Đang tải bài học…

AP Chemistry

tính không phân cực

nonpolar

Tính không phân cực là tính chất của liên kết hoặc phân tử có mật độ điện tích phân bố đồng đều, không hình thành hai cực trái dấu.

Khi hai nguyên tử giống nhau liên kết, chẳng hạn $\text{Cl}_2$ hay $\text{H}_2$ , cặp electron dùng chung được chia đều vì hai nguyên tử có cùng độ âm điện (electronegativity). Kết quả là liên kết cộng hóa trị không phân cực, trong đó mật độ electron trải đều giữa hai hạt nhân mà không lệch về phía nào. Tuy nhiên, chỉ những liên kết giữa hai nguyên tử cùng nguyên tố (element) mới thực sự không phân cực ở cấp độ liên kết.

Mặt khác, đối với phân tử (molecule) nhiều nguyên tử, tính không phân cực còn phụ thuộc vào hình học. Một phân tử có thể chứa các liên kết phân cực nhưng vẫn không phân cực nếu cấu trúc đối xứng triệt tiêu hoàn toàn các momen lưỡng cực. Ví dụ, $\text{CO}_2$ có hai liên kết $\text{C=O}$ phân cực, nhưng dạng thẳng khiến hai vectơ momen lưỡng cực triệt tiêu nhau, nhờ đó phân tử không phân cực, trong khi $\text{H}_2\text{O}$ dạng gấp khúc không triệt tiêu được momen lưỡng cực nên vẫn phân cực.

Do đó, các chất không phân cực chỉ tương tác với nhau qua lực phân tán, đây là loại lực liên phân tử yếu nhất. Vì vậy, chúng thường có nhiệt độ sôi (boiling point) thấp và tuân theo quy tắc "tan trong dung môi cùng tính chất", nghĩa là chất không phân cực tan tốt trong dung môi không phân cực như hexane nhưng không tan trong nước.

Ký hiệu

• $\Delta\text{EN} = 0$ cho liên kết
• $\sum \vec{\mu} = \vec{0}$ cho phân tử

Trực giác: Hãy tưởng tượng hai người kéo một sợi dây với sức ngang nhau — sợi dây căng đều mà không lệch về bên nào.

Thử nghiệm tương tác

Xoay phân tử $CO_2$ — hai liên kết có cực luôn quay lưng vào nhau

Hay hiểu sai

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

Không phân cực không có nghĩa là không có lực hút giữa các phân tử.

Lực giữa phân tử có cực và phân tử không phân cực là dipole-induced dipole, không phải dipole-dipole.

Đối xứng phải xét cả cặp electron chưa liên kết, không chỉ đếm nguyên tử.

Không phân cực không đồng nghĩa với lực liên phân tử yếu.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Xét hai phân tử khí

\text{CO}_2

và

\text{SO}_2

. Theo thang Pauling, độ âm điện (electronegativity) của các nguyên tố là

\chi(\text{C}) = 2{,}5

\chi(\text{S}) = 2{,}5

và

\chi(\text{O}) = 3{,}5

. Ở

25\ ^\circ\text{C}

và áp suất riêng phần

1\ \text{atm}

, độ tan của

\text{SO}_2

trong nước vào khoảng

1{,}5\ \text{mol/L}

, còn độ tan của

\text{CO}_2

chỉ khoảng

3{,}4\times10^{-2}\ \text{mol/L}

aVẽ cấu trúc Lewis (Lewis structure) của hai phân tử và nêu dạng hình học của mỗi phân tử.
bGiải thích vì sao $\text{CO}_2$ là phân tử không phân cực trong khi $\text{SO}_2$ là phân tử phân cực, mặc dù cả hai đều chứa liên kết giữa nguyên tử oxygen và một nguyên tử trung tâm có cùng độ âm điện.
cDùng kết quả câu (b) để giải thích chênh lệch độ tan trong nước của hai chất.

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 trướcđộ âm điện tính phân cực

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

tính phân cựcpolar

Khác nhau ở đâuTính phân cực mô tả sự phân bố electron không đều, tạo momen lưỡng cực khác không. Tính không phân cực mô tả sự phân bố electron đồng đều, momen lưỡng cực bằng không.

