ biến qua các thảo luận triết học tự nhiên của René Descartes; đến năm 1811 định luật Avogadro dùng khái niệm hạt hợp thành của chất khí, còn bằng chứng thực nghiệm dứt điểm đến từ công trình của Jean Perrin về chuyển động Brown năm 1911.

Trước khi có phân tử, hóa học chỉ mô tả được chất chứ chưa giải thích được vì sao chất biến đổi. Năm 1661, Robert Boyle nêu giả thuyết rằng vật chất gồm những cụm hạt nhỏ mà ông gọi là "tiểu thể" (corpuscles), và biến đổi hóa học chẳng qua là sự sắp xếp lại các cụm ấy. Ý tưởng đó lớn dần khi William Higgins (1789) bàn về cách các hạt tối hậu kết hợp với nhau, rồi khi các định luật tỉ lệ xác định và tỉ lệ bội của Dalton (1803–1808) cùng định luật Avogadro (1811) buộc người ta phải giả định có những đơn vị hạt bền vững. Tuy vậy, nhiều nhà vật lý theo chủ nghĩa thực chứng vẫn xem phân tử chỉ là một công cụ toán học tiện lợi. Phải đến khi Perrin nghiên cứu chuyển động Brown (1911), sự tồn tại thật của phân tử mới được coi là đã chứng minh.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe có vẻ chẳng liên quan gì đến hóa học, vì gốc của nó nói về khối lượng chứ không nói về liên kết. Chữ này đi từ tiếng Pháp molécule vào tiếng Anh, mà tiếng Pháp lại mượn từ molecula trong tiếng Latinh mới — đây là dạng giảm nhẹ (diminutive) của moles, nghĩa là "khối, đống, vật chắn". Vì vậy nghĩa đen của phân tử chỉ đơn giản là "khối rất nhỏ", một hạt bé đến mức không nhìn thấy được, và cách hiểu đó khớp với cách người thế kỷ 17 hình dung vật chất gồm vô số mảnh li ti. Cũng chính gốc moles ấy sinh ra đơn vị mol trong hóa học, nên hai từ tưởng chừng xa nhau lại là họ hàng gần. Đáng chú ý là các nguồn không thống nhất về người đầu tiên đặt ra từ này: có nơi ghi công cho René Descartes trong các bàn luận triết học tự nhiên, có nơi nhắc đến nhà vật lý người Pháp Pierre Gassendi. Nội dung của khái niệm cũng đổi theo thời gian: định nghĩa cũ coi phân tử là hạt nhỏ nhất còn giữ được thành phần và tính chất hóa học của chất tinh khiết, nhưng cách nói đó vấp phải thực tế rằng muối và kim loại được tạo bởi nguyên tử hoặc ion chứ không phải phân tử.

Xoay khối nước — đếm xem cụm này dừng lại ở đâu

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

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Viết rõ chữ "giữa các phân tử" hay "trong phân tử" khi giải thích tính chất vật lý.

Đếm hạt trong hình vẽ trước khi chọn đáp án.

Đọc kỹ từ khóa "molecule" và "formula unit" trong đề tiếng Anh.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết phải xác định bản chất liên kết trong từng chất, vì chính điều này quyết định hạt cơ bản của mẫu là gì.

\mathrm{CH_4}

và

\mathrm{SO_2}

chỉ gồm các phi kim liên kết cộng hoá trị với nhau, nên chúng tồn tại thành những nhóm nguyên tử riêng biệt, trung hoà điện và có ranh giới rõ ràng. Ngược lại,

\mathrm{KBr}

và

\mathrm{CaCl_2}

là hợp chất giữa kim loại và phi kim, được giữ với nhau bằng lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu. Do đó hai chất sau không hề chứa những nhóm nguyên tử tách rời nhau.

2Bước 2: Trong tinh thể ion, mỗi

\mathrm{K^+}

bị nhiều

\mathrm{Br^-}

bao quanh và ngược lại, mạng lưới kéo dài liên tục nên ta không thể khoanh vùng "một hạt

\mathrm{KBr}

" nào cả. Vì vậy công thức

\mathrm{KBr}

chỉ nói lên tỉ lệ số ion đơn giản nhất là

1:1

, và người ta gọi đó là một đơn vị công thức (formula unit) thay vì một phân tử. Lập luận tương tự cho

\mathrm{CaCl_2}

với tỉ lệ

\mathrm{Ca^{2+}}:\mathrm{Cl^-} = 1:2

. Đáp án cho ý (a) là

\mathrm{KBr}

và

\mathrm{CaCl_2}

3Bước 3: Khi

\mathrm{KBr}

tan, mạng tinh thể bị phá vỡ và các ion tách rời nhau, nên mô hình hạt phải vẽ các quả cầu

\mathrm{K^+}

và

\mathrm{Br}^-

nằm riêng lẻ, rải rác, với số quả cầu dương bằng số quả cầu âm. Còn

\mathrm{CH_3OH}

là chất cộng hoá trị: nó chỉ được nước tách rời khỏi nhau chứ không bị bẻ gãy liên kết bên trong, nên mô hình phải vẽ các cụm

\mathrm{CH_3OH}

nguyên vẹn, không mang điện. Điểm khác nhau cốt lõi vì thế nằm ở chỗ dung dịch

\mathrm{KBr}

chứa hạt mang điện tách rời, còn dung dịch

\mathrm{CH_3OH}

chỉ chứa các hạt trung hoà nguyên vẹn.

