Tương tác Lưỡng cực – Lưỡng cực (Dipole-Dipole Interactions)

Cơ chế hoạt động

Tương tác lưỡng cực – lưỡng cực xuất hiện do lực hút tĩnh điện giữa đầu dương ($ \delta^+ $) của một phân tử lưỡng cực và đầu âm ($ \delta^- $) của một phân tử lưỡng cực khác. Lực hút này có tính định hướng, nghĩa là các phân tử có xu hướng sắp xếp sao cho đầu dương của phân tử này gần với đầu âm của phân tử kia. Sự sắp xếp này làm giảm năng lượng tiềm năng của hệ thống và tạo ra sự liên kết giữa các phân tử. Về bản chất, tương tác này là tương tác Coulomb giữa các điện tích trái dấu.

Ảnh hưởng của khoảng cách

Cường độ của tương tác lưỡng cực – lưỡng cực tỉ lệ nghịch với lũy thừa bậc ba của khoảng cách giữa tâm của hai phân tử lưỡng cực ($r$). Điều này có nghĩa là lực hút giảm nhanh chóng khi khoảng cách giữa các phân tử tăng lên. Công thức có thể được viết như sau:

$F \propto \frac{1}{r^3}$

So sánh với các lực liên phân tử khác

Tương tác lưỡng cực – lưỡng cực mạnh hơn lực London (lực phân tán) nhưng yếu hơn liên kết hydro. Liên kết hydro là một dạng tương tác lưỡng cực – lưỡng cực đặc biệt mạnh xảy ra khi nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử có độ âm điện cao như flo (F), oxy (O) hoặc nitơ (N). Sự khác biệt về độ mạnh là do sự chênh lệch độ âm điện lớn giữa các nguyên tử trong liên kết hydro, tạo ra mômen lưỡng cực lớn hơn và do đó tương tác mạnh hơn.

Ảnh hưởng đến tính chất vật lý

Tương tác lưỡng cực – lưỡng cực đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các tính chất vật lý của các chất, bao gồm:

• Điểm sôi và điểm nóng chảy: Các chất có tương tác lưỡng cực – lưỡng cực mạnh thường có điểm sôi và điểm nóng chảy cao hơn so với các chất có cùng khối lượng phân tử nhưng chỉ có lực London. Điều này là do cần nhiều năng lượng hơn để phá vỡ các tương tác lưỡng cực – lưỡng cực mạnh hơn so với lực London yếu hơn.
• Độ hòa tan: “Giống tan giống” – các chất phân cực thường tan tốt trong dung môi phân cực do tương tác lưỡng cực – lưỡng cực giữa chất tan và dung môi. Các phân tử phân cực có thể tương tác thuận lợi với nhau thông qua tương tác lưỡng cực-lưỡng cực, dẫn đến sự hòa tan.
• Độ nhớt: Các chất lỏng có tương tác lưỡng cực – lưỡng cực mạnh thường có độ nhớt cao hơn. Độ nhớt cao hơn là do các phân tử khó trượt qua nhau hơn khi có tương tác mạnh giữa chúng.
• Áp suất hơi: Tương tác lưỡng cực – lưỡng cực mạnh làm giảm áp suất hơi của chất lỏng. Áp suất hơi thấp hơn là do các phân tử khó thoát ra khỏi pha lỏng hơn khi có tương tác mạnh giữ chúng lại.

Ví dụ

Một ví dụ điển hình về tương tác lưỡng cực – lưỡng cực là giữa các phân tử axeton ($CH_3COCH_3$). Nguyên tử oxy có độ âm điện cao hơn cacbon và hydro, tạo ra một mômen lưỡng cực. Đầu âm ($ \delta^- $) của phân tử axeton (tập trung ở nguyên tử oxy) bị hút bởi đầu dương ($ \delta^+ $) của một phân tử axeton khác (tập trung ở nguyên tử cacbon liên kết với oxy). Sự tương tác này làm cho các phân tử axeton có xu hướng sắp xếp theo hướng nhất định để tối đa hóa lực hút tĩnh điện.

Kết luận:

Tương tác lưỡng cực – lưỡng cực là một lực liên phân tử quan trọng ảnh hưởng đến nhiều tính chất vật lý của các chất. Hiểu về tương tác này giúp ta dự đoán và giải thích hành vi của các chất trong nhiều điều kiện khác nhau.

Ước lượng năng lượng tương tác

Năng lượng của tương tác lưỡng cực-lưỡng cực ($U$) có thể được ước lượng bằng phương trình sau:

$U = -\frac{\mu_1 \mu_2}{4 \pi \epsilon_0 r^3} \left( 2 \cos \theta_1 \cos \theta_2 – \sin \theta_1 \sin \theta_2 \cos \phi \right)$

Trong đó:

• $ \mu_1 $ và $ \mu_2 $ là mômen lưỡng cực của hai phân tử tương tác.
• $ \var\epsilon_0 $ là hằng số điện môi của chân không.
• $r$ là khoảng cách giữa tâm của hai phân tử lưỡng cực.
• $ \theta_1 $ và $ \theta_2 $ là góc giữa véc tơ mômen lưỡng cực và véc tơ nối tâm hai phân tử.
• $ \phi $ là góc nhị diện giữa hai mặt phẳng chứa các véc tơ mômen lưỡng cực.

