Độ âm điện | Bảng độ âm điện và cách tính hiệu độ âm điện

Khi hai nguyên tử kết hợp tạo thành phân tử, đôi electron dùng chung không phải lúc nào cũng phân bố đồng đều mà thường bị hút lệch về phía nguyên tử có khả năng hút electron mạnh hơn. Đại lượng đặc trưng cho khả năng hút electron liên kết đó là độ âm điện.

Trong bài học này, học sinh sẽ tìm hiểu độ âm điện là gì, độ âm điện trong bảng tuần hoàn, bảng độ âm điện của các nguyên tố, cách so sánh độ âm điện và cách tính hiệu độ âm điện để xác định mức độ phân cực và loại liên kết hóa học.

Độ âm điện là gì?

Độ âm điện của nguyên tử, kí hiệu là \(\chi\) (đọc là khi) là đại lượng đặc trưng cho khả năng hút electron của nguyên tử một nguyên tố hóa học khi tạo thành liên kết hóa học. [1].

Độ âm điện chỉ biểu hiện khi nguyên tử tham gia liên kết với nguyên tử khác, không đo trên nguyên tử cô lập.

Ý nghĩa độ âm điện trong liên kết hóa học

• Độ âm điện phản ánh khả năng hút electron liên kết của nguyên tử. Nguyên tử có độ âm điện càng lớn sẽ hút cặp electron liên kết càng mạnh về phía mình.

• Lực hút electron này dẫn đến sự phân bố lại mật độ điện tích trong phân tử, tạo ra các cực âm và cực dương riêng phần.

• Độ âm điện có mối liên hệ mật thiết với tính kim loại và tính phi kim của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn.

• Nguyên tử có độ âm điện lớn hút electron liên kết mạnh hơn và thường biểu hiện tính phi kim mạnh.

• Ngược lại, nguyên tử có độ âm điện nhỏ giữ electron ngoài cùng lỏng lẻo, dễ nhường electron hóa trị, biểu hiện tính kim loại mạnh.

Kiến thức về độ âm điện có thể kết hợp với quy tắc octet để giải thích xu hướng nhường, nhận hoặc góp chung electron khi hình thành liên kết.

Bảng độ âm điện của các nguyên tố hóa học

Đây là một đại lượng tương đối, không có đơn vị đo lường trực tiếp như khối lượng hay thể tích.

Năm 1932, nhà hóa học Linus Pauling đã đề xuất thang đo độ âm điện mang tên ông và được chuẩn hóa rộng rãi toàn cầu.

Theo thang độ âm điện Pauling, fluorine (F) có giá trị độ âm điện lớn nhất là 3,98 [1].

Các nguyên tố còn lại được xác định giá trị tương đối dựa trên năng lượng liên kết thực nghiệm so với thang chuẩn fluorine.

Dưới đây là giá trị tiêu biểu của các nguyên tố thường gặp nhất trong chương trình Hóa học 10: [1].

Trong các nguyên tố thường gặp, độ âm điện của C là 2,55, độ âm điện của O là 3,44 và độ âm điện của S là 2,58 theo thang Pauling [1].

Học sinh lớp 10 có thể tham khảo thêm bài viết về cấu tạo bảng tuần hoàn hóa học trên ZIM Academy để nắm vị trí từng ô nguyên tố.

Quy luật biến đổi độ âm điện trong bảng tuần hoàn

Giá trị độ âm điện biến đổi tuần hoàn theo cấu hình electron nguyên tử, bán kính nguyên tử và điện tích hạt nhân, phù hợp với định luật tuần hoàn.

Biến đổi độ âm điện trong một chu kì

Trong một chu kì, đi từ trái sang phải theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân, độ âm điện nói chung tăng dần [1].

Nguyên nhân do trong cùng chu kì, số lớp electron của các nguyên tử không đổi, nhưng điện tích hạt nhân tăng dần.

Bán kính nguyên tử giảm dần làm cho hạt nhân hút electron lớp ngoài cùng ngày càng mạnh, kéo theo độ âm điện tăng lên.

