Giải SGK Hóa học 10 Bài 12 (Cánh diều): Liên kết Hydrogen và tương tác Van Der Waals

Nguyễn Uyên Ngày: 20-09-2024 Lớp 10

4.5 K

Lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Bài 12: Liên kết Hydrogen và tương tác Van Der Waals sách Cánh diều hay, chi tiết sẽ giúp học sinh dễ dàng trả lời câu hỏi Hóa học 10 Bài 12 từ đó học tốt môn Hóa 10.

Giải bài tập Hóa học lớp 10 Bài 12: Liên kết Hydrogen và tương tác Van Der Waals

Giải hóa học 10 trang 64 Cánh diều

Mở đầu trang 64 Hóa học 10: Hai phân tử nước có thể liên kết được với nhau. Dựa vào sự phân bố điện tích trong phân tử nước (hình 12.1), cho biết liên kết giữa hai phân tử nước có thể được hình thành qua cặp nguyên tử nào?

(ảnh 1)

(1) O với O

(2) H với H

(3) O với H

Giải thích sự lựa chọn của em.

Phương pháp giải:

Dựa vào lý thuyết liên kết hydrogen: Liên kết hydrogen là một loại liên kết yếu được hình thành giữa nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử có độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (có độ âm điện lớn) còn cặp electron riêng. Các nguyên tố có độ âm điện lớn thường gặp trong liên kết ydrogen là N, O, F.

Lời giải:

Dựa vào sự phân bố điện tích trong phân tử nước (hình 12.1), liên kết giữa hai phân tử nước được hình thành qua cặp nguyên tử O với H.

Do nguyên tử H mang điện tích dương nên liên kết với nguyên tử mang điện tích âm là O. Ngoài ra O còn 2 cặp electron riêng và độ âm điện lớn hơn H. Vì vậy phân tử H₂O được tạo bởi các liên kết hydrogen của cặp nguyên tử O – H, liên kết này có bản chất tĩnh điện, tương tác hút điện giữa và , giúp liên kết hai phân tử H₂O với nhau.

Giải hóa học 10 trang 65 Cánh diều

I. Liên kết hydrogen

Câu hỏi 1 trang 65 Hóa học 10: Vì sao nguyên tử H của của phân tử H₂O không tạo được liên kết hydrogen với nguyên tử C của phân tử CH₄?

Phương pháp giải:

Dựa vào khái niệm liên kết hydrogen: Liên kết hydrogen là một loại liên kết yếu được hình thành giữa nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử có độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (có độ âm điện lớn) còn cặp electron riêng. Các nguyên tố có độ âm điện lớn thường gặp trong liên kết hydrogen là N, O, F.

Lời giải:

Nguyên tử H của H của của phân tử H₂O không tạo được liên kết hydrogen với nguyên tử C của phân tử CH₄. Vì nguyên tử C của phân tử CH₄ không còn cặp electron riêng:

(ảnh 2)

Luyện tập 1 trang 65 Hóa học 10: Viết các khả năng tạo thành liên kết hydrogen giữa một phân tử H₂O và một phân tử NH₃.

Phương pháp giải:

- Viết CT electron và CT Lewis của NH₃.

⟹ Xác định số cặp electron riêng.

- Liên kết hydrogen giữa H₂O và một phân tử NH₃ hình thành khi: H của H₂O liên kết được với nguyên tử khác (có độ âm điện lớn) còn cặp electron riêng.

Lời giải:

- CT electron và CT Lewis của NH₃:

(ảnh 3)

⟹ NH₃ còn 1 cặp electron riêng của N.

- Vì N còn 1 của phân tử NH₃ còn 1 cặp electron riêng và có độ âm điện lớn hơn nguyên tử H của phân tử H₂O.

⟹ Một phân tử H₂O có khả năng tạo thành liên kết hydrogen với một phân tử NH₃, liên kết tạo bởi H và N.

Vận dụng 1 trang 65 Hóa học 10: Vì sao HF có tính acid yếu hơn rất nhiều so với HCl? Biết rằng tính acid của một chất càng mạnh nếu phân tử đó càng dễ phân li thành ion H⁺.

Phương pháp giải:

- Tính acid của một chất càng mạnh nếu phân tử đó càng dễ phân li thành ion H⁺.

⟹ HF khó phân li thành ion H⁺ hơn so với HCl.

- Nguyên nhân HF khó phân li thành ion H⁺: dựa vào lý thuyết liên kết hydrogen.

Lời giải:

- Tính acid của một chất càng mạnh nếu phân tử đó càng dễ phân li thành ion H⁺.

