Giải thích độ phân cực liên kết và moment lưỡng cực, kèm công cụ kiểm tra miễn phí
Trả lời ngắn: Một liên kết phân cực khi hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau. Theo thang Pauling, ΔEN dưới 0,4 là cộng hóa trị không phân cực, 0,4 đến 1,7 là cộng hóa trị phân cực và trên 1,7 thường là liên kết ion. Nguyên tử có độ âm điện lớn hơn mang δ−. Phân tử phân cực khi các lưỡng cực liên kết không triệt tiêu nhau, điều này phụ thuộc vào hình dạng VSEPR: H₂O (dạng góc) phân cực với 1,85 D, CO₂ (dạng thẳng) không phân cực. Công cụ kiểm tra độ phân cực liên kết và moment lưỡng cực MolDraw miễn phí xác định cả hai.
Độ phân cực liên kết và độ âm điện
Độ âm điện (χ) là khả năng một nguyên tử hút electron trong liên kết. Trên thang Pauling, fluorine cao nhất với 3,98, tiếp theo là oxygen 3,44, chlorine 3,16 và nitrogen 3,04. Carbon là 2,55 và hydrogen là 2,20.
Trong liên kết giữa hai nguyên tử khác nhau, electron ở gần nguyên tử có độ âm điện lớn hơn nhiều hơn. Nguyên tử đó mang một phần điện tích âm (δ−) và nguyên tử kia mang một phần điện tích dương (δ+). Sự phân tách điện tích này là lưỡng cực liên kết.
| ΔEN nhỏ hơn 0,4 | Cộng hóa trị không phân cực. Ví dụ: Cl–Cl (0), C–H (0,35). |
|---|---|
| ΔEN từ 0,4 đến 1,7 | Cộng hóa trị phân cực. Ví dụ: C–O (0,89), H–Cl (0,96), O–H (1,24). |
| ΔEN từ 1,7 đến 2,0 | Vùng ranh giới. Đa số sách phổ thông nói là ion khi trên 1,7, một số nói trên 2,0. H–F (1,78) là phân tử cộng hóa trị. |
| ΔEN trên 2,0 | Liên kết ion. Ví dụ: Na–Cl (2,23), K–F (3,16). |
Phần trăm tính ion có thể được ước tính bằng công thức Pauling: % ion = (1 − e^(−ΔEN²/4)) × 100. ΔEN bằng 1,7 cho khoảng 51% tính ion, đó là nguồn gốc của mốc 1,7.
Khi nào phân tử phân cực?
Lưỡng cực liên kết là các vector. Hãy cộng chúng theo hình dạng 3D của phân tử:
- Vẽ công thức Lewis và xác định hình dạng bằng VSEPR.
- Vẽ một mũi tên lưỡng cực trên mỗi liên kết phân cực, hướng về nguyên tử δ−.
- Cộng các mũi tên. Nếu chúng triệt tiêu, phân tử không phân cực. Nếu không, phân tử phân cực.
Một phép thử đơn giản: phân tử không phân cực khi nguyên tử trung tâm không có cặp electron tự do và mọi nguyên tử bên ngoài đều giống nhau (CO₂, BF₃, CCl₄, PCl₅, SF₆). Hai hình dạng có cặp electron tự do vẫn đối xứng và không phân cực: thẳng AX₂E₃ (XeF₂) và vuông phẳng AX₄E₂ (XeF₄). Cặp electron tự do trong các hình dạng khác (NH₃, H₂O, SF₄, ClF₃) hoặc các nguyên tử bên ngoài khác nhau (CHCl₃, CH₂Cl₂) tạo ra lưỡng cực tổng.
Cách dùng công cụ kiểm tra độ phân cực liên kết và moment lưỡng cực
- Mở công cụ kiểm tra độ phân cực liên kết và moment lưỡng cực.
- Trong Liên kết: hai nguyên tố, chọn Nguyên tố A và Nguyên tố B, hoặc nhấn một ví dụ như H–Cl, C–O hay Na–Cl. Kết quả hiển thị ΔEN, loại liên kết trên thang màu, nguyên tử nào mang δ− và % tính ion kèm cách tính. Đổi chỗ A và B đảo ngược cặp nguyên tố.