Ví dụ ở chu kì 2, độ âm điện tăng dần từ kim loại kiềm đến halogen:

\[\text{Li } (0,98) < \text{Be } (1,57) < \text{B } (2,04) < \text{C } (2,55) < \text{N } (3,04) < \text{O } (3,44) < \text{F } (3,98)\]

Ví dụ ở chu kì 3:

\[\text{Na } (0,93) < \text{Mg } (1,31) < \text{Al } (1,61) < \text{Si } (1,90) < \text{P } (2,19) < \text{S } (2,58) < \text{Cl } (3,16)\]

Biến đổi độ âm điện trong một nhóm A

Trong cùng một nhóm A, đi từ trên xuống dưới theo chiều tăng dần của điện tích hạt nhân, độ âm điện nói chung giảm dần [1].

Nguyên nhân là do số lớp electron tăng dần, làm bán kính nguyên tử tăng nhanh từ trên xuống dưới.

Hiệu ứng chắn của các lớp electron bên trong làm suy yếu đáng kể lực hút tĩnh điện giữa hạt nhân và electron liên kết ngoài cùng.

Dù điện tích hạt nhân tăng, yếu tố gia tăng bán kính vẫn chiếm ưu thế, khiến khả năng hút electron suy giảm.

Ví dụ trong nhóm halogen (VIIA), độ âm điện giảm dần từ trên xuống dưới:

\[\text{F } (3,98) > \text{Cl } (3,16) > \text{Br } (2,96) > \text{I } (2,66)\]

Tương tự trong nhóm kim loại kiềm (IA), độ âm điện giảm dần:

\[\text{Li } (0,98) > \text{Na } (0,93) > \text{K } (0,82) > \text{Cs } (0,79)\]

Cách xác định nguyên tố có độ âm điện lớn nhất, nhỏ nhất

Từ hai chiều biến đổi trong bảng tuần hoàn, ta dễ dàng xác định được vị trí của hai thái cực độ âm điện:

• Chiều ngang: Đi từ trái sang phải, độ âm điện tăng dần về phía nhóm VIIA.

• Chiều dọc: Đi từ dưới lên trên, độ âm điện tăng dần về phía chu kì nhỏ.

Kết hợp cả hai chiều, góc trên cùng bên phải là nơi tập trung các nguyên tố có độ âm điện cao nhất [1].

Ngược lại, góc dưới cùng bên trái là nơi tập trung các nguyên tố có độ âm điện thấp nhất.

Nguyên tố có độ âm điện lớn nhất là fluorine (F), nằm ở ô số 9, chu kì 2, nhóm VIIA, với giá trị \(\chi = 3,98\).

Fluorine có bán kính nguyên tử nhỏ và khả năng hút electron liên kết mạnh, vì vậy thể hiện tính phi kim mạnh.

Trong bảng độ âm điện thường dùng ở chương trình phổ thông, caesium (Cs) có giá trị độ âm điện nhỏ nhất trong các nguyên tố được liệt kê, với giá trị \(\chi = 0,79\) [1].

Caesium có bán kính nguyên tử lớn, lực hút của hạt nhân đối với electron lớp ngoài cùng yếu hơn nên dễ nhường electron và thể hiện tính kim loại mạnh.

Cách tính hiệu độ âm điện và ứng dụng xác định loại liên kết hóa học

Hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết là một căn cứ để dự đoán loại liên kết hóa học [2].

Công thức tính hiệu độ âm điện

Trong bài tập Hóa học 10, giá trị độ âm điện của các nguyên tố thường được tra từ bảng độ âm điện; đại lượng cần tính là hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử liên kết.

Hiệu độ âm điện, ký hiệu là \(\Delta\chi\), được tính bằng độ chênh lệch tuyệt đối giữa độ âm điện của hai nguyên tử tham gia liên kết: [2].

\[\Delta\chi = \vert{}\chi_A - \chi_B\vert{}\]

Trong đó \(\chi_A\) và \(\chi_B\) là độ âm điện của nguyên tố A và B. Ta luôn lấy dấu giá trị tuyệt đối để kết quả \(\Delta\chi \ge 0\).

Quy ước phân loại liên kết dựa vào hiệu độ âm điện

Theo sách giáo khoa Hóa học 10 Kết nối tri thức, loại liên kết được phân loại theo các mốc ranh giới sau: [2].

• \(0 \le \Delta\chi < 0,4\): Liên kết cộng hóa trị không phân cực (không cực). Đôi electron dùng chung không bị hút lệch đáng kể.

• \(0,4 \le \Delta\chi < 1,7\): Liên kết cộng hóa trị có phân cực (có cực). Đôi electron dùng chung bị lệch về nguyên tử có \(\chi\) lớn hơn.