⟹ HF khó phân li thành ion H⁺ hơn so với HCl.

- Các phân tử hydrogen halide thì chỉ HF có liên kết hydrogen, các liên kết này sẽ làm cho nguyên tử H bị giữ chặt hơn ⟹ Khó tách ion H⁺ hơn so với HCl.

Vì vậy tính acid của HF yếu hơn rất nhiều so với HCl.

Giải hóa học 10 trang 66 Cánh diều

Luyện tập 2 trang 66 Hóa học 10: Vẽ các liên kết hydrogen được hình thành giữa H₂O với mỗi phân tử NH₃, C₂H₅OH.

Phương pháp giải:

Lời giải:

(ảnh 4)

Vận dụng 2 trang 66 Hóa học 10: Hãy giải thích vì sao trong quá trình chưng cất rượu, C₂H₅OH bay trước H₂O mặc dù khối lượng phân tử C₂H₅OH lớn hơn nhiều khối lượng phân tử H₂O.

Phương pháp giải:

Dựa vào lý thuyết ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nước.

Lời giải:

H₂O có khối lượng phân tử thấp hơn so với C₂H₅OH nhưng các phân tử nước liên kết khá chặt chẽ với nhau bởi các liên kết hydrogen.

⟹ Nhiệt độ sôi của nước cao hơn C₂H₅OH.

⟹ Khi chưng cất rượu, C₂H₅OH có điểm sôi thấp hơn nước sẽ bay hơi trước.

Giải hóa học 10 trang 67 Cánh diều

II. Tương tác van der waals

Vận dụng 3 trang 67 Hóa học 10: Giải thích vì sao con tắc kè có thể di chuyển trên mặt kính trơn nhẵn, thẳng đứng.

(ảnh 5)

Phương pháp giải:

- Tìm hiểu đặc điểm cấu tạo bàn chân của tắc kè.

- Dựa vào lý thuyết lực Van der Waals để giải thích: là một loại liên kết rất yếu, hình thành do lực hút tĩnh điện giữa các cực trái dấu của phân tử.

Lời giải:

- Bàn chân của tắc kè có rất nhiều sợi lông cực nhỏ, được gọi là sợi stetae có kích thước cỡ micromet. Ở đầu mỗi sợi lông lại phân nhánh thành rất nhiều sợi lông nhỏ dơn được gọi là spatulae với kích cỡ nanomet.

- Các sợi spatulae cho phép tắc kè bám được trên trường hay mặt phẳng nhờ tương tác tĩnh điện “hai điện tích trái dấu hút nhau”. Mỗi phân tử trong cơ thể sống hoặc một vật nào đó thường cân bằng về điện tích. Nhưng một mặt có xu hướng mang điện tích dương và mặt còn lại mang điện tích âm. Khi tắc kè leo tường, các sợi spatulae siêu nhỏ có thể quay mặt mang điện tích âm của chúng về phía mặt mang điện tích dương của phân tử trên bề mặt tường (và ngược lại), tạo ra lực hút giữa các phân tử được gọi là lực liên kết Van der Waals.

Giải hóa học 10 trang 68 Cánh diều

Vận dụng 4 trang 68 Hóa học 10: Sưu tầm hình ảnh tinh thể nước đá, bông tuyết.

Phương pháp giải:

Tìm kiếm thông tin, hình ảnh bằng internet, sách báo khoa học…

Lời giải:

Sưu tầm hình ảnh tinh thể nước đá, bông tuyết:

(ảnh 6)

Liên kết hydrogen trong nước giúp duy trì sự ổn định chất lỏng trong một phạm vi diện rộng, làm cho băng đá nhẹ hơn nước lỏng bởi vậy băng nổi trên mặt nước, nước có thể bay hơi làm cho hệ sinh thái trên Trái Đất tuần hoàn tự nhiên.

- Lực tương tác van der Waals: sự bám hút của hạt bụi trên bề măt; tắc kè, thạch sùng có thể bám chắc trên các bề mặt trơn nhẵn; khả năng kết dính của băng dính; sự hấp phụ chất độc và phân tử màu trong nước bởi than hoạt tính…

Vận dụng 5 trang 68 Hóa học 10: Thu nhập thông tin liên quan đến các hiện tượng có xuất hiện của liên kết hydrogen, tương tác van der Waals trong thực tiễn.