4Bước 4: Với ý (c), ta đổi khối lượng sang số mol rồi nhân với hằng số Avogadro:

n = \frac{6{,}40}{64{,}07} = 0{,}0999\ \mathrm{mol}

N = 0{,}0999 \times 6{,}022\times10^{23} = 6{,}02\times10^{22}

Kết quả cho biết mẫu chứa khoảng

6{,}02\times10^{22}

hạt

\mathrm{SO_2}

riêng biệt, tức mỗi hạt gồm đúng một nguyên tử

\mathrm{S}

và hai nguyên tử

\mathrm{O}

$\mathrm{KBr}$ và $\mathrm{CaCl_2}$ là hợp chất ion nên chỉ được mô tả bằng đơn vị công thức, trong khi $\mathrm{CH_4}$ và $\mathrm{SO_2}$ thực sự tồn tại thành từng phân tử rời. Chính sự khác biệt này phản ánh vào mô hình hạt của dung dịch: $\mathrm{KBr}$ cho các ion $\mathrm{K^+}$ và $\mathrm{Br^-}$ tách rời theo tỉ lệ $1:1$ , còn $\mathrm{CH_3OH}$ giữ nguyên các hạt trung hoà. Và vì $\mathrm{SO_2}$ là chất phân tử, ta đếm được số hạt của nó một cách trực tiếp: $6{,}40\ \mathrm{g}$ tương ứng $6{,}02\times10^{22}$ phân tử.

2Ví dụ 2/2

Ba chất dưới đây có khối lượng mol gần bằng nhau nhưng nhiệt độ sôi rất khác nhau: propane

\mathrm{C_3H_8}

(

M = 44{,}1\ \mathrm{g/mol}

, sôi ở

-42\ ^\circ\mathrm{C}

), dimethyl ether

\mathrm{CH_3OCH_3}

(

M = 46{,}1\ \mathrm{g/mol}

, sôi ở

-24\ ^\circ\mathrm{C}

) và ethanol

\mathrm{CH_3CH_2OH}

(

M = 46{,}1\ \mathrm{g/mol}

, sôi ở

78\ ^\circ\mathrm{C}

). Hai chất sau có cùng công thức phân tử

\mathrm{C_2H_6O}

aPhân tử nào phân cực? Nêu lực liên phân tử mạnh nhất tồn tại giữa hai phân tử cùng loại trong pha lỏng của mỗi chất.
bDựa vào các lực đó, giải thích thứ tự nhiệt độ sôi đã cho.

1Bước 1: Tính phân cực của một phân tử phụ thuộc đồng thời vào độ phân cực của từng liên kết và vào hình học của phân tử. Trong

\mathrm{C_3H_8}

, hiệu độ âm điện giữa

\mathrm{C}

và

\mathrm{H}

rất nhỏ nên phân tử coi như không phân cực. Ở

\mathrm{CH_3OCH_3}

và

\mathrm{CH_3CH_2OH}

, nguyên tử oxygen vừa có độ âm điện lớn vừa mang hai cặp electron chưa liên kết khiến khung phân tử gấp khúc, do đó các mômen lưỡng cực không triệt tiêu và cả hai đều là phân tử phân cực (polar molecule).

2Bước 2: Mọi chất đều có lực phân tán London (London dispersion forces), nhưng vì ba chất có khối lượng mol xấp xỉ nhau nên phần đóng góp này gần như bằng nhau và không giải thích được khác biệt. Giữa hai phân tử phân cực bất kỳ luôn xuất hiện thêm lực lưỡng cực–lưỡng cực (dipole–dipole force), mạnh hơn lực London ở cùng kích thước. Trường hợp mạnh nhất của loại lực này xảy ra khi hydrogen gắn trực tiếp vào

\mathrm{N}

\mathrm{O}

hoặc

\mathrm{F}

, khi đó ta gọi riêng là liên kết hydrogen (hydrogen bonding). Chỉ ethanol có nhóm

-\mathrm{OH}

, còn dimethyl ether tuy cũng chứa oxygen nhưng mọi hydrogen của nó đều gắn vào carbon.

3Bước 3: Từ đó, lực chi phối trong

\mathrm{C_3H_8}

chỉ là lực phân tán London, trong

\mathrm{CH_3OCH_3}

là lực lưỡng cực–lưỡng cực, còn trong

\mathrm{CH_3CH_2OH}

là liên kết hydrogen. Đun sôi nghĩa là cung cấp đủ năng lượng để tách các phân tử ra xa nhau, nên lực hút càng mạnh thì nhiệt độ sôi càng cao. Thứ tự

-42\ ^\circ\mathrm{C} < -24\ ^\circ\mathrm{C} < 78\ ^\circ\mathrm{C}

vì vậy trùng khớp với thứ tự tăng dần của độ mạnh lực liên phân tử.

4Bước 4: Bước cuối là kiểm tra tính hợp lý của lập luận. Khoảng cách

18\ ^\circ\mathrm{C}

giữa propane và dimethyl ether là mức chênh khiêm tốn, phù hợp với việc chỉ thêm tương tác lưỡng cực vừa phải. Ngược lại, bước nhảy hơn

100\ ^\circ\mathrm{C}

từ dimethyl ether sang ethanol lớn hơn hẳn, đúng như dự đoán khi có liên kết hydrogen — và điều đáng chú ý là hai chất này có cùng công thức phân tử, nên khác biệt hoàn toàn đến từ cách sắp xếp nguyên tử bên trong phân tử.

Propane không phân cực và chỉ có lực phân tán London; dimethyl ether phân cực nên có thêm lực lưỡng cực–lưỡng cực; ethanol phân cực và còn tạo được liên kết hydrogen nhờ nhóm $-\mathrm{OH}$ . Vì năng lượng cần cung cấp để tách các phân tử tỉ lệ với độ mạnh của lực hút giữa chúng, nhiệt độ sôi tăng theo đúng trật tự $\mathrm{C_3H_8} < \mathrm{CH_3OCH_3} < \mathrm{CH_3CH_2OH}$ .

khối lượng phân tử (sắp có)

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