• \(\Delta\chi \ge 1,7\): Liên kết ion. Lực hút quá chênh lệch khiến electron chuyển hẳn sang nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Lưu ý: Các mốc hiệu độ âm điện trên được dùng để dự đoán loại liên kết và có một số trường hợp ngoại lệ. Vì vậy, không nên xem Δχ = 0,4 và Δχ = 1,7 là các ranh giới tuyệt đối [2].

Ví dụ minh họa tính toán hiệu độ âm điện

Ví dụ 1: Phân tử nitrogen (\(\text{N}_2\)).

Độ âm điện của N là 3,04. Hiệu độ âm điện:

\[\Delta\chi = \vert{}3,04 - 3,04\vert{} = 0\]

Kết luận: Liên kết giữa hai nguyên tử nitrogen là liên kết cộng hóa trị không cực.

Ví dụ 2: Phân tử hydrogen chloride (\(\text{HCl}\)).

Độ âm điện của Cl là 3,16, của H là 2,20.

Hiệu độ âm điện:

\[\Delta\chi = \vert{}3,16 - 2,20\vert{} = 0,96\]

Vì:

\[0,4 \le 0,96 < 1,7\]

Đây là liên kết cộng hóa trị có cực, electron lệch về Cl.

Ví dụ 3: Hợp chất sodium chloride (\(\text{NaCl}\)).

Độ âm điện của Cl là 3,16, của Na là 0,93.

Hiệu độ âm điện:

\[\Delta\chi = \vert{}3,16 - 0,93\vert{} = 2,23\]

Vì:

\[\Delta\chi = 2,23 \ge 1,7\]

Liên kết giữa Na và Cl là liên kết ion.

Bài tập vận dụng về độ âm điện và hiệu độ âm điện

Phần bài tập dưới đây giúp học sinh rèn luyện tư duy phân tích đề và vận dụng lý thuyết giải nhanh các dạng bài.

Dạng 1: So sánh độ âm điện giữa các nguyên tố

Bài 1: So sánh các nguyên tố trong cùng một chu kì

Cho các nguyên tố:

\[\text{Na } (Z=11), \text{Mg } (Z=12), \text{Al } (Z=13), \text{P } (Z=15), \text{Cl } (Z=17)\]

Hãy sắp xếp theo thứ tự độ âm điện tăng dần.

Phân tích đề:

Đề bài cho số hiệu nguyên tử Z của 5 nguyên tố. Ta cần viết cấu hình electron để xác định chu kì và nhóm của chúng trong bảng tuần hoàn.

Lời giải và giải thích:

Tất cả các nguyên tố trên đều có 3 lớp electron nên cùng thuộc Chu kì 3.

Trong một chu kì, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân (Z tăng từ 11 đến 17), độ âm điện tăng dần.

Đáp án:

\[\text{Na} < \text{Mg} < \text{Al} < \text{P} < \text{Cl}\]

Bài 2: So sánh các nguyên tố trong cùng một nhóm A

Sắp xếp các nguyên tố sau theo chiều độ âm điện giảm dần:

\[\text{F } (Z=9), \text{Cl } (Z=17), \text{Br } (Z=35), \text{I } (Z=53)\]

Phân tích đề:

Các nguyên tố này đều có 7 electron lớp ngoài cùng, cùng thuộc nhóm VIIA (halogen). Ta áp dụng quy luật biến đổi trong một nhóm A.

Lời giải và giải thích:

Trong cùng một nhóm A, đi từ trên xuống dưới theo chiều tăng điện tích hạt nhân, số lớp electron tăng làm độ âm điện giảm dần [1].

Đáp án:

\[\text{F} > \text{Cl} > \text{Br} > \text{I}\]

Bài 3: So sánh nguyên tố khác chu kì và nhóm

Cho ba nguyên tố: X (Z=11), Y (Z=12), M (Z=19). Sắp xếp các nguyên tố theo chiều tăng dần của độ âm điện.

Phân tích đề:

Xác định vị trí: X thuộc chu kì 3 nhóm IA; Y thuộc chu kì 3 nhóm IIA; M thuộc chu kì 4 nhóm IA. Dùng X làm cầu nối so sánh trung gian.