Hay nhầm khiKhi xét phân tử có liên kết phân cực nhưng hình học đối xứng làm triệt tiêu momen lưỡng cực tổng.

tính kị nướchydrophobic

Khác nhau ở đâuTính không phân cực chỉ sự phân bố electron đồng đều trong liên kết hoặc phân tử. Tính kị nước chỉ khả năng không tan trong nước, dù thường đi kèm nhưng là hai khái niệm riêng.

Hay nhầm khiKhi giải thích tại sao dầu không tan trong nước, thí sinh hay gộp chung cả hai tính chất thành một nguyên nhân.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 384–386.

Xoay phân tử $CO_2$ — hai liên kết có cực luôn quay lưng vào nhau

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

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Khi đề hỏi "account for", phải viết ra bước cộng vector chứ không chỉ kết luận.

Câu hỏi về độ tan hay nhiệt độ sôi luôn phải gọi đúng TÊN lực liên phân tử.

Đừng bao giờ viết "phân tử không phân cực nên không có lực liên phân tử".

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Đếm electron hóa trị trước khi vẽ. Với

\text{CO}_2

ta có

4 + 2\times6 = 16

electron, xếp thành

\text{O}{=}\text{C}{=}\text{O}

với hai cặp electron chưa liên kết trên mỗi nguyên tử oxygen và không còn cặp nào trên carbon. Với

\text{SO}_2

ta có

6 + 2\times6 = 18

electron, tức là nhiều hơn hai electron; hai electron dư này nằm trên nguyên tử sulfur dưới dạng một cặp electron chưa liên kết, phần còn lại tạo một liên kết đôi và một liên kết đơn (viết được hai cấu trúc cộng hưởng tương đương).

2Bước 2: Từ số vùng electron quanh nguyên tử trung tâm suy ra hình học. Carbon trong

\text{CO}_2

có đúng hai vùng electron nên phân tử thẳng, góc liên kết

180^\circ

. Sulfur trong

\text{SO}_2

có ba vùng, gồm hai vùng liên kết và một cặp electron chưa liên kết, nên phân tử gấp khúc với góc liên kết xấp xỉ

119^\circ

3Bước 3: Xét độ phân cực của từng liên kết. Cả hai trường hợp đều cho

\Delta\chi = 3{,}5 - 2{,}5 = 1{,}0

, nghĩa là mỗi liên kết đều phân cực với oxygen mang điện tích riêng phần âm. Do đó sự khác nhau giữa hai phân tử không nằm ở liên kết mà chỉ có thể nằm ở cách các vectơ phân cực sắp xếp trong không gian.

4Bước 4: Cộng các vectơ. Vì

\text{CO}_2

thẳng và đối xứng, hai vectơ liên kết bằng nhau về độ lớn nhưng ngược chiều nên triệt tiêu:

\vec{\mu}_{\text{total}} = \vec{\mu}_1 + \vec{\mu}_2 = \vec{0}

, tức mômen lưỡng cực (dipole moment) toàn phân tử bằng không và

\text{CO}_2

không phân cực. Ngược lại, ở

\text{SO}_2

hai vectơ hợp với nhau một góc khoảng

119^\circ

nên không thể triệt tiêu; tổng của chúng là một vectơ hướng từ sulfur về phía giữa hai nguyên tử oxygen, cho

\mu \neq 0

và phân tử phân cực.

5Bước 5: Nối độ phân cực với độ tan. Nước là dung môi phân cực, nên chất tan phân cực như

\text{SO}_2

hút nước bằng lực lưỡng cực–lưỡng cực (dipole-dipole force) tương đối mạnh, còn

\text{CO}_2

không phân cực chỉ tương tác với nước bằng lực yếu hơn nhiều. Tỉ số độ tan

1{,}5 \div (3{,}4\times10^{-2}) \approx 44

lần cho thấy chênh lệch này là rất đáng kể.

$\text{CO}_2$ thẳng và đối xứng nên hai mômen lưỡng cực liên kết triệt tiêu, làm cả phân tử không phân cực dù từng liên kết $\text{C}{=}\text{O}$ đều phân cực với $\Delta\chi = 1{,}0$ . $\text{SO}_2$ có một cặp electron chưa liên kết trên sulfur nên phân tử gấp khúc khoảng $119^\circ$ , các vectơ không triệt tiêu và phân tử phân cực. Vì vậy $\text{SO}_2$ tương tác với nước mạnh hơn hẳn và tan trong nước gấp khoảng $44$ lần $\text{CO}_2$ ở cùng điều kiện.

