So sánh tương tác van der Waals với liên kết ion

Trả lời nhanh

Liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa cation và anion, rất bền (năng lượng cỡ hàng trăm kJ/mol), tạo nên chất rắn có nhiệt độ nóng chảy cao. Tương tác van der Waals là lực hút yếu giữa các phân tử hoặc nguyên tử trung hòa (cỡ dưới vài chục kJ/mol), nên chất phân tử thường dễ nóng chảy, dễ bay hơi. Liên kết hydrogen mạnh hơn van der Waals nhưng yếu hơn liên kết ion.

1. Bản chất của từng loại lực

Liên kết ion hình thành khi nguyên tử kim loại điển hình nhường electron thành cation, nguyên tử phi kim điển hình nhận electron thành anion. Hai ion mang điện trái dấu hút nhau bằng lực tĩnh điện. Ví dụ: Na⁺ và Cl^– trong NaCl.

Tương tác van der Waals xảy ra giữa các phân tử (hoặc nguyên tử khí hiếm) vốn trung hòa về điện. Trong phân tử, electron luôn chuyển động nên có lúc điện tích phân bố lệch, tạo lưỡng cực tạm thời. Lưỡng cực này làm phân tử bên cạnh cũng bị lệch điện tích theo (lưỡng cực cảm ứng), và hai phân tử hút nhau. Với phân tử phân cực như HCl, còn có thêm lực hút giữa các lưỡng cực có sẵn.

Liên kết hydrogen là lực hút giữa nguyên tử H đã gắn với nguyên tử có độ âm điện lớn (F, O, N) và cặp electron chưa liên kết của nguyên tử F, O, N khác, như giữa các phân tử H₂O hoặc NH₃.

2. Bảng so sánh

Tiêu chí	Liên kết ion	Tương tác van der Waals	Liên kết hydrogen
Các hạt tham gia	Cation và anion	Phân tử (hoặc nguyên tử) trung hòa	Phân tử có H–F, H–O, H–N
Nguồn gốc lực	Hút tĩnh điện giữa điện tích nguyên vẹn	Hút giữa các lưỡng cực tạm thời, cảm ứng hoặc vĩnh cửu	Hút giữa H mang điện dương một phần và cặp electron riêng
Độ bền	Rất mạnh (hàng trăm kJ/mol)	Rất yếu (thường dưới vài chục kJ/mol)	Trung bình (khoảng 10–40 kJ/mol)
Tính định hướng	Không định hướng, không bão hòa: mỗi ion hút mọi ion trái dấu xung quanh	Không định hướng rõ rệt, tác dụng ở khoảng cách gần	Có định hướng (X–H···Y gần thẳng hàng)
Ví dụ chất	NaCl, MgO, CaF₂	I₂, CH₄, HCl, khí hiếm	H₂O, NH₃, HF
Ảnh hưởng tính chất	Nóng chảy, sôi ở nhiệt độ rất cao; tan trong nước thì dẫn điện	Nóng chảy, sôi ở nhiệt độ thấp; dễ thăng hoa hoặc bay hơi	Nâng nhiệt độ sôi, nóng chảy so với chất cùng khối lượng phân tử

3. Vì sao hai loại lực lại chênh nhau nhiều như vậy?

Điện tích khác nhau: ion mang điện tích nguyên vẹn (+1, –1, +2, –2…), còn các lưỡng cực trong van der Waals chỉ mang điện tích lệch rất nhỏ, thoáng qua.
Quy mô cấu trúc: trong tinh thể ion, mỗi ion bị hút bởi nhiều ion trái dấu trong cả mạng. Khi nóng chảy phải phá mạng đó nên cần nhiều năng lượng. Với chất phân tử, chỉ phải thắng lực giữa các phân tử, còn liên kết cộng hóa trị bên trong phân tử vẫn giữ nguyên.
Khoảng cách: lực van der Waals giảm rất nhanh khi các phân tử xa nhau, nên chỉ đáng kể ở khoảng cách gần.

4. Minh họa bằng số liệu

NaCl (liên kết ion): nóng chảy khoảng 801 °C.
I₂ (van der Waals): nóng chảy khoảng 114 °C, đun nhẹ đã thăng hoa thành hơi tím.
CH₄ (van der Waals, phân tử không phân cực, nhỏ): sôi khoảng –162 °C.
H₂O (có liên kết hydrogen): sôi 100 °C, cao hơn nhiều so với H₂S (khoảng –60 °C) dù H₂S nặng hơn.