- Chuyển sang Phân tử: phân cực hay không phân cực?. Nhập công thức như
XeF4hoặc chuỗi SMILES nhưCl/C=C\Clvà nhấn Kiểm tra độ phân cực, hoặc nhấn một ví dụ. - Đọc hình dạng, hình học electron, góc liên kết, tổng vector của các lưỡng cực liên kết và, nếu có, moment lưỡng cực đo được tính bằng debye.
- Hình vẽ hiển thị δ+ và δ− trên mỗi nguyên tử, một mũi tên tím trên mỗi liên kết phân cực và một mũi tên lưỡng cực tổng màu xanh mòng két khi phân tử phân cực. Liên kết nét đứt hướng ra xa bạn.
- Danh sách Lập luận giải thích từng bước, giúp bạn chép lại logic vào câu trả lời.
Ví dụ có lời giải
1. Liên kết H–Cl
ΔEN = 3,16 − 2,20 = 0,96, nên liên kết là cộng hóa trị phân cực với Cl mang δ− và H mang δ+. % ion = (1 − e^(−0,2304)) × 100 = 20,6%. HCl có moment lưỡng cực 1,11 D.
2. Nước, H₂O
O có 2 nguyên tử liên kết và 2 cặp electron tự do: AX₂E₂, dạng góc, 104,5°. Mỗi liên kết O–H có ΔEN = 1,24 với O mang δ−. Hai lưỡng cực hướng phần nào cùng chiều, nên chúng cộng lại. Nước phân cực, 1,85 D.
3. CCl₄ và CHCl₃
Cả hai đều tứ diện. Trong CCl₄, bốn lưỡng cực C–Cl (ΔEN 0,61) triệt tiêu nhau: không phân cực, 0 D. Trong CHCl₃, một Cl được thay bằng H, nên các lưỡng cực không còn triệt tiêu: phân cực, 1,04 D.
4. SF₄ và XeF₄
SF₄ là AX₄E, dạng bập bênh: các lưỡng cực S–F không triệt tiêu, nên nó phân cực (0,63 D). XeF₄ là AX₄E₂, vuông phẳng với hai cặp electron tự do đối diện nhau: các lưỡng cực Xe–F triệt tiêu, nên nó không phân cực.
5. cis- và trans-1,2-dichloroethene
Cả hai đều phẳng. Ở đồng phân cis, hai lưỡng cực C–Cl hướng về cùng một phía: phân cực, 1,90 D. Ở đồng phân trans, chúng hướng ngược chiều và triệt tiêu: không phân cực, 0 D. Sự khác biệt này giải thích vì sao đồng phân cis sôi cao hơn (60 °C) so với đồng phân trans (48 °C).
Bảng tóm tắt
| H₂O | Dạng góc (AX₂E₂): phân cực, 1,85 D |
|---|---|
| NH₃ | Chóp tam giác (AX₃E): phân cực, 1,47 D |
| CO₂ | Thẳng (AX₂): không phân cực, 0 D |
| BF₃ | Tam giác phẳng (AX₃): không phân cực |
| CCl₄ | Tứ diện, các nguyên tử giống nhau: không phân cực |
| CHCl₃, CH₂Cl₂ | Tứ diện, các nguyên tử khác nhau: phân cực, 1,04 D và 1,60 D |
| SO₂ | Dạng góc (AX₂E): phân cực, 1,63 D |
| SF₄ | Bập bênh (AX₄E): phân cực, 0,63 D |
| XeF₄ | Vuông phẳng (AX₄E₂): không phân cực |
| PCl₅ | Lưỡng tháp tam giác (AX₅): không phân cực |
Lỗi thường gặp
- Cho rằng liên kết phân cực luôn tạo ra phân tử phân cực. Tính đối xứng có thể triệt tiêu chúng.
