AP Chemistry

tính phân cực

polar

Tính phân cực là đặc tính của một liên kết hoặc phân tử có sự phân bố điện tích không đều, tạo ra hai đầu tích điện trái dấu.

Trong một liên kết cộng hóa trị, các nguyên tử tham gia dùng chung điện tử (electron) với nhau. Tuy nhiên, nếu hai nguyên tử này có độ âm điện khác nhau, cặp điện tử dùng chung sẽ bị hút lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, và do đó liên kết hình thành hai vùng điện tích trái dấu, tạo nên một liên kết phân cực. Mức độ phân cực của liên kết thường được định lượng bằng vectơ momen lưỡng cực thông qua công thức $\mu = Q \times r$ , trong đó $Q$ là độ lớn điện tích riêng phần và $r$ là khoảng cách giữa hai hạt nhân.

Đối với một phân tử hoàn chỉnh, tính phân cực không chỉ phụ thuộc vào độ phân cực của từng liên kết riêng lẻ mà còn chịu ảnh hưởng rất lớn từ hình học phân tử (molecular geometry). Nhờ đó, ta có thể xác định một phân tử có phân cực hay không bằng cách xét xem các vectơ momen lưỡng cực thành phần có triệt tiêu lẫn nhau hay không. Chẳng hạn, phân tử nước có cấu tạo gấp khúc nên các liên kết O–H phân cực không thể triệt tiêu, làm cho nước là một phân tử phân cực (polar molecule) mạnh. Ngược lại, phân tử CO2 có cấu trúc thẳng hàng khiến hai momen lưỡng cực của liên kết C=O triệt tiêu hoàn toàn, dẫn đến phân tử này không hề phân cực.

Vì vậy, tính phân cực đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các lực liên phân tử và chi phối tính tan của các chất trong dung môi (solvent). Các phân tử phân cực thường tương tác tĩnh điện tốt và tan dễ dàng trong môi trường phân cực như nước, trong khi đó các chất không phân cực lại có xu hướng hòa tan tốt hơn trong các dung môi hữu cơ không phân cực. Nguyên tắc "chất tan tương tự chất tan" này bắt nguồn trực tiếp từ sự tương tác hấp dẫn giữa các đầu tích điện trái dấu của những phân tử lân cận.

Ký hiệu

\mu = Q \times r

Đơn vịDebye (D) hoặc C·m

Trực giác: Giống như một trò chơi kéo co mà một người khỏe hơn hẳn người kia, electron bị hút mạnh hơn về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, tạo ra một đầu hơi âm và một đầu hơi dương.

Công thức

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

Dùng để tính momen lưỡng cực của một liên kết cộng hóa trị phân cực, từ đó đánh giá mức độ phân cực của liên kết hoặc phân tử.

Trong đó

\mu

momen lưỡng cực (dipole moment) — D (Debye) hoặc C·m

Q

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

r

khoảng cách giữa hai tâm điện tích (độ dài liên kết) — m

Thử nghiệm tương tác

Xoay phân tử nước — xem vì sao hai liên kết phân cực không khử được nhau

Hay hiểu sai

Liên kết có cực không đồng nghĩa phân tử có cực.

Phân tử có cực và phân tử không cực vẫn hút nhau được.

Phân tử có cực không phải chỉ có lực lưỡng cực–lưỡng cực.

Chỉ có H gắn với N, O, F mới tạo được liên kết hydrogen.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một đề AP cho bảng độ âm điện (electronegativity) gần đúng theo thang Pauling: H = 2.1; I = 2.5; Br = 2.8; Cl = 3.0; F = 4.0. Bốn hợp chất nhị nguyên tố được xét là HI, HBr, HCl và HF, tất cả đều là phân tử hai nguyên tử ở điều kiện thường.

aSắp xếp bốn hợp chất theo thứ tự độ phân cực của liên kết tăng dần, có giải thích bằng số liệu.
bVới phân tử HCl, chỉ ra nguyên tử nào mang phần điện tích âm và giải thích vì sao cả phân tử là phân tử có cực.

1Bước 1: Trước hết cần một tiêu chí định lượng cho độ phân cực của liên kết. Tiêu chí đó là chênh lệch độ âm điện giữa hai nguyên tử:

\Delta\chi=|\chi_A-\chi_B|

trong đó

\chi_A

và

\chi_B

là độ âm điện của hai nguyên tử tạo liên kết. Giá trị

\Delta\chi

càng lớn thì cặp electron dùng chung càng bị kéo lệch về phía nguyên tử âm điện hơn, nghĩa là liên kết càng phân cực.

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

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

độ phân cực liên kết (bond polarity)bond polarity

Khác nhau ở đâuĐộ phân cực liên kết xét sự phân bố electron không đều trong một liên kết. Tính phân cực phân tử xét tổng vectơ momen lưỡng cực của tất cả liên kết.

