Tương tác van der Waals là gì? Lực van der Waals và yếu tố ảnh hưởng

Vì sao các chất có khối lượng phân tử xấp xỉ nhau nhưng nhiệt độ sôi lại chênh lệch rất lớn? Propane \(\text{C}_3\text{H}_8, M = 44\) sôi ở \(-42^\circ\text{C}\), trong khi ethanol \(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}, M = 46\) lại sôi ở \(78,3^\circ\text{C}\)? Sự khác biệt này liên quan trực tiếp đến lực tương tác giữa các phân tử, trong đó có lực van der Waals và liên kết hydrogen.

Trong Hóa học 10 Kết nối tri thức, việc hiểu tương tác van der Waals là gì, tương tác van der Waals được hình thành do đâu, tồn tại giữa những nguyên tử hoặc phân tử nào và tương tác van der Waals tăng khi nào sẽ giúp học sinh giải thích sự khác nhau về nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi và các tính chất vật lí của chất, đồng thời phân biệt chính xác tương tác van der Waals với liên kết hydrogen.

Tương tác van der Waals là gì?

Tương tác van der Waals là tương tác tĩnh điện lưỡng cực – lưỡng cực yếu giữa các nguyên tử hoặc phân tử. Trong cách gọi phổ biến, lực van der Waals hay lực tương tác van der Waals đều dùng để chỉ các lực hút yếu này. [1]

Tương tác này được đặt theo tên nhà vật lí người Hà Lan Johannes Diderik van der Waals. Ông là người đầu tiên đưa ra phương trình trạng thái khí thực có tính tới lực hút liên phân tử.

Đây là một tương tác liên phân tử, khác với liên kết nội phân tử như liên kết cộng hóa trị hay liên kết ion.

Bản chất của tương tác là lực hút tĩnh điện giữa các phần mang điện tích trái dấu của những lưỡng cực trong các nguyên tử hoặc phân tử lân cận. Tương tác van der Waals yếu hơn nhiều so với các liên kết hóa học như liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết ion.

Tương tác van der Waals tồn tại giữa những nguyên tử hoặc phân tử nào? Tương tác này có thể xuất hiện giữa các nguyên tử khí hiếm và giữa các phân tử, kể cả phân tử phân cực và không phân cực.

Tương tác van der Waals được hình thành do đâu?

Nguyên nhân cốt lõi sinh ra tương tác này nằm ở chuyển động không ngừng của các electron xung quanh hạt nhân nguyên tử.

Trong nguyên tử hay phân tử không phân cực, các electron chuyển động hỗn loạn. Tại một khoảnh khắc ngẫu nhiên, mật độ electron có thể lệch về một phía, tạo nên cực âm tạm thời (\(\delta^-\)) và cực dương tạm thời (\(\delta^+\)).

Lưỡng cực tạm thời này tác động lên phân tử bên cạnh, làm phân bố electron thay đổi và tạo thành một lưỡng cực cảm ứng. Các phần tích điện trái dấu hút nhau, tạo nên lực liên kết. [2]

Có hai yếu tố chính quyết định độ mạnh của lực tương tác:

• Số electron, kích thước và khả năng phân cực: Trong một dãy chất tương đồng, khi số electron và kích thước phân tử tăng, đám mây electron thường dễ bị phân cực hơn nên lực van der Waals có xu hướng mạnh hơn.

• Diện tích tiếp xúc phân tử: Phân tử mạch dài thẳng tiếp xúc nhiều hơn phân tử phân nhánh hình cầu, giúp lực hút giữa các phân tử tăng lên rõ rệt.

  

Tương tác van der Waals tăng khi nào? Nhìn chung, trong một dãy chất tương đồng, tương tác van der Waals tăng khi số electron, kích thước và khả năng phân cực của đám mây electron tăng. Với các phân tử có phân tử khối gần nhau, hình dạng và diện tích tiếp xúc cũng có thể làm độ mạnh của lực van der Waals khác nhau. [2]

Cách xác định phân tử có tương tác van der Waals lớn nhất

Để xác định phân tử có tương tác van der Waals lớn nhất trong một dãy chất tương đồng, học sinh có thể ưu tiên so sánh số electron, kích thước và khả năng phân cực của đám mây electron. Nếu các chất có phân tử khối gần nhau, cần xét thêm hình dạng và diện tích tiếp xúc giữa các phân tử.