- Đánh giá hình dạng từ hình vẽ phẳng. CH₂Cl₂ vẽ thành hình chữ thập phẳng trông đối xứng, nhưng thực tế nó là tứ diện và phân cực.
- Quên các cặp electron tự do trên nguyên tử trung tâm, vốn làm thay đổi hình dạng.
- Vẽ mũi tên lưỡng cực hướng về nguyên tử δ+.
- Coi 0,4 và 1,7 là ranh giới tuyệt đối. Bản chất liên kết thay đổi liên tục theo ΔEN.
- Gọi mọi hợp chất có ΔEN trên 1,7 là ion. H–F là phân tử cộng hóa trị; liên kết giữa hai phi kim vẫn là cộng hóa trị.
Mẹo ôn thi (JEE, NEET, AP, A-level)
- Luôn nêu hình dạng trước, rồi mới xét các lưỡng cực có triệt tiêu hay không.
- JEE và NEET thường hỏi thứ tự moment lưỡng cực, ví dụ NH₃ (1,47 D) > NF₃ (0,24 D): trong NH₃ cặp electron tự do và các lưỡng cực liên kết cùng chiều, trong NF₃ chúng ngược chiều.
- AP Chemistry liên hệ độ phân cực với lực liên phân tử: phân tử phân cực có lực lưỡng cực–lưỡng cực và thường có nhiệt độ sôi cao hơn.
- Câu trả lời A-level về đồng phân cis/trans nên nêu rằng đồng phân trans không phân cực vì các lưỡng cực C–Cl triệt tiêu nhau.
- Ghi ΔEN với hai chữ số thập phân, dùng giá trị Pauling trong bảng số liệu của đề.
Hỏi và đáp
Hiệu độ âm điện bao nhiêu thì liên kết phân cực?
Theo thang Pauling, hiệu từ 0,4 trở lên tạo liên kết cộng hóa trị phân cực. Dưới 0,4 liên kết được coi là không phân cực. Trên khoảng 1,7 liên kết thường được gọi là liên kết ion, dù một số sách giáo khoa dùng mốc 2,0.
Moment lưỡng cực là gì?
Moment lưỡng cực đo khoảng cách giữa tâm điện tích dương và tâm điện tích âm của phân tử. Nó bằng điện tích nhân khoảng cách và được tính bằng debye (D). Nước có 1,85 D; CO2 có 0 D.
Mũi tên lưỡng cực hướng về phía nào?
Trong hóa học, mũi tên hướng về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, đầu δ−, và có một dấu cộng nhỏ ở đầu δ+. Vật lý dùng chiều ngược lại cho vector lưỡng cực.
Phân tử có liên kết phân cực có thể không phân cực không?
Có. Nếu các lưỡng cực liên kết được sắp xếp đối xứng, chúng triệt tiêu nhau. CO2 (thẳng), BF3 (tam giác phẳng), CCl4 (tứ diện), PCl5 và SF6 đều có liên kết phân cực nhưng không có lưỡng cực tổng.
Vì sao NH3 phân cực còn BF3 không phân cực?
NH3 có một cặp electron tự do trên N, khiến nó có dạng chóp tam giác, nên các lưỡng cực N–H không triệt tiêu. BF3 không có cặp electron tự do trên B và có dạng tam giác phẳng, nên ba lưỡng cực B–F triệt tiêu nhau.
Vì sao SO2 phân cực còn CO2 không phân cực?
SO2 có một cặp electron tự do trên lưu huỳnh và có dạng góc (khoảng 119°), nên các lưỡng cực S=O cộng lại thành 1,63 D. CO2 không có cặp electron tự do trên carbon và có dạng thẳng, nên hai lưỡng cực C=O triệt tiêu nhau.
% tính ion của HCl là bao nhiêu?
Dùng công thức Pauling với ΔEN = 0,96: % ion = (1 − e^(−0,96²/4)) × 100 = (1 − e^(−0,23)) × 100 = 20,6%. Từ moment lưỡng cực đo được, HCl có khoảng 18% tính ion, nên ước tính khá sát.