Phương pháp giải:

Tìm kiếm thông tin, hình ảnh bằng internet, sách báo khoa học…

Lời giải:

Các hiện tượng có xuất hiện của liên kết hydrogen, tương tác van der Waals trong thực tiễn:

- Liên kết hydrogen: có trong DNA để tạo thành các chuỗi kép, hình thành cấu trúc chuỗi cấp trong các protein…

(ảnh 7)

Giải hóa học 10 trang 69 Cánh diều

Bài tập (trang 69)

Bài 1 trang 69 Hóa học 10: Liên kết hydrogen xuất hiện giữa những phân tử cùng loại nào sau đây?

A. CH₄

B. NH₃

C. H₃C – O – CH₃

D. PH₃

Phương pháp giải:

Lời giải:

Liên kết hydrogen xuất hiện giữa những phân tử cùng loại NH₃:

(ảnh 8)

Đáp án: B

Bài 2 trang 69 Hóa học 10: Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của hai chất HBr và HF như sau:

Chất	Nhiệt độ nóng chảy (^oC)	Nhiệt độ sôi (^oC)
?	–86,9	–66,8
?	–83,6	19,5

Hãy gán công thức chất thích hợp vào các ô có dấu?

Phương pháp giải:

- So sánh nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của HBr và HF, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của phân tử phụ thuộc vào 2 yếu tố:

+ Khối lượng phân tử: khối lượng càng lớn thì nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi càng cao.

+ Liên kết giữa các phân tử: số lượng liên kết giữa các phân tử càng nhiều lực liên kết càng mạnh khi đó cần nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao đẻ phá vỡ liên kết của chúng.

- Điền công thức thích hợp vào ô có dấu ?

Lời giải:

- Mặc dù HBr có khối lượng phân tử lớn hơn so với HF, nhưng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ của HBr thấp hơn so với HF.

Do trong phân tử HF có các liên kết hydrogen, còn HBr không có liên kết hydrogen. Để phá vỡ được các liên kết hydrogen liên phân tử trong HF cần phải cung cấp năng lượng để phá vỡ liên kết và động năng để phân tử chuyển động nhiều hơn so với phân tử HBr. Khi đó nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của HF đều lớn hơn HBr.

(ảnh 9)

- Điền công thức thích hợp vào ô có dấu ?

Chất	Nhiệt độ nóng chảy (^oC)	Nhiệt độ sôi (^oC)
HBr	–86,9	–66,8
HF	–83,6	19,5

Bài 3 trang 69 Hóa học 10: Chọn phương án đúng

1. Những phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về các loại liên kết?

a) Liên kết hydrogen yếu hơn liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.

b) Liên kết hydrogen mạnh hơn liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.

c) Tương tác van der Waals yếu hơn liên kết hydrogen.

d) Tương tác van der Waals mạnh hơn liên kết hydrogen.

2. Các liên kết biểu diễn bằng các đường nét đứt có vai trò quan trọng trong việc làm bền chuỗi xoắn đôi DNA. Đó là loại liên kết gì?

A. Liên kết ion.

B. Liên kết cộng hóa trị có cực.

C. Liên kết cộng hóa trị không cực.

D. Liên kết hydrogen.

(ảnh 10)

Phương pháp giải:

Dựa vào lý thuyết liên kết cộng hóa trị, liên kết ion, liên kết hydrogen và liên kết van der Waals.

Lời giải:

1. Những phát biểu đúng là:

a) Liên kết hydrogen yếu hơn liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.

c) Tương tác van der Waals yếu hơn liên kết hydrogen.

2. Các liên kết biểu diễn bằng các đường nét đứt có vai trò quan trọng trong việc làm bền chuỗi xoắn đôi DNA. Đó là liên kết hydrogen.

Đáp án: D

Bài 4 trang 69 Hóa học 10: Một kết quả nghiên cứu mới đây cho thấy các phân tử NH₃ có thể liên kết với nhau thành những cụm phân tử (NH₃)_n với n = 3 – 6. (Theo ACD Omega 2020, 5, 49, 31724-31729)

Vì sao các phân tử NH₃ có thể hình thành được cụm phân tử này?

(ảnh 11)

Phương pháp giải:

Dựa vào lý thuyết liên kết hydrogen.

Lời giải:

Nhờ có liên kết hydrogen giữa các nguyên tử H liên kết với N trong phân tử NH₃, các NH₃ hình thành được các cụm phân tử (NH₃)_n với n = 3 – 6.

(ảnh 12)

Lý thuyết Liên kết hydrogen và tương tác Van Der Waals

I. Liên kết hydrogen

1. Khái niệm

- Liên kết hydrogen là một loại liên kết yếu được hình thành giữa nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử có độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (có độ âm điện lớn) còn cặp electron hóa trị riêng.

