Khái niệm về tương tác liên kết Van der Waals ảnh hưởng tới nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các chất

Giữa các phân tử thậm chí không có liên kết hydrogen thì vẫn có tương tác với nhau, mặc dù yếu hơn. Đó là tương tác van der Waals. Bài viết Khái niệm về tương tác liên kết van der Waals, ảnh hưởng tới nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các chất mà Toploigiai đưa ra dưới đây sẽ giúp các bạn hiểu lõ hơn về Liên kết Van der Waals là gì và lực liên kết liên kết Van der Waals. Mời các bạn cùng đọc nhé.

1. Khái niệm về tương tác liên kết van der Waals

Liên kết Van der Waals là một liên kết yếu giữa các phân tử, có bản chất tĩnh điện, được đảm bảo bởi lực hút giữa các lưỡng cực hoặc lưỡng cực cảm ứng.

Lực này giảm rất nhanh theo khoảng cách: F~p.p"rn (n>2)

- Liên kết cộng hóa trị có cực là nguyên nhân dẫn tới sự phân cực ở các phân tử HCl, SO₂, ...

- Mặc dù có lực liên kết rất yếu, nhưng tương tác van der Waals lại có nhiều ảnh hưởng đến thực tiễn. Ví dụ: sự bám hút của các hạt bụi lên bề mặt nhẵn, sự hấp phụ các phân tử chất màu và chất độc hại trong nước bởi than hoạt tính, ...

Lực Van der Waals dễ quan sát thấy với các khí hiếm. Nó tham gia vào một số hiện tượng như mở rộng vạch phổ dưới áp suất (Mở rộng vạch phổ Van der Waals), thay đổi phương trình trạng thái khí lý tưởng thành phương trình Van der Waals. Ngoài ra, lực Van der Waals giúp chân của một số loài bò sát có thể bám chắc trên các bề mặt dựng đứng. Ứng dụng lực này trên các băng dính, có thể làm tăng khả năng kết dính của băng. Loại lực này bao gồm ba loại chính: lực định hướng, lực cảm ứng và lực khuếch tán.

Lưu ý: Phân tử CO₂ không có cực, mặc dù liên kết C=O trong phân tử là liên kết có cực. Lí do bởi phân tử này có dạng thẳng, hai liên kết C=O lại có cực ngược chiều nhau nên triệt tiêu lẫn nhau khi xét cho cả phân tử

>>> Tham khảo: Thế nào là liên kết cộng hóa trị không cực?

2. Bản chất tương tác liên kết Van der Waals

- Trong phân tử, các electron không ngừng chuyển động. Khi các electron di chuyển tập trung về một phía bất kì của phân tử sẽ hình thành nên các lưỡng cực tạm thời:

- Các phân tử có lưỡng cực tạm thời cũng có thể làm các phân tử lân cận xuất hiện các lưỡng cực cảm ứng. Do đó, các phân tử có thể tập hợp thành một mạng lưới với tương tác lưỡng cực cảm ứng, được gọi là tương tác van der Waals

3. Phân loại

a. Lực định hướng

Lực định hướng là lực phát sinh khi những phân tử có cực lại gần nhau (momen lưỡng cực µ ≠ 0). Các phân tử sẽ định hướng lại để các trọng tâm tích điện ngược dấu hút nhau. Các phân tử sau đó được sắp xếp theo một trật tự xác định. Tương tác định hướng phụ thuộc vào của các phân tử. Ví dụ (hình 1)

Năng lượng của tương tác lực định hướng tính theo hệ thức của Keesom:

Trong đó: U_đh là năng lượng tương tác của 2 phân tử có momen lưỡng cực µ, ở khoảng cách r và nhiệt độ T; k là hằng số Boltzmann, k=1,38066.10^-23 J.K^-1

Tương tác định hướng phụ thuộc lớn vào µ của các phân tử.

b. Lực cảm ứng

Lực cảm ứng là lực phát sinh khi một phân tử không phân cực (µ=0) tiến lại gần một phân tử phân cực có sẵn (hoặc ion). Dưới tác dụng điện trường của phân tử có cực, phân tử không phân cực bị phân cực hóa, tức là xuất hiện lưỡng cực, gọi là lưỡng cực cảm ứng. Ví dụ (hình 2)

Năng lượng của tương tác lực định hướng tính theo hệ thức của Debye:

Trong đó: α là hệ số phân cực hóa (độ biến dạng) của phân tử. U_cư không phụ thuộc vào nhiệt độ.

c. Lực khuếch tán

Lực khuếch tán được tạo bởi những lưỡng cực tạm thời hoặc cảm ứng lại hút nhau. Tại một thời điểm, tâm tích điện âm và tâm tích điện dương của nguyên tử, phân tử lệch nhau, hình thành lưỡng cực tạm thời. Lưỡng cực tạm thời có phương thay đổi liên tục, điện trường của nó tác động và tạo ra lưỡng cực cảm ứng với phân tử, nguyên tử bên cạnh. Ví dụ (vẽ hình) khả năng khí trơ, phân tử trung hòa ko có sẵn lưỡng cực.

Năng lượng của lực tương tác khuếch tán được tính theo hệ thức gần đúng của London:

Trong đó h là hằng số Plank, h=6,526.10^-34 J.s; γo là tần số dao động tử ở 0^oC

Như vậy, h.y₀ là năng lượng phân tử, nguyên tử ở độ không tuyệt đối

Theo hệ thức trên, lực khuếch tán không phụ thuộc vào nhiệt độ. Năng lượng khuếch tán tồn tại ở mọi hệ thống electron. Điều này giải thích cho lực hút giữa các nguyên tử khí trơ, phân tử trung hòa không có sẵn cực.

Lực Van der Waals trong trường hợp chung là tổng của ba loại lực kể trên và nó là loại lực liên kết yếu. Năng lượng tương tác toàn phần Uh được định bằng tổng của 3 công thức kể trên.

Uh mang dấu âm vì đây là tương tác hút (thế năng) giữa 2 phân tử khi tạo thành liên kết Van der Waals. Giá trị tuyệt đối của Uh càng lớn thì năng lượng hệ giải phóng càng nhiều, thế năng trở nên cực tiểu, liên kết Van der Waals càng bền.

>>> Tham khảo: Liên kết cộng hóa trị là gì?

4. Ảnh hưởng của tương tác van der Waals tới tính chất vật lí của các chất

- Tương tự như liên kết hydrogen, tương tác van der Waals làm tăng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi các chất, nhưng ở mức độ ảnh hưởng yếu hơn so với liên kết hydrogen.

Ví dụ 1: Trong dãy halogen, tương tác van der Waals tăng theo sự tăng của số electron (và proton) trong phân tử, làm tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các chất.

Ví dụ 2: Pentane là hydrocarbon no có công thức C₅H₁₂. Đồng phân mạch không phân nhánh pentane có nhiệt độ sôi (36^oC) cao hơn so với đồng phân mạch nhánh neopentane (9,5^oC) do diện tích tiếp xúc giữa các phân tử pentane lớn hơn nhiều so với neopentane.

-----------------------------------

Trên đây, Toploigiai đã trình bày chi tiết Khái niệm về tương tác liên kết van der Waals, ảnh hưởng tới nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi của các chất. Hi vọng các bạn có những kiến thức bổ ích sau khi đọc bài viết này. Chúc các bạn học tập tốt.