Ví dụ, trong dãy HF, HCl, HBr và HI, thành phần van der Waals tăng dần khi kích thước và số electron tăng; vì vậy HI có tương tác van der Waals lớn nhất trong dãy. Tuy nhiên, khi so sánh nhiệt độ sôi, học sinh vẫn cần xét thêm liên kết hydrogen của HF.

Người học có thể tìm hiểu thêm về sự phân bố electron qua bài cấu hình electron.

Phân biệt tương tác van der Waals và liên kết hydrogen

Nhiều học sinh thường nhầm lẫn giữa hai loại tương tác liên phân tử này. Tuy cùng là tương tác liên phân tử, bản chất hình thành và độ mạnh của chúng khác nhau.

Liên kết hydrogen là tương tác tĩnh điện đặc biệt hình thành khi nguyên tử H đã liên kết với nguyên tử có độ âm điện lớn, thường là \(\text{F}, \text{O}, \text{N}\), bị hút bởi cặp electron hóa trị chưa liên kết trên nguyên tử có độ âm điện lớn ở phân tử lân cận.

Trong khi đó, tương tác này xuất hiện ở mọi phân tử, kể cả những phân tử không phân cực hay các khí hiếm như \(\text{He}, \text{Ne}, \text{Ar}\).

Để củng cố nền tảng về độ âm điện, học sinh có thể xem lại chuyên đề liên kết cộng hóa trị và độ âm điện trên hệ thống.

Ảnh hưởng đến tính chất vật lí của chất

Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của một chất phản ánh năng lượng cần thiết để thắng được lực hút giữa các phân tử khi chuyển trạng thái.

Tương tác van der Waals làm tăng nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của các chất. Trong một dãy chất tương đồng, khi số electron và kích thước phân tử tăng, tương tác van der Waals thường mạnh hơn; vì vậy cần nhiều năng lượng hơn để tách các phân tử ra khỏi nhau.

Quy luật này thể hiện rất nhất quán trong dãy halogen nhóm VIIA từ fluorine đến iodine:

• \(\text{F}_2\) (M = 38, 18 electron): Chất khí, sôi ở \(-188^\circ\text{C}\).

• \(\text{Cl}_2\) (M = 71, 34 electron): Chất khí, sôi ở \(-34^\circ\text{C}\).

• \(\text{Br}_2\) (M = 160, 70 electron): Chất lỏng màu nâu đỏ, sôi ở \(58,8^\circ\text{C}\).

• \(\text{I}_2\) (M = 254, 106 electron): Chất rắn tím đen, sôi ở \(184,3^\circ\text{C}\).

Bên cạnh đó, hình dạng phân tử cũng ảnh hưởng lớn. Đồng phân pentane mạch thẳng có diện tích bề mặt lớn nên nhiệt độ sôi (\(36^\circ\text{C}\)) cao hơn hẳn neopentane dạng cầu tròn (\(9,5^\circ\text{C}\)). [2]

Chi tiết lý thuyết về tính chất của các đơn chất phi kim được trình bày đầy đủ tại Tổng quan nhóm Halogen lớp 10.

Bài tập vận dụng tương tác van der Waals

Bài tập 1: So sánh nhiệt độ sôi của các khí hiếm

Cho các khí hiếm sau: Argon (Ar), Helium (He), Neon (Ne), Krypton (Kr). Hãy sắp xếp theo thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần và giải thích.

• Phân tích đề: Các khí hiếm tồn tại ở dạng đơn nguyên tử và không phân cực; tương tác hút chủ yếu giữa các nguyên tử là lực phân tán London, thuộc tương tác van der Waals.

• Hướng dẫn làm bài: Xác định số hiệu nguyên tử Z hoặc khối lượng mol → so sánh số electron → rút ra độ mạnh của lực liên kết → kết luận nhiệt độ sôi.