- Các nguyên tử có độ âm điện lớn thường gặp trong liên kết hydrogen là N, O, F.

- Liên kết hydrogen thường được kí hiệu là dấu ba chấm (...), rải đều từ nguyên tử H đến nguyên tử tạo liên kết hydrogen với nó.

Trong đó, X, Y là các nguyên tử N, O, F

- Liên kết hydrogen có bản chất tĩnh điện. Tương tác hút tĩnh điện giữa $H^{δ^{+}}$ và $Y^{δ^{-}}$ thể hiện bản chất của liên kết hydrogen.

Ví dụ 1: Liên kết hydrogen được tạo ra giữa hai phân tử nước được thể hiện qua hình 12.1.

Hình 12.1. Liên kết hydrogen giữa hai phân tử nước

Ở khoảng cách 177 pm, lớn hơn độ dài liên kết cộng hóa trị O – H (96pm), đã xuất hiện liên kết hydrogen.

Lưu ý: Độ dài liên kết là khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử tham gia liên kết.

2. Ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới tính chất vật lí của nước

a) Đặc điểm tập hợp

- Nhờ liên kết hydrogen, các phân tử nước có thể tập hợp với nhau, ngay cả ở thể hơi, thành một cụm phân tử tương đối bền vứng. Kích thước các cụm phân tử này thay đổi tùy theo điều kiện nhiệt độ, áp suất.

® Đây là nguyên nhân dẫn tới các tính chất vật lí khác biệt của nước so với những chất lỏng khác. Do đặc điểm tập hợp đặc biệt này, khi làm lạnh, nước có thể hình thành bông tuyết với nhiều hình dạng khác nhau.

Hình 12.2. Một số cụm phân tử nước

b) Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

- Tại áp suất 1atm, nước có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương ứng là 0^oC và 100^oC, cao hơn so với nhiều chất có khối lượng phân tử lớn hơn của nước. Tính chất này là do các phân tử nước liên kết khá chặt chẽ với nhau bởi các liên kết hydrogen.

Bảng 12.1. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của một số chất tại áp suất 1 atm

Chất	Khối lượng phân tử (amu)	Nhiệt độ nóng chảy (^oC)	Nhiệt độ sôi (^oC)
H₂O	18	0	100
H₂S	34	-82,3	-60,3
CO₂	44	-57,0	-78,0

Chú ý: Để một chất có thể nóng chảy hoặc sôi, cần phải cung cấp năng lượng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử và cung cấp động năng để các phân tử chuyển động. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của chất phụ thuộc vào hai yếu tố:

(1) Khối lượng phân tử: Khối lượng phân tử càng lớn thì càng cần nhiều động năng để chuyển động nên nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi càng cao.

(2) Liên kết giữa các phân tử: Số lượng liên kết giữa các phân tử càng nhiều, lực liên kết càng mạnh thì càng cần nhiều năng lượng để phá vỡ liên kết giữa chúng. Khi đó, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của chất đó càng cao.

II. Tương tác van der Waals

Giữa các phân tử thậm chí không có liên kết hydrogen thì vẫn có tương tác với nhau, mặc dù yếu hơn. Đó là tương tác van der Waals.

1. Khái niệm

- Tương tác van der Waals là một loại liên kết yếu, hình thành do tương tác hút tĩnh điện giữa các cực trái dấu của phân tử.

Hình 12.3. Các khả năng tương tác hút tĩnh điện giữa các cực trái dấu của hai phân tử

- Liên kết cộng hóa trị có cực là nguyên nhân dẫn tới sự phân cực ở các phân tử HCl, SO₂, ...

Hình 12.4. Một số phân tử có cực (a) và biểu diễn các cực của phân tử (b)

- Mặc dù có lực liên kết rất yếu, nhưng tương tác van der Waals lại có nhiều ảnh hưởng đến thực tiễn. Ví dụ: sự bám hút của các hạt bụi lên bề mặt nhẵn, sự hấp phụ các phân tử chất màu và chất độc hại trong nước bởi than hoạt tính, ...

Lưu ý: Phân tử CO₂ không có cực, mặc dù liên kết C=O trong phân tử là liên kết có cực. Lí do bởi phân tử này có dạng thẳng, hai liên kết C=O lại có cực ngược chiều nhau nên triệt tiêu lẫn nhau khi xét cho cả phân tử

2. Ảnh hưởng của tương tác van der Waals tới tính chất vật lí của các chất

- Tương tự như liên kết hydrogen, tương tác van der Waals làm tăng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi các chất, nhưng ở mức độ ảnh hưởng yếu hơn so với liên kết hydrogen.