Độ âm điện Cl 3,16: vì sao HCl không có liên kết hydrogen

Trả lời nhanh

Liên kết hydrogen chỉ hình thành khi H gắn với nguyên tử có độ âm điện lớn và bán kính nhỏ (N, O, F). Nguyên tử Cl có bán kính lớn hơn N nhiều, nên điện tích âm bị “loãng” trên một thể tích lớn, không đủ sức hút mạnh nguyên tử H của phân tử bên cạnh. Vì vậy HCl không tạo liên kết hydrogen, còn NH₃ thì có.

Đề bài và hướng nghĩ

Đề hỏi: mặc dù chlorine có độ âm điện là 3,16 xấp xỉ với nitrogen là 3,04, nhưng giữa các phân tử HCl không tạo được liên kết hydrogen, trong khi giữa các phân tử NH₃ lại có. Hãy giải thích.

Nhiều bạn nghĩ “độ âm điện lớn là đủ”. Thực ra độ âm điện chỉ là điều kiện cần. Muốn có liên kết hydrogen, ta còn phải xét kích thước nguyên tử và cặp electron hoá trị chưa liên kết.

Điều kiện để có liên kết hydrogen

Phân tử có nguyên tử H liên kết trực tiếp với nguyên tử X có độ âm điện lớn, bán kính nhỏ (thường là F, O, N), làm H mang điện tích dương một phần (δ⁺).
Nguyên tử X còn cặp electron hoá trị chưa liên kết, tập trung trong vùng không gian nhỏ, tạo mật độ điện tích âm cao.
Nguyên tử H của phân tử này hút cặp electron đó của X ở phân tử bên cạnh: X–H···X.

So sánh N trong NH₃ và Cl trong HCl

Tiêu chí	N (trong NH₃)	Cl (trong HCl)
Độ âm điện	3,04	3,16
Chu kì / số lớp electron	Chu kì 2 – 2 lớp	Chu kì 3 – 3 lớp
Bán kính cộng hoá trị (gần đúng)	khoảng 71 pm	khoảng 99 pm
Cặp electron chưa liên kết	1 cặp, nằm ở lớp 2, gọn và tập trung	3 cặp, nằm ở lớp 3, phân bố rải trên thể tích lớn
Mật độ điện tích âm	Cao	Thấp

Giải thích từng bước

Độ âm điện không phải yếu tố duy nhất. Liên kết H–Cl thậm chí phân cực mạnh hơn N–H (hiệu độ âm điện 3,16 − 2,20 = 0,96 so với 3,04 − 2,20 = 0,84), nên H trong HCl vẫn mang δ⁺ rõ rệt.
Cl có bán kính lớn. Cl có 3 lớp electron nên điện tích âm trải ra trên thể tích lớn. Mật độ điện tích âm trên Cl thấp, lực hút tĩnh điện giữa Cl và H của phân tử lân cận yếu.
N có bán kính nhỏ. Cặp electron riêng của N nằm gọn ở lớp 2, mật độ điện tích âm cao, H của phân tử NH₃ bên cạnh có thể tiến lại rất gần và hút mạnh: N–H···N.
Kết luận: giữa các phân tử HCl chỉ có tương tác van der Waals (chủ yếu lưỡng cực–lưỡng cực và cảm ứng), còn giữa các phân tử NH₃ có thêm liên kết hydrogen.

Bằng chứng từ nhiệt độ sôi

Liên kết hydrogen làm các phân tử “dính” nhau hơn nên chất khó hoá hơi hơn.

NH₃: nhiệt độ sôi khoảng −33 °C (có liên kết hydrogen).
HCl: nhiệt độ sôi khoảng −85 °C (không có liên kết hydrogen đáng kể), dù phân tử khối HCl (36,5) lớn hơn NH₃ (17).

Phân tử khối lớn hơn mà sôi thấp hơn cho thấy NH₃ có lực hút giữa các phân tử mạnh hơn nhờ liên kết hydrogen. Cũng vì thế NH₃ dễ hoá lỏng và tan rất tốt trong nước (tạo liên kết hydrogen với H₂O).

Lỗi sai thường gặp

Viết “vì Cl có độ âm điện nhỏ hơn N” – sai, 3,16 lớn hơn 3,04.
Chỉ nói “HCl không có liên kết hydrogen vì Cl không phải F, O, N” mà không giải thích lý do. Bài tự luận cần nêu bán kính lớn và mật độ điện tích âm thấp.
Nhầm liên kết hydrogen là liên kết trong phân tử. Thực tế đó là tương tác yếu giữa các phân tử, yếu hơn liên kết cộng hoá trị nhiều lần.

Mẹo nhớ: “Âm điện lớn + nguyên tử nhỏ + còn cặp electron riêng = có liên kết hydrogen”. Thiếu “nhỏ” như Cl thì không đạt.

Bài luyện tập

Giữa các phân tử H₂S có liên kết hydrogen không? Vì sao?
Đáp án: Không đáng kể. S có độ âm điện 2,58 (thấp hơn Cl, N, O) và bán kính lớn, nên mật độ điện tích âm thấp; vì vậy H₂S là chất khí ở điều kiện thường, còn H₂O là chất lỏng.
Giữa các phân tử nào sau đây có liên kết hydrogen: CH₄, HF, CH₃OH?
Đáp án: HF và CH₃OH. Ở CH₄, H gắn với C (độ âm điện 2,55, liên kết gần như không phân cực); HF có H–F, CH₃OH có H–O.
Vì sao ethanol (C₂H₅OH) sôi cao hơn dimethyl ether (CH₃OCH₃) dù cùng công thức C₂H₆O?
Đáp án: Ethanol có nhóm O–H nên tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử; dimethyl ether không có H gắn với O nên không tạo được.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao HCl không có liên kết hydrogen dù Cl có độ âm điện lớn?

Vì nguyên tử Cl có bán kính lớn (3 lớp electron), điện tích âm phân tán trên thể tích lớn nên mật độ điện tích âm thấp, không đủ hút mạnh nguyên tử H của phân tử bên cạnh.

Giữa các phân tử HCl có loại lực hút nào?

Chủ yếu là tương tác van der Waals (lưỡng cực–lưỡng cực và lực khuếch tán), yếu hơn liên kết hydrogen.

Những nguyên tố nào thường tạo liên kết hydrogen?

Chủ yếu là F, O, N: độ âm điện lớn, bán kính nhỏ và còn cặp electron hoá trị chưa liên kết, khi chúng gắn trực tiếp với H.

Liên kết hydrogen ảnh hưởng thế nào đến tính chất của NH3?

Làm NH3 có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao bất thường so với các hợp chất cùng loại và giúp NH3 tan rất tốt trong nước.