Giáo án Bài 13. Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals

Huy động hiểu biết sẵn có của HS, tạo tình huống có vấn đề dẫn vào liên kết hydrogen và tương tác van der Waals.

HS quan sát cốc nước có viên nước đá nổi (mô phỏng NeoEdu) và trả lời hai câu hỏi: (1) Vì sao viên nước đá nổi trên nước lỏng? (2) Vì sao $\mathrm{H_2O}$ sôi ở $100\,^{\circ}\mathrm{C}$ trong khi $\mathrm{H_2S}$ sôi ở khoảng $-60\,^{\circ}\mathrm{C}$, dù cả hai đều là hợp chất của nguyên tố nhóm VIA?

Các dự đoán ban đầu của HS được ghi lên bảng. Kết luận định hướng: nước đá nổi và nhiệt độ sôi cao có liên quan đến tương tác giữa các phân tử $\mathrm{H_2O}$, không phải do liên kết O–H trong phân tử bị phá vỡ. Nhiệm vụ học tập: tìm hiểu liên kết hydrogen và tương tác van der Waals.

HS nêu được khái niệm và điều kiện hình thành liên kết hydrogen; phân biệt với liên kết O–H trong phân tử; giải thích ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy và độ tan.

HS hoạt động nhóm 4 với Phiếu học tập số 1, kết hợp mô phỏng mạng nước đá và đun nóng trên NeoEdu. Nhiệm vụ: (1) H phải gắn trực tiếp với nguyên tố nào, và nguyên tử khác cần có điều kiện gì để hình thành liên kết hydrogen? (2) Trong ethanol và dimethyl ether, nhóm nào cho được liên kết hydrogen, nhóm nào chỉ nhận được? (3) Mô tả mạng nước khi dưới $0\,^{\circ}\mathrm{C}$ và khi đun nóng. (4) Phân biệt liên kết O–H trong phân tử với liên kết hydrogen giữa các phân tử.

Kết quả nhóm ghi trên Phiếu số 1:

• Điều kiện: H gắn trực tiếp với N, O hoặc F; nguyên tử N, O, F còn lại có cặp electron không liên kết phù hợp để nhận liên kết hydrogen.
• Ethanol có nhóm O–H nên vừa cho vừa nhận liên kết hydrogen; dimethyl ether có O nhưng không có O–H trong chất tinh khiết nên chỉ nhận được liên kết hydrogen từ H–O của phân tử khác.
• Dưới $0\,^{\circ}\mathrm{C}$: mỗi phân tử $\mathrm{H_2O}$ tạo 4 liên kết hydrogen theo hình tứ diện, mạng rỗng nên nước đá nhẹ hơn nước và nổi.
• Khi đun nóng: mạng tan, phân tử rung và trượt qua nhau nhưng còn khoảng $3{,}5$ liên kết hydrogen trên mỗi phân tử; đến $100\,^{\circ}\mathrm{C}$ các phân tử tách thành hơi, liên kết O–H trong phân tử vẫn nguyên.
• Kiến thức rút ra: liên kết hydrogen là tương tác giữa các phân tử, yếu hơn liên kết cộng hoá trị O–H; phải cung cấp thêm năng lượng để phá mạng nên nhiệt độ sôi, nóng chảy cao hơn; ethanol tan vô hạn trong nước nhờ tạo liên kết hydrogen với nước.

HS nêu được khái niệm tương tác van der Waals, mô tả lưỡng cực tạm thời và giải thích ảnh hưởng của tương tác van der Waals tới nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy.

