So sánh độ bền liên kết hydrogen, cộng hoá trị, ion

Trả lời nhanh

Liên kết hydrogen kém bền hơn nhiều so với liên kết cộng hoá trị và liên kết ion. Năng lượng liên kết hydrogen chỉ khoảng 5–30 kJ/mol, còn liên kết cộng hoá trị thường vài trăm kJ/mol (O–H khoảng 464 kJ/mol) và liên kết ion trong tinh thể có năng lượng mạng lưới hàng trăm đến hàng nghìn kJ/mol (NaCl khoảng 787 kJ/mol). Thứ tự chung: ion, cộng hoá trị >> hydrogen > tương tác van der Waals.

Bản chất ba loại liên kết

Liên kết cộng hoá trị: hình thành do dùng chung electron giữa hai nguyên tử, nằm bên trong phân tử.
Liên kết ion: hình thành do lực hút tĩnh điện giữa ion dương và ion âm, tạo tinh thể ion.
Liên kết hydrogen: là tương tác yếu giữa nguyên tử H đã liên kết với nguyên tử có độ âm điện lớn (F, O, N) và cặp electron hoá trị chưa liên kết của nguyên tử F, O, N khác. Nó nằm giữa các phân tử (hoặc giữa các phần của một phân tử lớn).

Bảng so sánh

Tiêu chí	Liên kết hydrogen	Liên kết cộng hoá trị	Liên kết ion
Bản chất	Lực hút tĩnh điện yếu giữa H mang điện tích dương một phần và F, O, N	Cặp electron dùng chung	Lực hút tĩnh điện giữa ion trái dấu
Vị trí	Giữa các phân tử	Trong phân tử	Trong toàn bộ mạng tinh thể
Mức năng lượng (tham khảo)	Khoảng 5–30 kJ/mol (nước ≈ 20)	Khoảng 150–1000 kJ/mol (H–H 436; O–H 464)	Năng lượng mạng NaCl ≈ 787 kJ/mol
Độ bền	Yếu	Rất bền	Rất bền
Ảnh hưởng chính	Nhiệt độ sôi, nóng chảy, độ tan	Tính chất hoá học của phân tử	Nhiệt độ nóng chảy cao, dẫn điện khi nóng chảy

Lưu ý: các số liệu là giá trị gần đúng, thay đổi theo từng chất và nguồn tra cứu. Điều cần nhớ là bậc độ lớn: liên kết hydrogen nhỏ hơn liên kết cộng hoá trị khoảng 10–20 lần.

Biểu đồ thanh so sánh năng lượng liên kết hydrogen, liên kết cộng hoá trị H–H, O–H và năng lượng mạng NaCl — Liên kết hydrogen có năng lượng nhỏ hơn hàng chục lần so với liên kết cộng hoá trị và liên kết ion.

Vì sao liên kết hydrogen yếu hơn?

Liên kết cộng hoá trị là sự xen phủ orbital và dùng chung cặp electron, hai hạt nhân cùng hút cặp electron đó nên rất chặt.
Liên kết hydrogen chỉ là lực hút tĩnh điện giữa các điện tích một phần (δ+ và δ−), không có sự dùng chung electron.
Khoảng cách H···O (hay H···N, H···F) dài hơn nhiều khoảng cách của liên kết cộng hoá trị O–H, nên lực hút giảm đáng kể.
Liên kết ion dựa trên điện tích nguyên vẹn (+1, −1 hoặc lớn hơn) và mỗi ion bị nhiều ion trái dấu bao quanh, nên năng lượng mạng lưới lớn.

Có thể so sánh cộng hoá trị với ion không?

Hai loại này đều bền, nhưng không thể kết luận loại nào luôn bền hơn. Với liên kết ion, người ta dùng năng lượng mạng lưới (cho cả tinh thể); với liên kết cộng hoá trị dùng năng lượng liên kết (cho một liên kết cụ thể). Hai đại lượng được đo trên đối tượng khác nhau. Vì vậy khi làm bài, chỉ cần khẳng định cả hai bền hơn hẳn liên kết hydrogen.

