Lực Keesom (Keesom Forces)

Cơ chế:

Phân tử phân cực sở hữu một moment lưỡng cực vĩnh viễn do sự phân bố điện tích không đều. Các phân tử này có xu hướng định hướng sao cho đầu tích điện dương của một phân tử hướng về đầu tích điện âm của phân tử khác. Sự hút tĩnh điện giữa các đầu tích điện trái dấu này tạo nên lực Keesom. Lực này phụ thuộc vào nhiệt độ, vì nhiệt độ cao hơn sẽ làm tăng động năng của các phân tử, khiến chúng khó định hướng theo cách tối ưu hóa tương tác hấp dẫn.

Độ mạnh

Độ mạnh của lực Keesom phụ thuộc vào moment lưỡng cực ($\mu$) của các phân tử tương tác và nhiệt độ ($T$). Năng lượng tương tác trung bình của lực Keesom ($U_{Keesom}$) được xấp xỉ bởi công thức:

$U_{Keesom} \propto -\frac{\mu_1^2 \mu_2^2}{3(4\pi\epsilon_0)^2 k_B T r^6}$

trong đó:

• $\mu_1$ và $\mu_2$ là moment lưỡng cực của hai phân tử.
• $\epsilon_0$ là hằng số điện môi của chân không.
• $k_B$ là hằng số Boltzmann.
• $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.
• $r$ là khoảng cách giữa tâm của hai phân tử.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Như công thức trên cho thấy, lực Keesom tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Ở nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các phân tử sẽ làm giảm sự định hướng của các lưỡng cực, dẫn đến lực Keesom yếu hơn. Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ tăng, ảnh hưởng của lực Keesom lên các tính chất vật lý của chất sẽ giảm.

So sánh với các lực van der Waals khác

Lực Keesom thường mạnh hơn lực London và lực Debye đối với các phân tử có moment lưỡng cực lớn. Tuy nhiên, lực Keesom vẫn yếu hơn liên kết hydro và liên kết ion. Điều quan trọng cần lưu ý là lực Keesom chỉ xảy ra giữa các phân tử phân cực vĩnh viễn. Trong khi lực London có mặt ở tất cả các phân tử, kể cả các phân tử không phân cực và các nguyên tử, lực Debye xảy ra giữa một phân tử phân cực và một phân tử không phân cực.

Ví dụ

Lực Keesom đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống chứa các phân tử phân cực như nước (H₂O), axeton ((CH₃)₂CO) và hydro clorua (HCl). Sự tồn tại của lực Keesom góp phần giải thích điểm sôi và điểm nóng chảy tương đối cao của các chất này so với các chất không phân cực có khối lượng phân tử tương tự. Ví dụ, điểm sôi của nước cao hơn đáng kể so với các chất có khối lượng phân tử tương đương như metan (CH₄) do sự hiện diện của lực Keesom mạnh giữa các phân tử nước.

Tóm tắt

• Lực Keesom là lực hút tĩnh điện giữa các phân tử phân cực vĩnh viễn.
• Độ mạnh của lực Keesom phụ thuộc vào moment lưỡng cực và giảm khi nhiệt độ tăng.
• Lực Keesom đóng vai trò quan trọng trong các tính chất vật lý của các chất phân cực.

Sự phụ thuộc vào góc

Ngoài khoảng cách và moment lưỡng cực, lực Keesom còn phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của các phân tử lưỡng cực. Năng lượng tương tác tối thiểu đạt được khi hai lưỡng cực thẳng hàng theo chiều đầu âm – đầu dương. Ngược lại, năng lượng tương tác sẽ bằng không khi hai lưỡng cực vuông góc với nhau. Công thức đầy đủ hơn, xét đến góc tương đối, phức tạp hơn công thức trung bình đã trình bày ở trên.

Vai trò trong hóa học và vật lý

Lực Keesom có vai trò quan trọng trong nhiều hiện tượng hóa lý, bao gồm:

• Tính tan: Lực Keesom đóng góp vào khả năng hòa tan của các chất phân cực trong dung môi phân cực. Ví dụ, nước là một dung môi tốt cho các chất phân cực khác nhờ vào tương tác Keesom mạnh.
• Điểm sôi và điểm nóng chảy: Các chất có moment lưỡng cực lớn thường có điểm sôi và điểm nóng chảy cao hơn so với các chất không phân cực có khối lượng phân tử tương tự, do lực Keesom mạnh hơn.
• Cấu trúc của chất lỏng và chất rắn: Lực Keesom ảnh hưởng đến cách các phân tử sắp xếp trong chất lỏng và chất rắn.
• Tính chất điện môi: Sự phân cực của các phân tử và tương tác Keesom giữa chúng góp phần vào hằng số điện môi của vật liệu.