Lời giải và giải thích:

Cùng chu kì 3:

\[Z_Y > Z_X \rightarrow \chi_Y > \chi_X\]

Cùng nhóm IA:

\[\rightarrow \chi_X > \chi_M\]

Kết hợp lại:

\[\chi_M < \chi_X < \chi_Y\]

Đáp án:

\[\text{K} < \text{Na} < \text{Mg}\]

Dạng 2: Tính hiệu độ âm điện và xác định loại liên kết

Bài 4: Xác định loại liên kết trong các phân tử

Cho độ âm điện:

\[\chi_H = 2,20; \chi_C = 2,55; \chi_O = 3,44; \chi_K = 0,82; \chi_{Cl} = 3,16\]

Xác định loại liên kết trong:

\[\text{CH}_4, \text{H}_2\text{O}, \text{KCl}, \text{Cl}_2\]

• Phân tích đề:

  Áp dụng công thức \(\Delta\chi = \vert{}\chi_A - \chi_B\vert{}\) cho từng cặp nguyên tử trực tiếp tạo liên kết, sau đó so sánh với các mốc \(0,4\) và \(1,7\).

• Lời giải chi tiết:

Trong \(\text{Cl_2}\), liên kết \(\text{Cl-Cl}\) có:

\[\Delta\chi = \vert{}3,16 - 3,16\vert{} = 0\]

Kết luận: liên kết cộng hóa trị không cực.

Trong \(\text{CH_4}\), liên kết \(\text{C-H}\) có:

\[\Delta\chi = \vert{}2,55 - 2,20\vert{} = 0,35 < 0,4\]

Kết luận: liên kết cộng hóa trị không cực.

Trong \(\text{H_2O}\), liên kết \(\text{O-H}\) có:

\[\Delta\chi = \vert{}3,44 - 2,20\vert{} = 1,24\]

Kết luận: liên kết cộng hóa trị có cực.

Trong \(\text{KCl}\), liên kết \(\text{K-Cl}\) có:

\[\Delta\chi = \vert{}3,16 - 0,82\vert{} = 2,34 \ge 1,7\]

Kết luận: liên kết ion.

Bài 5: So sánh độ phân cực của các liên kết

Sắp xếp các liên kết sau theo thứ tự độ phân cực tăng dần:

\[\text{C-H}, \text{N-H}, \text{O-H}, \text{F-H}\]

Biết độ âm điện:

\[\chi_H = 2,20; \chi_C = 2,55; \chi_N = 3,04; \chi_O = 3,44; \chi_F = 3,98\]

Phân tích đề:

Độ phân cực của liên kết tỉ lệ thuận với hiệu độ âm điện \(\Delta\chi\). Giá trị \(\Delta\chi\) càng lớn thì liên kết càng phân cực mạnh.

Lời giải chi tiết:

\[\Delta\chi(\text{C-H}) = \vert{}2,55 - 2,20\vert{} = 0,35\]

\[\Delta\chi(\text{N-H}) = \vert{}3,04 - 2,20\vert{} = 0,84\]

\[\Delta\chi(\text{O-H}) = \vert{}3,44 - 2,20\vert{} = 1,24\]

\[\Delta\chi(\text{F-H}) = \vert{}3,98 - 2,20\vert{} = 1,78\]

Vì:

\[0,35 < 0,84 < 1,24 < 1,78\]

Thứ tự tăng dần độ phân cực là:

\[\text{C-H} < \text{N-H} < \text{O-H} < \text{F-H}\]

HF là một trường hợp ngoại lệ của cách phân loại liên kết chỉ dựa trên hiệu độ âm điện; liên kết H–F vẫn là liên kết cộng hóa trị phân cực.

Hiểu rõ khái niệm độ âm điện giúp học sinh nắm trọn bản chất lực hút electron khi các nguyên tử tham gia liên kết hóa học. Quy luật biến đổi của độ âm điện diễn ra đều đặn: tăng dần theo chu kỳ từ trái sang phải và giảm dần theo nhóm A từ trên xuống dưới.

Nhờ thang hiệu độ âm điện, học sinh dễ dàng nhận diện liên kết cộng hóa trị hay liên kết ion. Việc thường xuyên luyện tập các bài tập vận dụng sẽ giúp học sinh nắm vững kiến thức độ âm điện, củng cố nền tảng trong chuyên đề Hóa học 10 và đạt kết quả cao trong môn Hóa học.