HS làm việc nhóm 4 với Phiếu học tập số 2. GV chuyển mô phỏng từ $\mathrm{H_2O}$ sang $\mathrm{H_2S}$ (S vàng) để HS quan sát không có vạch liên kết hydrogen. Nhiệm vụ: (1) Tương tác van der Waals là gì? (2) Lưỡng cực tạm thời là gì và vì sao phân tử không phân cực vẫn có thể hút nhau? (3) So sánh nhiệt độ sôi của $\mathrm{H_2S}$ ($-60\,^{\circ}\mathrm{C}$) với $\mathrm{H_2O}$ ($100\,^{\circ}\mathrm{C}$) và nêu lí do chủ yếu. (4) Nêu ảnh hưởng của khả năng phân cực và mức tiếp xúc tới nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy.

Kết quả nhóm ghi trên Phiếu số 2:

• Tương tác van der Waals là tập hợp các tương tác yếu giữa các phân tử, yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hoá trị trong phân tử.
• Lưỡng cực tạm thời: sự phân bố electron lệch trong chốc lát làm phân tử có hai đầu tích điện trái dấu, từ đó tạo lực hút giữa các phân tử; ở phân tử không phân cực, lực phân tán do lưỡng cực tạm thời/cảm ứng là thành phần quan trọng.
• $\mathrm{H_2S}$ không có liên kết hydrogen, chỉ có tương tác van der Waals nên sôi ở khoảng $-60\,^{\circ}\mathrm{C}$; $\mathrm{H_2O}$ có liên kết hydrogen giữa các phân tử nên sôi ở $100\,^{\circ}\mathrm{C}$. Lí do chủ yếu: khác loại tương tác giữa các phân tử.
• Kiến thức rút ra: khả năng phân cực và mức tiếp xúc giữa các phân tử càng lớn thì tương tác van der Waals càng mạnh, nhiệt độ sôi, nóng chảy càng cao; khi so sánh nhiệt độ sôi cần cùng áp suất và xét đồng thời khối lượng, cấu trúc phân tử.

HS vận dụng khái niệm liên kết hydrogen để chọn đáp án, phân biệt khả năng cho và nhận liên kết, đếm liên kết theo mô hình.

HS làm bài tập trắc nghiệm và tính toán nhanh: (1) Trong các chất tinh khiết sau (ethanol, methane, carbon dioxide, dimethyl ether), chất nào có nhóm cho liên kết hydrogen kiểu O–H? (2) Mô hình đơn giản xem mỗi phân tử $\mathrm{H_2O}$ có hai vị trí O–H có thể cho liên kết hydrogen; mười phân tử có tổng bao nhiêu vị trí cho theo mô hình? (3) Mạng mô hình có 100 phân tử nước, mỗi phân tử tham gia đúng bốn liên kết hydrogen; mỗi liên kết được đếm ở cả hai đầu. Tổng số liên kết riêng biệt là bao nhiêu? (4) Nhận định nào đúng về dimethyl ether trong nước? A. Ether có nhóm O–H giống ethanol; B. Không bao giờ có bất cứ tương tác với nước; C. Ether là hợp chất ion chỉ vì có O; D. O của ether có thể nhận liên kết hydrogen từ H–O của nước.

Đề và đáp án:

• Câu 1: Đáp án A (ethanol có O–H; ether có O nhưng không có H gắn trực tiếp với O).
• Câu 2: $10\times2=20$ vị trí cho tiềm năng. Số vị trí không tự bằng số liên kết thực vì còn cần nhóm nhận, hình học và điều kiện phù hợp.
• Câu 3: Tổng lượt đếm theo phân tử là $100\times4=400$; mỗi liên kết được đếm hai lần nên có $400/2=200$ liên kết riêng biệt. Đây là mạng lí tưởng được cho, không phải khẳng định mọi mẫu nước thực có đúng bốn liên kết trên mỗi phân tử.
• Câu 4: Đáp án D (phân biệt khả năng nhận liên kết với khả năng cho liên kết hydrogen).

HS đánh giá đúng sai các nhận định về liên kết hydrogen và van der Waals, nhận diện quá trình chuyển thể không phải phản ứng hoá học, và giải thích vì sao không chỉ dựa vào phân tử khối để dự đoán nhiệt độ sôi.