Ví dụ minh hoạ: nước

Khi đun sôi nước, ta cung cấp khoảng 41 kJ cho 1 mol nước bay hơi. Năng lượng này chủ yếu dùng để phá các liên kết hydrogen giữa các phân tử.
Các liên kết O–H (≈ 464 kJ/mol) vẫn nguyên vẹn, vì thế hơi nước vẫn là H₂O. Muốn phân huỷ nước phải điện phân hoặc dùng nhiệt rất cao.
So sánh: H₂S không tạo liên kết hydrogen đáng kể nên sôi ở khoảng −60 °C, còn H₂O sôi ở 100 °C.
NaCl nóng chảy ở khoảng 801 °C, cao hơn nhiều so với nước đá (0 °C), cho thấy liên kết ion mạnh hơn liên kết hydrogen.

Mẹo nhớ và lỗi sai thường gặp

Mẹo: “Trong phân tử thì bền (cộng hoá trị), giữa phân tử thì yếu (hydrogen)”. Liên kết ion thì tính cho cả tinh thể.
Lỗi 1: cho rằng khi nước sôi thì liên kết O–H bị đứt. Thực tế chỉ liên kết hydrogen giữa các phân tử bị phá.
Lỗi 2: coi liên kết hydrogen là liên kết hoá học “thực sự” mạnh. Nó chỉ là tương tác yếu, nhưng có số lượng lớn nên ảnh hưởng rõ đến tính chất vật lí.
Lỗi 3: cho rằng mọi chất chứa H đều có liên kết hydrogen. Chỉ khi H gắn với F, O hoặc N (và có cặp electron chưa liên kết ở nguyên tử F, O, N khác) mới có.

Bài luyện tập

Bài 1. Sắp xếp theo độ bền giảm dần: liên kết hydrogen giữa các phân tử H₂O, liên kết O–H trong H₂O, tương tác van der Waals giữa các phân tử CH₄.

Đáp án: O–H trong H₂O > liên kết hydrogen > tương tác van der Waals.

Bài 2. Vì sao HF có nhiệt độ sôi cao hơn HCl dù khối lượng phân tử HF nhỏ hơn?

Đáp án: F có độ âm điện rất lớn nên các phân tử HF tạo được liên kết hydrogen với nhau, cần thêm năng lượng để phá. Cl có độ âm điện thấp hơn, kích thước lớn, HCl hầu như không tạo liên kết hydrogen bền.

Bài 3. Sắp xếp nhiệt độ sôi tăng dần: CH₄, NH₃, H₂O.

Đáp án: CH₄ < NH₃ < H₂O (khoảng −162 °C, −33 °C, 100 °C). CH₄ không có liên kết hydrogen; nước tạo liên kết hydrogen nhiều và bền hơn amoniac vì O có độ âm điện lớn hơn N và mỗi phân tử H₂O có hai H và hai cặp electron chưa liên kết.

Câu hỏi thường gặp

Liên kết hydrogen có phải liên kết hoá học không?

Liên kết hydrogen thường được xếp là một loại tương tác yếu giữa các phân tử, không phải liên kết hoá học thực sự như liên kết cộng hoá trị hay liên kết ion. Nó không tạo ra phân tử mới mà chỉ ảnh hưởng tới tính chất vật lí.

Năng lượng liên kết hydrogen lớn nhất cỡ bao nhiêu?

Thường trong khoảng 5–30 kJ/mol, riêng liên kết hydrogen giữa các phân tử H2O khoảng 20 kJ/mol. Liên kết hydrogen mạnh nhất (như trong ion HF2−) có thể cao hơn nhưng ít gặp ở chương trình phổ thông.

Liên kết ion và liên kết cộng hoá trị cái nào bền hơn?

Không có kết luận chung vì tuỳ chất cụ thể và hai đại lượng đo khác nhau (năng lượng mạng lưới và năng lượng liên kết). Cả hai đều bền hơn nhiều so với liên kết hydrogen.

Vì sao nước đá nổi trên nước lỏng?

Trong nước đá, mỗi phân tử H2O tạo bốn liên kết hydrogen theo cấu trúc tứ diện, tạo mạng có nhiều khoảng trống nên thể tích lớn hơn và khối lượng riêng nhỏ hơn nước lỏng.