Phương trình này cho thấy năng lượng tương tác phụ thuộc vào cả độ lớn của mômen lưỡng cực và hướng tương đối của các phân tử. Trong trường hợp các phân tử quay tự do, (ví dụ trong pha khí hoặc lỏng ở nhiệt độ cao) phương trình được đơn giản hóa thành:

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

Trong đó:

• $k_B$ là hằng số Boltzmann.
• $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.

Lưu ý rằng phương trình này chỉ áp dụng khi các phân tử có thể quay tự do. Trong các hệ thống có trật tự cao hơn, chẳng hạn như chất rắn, cần phải sử dụng phương trình tổng quát hơn.

Phân biệt với Tương tác ion-lưỡng cực

Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực cần được phân biệt với tương tác ion-lưỡng cực. Tương tác ion-lưỡng cực xảy ra giữa một ion (mang điện tích đầy đủ) và một phân tử lưỡng cực. Lực hút trong tương tác ion-lưỡng cực thường mạnh hơn tương tác lưỡng cực-lưỡng cực do sự hiện diện của điện tích đầy đủ trên ion. Mật độ điện tích lớn hơn trên ion dẫn đến tương tác tĩnh điện mạnh hơn.

Vai trò trong hóa học siêu phân tử (Supramolecular Chemistry)

Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực đóng một vai trò quan trọng trong hóa học siêu phân tử, lĩnh vực nghiên cứu về các tổ hợp phân tử lớn được giữ lại với nhau bằng các lực liên phân tử không cộng hóa trị. Các tương tác này góp phần vào sự tự lắp ráp của các cấu trúc phức tạp từ các khối cấu tạo phân tử đơn giản. Chúng có thể định hướng sự hình thành các cấu trúc supramolecular như micelles, vesicles và các tổ hợp phân tử khác.

• 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 phân biệt giữa tương tác lưỡng cực-lưỡng cực và lực phân tán London?

Trả lời: Cả hai đều là lực van der Waals, nhưng tương tác lưỡng cực-lưỡng cực xảy ra giữa các phân tử phân cực vĩnh cửu, trong khi lực phân tán London xuất hiện do các lưỡng cực tức thời được tạo ra bởi sự chuyển động của electron trong cả phân tử phân cực và không phân cực. Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực thường mạnh hơn lực phân tán London, trừ khi các phân tử rất lớn và có khả năng phân cực cao.

Độ mạnh của tương tác lưỡng cực-lưỡng cực bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ như thế nào?

Trả lời: Nhiệt độ cao hơn làm tăng động năng của các phân tử, khiến chúng chuyển động và quay nhanh hơn. Điều này làm gián đoạn sự sắp xếp của các lưỡng cực và làm giảm hiệu quả của tương tác lưỡng cực-lưỡng cực. Như trong công thức $U = -\frac{2μ_1^2μ_2^2}{3(4πε_0)^2kTr^6}$, năng lượng tương tác tỉ lệ nghịch với nhiệt độ.

Tại sao axeton ($CH_3COCH_3$) có điểm sôi cao hơn propan ($CH_3CH_2CH_3$) mặc dù có khối lượng phân tử tương đương?

Trả lời: Axeton là một phân tử phân cực với mômen lưỡng cực đáng kể do nhóm carbonyl (C=O). Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực giữa các phân tử axeton làm tăng điểm sôi của nó. Propan là một phân tử không phân cực, chỉ có lực phân tán London yếu hơn, dẫn đến điểm sôi thấp hơn.

Tương tác lưỡng cực-lưỡng cực đóng vai trò gì trong việc hình thành các cấu trúc siêu phân tử?

Trả lời: Trong hóa học siêu phân tử, các tương tác lưỡng cực-lưỡng cực, cùng với các lực liên phân tử không cộng hóa trị khác, hướng dẫn sự tự lắp ráp của các phân tử thành các cấu trúc lớn hơn và phức tạp hơn. Sự định hướng của các lưỡng cực có thể dẫn đến sự hình thành các kiến trúc cụ thể với các tính chất độc đáo.

Làm thế nào để mômen lưỡng cực ảnh hưởng đến độ mạnh của tương tác lưỡng cực-lưỡng cực?

Trả lời: Độ mạnh của tương tác lưỡng cực-lưỡng cực tỉ lệ thuận với tích của mômen lưỡng cực của hai phân tử tương tác ($μ_1μ_2$). Mômen lưỡng cực lớn hơn dẫn đến tương tác mạnh hơn. Điều này có nghĩa là các phân tử phân cực mạnh hơn sẽ thể hiện tương tác lưỡng cực-lưỡng cực mạnh hơn.