Liên kết hydrogen là gì? Cách nhận biết, phân loại và cách tính

Nước là chất quen thuộc trong đời sống, nhưng có nhiều tính chất vật lí đặc biệt do liên kết hydrogen. So với các hợp chất cùng nhóm như H₂S, H₂Se hay H₂Te, nước (H₂O) có nhiệt độ sôi cao bất thường vì giữa các phân tử nước hình thành mạng lưới liên kết hydrogen liên phân tử bền vững.

Bài viết giúp học sinh hiểu liên kết hydrogen là gì, điều kiện hình thành, cách nhận biết liên kết hydrogen, phân biệt liên kết hydrogen liên phân tử và nội phân tử, đồng thời hướng dẫn cách tính số liên kết hydrogen trong các bài tập Hóa học 10.

Liên kết hydrogen là gì?

Liên kết hydrogen là một loại liên kết yếu, có bản chất là lực hút tĩnh điện giữa nguyên tử hydrogen đã liên kết cộng hóa trị với một nguyên tử có độ âm điện lớn và một nguyên tử khác có độ âm điện lớn, còn cặp electron hóa trị riêng. Các nguyên tử có độ âm điện lớn thường gặp trong liên kết hydrogen là F, O và N.

Vì vậy, nếu được hỏi liên kết hydrogen là liên kết gì, có thể hiểu đây là một tương tác yếu giữa nguyên tử H linh động và nguyên tử có độ âm điện lớn còn cặp electron chưa liên kết. Liên kết hydrogen thường được biểu diễn bằng dấu ba chấm (…) để phân biệt với liên kết cộng hóa trị thông thường.

Ví dụ, giữa các phân tử nước, liên kết hydrogen có thể được biểu diễn:

O–H···O

Cần phân biệt rõ ba loại liên kết: liên kết cộng hóa trị hình thành do sự dùng chung cặp electron giữa các nguyên tử; liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu; còn liên kết hydrogen là tương tác yếu hơn, có thể hình thành giữa các phân tử hoặc giữa các phần thích hợp trong cùng một phân tử và ảnh hưởng đáng kể đến tính chất vật lí của chất.

Điều kiện hình thành liên kết hydrogen

Để hình thành liên kết hydrogen, cần thỏa mãn các điều kiện cơ bản sau:

• Điều kiện về nguyên tử hydrogen: Nguyên tử H phải liên kết cộng hóa trị trực tiếp với một nguyên tử có độ âm điện lớn, thường gặp nhất là F, O hoặc N. Các nguyên tử này hút electron mạnh làm liên kết phân cực và khiến H mang một phần điện tích dương.

• Điều kiện về nguyên tử nhận liên kết hydrogen: Nguyên tử có độ âm điện lớn, thường là F, O hoặc N, phải còn ít nhất một cặp electron hóa trị chưa tham gia liên kết để có thể tương tác với nguyên tử H linh động.

Ví dụ các chất có thể tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử của chúng gồm H2O, HF, NH3, CH3OH và C2H5OH.

Ngược lại, CH4 không tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử CH4 với nhau vì liên kết C–H không phân cực đủ mạnh và phân tử không có nguyên tử F, O hoặc N thích hợp để tạo liên kết hydrogen.

Phân loại liên kết hydrogen: liên phân tử và nội phân tử

Liên kết hydrogen liên phân tử là gì?

Liên kết hydrogen liên phân tử là liên kết hydrogen hình thành giữa hai phân tử riêng biệt. Ví dụ điển hình là liên kết hydrogen giữa các phân tử nước với nhau hoặc giữa các phân tử HF với nhau.

Khi có nhiều phân tử cùng tham gia, các liên kết hydrogen liên phân tử có thể tạo thành chuỗi hoặc mạng lưới liên kết, từ đó ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và độ tan của chất.

Liên kết hydrogen nội phân tử là gì?

Liên kết hydrogen nội phân tử hình thành ngay trong cùng một phân tử, khi phân tử có nhóm chứa nguyên tử H linh động và nguyên tử F, O hoặc N còn cặp electron riêng ở vị trí không gian thích hợp để tương tác với nhau.

Loại liên kết này thường gặp ở một số hợp chất hữu cơ có nhiều nhóm chức nằm gần nhau, ví dụ như salicylic acid.

Liên kết hydrogen với nước

Nước là một ví dụ điển hình về chất có khả năng tạo liên kết hydrogen. Trong phân tử H2O, hai nguyên tử H liên kết trực tiếp với O nên có thể đóng vai trò cho liên kết hydrogen, trong khi nguyên tử O có hai cặp electron riêng nên có thể nhận liên kết hydrogen từ các phân tử nước khác.