Cùng là lực giữa các phân tử, nhưng khi có thêm liên kết hydrogen thì nhiệt độ sôi tăng vọt. Điều đó cho thấy thứ tự độ mạnh: van der Waals < liên kết hydrogen < liên kết ion.

5. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ mạnh

Van der Waals: tăng khi khối lượng phân tử và kích thước đám mây electron tăng, vì đám mây lớn dễ bị lệch hơn. Vì vậy nhiệt độ sôi tăng theo dãy CH₄ < C₂H₆ < C₃H₈. Phân tử mạch thẳng tiếp xúc nhiều hơn nên lực cũng mạnh hơn phân tử phân nhánh.
Liên kết ion: tăng khi điện tích ion lớn và bán kính ion nhỏ. Vì vậy MgO (Mg²⁺, O^2–) nóng chảy cao hơn nhiều so với NaCl.

6. Mẹo nhớ và lỗi hay gặp

Mẹo: ion nhìn «điện tích thật» → hút mạnh; van der Waals chỉ là «điện tích lệch thoáng qua» → hút yếu.
Lỗi 1: cho rằng khi chất phân tử sôi thì liên kết cộng hóa trị trong phân tử bị phá. Thực tế chỉ bị thắng lực giữa các phân tử, ví dụ nước sôi vẫn là phân tử H₂O.
Lỗi 2: gọi tương tác van der Waals là «liên kết hóa học». Đây là lực liên phân tử, không phải liên kết hóa học thực sự.
Lỗi 3: nghĩ liên kết hydrogen có ở mọi phân tử chứa H. CH₄ không có vì C không đủ độ âm điện lớn và không có cặp electron riêng.

7. Bài luyện tập

Vì sao I₂ rắn dễ thăng hoa còn NaCl rắn thì không?
Đáp án: I₂ là chất phân tử, các phân tử chỉ giữ nhau bằng lực van der Waals yếu, nên dễ tách ra. NaCl là tinh thể ion, phải thắng lực hút tĩnh điện mạnh giữa Na⁺ và Cl^–.
Sắp xếp theo chiều tăng nhiệt độ sôi: C₃H₈, CH₄, C₂H₆.
Đáp án: CH₄ < C₂H₆ < C₃H₈, vì cả ba đều không phân cực, khối lượng phân tử càng lớn thì lực van der Waals càng mạnh.
Sắp xếp theo chiều tăng nhiệt độ nóng chảy: NaCl, I₂, MgO. Giải thích.
Đáp án: I₂ < NaCl < MgO. I₂ chỉ có lực van der Waals. MgO và NaCl đều là tinh thể ion, nhưng ion trong MgO mang điện tích 2+ và 2– nên lực hút mạnh hơn.

Muốn nắm chắc phần này, em nên ôn kỹ bản chất liên kết ion, liên kết cộng hóa trị và độ phân cực của phân tử trước, rồi mới so sánh các loại lực liên phân tử.

Câu hỏi thường gặp

Tương tác van der Waals có phải là liên kết hóa học không?

Không. Đây là lực hút yếu giữa các phân tử, không làm thay đổi cấu trúc phân tử. Liên kết ion, cộng hóa trị, kim loại mới là các liên kết hóa học.

Điểm khác biệt lớn nhất giữa liên kết ion và tương tác van der Waals là gì?

Liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích thật, rất mạnh. Van der Waals là lực hút giữa các phân tử trung hòa nhờ lưỡng cực lệch nhỏ, rất yếu.

Liên kết hydrogen mạnh hơn hay yếu hơn tương tác van der Waals?

Liên kết hydrogen thường mạnh hơn, nên H2O sôi ở nhiệt độ cao hơn H2S. Nhưng nó vẫn yếu hơn nhiều so với liên kết ion và liên kết cộng hóa trị.

Vì sao chất có liên kết ion nóng chảy ở nhiệt độ cao?

Trong tinh thể, mỗi ion bị hút bởi nhiều ion trái dấu xung quanh bằng lực tĩnh điện mạnh. Muốn nóng chảy phải phá mạng tinh thể nên cần nhiều năng lượng.