Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals

Giữa các phân tử (kể cả phân tử không cực và nguyên tử khí hiếm) luôn có lực hút yếu gọi chung là tương tác van der Waals: do sự lệch tạm thời của đám mây electron tạo lưỡng cực tạm thời rồi cảm ứng sang phân tử bên cạnh, cộng thêm lực hút giữa các lưỡng cực có sẵn ở phân tử phân cực.

• Phân tử lớn hơn, khối lượng lớn hơn có nhiều electron, dễ biến dạng, nên lực mạnh hơn, nhiệt độ sôi cao hơn: $\mathrm{He}$ ($-269\,{}^\circ\mathrm{C}$) $<$ $\mathrm{Ne}$ ($-246$) $<$ $\mathrm{Ar}$ ($-186$) $<$ $\mathrm{Kr}$ ($-153$) $<$ $\mathrm{Xe}$ ($-108$); $\mathrm{F_2}$ ($-188$) $<$ $\mathrm{Cl_2}$ ($-34$) $<$ $\mathrm{Br_2}$ ($59$) $<$ $\mathrm{I_2}$ ($184$).
• Hình dạng: phân tử dài, thẳng tiếp xúc nhiều hơn phân tử gọn, cầu: $n$-pentane sôi ở khoảng $36\,{}^\circ\mathrm{C}$ cao hơn neopentane (khoảng $9{,}5\,{}^\circ\mathrm{C}$) dù cùng $\mathrm{C_5H_{12}}$.

Liên kết hydrogen là tương tác giữa nguyên tử $\mathrm{H}$ mang $\delta^+$ (gắn với $\mathrm{F}$, $\mathrm{O}$ hoặc $\mathrm{N}$) của phân tử này với cặp electron riêng của nguyên tử $\mathrm{F}$, $\mathrm{O}$, $\mathrm{N}$ của phân tử khác. Kí hiệu bằng nét chấm: $\mathrm{O-H\cdots O}$.

Điều kiện: (1) $\mathrm{H}$ gắn trực tiếp với $\mathrm{F}$, $\mathrm{O}$ hoặc $\mathrm{N}$ (độ âm điện lớn, bán kính nhỏ); (2) có nguyên tử $\mathrm{F}$, $\mathrm{O}$ hoặc $\mathrm{N}$ còn cặp electron riêng làm chất nhận.

• Có liên kết hydrogen giữa các phân tử cùng loại: $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{NH_3}$, $\mathrm{HF}$, $\mathrm{CH_3OH}$, $\mathrm{CH_3COOH}$.
• Không có: $\mathrm{CH_4}$ (liên kết $\mathrm{C-H}$ không đủ phân cực), $\mathrm{H_2S}$, $\mathrm{HCl}$ ($\mathrm{S}$, $\mathrm{Cl}$ lớn, kém), $\mathrm{CH_3OCH_3}$ (không có $\mathrm{H}$ gắn $\mathrm{O}$).

Mỗi phân tử nước có thể tạo tối đa 4 liên kết hydrogen: 2 do hai $\mathrm{H}$ (cho) và 2 do hai cặp riêng của $\mathrm{O}$ (nhận).

Liên kết hydrogen yếu hơn rất nhiều liên kết cộng hoá trị (khoảng $10$ đến $40\ \text{kJ/mol}$, so với $\mathrm{O-H}$ là $463\ \text{kJ/mol}$) nhưng mạnh hơn tương tác van der Waals thông thường; nhờ rất nhiều liên kết cộng lại nên tác dụng lớn.

Muốn đun sôi phải phá các lực giữa các phân tử. Có liên kết hydrogen thì nhiệt độ sôi cao bất thường:

Nhóm IVA tăng đều theo khối lượng (van der Waals). Ba nhóm còn lại, hydride của $\mathrm{N}$, $\mathrm{O}$, $\mathrm{F}$ nằm cao hẳn so với quy luật: đó là dấu của liên kết hydrogen.

Độ tan: chất tạo được liên kết hydrogen với nước thì tan tốt. Ethanol $\mathrm{CH_3CH_2OH}$ tan vô hạn trong nước; khi mạch carbon dài hơn, phần không phân cực lớn dần nên độ tan giảm. Ethanol (khoảng $78\,{}^\circ\mathrm{C}$) sôi cao hơn dimethyl ether (khoảng $-24\,{}^\circ\mathrm{C}$) cùng $\mathrm{C_2H_6O}$ vì ethanol có $\mathrm{O-H}$.

Khi đánh giá một nhận định, xét lần lượt: (1) loại liên kết trong chất (tính $\Delta\chi$); (2) nếu là phân tử, có $\mathrm{H}$ gắn $\mathrm{F}$, $\mathrm{O}$, $\mathrm{N}$ không; (3) so sánh nhiệt độ sôi hay độ tan theo thứ tự: liên kết hydrogen, rồi khối lượng và hình dạng; (4) đếm $\sigma$, $\pi$ nếu hỏi. Mỗi ý trong câu đúng/sai là độc lập: một ý sai không làm các ý khác sai.