Trả lời nhanh
HF có nhiệt độ sôi cao hơn HBr là vì giữa các phân tử HF tạo được liên kết hydrogen (H–F···H–F). Liên kết này mạnh hơn nhiều so với tương tác van der Waals giữa các phân tử HBr. Muốn chuyển HF từ lỏng sang khí phải tốn thêm năng lượng để phá các liên kết hydrogen, nên HF sôi ở nhiệt độ cao hơn.
Số liệu so sánh các hydrogen halide
Hãy nhìn bảng nhiệt độ sôi gần đúng của dãy HX (X là halogen) dưới áp suất thường:
| Chất | Khối lượng mol (g/mol) | Nhiệt độ sôi gần đúng (°C) |
|---|---|---|
| HF | 20 | +19,5 |
| HCl | 36,5 | –85 |
| HBr | 81 | –67 |
| HI | 128 | –35 |
Từ HCl đến HI, khối lượng phân tử tăng, electron nhiều hơn nên tương tác van der Waals mạnh dần và nhiệt độ sôi tăng dần. HF có khối lượng nhỏ nhất, theo quy luật này lẽ ra phải sôi thấp nhất, nhưng thực tế lại sôi cao nhất. Đó là dấu hiệu có một yếu tố khác “chen vào”: liên kết hydrogen.
Giải thích từng bước
- Liên kết H–F phân cực rất mạnh. Fluorine có độ âm điện lớn nhất (khoảng 3,98), hydrogen chỉ khoảng 2,20. Cặp electron lệch hẳn về phía F, nên H mang điện tích dương một phần, F mang điện tích âm một phần.
- F nhỏ và còn cặp electron riêng. Nguyên tử H đã gần như “trần” ở một phía nên bị hút mạnh bởi cặp electron riêng của nguyên tử F ở phân tử bên cạnh.
- Hình thành liên kết hydrogen X–H···Y (X, Y là F, O hoặc N). Các phân tử HF nối với nhau thành chuỗi gấp khúc hoặc vòng.
- Hệ quả: muốn tách các phân tử ra khỏi nhau để sôi phải phá cả liên kết hydrogen, nên cần nhiều năng lượng hơn, tức nhiệt độ sôi cao hơn.
Với HBr, độ âm điện của Br (khoảng 2,96) nhỏ hơn, nguyên tử Br lại lớn nên mật độ điện tích âm thấp. Giữa các phân tử HBr chỉ có tương tác van der Waals (lưỡng cực – lưỡng cực và tán xạ), rất yếu, nên HBr là chất khí ở nhiệt độ thường.
Loại trừ những cách giải thích sai thường gặp
- “Vì HF có khối lượng phân tử lớn hơn HBr” – sai. M(HF) = 20, M(HBr) = 81; HF nhẹ hơn rất nhiều.
- “Vì liên kết H–F bền hơn liên kết H–Br” – sai ý. Đúng là H–F bền hơn, nhưng độ bền liên kết cộng hoá trị trong phân tử quyết định tính bền nhiệt, không quyết định nhiệt độ sôi. Khi sôi, liên kết trong phân tử không bị phá, chỉ có lực giữa các phân tử bị thắng.
- “Vì HF là hợp chất ion” – sai. HF là hợp chất cộng hoá trị phân cực.
- “Vì HF phân cực hơn HBr” – chưa đủ. Phân cực mạnh là điều kiện cần, nhưng nguyên nhân trực tiếp là sự xuất hiện liên kết hydrogen.
Mẹo nhớ
Gặp câu hỏi so sánh nhiệt độ sôi của các chất phân tử, hãy hỏi theo thứ tự: (1) Có liên kết hydrogen không – tức có H gắn trực tiếp vào F, O, N không? (2) Nếu không, so sánh khối lượng phân tử (tương tác van der Waals). Chất nào “qua cửa” số (1) thường sôi cao bất thường.
Bài luyện tập
- Vì sao H2O sôi ở 100 °C còn H2S (M = 34) chỉ sôi ở khoảng –60 °C?
Đáp án: giữa các phân tử H2O có liên kết hydrogen (O có độ âm điện lớn, nhỏ), còn H2S gần như chỉ có tương tác van der Waals. - Sắp xếp theo nhiệt độ sôi tăng dần: HF, HCl, HBr, HI.
Đáp án: HCl < HBr < HI < HF. - CH3F có tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử của nó không?
Đáp án: Không, vì H trong CH3F gắn với C chứ không gắn trực tiếp với F, O, N nên không đủ phân cực để tạo liên kết hydrogen.
Câu hỏi thường gặp
HF có nhiệt độ sôi cao hơn HBr là vì sao?
Vì giữa các phân tử HF có liên kết hydrogen, còn giữa các phân tử HBr chỉ có tương tác van der Waals yếu hơn nhiều.
Liên kết hydrogen hình thành khi nào?
Khi nguyên tử H liên kết với nguyên tử có độ âm điện lớn và bán kính nhỏ (F, O, N) và bị hút bởi cặp electron riêng của F, O, N ở phân tử khác.
Tại sao HF nhẹ hơn HBr mà vẫn sôi cao hơn?
Vì nhiệt độ sôi của HF bị chi phối chủ yếu bởi liên kết hydrogen chứ không phải khối lượng phân tử; lực này lớn hơn phần đóng góp từ tương tác van der Waals của HBr.
Nhiệt độ sôi có liên quan đến độ bền liên kết H–F không?
Không. Khi sôi chỉ lực hút giữa các phân tử bị thắng, liên kết cộng hoá trị H–F trong mỗi phân tử không bị phá vỡ.