MÔMEN LƯỠNG CỰC VÀ TÍNH PHÂN CỰC CỦA PHÂN TỬ

I. MÔMEN LƯỠNG CỰC

Độ âm điện (χ): Khả năng hút electron của một nguyên tử trong liên kết hóa học.
Liên kết cộng hóa trị không phân cực: Hình thành giữa các nguyên tử có độ âm điện tương đương (hoặc giống nhau), cặp electron dùng chung được phân bố đều giữa hai nguyên tử.
Liên kết cộng hóa trị phân cực: Hình thành giữa các nguyên tử có độ âm điện khác nhau, cặp electron dùng chung bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, tạo ra sự phân cực điện tích.
- Nguyên tử có độ âm điện lớn hơn mang điện tích âm một phần (δ-).
- Nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn mang điện tích dương một phần (δ+).

Khái niệm: Đại lượng đặc trưng cho sự phân cực của một liên kết hóa học.
Ký hiệu: μ
Công thức tính:

$\mu = \delta \times d$
- δ: Độ lớn điện tích một phần (thường tính bằng đơn vị điện tích electron).
- d: Khoảng cách giữa hai điện tích (thường tính bằng Ångström, Å).
Đơn vị: Debye (D), 1 D ≈ 3.336 × 10⁻³⁰ C·m
Hướng: Mômen lưỡng cực là một đại lượng vectơ, có hướng từ nguyên tử mang điện tích dương một phần (δ+) đến nguyên tử mang điện tích âm một phần (δ-).
- Biểu diễn bằng mũi tên ( $\longrightarrow$ ) với đuôi đặt ở nguyên tử mang δ+ và đầu mũi tên ở nguyên tử mang δ-.

Khái niệm: Đại lượng đặc trưng cho sự phân cực tổng thể của một phân tử.
Tính toán: Mômen lưỡng cực của phân tử là tổng vectơ của các mômen lưỡng cực liên kết trong phân tử.

$\vec{\mu}_{phân \ tử} = \sum_{i=1}^{n} \vec{\mu}_{liên \ kết, \ i}$
- n: Số liên kết trong phân tử.
- $\vec{\mu}_{liên \ kết, \ i}$ : Mômen lưỡng cực của liên kết thứ i.

Phân tử không phân cực:
- Mômen lưỡng cực phân tử bằng 0 ( $\mu_{phân \ tử} = 0$ ).
- Thường gặp trong các trường hợp:
  - Phân tử chứa các liên kết không phân cực (ví dụ: H₂, Cl₂, O₂).
  - Phân tử chứa các liên kết phân cực nhưng có cấu trúc đối xứng, các mômen lưỡng cực liên kết triệt tiêu lẫn nhau (ví dụ: CO₂, CCl₄).
Phân tử phân cực:
- Mômen lưỡng cực phân tử khác 0 ( $\mu_{phân \ tử} \ne 0$ ).
- Thường gặp trong các trường hợp:
  - Phân tử chứa các liên kết phân cực và có cấu trúc không đối xứng, các mômen lưỡng cực liên kết không triệt tiêu lẫn nhau (ví dụ: H₂O, NH₃, HCl).

Tính phân cực liên kết: Quyết định bởi sự khác biệt độ âm điện giữa các nguyên tử trong liên kết.
Hình học phân tử: Cách bố trí các nguyên tử trong không gian, ảnh hưởng đến sự triệt tiêu hay cộng hưởng các mômen lưỡng cực liên kết.
Tính phân cực tổng thể: Kết quả của sự kết hợp giữa tính phân cực liên kết và hình học phân tử.
- Phân tử có liên kết phân cực nhưng hình học đối xứng có thể không phân cực (ví dụ: CO₂).
- Phân tử có liên kết phân cực và hình học không đối xứng thường phân cực (ví dụ: H₂O).

Liên kết C=O phân cực (O có độ âm điện lớn hơn C).
Hình học phân tử: Đường thẳng (O=C=O).
Hai mômen lưỡng cực liên kết C=O có độ lớn bằng nhau và hướng ngược nhau, triệt tiêu lẫn nhau.
Mômen lưỡng cực phân tử: μ = 0 D.
Kết luận: CO₂ là phân tử không phân cực.

Liên kết B-F phân cực (F có độ âm điện lớn hơn B).
Hình học phân tử: Tam giác đều.
Ba mômen lưỡng cực liên kết B-F có độ lớn bằng nhau và hướng đối xứng, triệt tiêu lẫn nhau.
Mômen lưỡng cực phân tử: μ = 0 D.
Kết luận: BF₃ là phân tử không phân cực.

Liên kết N-H phân cực (N có độ âm điện lớn hơn H).
Hình học phân tử: Chóp tam giác.
Ba mômen lưỡng cực liên kết N-H không triệt tiêu hoàn toàn, cộng hưởng tạo ra mômen lưỡng cực phân tử.
Mômen lưỡng cực phân tử: μ ≈ 1.42 D.
Kết luận: NH₃ là phân tử phân cực.

Hiểu rõ về mômen lưỡng cực và tính phân cực của phân tử giúp giải thích nhiều tính chất vật lý và hóa học của các chất, ví dụ:

Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy: Các chất phân cực thường có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy cao hơn các chất không phân cực có khối lượng phân tử tương đương do lực tương tác giữa các phân tử phân cực mạnh hơn.
Độ tan: Các chất phân cực thường tan tốt trong dung môi phân cực (ví dụ: nước), các chất không phân cực tan tốt trong dung môi không phân cực (ví dụ: hexane).
Phản ứng hóa học: Tính phân cực của phân tử ảnh hưởng đến khả năng tham gia phản ứng và cơ chế phản ứng.

Xác định mômen lưỡng cực của các liên kết sau: C-H, C-O, N-H, O-H, C-Cl.
Dự đoán tính phân cực của các phân tử sau: CH₄, H₂S, CS₂, SO₂, PCl₅. Giải thích.
Sắp xếp các chất sau theo chiều tăng dần nhiệt độ sôi: CH₄, NH₃, H₂O. Giải thích.
Chất nào tan tốt hơn trong nước, hexane hay ethanol? Giải thích.
Vẽ cấu trúc Lewis và xác định hình học phân tử của các phân tử sau: BeCl₂, BCl₃, CCl₄, NH₃, H₂O. Xác định xem phân tử nào phân cực, phân tử nào không phân cực.