Hay nhầm khithấy phân tử có liên kết phân cực thì kết luận ngay phân tử đó phân cực mà không xét đến hình học

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15–16, 135.

2Ví dụ 2/2

Ở 25 °C và áp suất riêng phần 1 atm, độ tan của khí

O_2

trong nước chỉ khoảng

1.3\times10^{-3}

mol/L — nhỏ nhưng khác không, đủ cho cá thở. Một câu hỏi AP đi kèm bốn phân tử với hình học đã biết:

O_2

(thẳng, hai nguyên tử giống nhau),

CO_2

(thẳng, góc liên kết

180^\circ

SO_2

(gấp khúc, góc liên kết khoảng

119^\circ

) và

H_2O

(gấp khúc, góc liên kết khoảng

104.5^\circ

aGiải thích vì sao $CO_2$ không có cực trong khi $SO_2$ và $H_2O$ đều có cực, dù cả ba đều chứa liên kết phân cực.
bLực hút giữa phân tử $H_2O$ và phân tử $O_2$ trong dung dịch thuộc loại nào, và có tính chất gì?
cTrong nước lỏng, lực liên phân tử mạnh nhất giữa hai phân tử $H_2O$ là lực gì?

1Bước 1: Phải tách bạch hai tầng khái niệm: liên kết có cực là chuyện của từng cặp nguyên tử, còn phân tử có cực là chuyện của tổng vectơ. Điều kiện để cả phân tử có cực là

\vec{\mu}_{tot}=\sum_i \vec{\mu}_i \neq \vec{0}

với

\vec{\mu}_i

là mômen lưỡng cực của liên kết thứ

i

. Nói cách khác, phân tử vẫn có thể không cực dù mọi liên kết trong nó đều phân cực, miễn là hình học đủ đối xứng để các vectơ triệt tiêu nhau.

2Bước 2: Trong

CO_2

, hai liên kết C=O đều phân cực về phía oxygen, nhưng phân tử thẳng nên hai vectơ có độ lớn bằng nhau và ngược chiều hoàn toàn:

\vec{\mu}_{tot}=\vec{0}

, phân tử không cực. Trong

SO_2

, nguyên tử sulfur còn một cặp electron chưa liên kết đẩy hai liên kết S–O xuống thành hình gấp khúc

119^\circ

, nên hai vectơ không nằm trên một đường thẳng và tổng của chúng khác không. Tương tự,

H_2O

gấp khúc

104.5^\circ

nên hai mômen liên kết O–H cộng lại thành một vectơ hướng từ giữa hai hydrogen về phía oxygen. Vì vậy

SO_2

và

H_2O

là phân tử có cực, còn

CO_2

thì không.

3Bước 3: Xét cặp

H_2O

–

O_2

: một bên có cực thường trực, một bên hoàn toàn không cực vì hai nguyên tử oxygen giống hệt nhau nên

\Delta\chi=0

. Khi phân tử nước lại gần, điện trường của nó đẩy đám mây electron của

O_2

lệch đi và tạo ra một lưỡng cực tạm thời trên

O_2

. Lực hút sinh ra giữa lưỡng cực thường trực và lưỡng cực vừa được tạo ra gọi là lực lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng (dipole–induced dipole). Đây là lực yếu và chỉ tồn tại khi hai phân tử ở gần nhau, nên

O_2

tan được trong nước nhưng tan rất ít, đúng như con số

1.3\times10^{-3}

mol/L.

4Bước 4: Giữa hai phân tử

H_2O

thì tình huống khác hẳn, vì cả hai đều có cực và hydrogen lại gắn trực tiếp với oxygen — một trong ba nguyên tố có độ âm điện đủ lớn (N, O, F). Do đó lực mạnh nhất ở đây là liên kết hydrogen (hydrogen bonding), một trường hợp đặc biệt mạnh của lực lưỡng cực – lưỡng cực. Cần lưu ý rằng lực khuếch tán London (London dispersion forces) vẫn tồn tại giữa mọi phân tử, kể cả nước, nhưng với phân tử nhỏ như

H_2O

thì nó yếu hơn nhiều so với liên kết hydrogen.

$CO_2$ không có cực vì hình học thẳng làm hai mômen lưỡng cực liên kết triệt tiêu nhau, trong khi $SO_2$ và $H_2O$ gấp khúc nên tổng vectơ khác không và cả phân tử có cực. Lực hút giữa $H_2O$ có cực và $O_2$ không cực là lực lưỡng cực – lưỡng cực cảm ứng, yếu và chỉ xuất hiện tạm thời, giải thích độ tan rất nhỏ của oxygen trong nước. Còn giữa hai phân tử nước với nhau, lực mạnh nhất là liên kết hydrogen.