Trong cấu trúc nước đá, mỗi phân tử H2O có thể tham gia bốn liên kết hydrogen: hai liên kết với vai trò cho và hai liên kết với vai trò nhận. Mạng lưới liên kết này góp phần tạo nên nhiều tính chất đặc biệt của nước, trong đó có nhiệt độ sôi tương đối cao và cấu trúc tinh thể nước đá có nhiều khoảng trống.

Cách nhận biết liên kết hydrogen

Để nhận biết liên kết hydrogen trong các bài tập Hóa học 10, có thể thực hiện theo các bước sau:

1. Xác định trong phân tử có nguyên tử H liên kết trực tiếp với F, O hoặc N hay không.

2. Xác định có nguyên tử F, O hoặc N còn cặp electron hóa trị riêng có thể nhận liên kết hydrogen hay không.

3. Xét vị trí của hai thành phần trên để xác định liên kết hydrogen hình thành giữa các phân tử hay trong cùng một phân tử.

Chất nào có thể tạo liên kết hydrogen?

Với các bài tập hỏi chất nào sau đây có thể tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử cùng loại, cần ưu tiên nhận biết các chất có liên kết H–F, H–O hoặc H–N đồng thời có nguyên tử F, O hoặc N còn cặp electron riêng.

Ví dụ: H2O, HF, NH3, CH3OH và C2H5OH có khả năng tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử.

Cách tính số liên kết hydrogen

Không có một công thức tính số liên kết hydrogen chung áp dụng cho mọi chất. Khi làm bài tập, cần dựa vào cấu tạo phân tử và mô hình liên kết cụ thể để xác định số vị trí có thể cho và nhận liên kết hydrogen.

Một liên kết hydrogen được hình thành khi một nguyên tử H linh động, thường nằm trong liên kết H–F, H–O hoặc H–N, tương tác với cặp electron riêng của một nguyên tử có độ âm điện lớn ở vị trí phù hợp.

Vì vậy, cách tính số liên kết hydrogen thường dựa trên hai yếu tố: số vị trí có thể cho liên kết hydrogen và số vị trí có thể nhận liên kết hydrogen, đồng thời phải xét số phân tử và cấu trúc của hệ đang được đề bài mô tả.

Ví dụ 1: Liên kết hydrogen trong H2O

Mỗi phân tử H2O có 2 nguyên tử H có thể cho liên kết hydrogen và nguyên tử O có 2 cặp electron riêng có thể nhận liên kết hydrogen.

Trong mạng tinh thể nước đá lí tưởng, mỗi phân tử H2O tham gia tối đa 4 liên kết hydrogen với 4 phân tử nước lân cận: 2 liên kết với vai trò cho và 2 liên kết với vai trò nhận.

Nếu một bài toán cho mạng tinh thể lí tưởng gồm N phân tử H2O và mỗi phân tử tham gia 4 liên kết hydrogen, tổng số liên kết hydrogen riêng biệt trong hệ là: N × 4 : 2 = 2N, vì mỗi liên kết được dùng chung cho hai phân tử.

Ví dụ 2: Liên kết hydrogen trong HF

Mỗi phân tử HF có một nguyên tử H có thể đóng vai trò cho liên kết hydrogen và nguyên tử F có các cặp electron riêng có thể đóng vai trò nhận.

Trong cách sắp xếp dạng chuỗi thường gặp, một phân tử HF có thể tham gia một liên kết hydrogen với vai trò cho và một liên kết với vai trò nhận, tạo thành các chuỗi phân tử HF nối tiếp nhau.

Ví dụ 3: Liên kết hydrogen giữa ethanol và nước

Trong dung dịch ethanol C2H5OH hòa tan trong nước, liên kết hydrogen có thể hình thành giữa các phân tử nước, giữa các phân tử ethanol và giữa ethanol với nước.

Nhờ nhóm –OH có khả năng tạo liên kết hydrogen với H2O, ethanol tan vô hạn trong nước. Với hệ dung dịch như vậy, không thể xác định một số liên kết hydrogen cố định chỉ từ công thức phân tử mà còn phải biết thành phần và cấu trúc của hệ.

Ảnh hưởng của liên kết hydrogen đến tính chất vật lí của chất

Ảnh hưởng đến nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy

Chất có liên kết hydrogen liên phân tử thường có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao hơn so với các chất có khối lượng phân tử tương đương nhưng không có liên kết hydrogen, vì cần cung cấp thêm năng lượng để làm suy yếu các tương tác giữa các phân tử trước khi chúng tách xa nhau.

Đây là một trong những nguyên nhân khiến nhiệt độ sôi của H2O (100°C) cao hơn nhiều so với H2S (khoảng –60°C), mặc dù sulfur có khối lượng nguyên tử lớn hơn oxygen.