• Lời giải chi tiết:

  • Thứ tự tăng dần số electron: \(\text{He}\,(2\text{e}) < \text{Ne}\,(10\text{e}) < \text{Ar}\,(18\text{e}) < \text{Kr}\,(36\text{e})\).

  • Khi số electron tăng, đám mây electron càng linh động, độ phân cực hóa tăng làm cho lực hút giữa các nguyên tử tăng dần.

  • Do đó, thứ tự nhiệt độ sôi tăng dần là: \(\text{He} < \text{Ne} < \text{Ar} < \text{Kr}\).

Bài tập 2: So sánh nhiệt độ sôi giữa alkane và alcohol cùng khối lượng

Cho 2 chất có phân tử khối gần bằng nhau: Ethanol (\(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}, M = 46\)) và propane (\(\text{C}_3\text{H}_8, M = 44\)). Chất nào có nhiệt độ sôi cao hơn? Vì sao?

• Phân tích đề: Hai chất có phân tử khối xấp xỉ nhau nên không thể chỉ dựa vào khối lượng để kết luận nhiệt độ sôi; cần xét thêm loại tương tác liên phân tử, đặc biệt là khả năng hình thành liên kết hydrogen.

• Hướng dẫn làm bài: Xác định công thức cấu tạo → kiểm tra điều kiện tạo liên kết hydrogen (có nhóm \(-\text{OH}\)) → so sánh độ bền liên kết giữa hai chất.

• Lời giải chi tiết:

  • Ethanol chứa nguyên tử \(\text{H}\) linh động gắn với \(\text{O}\) có độ âm điện lớn, tạo được liên kết hydrogen liên phân tử: \(\cdots\text{O}-\text{H}\cdots\text{O}-\).

  • Propane là hydrocarbon kém phân cực, giữa các phân tử chỉ có lực hút liên phân tử yếu.

  • Vì liên kết hydrogen giữa các phân tử ethanol mạnh hơn tương tác van der Waals giữa các phân tử propane, ethanol cần nhiều nhiệt lượng hơn để sôi (\(78,3^\circ\text{C}\) so với \(-42^\circ\text{C}\) của propane). [2]

Bài tập 3: Giải thích hiện tượng thực tế bàn chân tắc kè

Tắc kè có thể đi lại nhẹ nhàng trên bề mặt kính thẳng đứng cực kì trơn nhẵn mà không cần chất kết dính. Hãy giải thích hiện tượng trên dưới góc độ hóa học.

• Phân tích đề: Bề mặt kính nhẵn và khô, chân tắc kè không tiết keo dính sinh học, do đó hiện tượng liên kết cơ học thông thường bị loại trừ.

• Hướng dẫn làm bài: Khảo sát cấu tạo vi mô dưới chân tắc kè → phân tích diện tích tiếp xúc ở cấp độ nanomet → áp dụng lý thuyết lực hút liên phân tử.

• Lời giải chi tiết:

  • Dưới lòng bàn chân tắc kè có hàng triệu sợi lông hiển vi (setae), đầu mỗi sợi lại chia thành hàng trăm nhánh nhỏ gọi là spatulae.

  • Cấu trúc này tạo ra diện tích tiếp xúc cực lớn ở khoảng cách nanomet với bề mặt kính.

  • Từng tương tác van der Waals riêng lẻ rất yếu nhưng cộng dồn trên diện tích tiếp xúc lớn có thể tạo ra tổng lực đủ lớn, giúp tắc kè bám chắc trên bề mặt kính.

  

Hiểu rõ bản chất tương tác van der Waals giúp học sinh nắm vững nguồn gốc biến thiên nhiệt độ sôi và nóng chảy của các chất trong chuyên đề Hóa học 10 tại ZIM Academy. Lực hút tĩnh điện yếu này xuất phát từ các lưỡng cực tạm thời và cảm ứng, tăng theo khối lượng phân tử và diện tích tiếp xúc bề mặt. Việc phân biệt chính xác với liên kết hydrogen sẽ tạo nền tảng vững chắc để học tốt chương trình Hóa học phổ thông.