Liên kết hydrogen được hình thành như thế nào?

Trả lời nhanh

Liên kết hydrogen hình thành khi nguyên tử H đã liên kết với nguyên tử có độ âm điện lớn, bán kính nhỏ (N, O, F) bị hút lại gần nguyên tử N, O, F còn cặp electron hoá trị riêng của phân tử khác. Lực hút tĩnh điện giữa H mang điện dương một phần và nguyên tử âm điện đó chính là liên kết hydrogen, kí hiệu X–H···Y.

Liên kết hydrogen hình thành qua mấy bước?

Ta có thể hình dung quá trình này theo ba bước, lấy nước làm ví dụ:

Liên kết O–H phân cực mạnh. Oxygen có độ âm điện lớn hơn hydrogen nhiều nên cặp electron chung lệch hẳn về phía O. Nguyên tử O mang điện âm một phần, nguyên tử H mang điện dương một phần.
H gần như “trần”. H chỉ có một electron, khi electron bị kéo lệch đi thì hạt nhân H lộ ra, lại có kích thước rất nhỏ nên điện tích dương tập trung và có thể lại gần nguyên tử khác rất sát.
Hút tĩnh điện với phân tử bên cạnh. Nguyên tử H này bị hút bởi nguyên tử O của phân tử nước khác, vì O đó mang điện âm một phần và còn cặp electron hoá trị riêng chưa tham gia liên kết.

Sơ đồ hai phân tử nước liên kết với nhau: nguyên tử H của phân tử thứ nhất hút nguyên tử O của phân tử thứ hai bằng liên kết hydrogen nét đứt — Liên kết hydrogen giữa hai phân tử nước: H của phân tử này hướng về O của phân tử kia.

Điều kiện để có liên kết hydrogen

Cần đồng thời hai điều kiện:

Chất cho: phân tử có nguyên tử H liên kết trực tiếp với N, O hoặc F (các liên kết N–H, O–H, F–H).
Chất nhận: nguyên tử N, O hoặc F của phân tử bên cạnh còn cặp electron hoá trị riêng.

Liên kết được biểu diễn bằng nét đứt hoặc ba chấm: X–H···Y, trong đó X, Y là N, O, F. Đoạn X–H là liên kết cộng hoá trị, đoạn H···Y mới là liên kết hydrogen.

Ví dụ các chất có liên kết hydrogen

Chất	Liên kết hydrogen	Ghi chú
H₂O	O–H···O	Mỗi phân tử tạo được tối đa 4 liên kết (2 liên kết nhờ 2 nguyên tử H, 2 liên kết nhờ 2 cặp electron riêng của O)
NH₃	N–H···N	Yếu hơn của nước vì N có độ âm điện nhỏ hơn O
HF	F–H···F	Liên kết khá bền, HF lỏng tồn tại dạng liên hợp
C₂H₅OH	O–H···O	Có nhóm –OH nên tạo liên kết giữa các phân tử rượu
CH₃COOH	O–H···O	Hai phân tử có thể ghép đôi qua hai liên kết

Vì sao liên kết hydrogen quan trọng?

Liên kết hydrogen yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hoá trị, nhưng mạnh hơn tương tác van der Waals thông thường. Vì có rất nhiều liên kết cùng lúc nên hệ quả rất rõ:

Nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy cao bất thường. H₂O sôi ở 100 °C trong khi H₂S (phân tử khối lớn hơn) sôi ở khoảng −60 °C. Ethanol (C₂H₅OH) sôi ở khoảng 78 °C, còn đồng phân dimethyl ether (CH₃OCH₃) chỉ khoảng −24 °C.
Độ tan. Ethanol, acetic acid, ammonia tan tốt trong nước vì tạo được liên kết hydrogen với phân tử nước.
Nước đá nhẹ hơn nước lỏng. Ở trạng thái rắn, mỗi phân tử nước liên kết với 4 phân tử khác theo cấu trúc rỗng, nên thể tích tăng và khối lượng riêng giảm.
Sinh học. Liên kết hydrogen giữ hai mạch của phân tử DNA ghép với nhau và góp phần ổn định cấu trúc protein.

Lỗi sai thường gặp

Cho rằng có H là có liên kết hydrogen. CH₄, C₂H₆ không có, vì H nối với C, độ phân cực quá nhỏ.
Nhầm với liên kết O–H. Liên kết O–H nằm trong phân tử, còn liên kết hydrogen nằm giữa các phân tử (hoặc giữa các phần của một phân tử lớn).
Bỏ sót điều kiện “chất cho”. CH₃OCH₃ và CH₃CHO có O nhưng không có H gắn trên O, nên các phân tử cùng loại không tạo liên kết hydrogen với nhau. Chúng chỉ nhận được liên kết từ phân tử nước.
Cho rằng HCl cũng tạo liên kết hydrogen bền. Cl có bán kính lớn nên H–Cl···H–Cl không đáng kể; ở chương trình phổ thông ta chỉ xét N, O, F.

Mẹo nhớ: chỉ cần nhớ “H dính N, O, F thì cho; N, O, F còn cặp electron riêng thì nhận”.

Bài luyện tập

Trong các chất CH₄, NH₃, CH₃OH, CH₃CHO, chất nào tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử cùng loại?

Đáp án: NH₃ (N–H···N) và CH₃OH (O–H···O), vì có H liên kết trực tiếp với N hoặc O. CH₄ và CH₃CHO không có H gắn với N, O, F.
Giải thích vì sao ethanol có nhiệt độ sôi cao hơn dimethyl ether dù cùng công thức phân tử C₂H₆O.

Đáp án: Ethanol có nhóm –OH nên các phân tử tạo liên kết hydrogen O–H···O với nhau, cần nhiều năng lượng hơn để tách ra. Dimethyl ether không có H gắn với O nên chỉ có tương tác van der Waals và tương tác lưỡng cực yếu hơn.
Mỗi phân tử nước tạo tối đa bao nhiêu liên kết hydrogen? Vì sao?

Đáp án: Tối đa 4: 2 nguyên tử H làm chất cho (2 liên kết) và 2 cặp electron hoá trị riêng của O làm chất nhận (2 liên kết).

Câu hỏi thường gặp

Liên kết hydrogen là liên kết ion hay cộng hoá trị?

Không phải cả hai. Đó là lực hút tĩnh điện giữa các phân tử (hoặc giữa các phần phân tử) có độ phân cực lớn, yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hoá trị và liên kết ion.

Những nguyên tố nào tham gia tạo liên kết hydrogen?

Ở chương trình phổ thông, H liên kết với N, O hoặc F làm chất cho, còn N, O, F còn cặp electron hoá trị riêng làm chất nhận. Kí hiệu chung là X–H···Y.

Vì sao nước có nhiệt độ sôi cao hơn H2S?

Giữa các phân tử H2O có liên kết hydrogen, cần nhiều năng lượng để phá vỡ. Giữa các phân tử H2S chỉ có tương tác van der Waals yếu nên H2S sôi thấp hơn dù phân tử khối lớn hơn.

CH3CHO có tạo liên kết hydrogen với nhau không?

Không. Phân tử CH3CHO có O nhưng không có H liên kết trực tiếp với O, N hay F nên không có chất cho. Tuy nhiên nó có thể nhận liên kết hydrogen từ phân tử nước.