Độ phân cực liên kết (Bond polarity)

Hiểu về độ âm điện

Độ âm điện càng cao, nguyên tử càng hút electron mạnh. Khi hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau liên kết với nhau, nguyên tử có độ âm điện cao hơn sẽ hút electron mạnh hơn, tạo ra một điện tích một phần âm ($\delta^-$), trong khi nguyên tử có độ âm điện thấp hơn sẽ mang điện tích một phần dương ($\delta^+$). Sự chênh lệch độ âm điện giữa hai nguyên tử càng lớn thì liên kết càng phân cực. Nếu hai nguyên tử có độ âm điện giống nhau, liên kết giữa chúng được coi là không phân cực. Ví dụ, liên kết trong phân tử H₂ là không phân cực vì cả hai nguyên tử hydro đều có độ âm điện như nhau. Ngược lại, liên kết trong phân tử HCl là phân cực vì clo có độ âm điện cao hơn hydro.

Phân loại liên kết dựa trên độ phân cực

Dựa vào sự chênh lệch độ âm điện (Δχ), liên kết hóa học được phân thành ba loại:

• Liên kết cộng hóa trị không phân cực (Nonpolar covalent bond): Xảy ra khi hai nguyên tử có độ âm điện bằng nhau hoặc rất gần bằng nhau (Δχ ≈ 0). Mật độ electron được chia sẻ đều giữa hai nguyên tử. Ví dụ: liên kết H-H trong phân tử H₂, C-C trong phân tử C₂H₆ (etan).
• Liên kết cộng hóa trị phân cực (Polar covalent bond): Xảy ra khi hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau, nhưng sự chênh lệch không quá lớn (0 < Δχ < 1.7). Nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ mang điện tích một phần âm, còn nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn sẽ mang điện tích một phần dương. Ví dụ: liên kết H-O trong phân tử H₂O, liên kết H-Cl trong phân tử HCl.
• Liên kết ion (Ionic bond): Xảy ra khi hai nguyên tử có độ âm điện chênh lệch rất lớn (Δχ ≥ 1.7). Nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ “chiếm lấy” electron từ nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn, tạo thành ion dương và ion âm. Hai ion này hút nhau bằng lực hút tĩnh điện. Ví dụ: liên kết Na-Cl trong NaCl, liên kết Mg-O trong MgO.

Mô men lưỡng cực liên kết

Độ phân cực liên kết được định lượng bằng mô men lưỡng cực liên kết ($\mu$). Mô men lưỡng cực là một đại lượng vectơ có hướng từ đầu dương đến đầu âm của liên kết và độ lớn tỉ lệ với độ lớn của điện tích và khoảng cách giữa hai tâm điện tích:

$\mu = Q \times r$

Trong đó:

• $\mu$: Mô men lưỡng cực (Debye, D)
• $Q$: Độ lớn của điện tích (Coulomb, C)
• $r$: Khoảng cách giữa hai tâm điện tích (mét, m)

Mô men lưỡng cực càng lớn, độ phân cực liên kết càng cao.

Ảnh hưởng của độ phân cực liên kết

Độ phân cực liên kết ảnh hưởng đến nhiều tính chất của phân tử, bao gồm:

• Điểm sôi và điểm nóng chảy: Phân tử có liên kết phân cực thường có điểm sôi và điểm nóng chảy cao hơn so với phân tử có liên kết không phân cực do lực hút tĩnh điện giữa các phân tử.
• Độ tan: Nguyên tắc chung là “giống tan giống”. Phân tử phân cực thường tan tốt trong dung môi phân cực, trong khi phân tử không phân cực tan tốt trong dung môi không phân cực.
• Khả năng phản ứng: Độ phân cực liên kết có thể ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của phân tử, ví dụ như khả năng tham gia phản ứng cộng ái điện tử hoặc ái nhân.

Độ phân cực liên kết là một khái niệm quan trọng trong hóa học, giúp giải thích nhiều tính chất của phân tử và phản ứng hóa học. Sự hiểu biết về độ phân cực liên kết là nền tảng cho việc nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các hợp chất hóa học.