Hạn chế của mô hình

Công thức $U_{Keesom} \propto -\frac{\mu_1^2 \mu_2^2}{3(4\pi\epsilon_0)^2 k_B T r^6}$ chỉ là một xấp xỉ và có một số hạn chế:

• Nó giả định rằng các phân tử quay tự do và không bị ảnh hưởng bởi các phân tử khác. Trong thực tế, sự quay của các phân tử có thể bị hạn chế bởi các tương tác với các phân tử lân cận.
• Nó không tính đến ảnh hưởng của cảm ứng lưỡng cực (lực Debye).

Kết luận

Lực Keesom là một lực tương tác quan trọng giữa các phân tử phân cực và đóng góp đáng kể vào các tính chất vật lý và hóa học của nhiều chất. Mặc dù công thức xấp xỉ cung cấp một cái nhìn tổng quan về sự phụ thuộc của lực Keesom vào moment lưỡng cực, khoảng cách và nhiệt độ, cần lưu ý đến các hạn chế của mô hình này và sự phức tạp của tương tác thực tế.

Tài liệu tham khảo

• Atkins, P., & de Paula, J. (2010). Atkins’ Physical Chemistry. Oxford University Press.
• Israelachvili, J. N. (2011). Intermolecular and surface forces. Academic press.
• Stone, A. J. (1996). The theory of intermolecular forces. Oxford University Press.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để phân biệt lực Keesom với lực Debye và lực London trong thực nghiệm?

Trả lời: Phân biệt lực Keesom với các lực van der Waals khác trong thực nghiệm là một thách thức. Một phương pháp là nghiên cứu sự phụ thuộc vào nhiệt độ của lực tương tác. Vì lực Keesom tỷ lệ nghịch với nhiệt độ ($1/T$), trong khi lực London và Debye ít phụ thuộc vào nhiệt độ hơn, nên việc đo lực tương tác ở các nhiệt độ khác nhau có thể cung cấp thông tin về đóng góp tương đối của lực Keesom. Ngoài ra, việc đo moment lưỡng cực của các phân tử tương tác cũng có thể giúp xác định vai trò của lực Keesom.

Lực Keesom có thể đóng góp vào sự hình thành các cấu trúc siêu phân tử không?

Trả lời: Có, lực Keesom có thể đóng góp vào sự hình thành các cấu trúc siêu phân tử. Sự sắp xếp của các phân tử lưỡng cực trong các cấu trúc này được thúc đẩy bởi sự tối ưu hóa tương tác Keesom, dẫn đến các cấu hình năng lượng thấp. Ví dụ, sự hình thành các tinh thể lỏng có thể bị ảnh hưởng bởi lực Keesom giữa các phân tử cấu thành.

Nếu moment lưỡng cực của một phân tử bằng không, liệu có tồn tại lực Keesom giữa phân tử đó và một phân tử lưỡng cực khác không?

Trả lời: Không. Lực Keesom xuất hiện do tương tác giữa các moment lưỡng cực vĩnh viễn. Nếu một phân tử có moment lưỡng cực bằng không, sẽ không có lực Keesom giữa phân tử đó và một phân tử lưỡng cực khác. Tuy nhiên, lực Debye (dipole-induced dipole) vẫn có thể tồn tại, do phân tử lưỡng cực có thể cảm ứng một lưỡng cực trong phân tử không phân cực.

Làm thế nào để tính toán moment lưỡng cực của một phân tử?

Trả lời: Moment lưỡng cực ($μ$) của một phân tử có thể được tính toán bằng các phương pháp lý thuyết, chẳng hạn như lý thuyết hàm mật độ (DFT), hoặc xác định bằng thực nghiệm thông qua các kỹ thuật như phép đo độ phân cực. Moment lưỡng cực được định nghĩa là tích của độ lớn điện tích ($q$) và khoảng cách ($r$) giữa hai tâm điện tích: $μ = qr$.

Ngoài nhiệt độ, yếu tố nào khác có thể ảnh hưởng đến độ mạnh của lực Keesom?

Trả lời: Ngoài nhiệt độ, dung môi cũng có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ mạnh của lực Keesom. Hằng số điện môi ($ε$) của môi trường đóng vai trò quan trọng. Lực Keesom tỷ lệ nghịch với bình phương hằng số điện môi ($1/ε^2$). Trong môi trường có hằng số điện môi cao, lực Keesom sẽ bị suy giảm đáng kể. Điều này là do dung môi phân cực có thể che chắn các tương tác giữa các phân tử lưỡng cực.