Biểu diễn liên kết hydrogen giữa các phân tử hydrogen fluoride (HF)

Vì sao các phân tử HF tạo được liên kết hydrogen?

Trong phân tử HF, F có độ âm điện rất lớn (khoảng 3,98) còn H chỉ khoảng 2,20. Cặp electron dùng chung lệch hẳn về phía F, nên F mang điện tích âm một phần, H mang điện tích dương một phần.

Nguyên tử H lúc này gần như “trơ trọi” vì chỉ có một electron và bán kính rất nhỏ. Nó hút mạnh cặp electron chưa liên kết trên nguyên tử F của phân tử HF bên cạnh. Lực hút tĩnh điện này chính là liên kết hydrogen.

Ba điều kiện cần nhớ để có liên kết hydrogen:

• Nguyên tử H phải liên kết trực tiếp với nguyên tử có độ âm điện lớn, bán kính nhỏ (thường là N, O, F).
• Nguyên tử N, O hoặc F ở phân tử bên cạnh phải còn cặp electron chưa liên kết.
• Hai phần trên thuộc hai phân tử (hoặc hai phần) khác nhau, đủ gần nhau.

Cách biểu diễn liên kết hydrogen giữa các phân tử HF

Làm lần lượt theo các bước sau:

1. Viết từng phân tử HF với liên kết cộng hóa trị bằng gạch liền: H–F.
2. Đặt các phân tử nối tiếp nhau sao cho H của phân tử này hướng về F của phân tử kia.
3. Nối H với F của phân tử bên cạnh bằng dấu ba chấm (hoặc nét đứt): F···H.
4. Có thể ghi thêm kí hiệu điện tích một phần để thấy rõ bản chất tĩnh điện.

Kết quả (với ba phân tử):

H^δ+–F^δ− ··· H^δ+–F^δ− ··· H^δ+–F^δ−

Chú ý: ba chấm luôn nằm giữa F (của phân tử trước) và H (của phân tử sau). Cách viết đúng là F···H–F, không phải H···H hay F···F.

Liên kết hydrogen khác liên kết cộng hóa trị ở đâu?

Tiêu chí	Liên kết H–F trong phân tử	Liên kết hydrogen F···H
Bản chất	Cặp electron dùng chung	Lực hút tĩnh điện giữa H (δ+) và F (δ−)
Nằm ở đâu	Bên trong một phân tử	Giữa các phân tử
Độ bền	Rất bền	Yếu hơn nhiều, nhưng mạnh hơn tương tác van der Waals thông thường
Kí hiệu	Gạch liền	Dấu ba chấm / nét đứt
Ảnh hưởng	Quyết định tính chất hóa học	Ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, độ tan

Ý nghĩa: vì sao HF sôi cao bất thường?

Trong dãy HF, HCl, HBr, HI, khối lượng phân tử tăng dần nên ta dễ đoán nhiệt độ sôi tăng dần. Thực tế HF sôi ở khoảng 19,5 °C, cao hơn hẳn HCl (khoảng −85 °C), HBr (khoảng −67 °C) và HI (khoảng −35 °C).

Nguyên nhân là các phân tử HF liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen, nên cần nhiều năng lượng hơn để tách chúng ra khỏi nhau khi chuyển sang thể khí. Cl, Br, I có độ âm điện thấp hơn và bán kính lớn hơn nên không tạo được liên kết hydrogen đáng kể.

Lỗi sai thường gặp

• Vẽ ba chấm bên trong phân tử (H···F trong cùng một phân tử). Bên trong phân tử là liên kết cộng hóa trị, phải dùng gạch liền.
• Nối F với F hoặc H với H. Liên kết hydrogen luôn là X–H···Y.
• Cho rằng liên kết hydrogen bền như liên kết cộng hóa trị. Khi HF sôi, chỉ liên kết hydrogen bị phá, liên kết H–F vẫn còn.
• Nghĩ mọi hợp chất chứa H đều tạo liên kết hydrogen. CH₄ hay HCl không tạo liên kết hydrogen đáng kể vì H không gắn với N, O, F (hoặc nguyên tử đó không đủ âm điện, nhỏ).

Mẹo nhớ: chỉ cần nhớ “H gắn với F, O, N – gặp cặp electron riêng của F, O, N bên cạnh thì có ba chấm”.

Bài luyện tập

Bài 1. Biểu diễn liên kết hydrogen giữa một phân tử HF và một phân tử H₂O.

Đáp án: H của HF hút cặp electron chưa liên kết của O trong nước: F–H···O(H)₂, tức H–F···H–O–H theo kiểu hướng H của HF vào O. Ngoài ra, H của nước cũng có thể hút F của HF: H–O–H···F–H. Cả hai đều là liên kết hydrogen.

Bài 2. CH₄ có tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử không? Vì sao?

Đáp án: Không. H trong CH₄ liên kết với C, độ âm điện của C không đủ lớn nên liên kết C–H hầu như không phân cực mạnh và C không có cặp electron chưa liên kết.

Bài 3. Giải thích vì sao nhiệt độ sôi của HF cao hơn HCl dù khối lượng phân tử HF nhỏ hơn.

Đáp án: Giữa các phân tử HF có liên kết hydrogen, còn giữa các phân tử HCl chủ yếu là tương tác van der Waals yếu hơn, nên cần ít năng lượng hơn để tách các phân tử HCl.

Câu hỏi thường gặp

Liên kết hydrogen giữa các phân tử HF được kí hiệu như thế nào?

Bằng dấu ba chấm hoặc nét đứt nối F của phân tử này với H của phân tử kia, ví dụ H–F···H–F···H–F. Gạch liền dành cho liên kết cộng hóa trị trong phân tử.

Điều kiện để hình thành liên kết hydrogen là gì?

H phải gắn với nguyên tử có độ âm điện lớn, bán kính nhỏ (N, O, F) và gần một nguyên tử N, O, F khác còn cặp electron chưa liên kết.

Vì sao HF có nhiệt độ sôi cao hơn HCl, HBr, HI?

Vì các phân tử HF tạo liên kết hydrogen với nhau nên cần nhiều năng lượng để tách ra, trong khi HCl, HBr, HI chỉ có tương tác van der Waals yếu hơn.

Khi HF sôi thì liên kết nào bị phá vỡ?

Chỉ liên kết hydrogen giữa các phân tử bị phá vỡ. Liên kết cộng hóa trị H–F trong mỗi phân tử vẫn giữ nguyên.

Bài học liên quan

• NaHSO3 + NaHSO4 → Na2SO4 + SO2 + H2O: NaHSO4 ra SO2 khi nào?
• Cân bằng phản ứng oxi hóa khử HCl + PbO2 → PbCl2 + Cl2 + H2O
• KCl là liên kết gì? Giải thích liên kết trong phân tử KCl
• Cách xác định số proton, nơtron, electron của nguyên tử, đồng vị
• Nguyên tử X có 19 proton trong hạt nhân: số hạt electron của X là bao nhiêu?
• H2S + NaOH → NaHS + H2O: phương trình, điều kiện và cách xét tỉ lệ