Tương tác van der Waals tăng khi nào? Giải thích

Trả lời nhanh

Tương tác van der Waals tăng khi kích thước phân tử (số electron, khối lượng phân tử) tăng, vì đám mây electron lớn dễ biến dạng nên tạo lưỡng cực tạm thời mạnh hơn. Tương tác cũng tăng khi phân tử phân cực hơn và khi các phân tử có diện tích tiếp xúc lớn, ở gần nhau hơn.

Tương tác van der Waals là gì?

Tương tác van der Waals là lực hút yếu giữa các phân tử (hoặc nguyên tử) trung hoà về điện. Lực này yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hoá trị hay liên kết ion, và thường cũng yếu hơn liên kết hydrogen.

Nguồn gốc của lực này là sự xuất hiện các lưỡng cực (đầu mang điện dương một phần, đầu mang điện âm một phần) trong phân tử. Các lưỡng cực của phân tử này hút các lưỡng cực của phân tử bên cạnh.

Các yếu tố làm tương tác van der Waals tăng

Yếu tố	Vì sao làm lực tăng?
Kích thước phân tử lớn hơn, số electron nhiều hơn	Đám mây electron rộng, các electron ở xa hạt nhân nên dễ bị lệch. Lưỡng cực tạm thời hình thành dễ hơn và độ lệch lớn hơn.
Khối lượng phân tử lớn hơn	Thường đi kèm số electron nhiều hơn, nên hệ quả giống dòng trên. Khối lượng chỉ là dấu hiệu gián tiếp, nguyên nhân chính là số electron và độ biến dạng của đám mây electron.
Phân tử phân cực mạnh hơn	Có thêm lực hút giữa các lưỡng cực vĩnh cửu, cộng với lực lưỡng cực tạm thời.
Diện tích tiếp xúc giữa các phân tử lớn hơn	Phân tử mạch thẳng xếp sát nhau hơn phân tử mạch nhánh (dạng cầu), nên có nhiều điểm hút nhau hơn.
Khoảng cách giữa các phân tử nhỏ hơn	Lực hút giảm rất nhanh khi khoảng cách tăng. Chất ở trạng thái lỏng, rắn có lực này đáng kể, còn chất khí loãng thì gần như không.

Ví dụ minh hoạ bằng nhiệt độ sôi

Tương tác giữa các phân tử càng mạnh thì càng khó tách chúng ra, nên nhiệt độ sôi càng cao. Vì vậy ta dùng nhiệt độ sôi để so sánh độ mạnh của tương tác van der Waals. Các số liệu dưới đây là giá trị gần đúng.

Halogen: F₂ (khoảng −188 °C) < Cl₂ (khoảng −34 °C) < Br₂ (khoảng 59 °C) < I₂ (khoảng 184 °C). Từ F đến I, số electron và kích thước tăng nên lực tăng.
Khí hiếm: He, Ne, Ar, Kr, Xe có nhiệt độ sôi tăng dần (từ khoảng −269 °C đến khoảng −108 °C) vì nguyên tử ngày càng lớn.
Alkane: CH₄ (khoảng −162 °C) < C₂H₆ (khoảng −89 °C) < C₃H₈ (khoảng −42 °C). Mạch carbon dài hơn nên diện tích tiếp xúc và số electron đều tăng.
Đồng phân: pentane mạch thẳng sôi ở khoảng 36 °C, còn neopentane mạch nhánh (gần dạng cầu) sôi ở khoảng 9,5 °C. Hai chất có cùng khối lượng phân tử nhưng pentane tiếp xúc tốt hơn.

Tại sao nhiều người chọn nhầm?

Nhầm với nhiệt độ: Tăng nhiệt độ làm phân tử chuyển động nhanh, khoảng cách lớn hơn, lực hút tương đối giảm. Vì thế “nhiệt độ tăng” không làm tương tác van der Waals tăng.
Nhầm với liên kết hydrogen: Liên kết hydrogen cần nguyên tử H gắn với N, O, F. Không phải cứ phân tử lớn là có liên kết này. Ngược lại, phân tử có liên kết hydrogen vẫn có thêm tương tác van der Waals.
Chỉ nhìn khối lượng: Khối lượng chỉ là dấu hiệu gián tiếp. Khi so sánh hai chất, cần xét cả độ phân cực, hình dạng phân tử và liên kết hydrogen.

Mẹo nhớ

Hãy nghĩ đến “đám mây electron càng to và càng mềm thì càng dễ bị kéo lệch, càng dễ dính vào nhau”. Phân tử to, nhiều electron, hình dạng dài thì “dính” hơn. Phân tử nhỏ, gọn như quả cầu thì “dính” kém hơn.

Bài luyện tập tự đặt

Bài 1. Sắp xếp theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi: CH₄, SiH₄, GeH₄. Giải thích.

Đáp án: CH₄ < SiH₄ < GeH₄. Cả ba đều là phân tử không phân cực, cùng cấu trúc. Số electron và kích thước tăng từ C đến Ge nên tương tác van der Waals tăng.

Bài 2. Butane (mạch thẳng) và isobutane (mạch nhánh) có cùng công thức C₄H₁₀. Chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn?

Đáp án: Butane. Mạch thẳng có diện tích tiếp xúc lớn hơn nên tương tác van der Waals mạnh hơn.

Bài 3. Điền vào chỗ trống: “Tương tác van der Waals giữa các phân tử không phân cực tăng khi … của phân tử tăng.”

Đáp án: kích thước (số electron, khối lượng phân tử).

Tóm tắt

Lực van der Waals tăng khi phân tử lớn hơn, nhiều electron hơn, phân cực hơn, tiếp xúc nhiều hơn và ở gần nhau hơn.
Lực này càng mạnh thì nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của chất phân tử càng cao.
Tăng nhiệt độ không làm tăng lực này.

Câu hỏi thường gặp

Tương tác van der Waals tăng khi khối lượng phân tử tăng đúng không?

Thường đúng với các chất cùng loại, vì khối lượng lớn đi kèm nhiều electron hơn nên đám mây electron dễ biến dạng hơn. Tuy vậy, nguyên nhân chính là số electron và kích thước phân tử, nên khi so sánh các chất khác loại cần xét thêm độ phân cực và liên kết hydrogen.

Tăng nhiệt độ có làm tương tác van der Waals tăng không?

Không. Nhiệt độ tăng làm phân tử chuyển động nhanh hơn và cách xa nhau hơn, nên lực hút giữa chúng yếu đi tương đối. Đó là lý do chất lỏng bay hơi khi đun nóng.

Tương tác van der Waals mạnh hơn hay yếu hơn liên kết hydrogen?

Thông thường yếu hơn liên kết hydrogen và yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hoá trị. Tuy nhiên, với phân tử rất lớn, tổng tương tác van der Waals có thể rất đáng kể.

Vì sao tương tác van der Waals ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi?

Muốn chất chuyển từ lỏng sang khí phải thắng lực hút giữa các phân tử. Lực hút càng mạnh thì cần càng nhiều năng lượng, tức nhiệt độ sôi càng cao.