HS làm việc theo cặp: (1) Khi nước hoá hơi ở điều kiện thường, mô tả nào phù hợp? A. Mọi liên kết O–H đều đứt thành các nguyên tử H và O riêng; B. Các phân tử $\mathrm{H_2O}$ tách xa hơn, không phải mọi liên kết O–H bị bẻ gãy; C. Khối lượng từng phân tử giảm nên chúng bay lên; D. Chỉ kích thước nguyên tử tăng, khoảng cách phân tử không đổi. (2) Ghép tình huống với tương tác/chuyển đổi chủ yếu: cặp phân tử không phân cực lân cận; H của O–H hướng tới cặp electron trên O khác; phá liên kết O–H trong một $\mathrm{H_2O}$. (3) Đánh giá đúng/sai: a) Không phải cứ chứa H là có liên kết hydrogen mạnh kiểu bài học; b) Lực phân tán chỉ có ở nguyên tử mang điện toàn phần; c) Cần cùng áp suất khi so nhiệt độ sôi; d) Hình dạng phân tử có thể ảnh hưởng mức tiếp xúc và tương tác. (4) Hai chất cùng công thức $\mathrm{C_2H_6O}$ là ethanol và dimethyl ether. Vì sao không chỉ dựa vào phân tử khối để dự đoán cùng nhiệt độ sôi?

Đáp án và kết luận:

• Câu 1: Đáp án B (chuyển thể khác với phản ứng phân huỷ hoá học; liên kết O–H trong phân tử không bị phá).
• Câu 2: cặp phân tử không phân cực lân cận – lưỡng cực tạm thời/cảm ứng; H của O–H hướng tới cặp electron trên O khác – liên kết hydrogen; phá liên kết O–H trong một $\mathrm{H_2O}$ – phá liên kết cộng hoá trị (không đồng nhất với tương tác giữa phân tử).
• Câu 3: a) Đúng; b) Sai (lực phân tán có ở hệ trung hoà); c) Đúng; d) Đúng.
• Câu 4: Cùng phân tử khối chưa đủ để dự đoán. Ethanol có nhóm O–H tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử; dimethyl ether không có nhóm cho O–H trong chất tinh khiết nên tương tác khác. Tương tác và cấu trúc khác nhau nên nhiệt độ sôi có thể khác; vẫn phải so sánh ở cùng áp suất.

HS vận dụng liên kết hydrogen để giải thích ba hiện tượng thực tế: cấu trúc DNA và protein, nước đá nổi, ethanol tan trong nước.

HS làm việc theo cặp, chọn một trong ba tình huống: (1) Vì sao cấu trúc xoắn kép của DNA và cấu trúc protein được giữ ổn định? (2) Vì sao nước đá nổi trên nước lỏng, giúp sinh vật sống dưới lớp băng? (3) Vì sao ethanol tan vô hạn trong nước? Mỗi cặp viết 4–5 câu giải thích, nêu rõ loại tương tác và nhóm cho – nhận. Bài về nhà: mỗi HS viết thêm một ví dụ đời sống khác có liên quan đến van der Waals hoặc liên kết hydrogen, kèm giải thích.

Đoạn giải thích mẫu:

• Nước đá: mỗi phân tử $\mathrm{H_2O}$ tạo 4 liên kết hydrogen theo hình tứ diện, tạo mạng rỗng nên khối lượng riêng nhỏ hơn nước lỏng, viên đá nổi; lớp băng nổi giúp nước phía dưới ổn định để sinh vật sống.
• Ethanol: có nhóm O–H vừa cho vừa nhận liên kết hydrogen với nước, nên tan vô hạn trong nước.
• DNA và protein: liên kết hydrogen giữ cấu trúc xoắn kép và cấu trúc protein; các liên kết này yếu hơn liên kết cộng hoá trị nhưng đủ để giữ hình dạng.