Tương tự, NH3 có khả năng tạo liên kết hydrogen nên có nhiệt độ sôi cao hơn CH4, trong khi nước tạo được mạng lưới liên kết hydrogen mạnh và rộng hơn nên có nhiệt độ sôi cao hơn NH3.

Ảnh hưởng đến độ tan

Các chất có khả năng tạo liên kết hydrogen với nước, chẳng hạn alcohol, đường và một số amine, thường có khả năng tan tốt trong nước vì giữa phân tử chất tan và phân tử nước có thể hình thành các liên kết hydrogen.

Bài tập vận dụng liên kết hydrogen lớp 10

Câu 1

Nguyên tử nào sau đây có thể đóng vai trò nhận liên kết hydrogen?

A. Nguyên tử có độ âm điện nhỏ, còn cặp electron riêng

B. Nguyên tử F, O, N còn cặp electron hóa trị riêng

C. Bất kỳ nguyên tử phi kim nào

D. Nguyên tử kim loại

Câu 2

Chất nào sau đây có khả năng tạo liên kết hydrogen liên phân tử?

A. CH4

B. C2H6

C. C2H5OH

D. CO2

Câu 3

Trong tinh thể nước đá, mỗi phân tử H2O liên kết với bao nhiêu phân tử H2O lân cận thông qua liên kết hydrogen, biết mỗi phân tử H2O có 2 nguyên tử H có khả năng cho liên kết hydrogen và nguyên tử O có 2 cặp electron riêng?

Câu 4

Sắp xếp các chất sau theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi: CH4, NH3, H2O.

Câu 5

Vì sao ethanol tan vô hạn trong nước trong khi hexane (C6H14) hầu như không tan trong nước?

Hướng dẫn giải bài tập

Câu 1

Đáp án: B. Nguyên tử đóng vai trò nhận liên kết hydrogen thường là F, O hoặc N có độ âm điện lớn và còn cặp electron hóa trị riêng chưa tham gia liên kết.

Câu 2

Đáp án: C. C2H5OH có nhóm –OH, trong đó nguyên tử H liên kết trực tiếp với O có độ âm điện lớn. Đồng thời nguyên tử O còn cặp electron riêng nên các phân tử ethanol có thể tạo liên kết hydrogen với nhau.

Câu 3

Hướng dẫn giải: Trong mạng tinh thể nước đá, mỗi phân tử H2O có thể dùng hai nguyên tử H để cho liên kết hydrogen với hai phân tử nước khác, đồng thời nguyên tử O dùng hai cặp electron riêng để nhận liên kết hydrogen từ hai phân tử nước khác.

Do đó, mỗi phân tử H2O liên kết hydrogen với 4 phân tử H2O lân cận, tạo nên cấu trúc mạng gần tứ diện đặc trưng của nước đá. Cấu trúc này có nhiều khoảng trống hơn nước lỏng, góp phần giải thích vì sao nước đá có khối lượng riêng nhỏ hơn nước và nổi trên mặt nước.

Câu 4

Hướng dẫn giải: CH4 không tạo được liên kết hydrogen giữa các phân tử nên có nhiệt độ sôi thấp nhất.

NH3 có thể tạo liên kết hydrogen nên có nhiệt độ sôi cao hơn CH4. H2O có khả năng tạo mạng lưới liên kết hydrogen mạnh và rộng hơn nên có nhiệt độ sôi cao nhất.

Vì vậy, thứ tự tăng dần nhiệt độ sôi là: CH4 < NH3 < H2O.

Câu 5

Hướng dẫn giải: Ethanol có nhóm –OH có thể tạo liên kết hydrogen với các phân tử nước, giúp ethanol tương tác mạnh với nước và tan vô hạn trong nước.

Trong khi đó, hexane chỉ gồm các liên kết C–H và C–C gần như không phân cực, không có khả năng tạo liên kết hydrogen với nước nên hầu như không tan trong nước.

Qua bài viết, học sinh đã nắm được khái niệm liên kết hydrogen, phân biệt được liên kết hydrogen liên phân tử và nội phân tử, đồng thời hiểu rõ điều kiện hình thành cũng như cách xác định số liên kết hydrogen dựa trên số nguyên tử H linh động và số cặp electron riêng của nguyên tử F, O, N. Đây là kiến thức quan trọng giúp giải thích nhiều hiện tượng thực tế như nhiệt độ sôi bất thường của nước, khả năng hòa tan của alcohol trong nước hay cấu trúc đặc biệt của nước đá.

Để tiếp tục củng cố và mở rộng kiến thức Hóa học 10, học sinh có thể tham khảo thêm các bài giảng chi tiết khác tại chuyên mục Hóa học 10 – ZIM Academy, nơi tổng hợp đầy đủ lý thuyết và bài tập theo từng chương trong chương trình học.