Ví dụ minh họa

Để hiểu rõ hơn về độ phân cực liên kết, hãy xét một vài ví dụ:

• Phân tử H₂O: Oxy (O) có độ âm điện cao hơn hydro (H). Do đó, liên kết O-H là liên kết cộng hóa trị phân cực, với oxy mang điện tích một phần âm ($\delta^-$) và hydro mang điện tích một phần dương ($\delta^+$). Do hình dạng gấp khúc của phân tử nước, các mô men lưỡng cực liên kết không triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến phân tử nước có mô men lưỡng cực phân tử khác không, làm cho nước là một dung môi phân cực mạnh.
• Phân tử CO₂: Carbon (C) và oxy (O) có độ âm điện khác nhau, nên liên kết C=O là liên kết cộng hóa trị phân cực. Tuy nhiên, do phân tử CO₂ có cấu trúc thẳng hàng, hai mô men lưỡng cực liên kết C=O bằng nhau và ngược chiều nhau, triệt tiêu lẫn nhau. Do đó, phân tử CO₂ không có mô men lưỡng cực phân tử và được coi là phân tử không phân cực.
• Phân tử CH₄: Độ âm điện của carbon (C) và hydro (H) khá gần nhau. Do đó, liên kết C-H được coi là liên kết cộng hóa trị không phân cực hoặc rất ít phân cực. Hơn nữa, do cấu trúc tứ diện đều của phân tử CH₄, các mô men lưỡng cực liên kết (nếu có) cũng triệt tiêu lẫn nhau, dẫn đến phân tử CH₄ không có mô men lưỡng cực phân tử và là một phân tử không phân cực.

Phương pháp xác định độ phân cực

Ngoài việc so sánh độ âm điện, độ phân cực liên kết còn có thể được xác định bằng các phương pháp thực nghiệm như:

• Đo mô men lưỡng cực: Mô men lưỡng cực phân tử có thể được đo bằng phương pháp quang phổ.
• Quang phổ hồng ngoại (IR): Tần số dao động của liên kết bị ảnh hưởng bởi độ phân cực.
• Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR): Độ dịch chuyển hóa học của nguyên tử bị ảnh hưởng bởi mật độ electron xung quanh nó, do đó phản ánh độ phân cực liên kết.

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, J. D., & Bissonnette, C. (2017). General Chemistry: Principles and Modern Applications. Pearson.
• Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để dự đoán độ phân cực của một liên kết dựa trên độ âm điện của các nguyên tử tham gia liên kết?

Trả lời: Độ phân cực của một liên kết tỷ lệ thuận với hiệu số độ âm điện (Δχ) giữa hai nguyên tử. Nếu Δχ ≈ 0, liên kết là không phân cực. Nếu 0 < Δχ < 1.7, liên kết là cộng hóa trị phân cực. Nếu Δχ ≥ 1.7, liên kết thường được coi là ion.

Mômen lưỡng cực liên kết và mômen lưỡng cực phân tử có gì khác nhau? Cho ví dụ minh họa.

Trả lời: Mômen lưỡng cực liên kết ($μ$) chỉ sự phân cực của một liên kết riêng lẻ, trong khi mômen lưỡng cực phân tử là tổng vectơ của tất cả các mômen lưỡng cực liên kết trong phân tử. Ví dụ, phân tử CO$_2$ có liên kết C=O phân cực (mômen lưỡng cực liên kết khác không), nhưng do cấu trúc thẳng hàng, hai mômen lưỡng cực liên kết triệt tiêu nhau, dẫn đến mômen lưỡng cực phân tử bằng không. Ngược lại, H$_2$O có liên kết O-H phân cực và cấu trúc gấp khúc, dẫn đến mômen lưỡng cực phân tử khác không.

Độ phân cực liên kết ảnh hưởng như thế nào đến điểm sôi của một chất?

Trả lời: Phân tử có liên kết phân cực thường có điểm sôi cao hơn phân tử có liên kết không phân cực có khối lượng phân tử tương đương. Điều này là do lực hút giữa các phân tử phân cực (như lực lưỡng cực-lưỡng cực) mạnh hơn lực hút giữa các phân tử không phân cực (như lực phân tán London).

Tại sao hiểu về độ phân cực liên kết lại quan trọng trong hóa hữu cơ?

Trả lời: Độ phân cực liên kết ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của các phân tử hữu cơ. Ví dụ, các vùng có mật độ electron cao ($δ^-$) sẽ bị thu hút bởi các tác nhân ái điện tử (electron-poor), trong khi các vùng có mật độ electron thấp ($δ^+$) sẽ bị thu hút bởi các tác nhân ái nhân (electron-rich). Hiểu về độ phân cực liên kết giúp dự đoán vị trí và cơ chế của các phản ứng hóa học.

Ngoài độ âm điện, còn phương pháp nào khác để xác định độ phân cực liên kết?

Trả lời: Một số phương pháp khác bao gồm đo mômen lưỡng cực phân tử bằng phương pháp quang phổ, sử dụng quang phổ hồng ngoại (IR) để phân tích tần số dao động liên kết, và sử dụng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) để nghiên cứu độ dịch chuyển hóa học của các nguyên tử.