2Ví dụ 2/2

Ở

25\ ^\circ\text{C}

và áp suất riêng phần

1{,}0\ \text{atm}

, độ tan của khí oxygen trong nước là khoảng

8{,}3\ \text{mg/L}

, trong khi độ tan của khí

\text{SO}_2

trong cùng điều kiện vào khoảng

1{,}5\ \text{mol/L}

. Phân tử

\text{O}_2

không phân cực, còn phân tử nước phân cực mạnh. Cho

M(\text{O}_2) = 32{,}00\ \text{g/mol}

aĐổi độ tan của oxygen sang $\text{mol/L}$ và so sánh với độ tan của $\text{SO}_2$ .
bGọi tên loại lực hút giữa phân tử nước và phân tử $\text{O}_2$ , nêu nguồn gốc và độ mạnh tương đối của nó.
cGiải thích vì sao oxygen vẫn hóa lỏng được ở $-183\ ^\circ\text{C}$ dù phân tử của nó không phân cực.

1Bước 1: Chuyển đơn vị trước để hai con số so sánh được với nhau. Ta có

8{,}3\ \text{mg/L} = 8{,}3\times10^{-3}\ \text{g/L}

, chia cho khối lượng mol:

c = \frac{8{,}3\times10^{-3}}{32{,}00} \approx 2{,}6\times10^{-4}\ \text{mol/L}.

Nồng độ này nhỏ hơn độ tan của

\text{SO}_2

khoảng

1{,}5 \div (2{,}6\times10^{-4}) \approx 5{,}8\times10^{3}

lần, nghĩa là oxygen tan kém hơn gần sáu nghìn lần.

2Bước 2: Xác định bản chất tương tác. Phân tử

\text{O}_2

gồm hai nguyên tử giống hệt nhau nên

\Delta\chi = 0

; electron được chia đều, liên kết là liên kết cộng hóa trị không phân cực (nonpolar covalent bond) và phân tử không có mômen lưỡng cực cố định. Vì vậy nước không thể hút

\text{O}_2

bằng lực lưỡng cực–lưỡng cực thông thường, càng không thể tạo liên kết hydrogen với nó.

3Bước 3: Mô tả cơ chế còn lại. Khi một phân tử nước tiến lại gần, điện trường của lưỡng cực nước làm đám mây electron của

\text{O}_2

bị lệch đi và sinh ra một lưỡng cực tạm thời; hai lưỡng cực này hút nhau. Lực đó gọi là lực lưỡng cực–lưỡng cực cảm ứng (dipole-induced dipole force), phụ thuộc vào độ khả cực (polarizability) của phân tử bị cảm ứng và yếu hơn nhiều so với lực giữa hai phân tử phân cực thật sự. Kết quả tính ở Bước 1 chính là hệ quả định lượng của điều này.

4Bước 4: Với oxygen lỏng, hai phân tử

\text{O}_2

cạnh nhau đều không phân cực nên chỉ còn lực phân tán London (London dispersion forces), sinh ra từ những dao động tức thời của đám mây electron. Lực này rất yếu nhưng khác không, nên chỉ cần hạ nhiệt độ xuống đủ thấp để động năng chuyển động của phân tử giảm mạnh thì nó đủ sức giữ các phân tử lại với nhau. Đó là lý do nhiệt độ sôi của oxygen thấp tới

-183\ ^\circ\text{C}

chứ không phải là oxygen không bao giờ hóa lỏng.

Độ tan của oxygen chỉ là $2{,}6\times10^{-4}\ \text{mol/L}$ , kém $\text{SO}_2$ khoảng $5{,}8\times10^{3}$ lần. Nguyên nhân là $\text{O}_2$ không phân cực nên chỉ hút nước bằng lực lưỡng cực–lưỡng cực cảm ứng, yếu hơn hẳn lực giữa nước và một chất tan phân cực. Cũng chính vì chỉ còn lực phân tán London giữa các phân tử $\text{O}_2$ với nhau mà oxygen vẫn hóa lỏng được, nhưng phải ở nhiệt độ rất thấp.

Dẫn tớitính kị nước (sắp có)

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