Liên kết hydrogen là gì? Cấu tạo và phân loại các liên kết hidro

1. Khái niệm liên kết hydrogen

Để mở đầu cho bài tổng hợp kiến thức thì chúng ta cùng tìm hiểu xem liên kết hidro là gì nhé!

– Liên kết hydrogen (hay còn gọi là liên kết hidro) là một loại liên kết yếu được tạo thành giữa nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử mang độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (với độ âm điện lớn) còn cặp e riêng. N, O, F là các nguyên tử mang độ âm điện lớn thường bắt gặp trong liên kết hydrogen.

Liên kết hydrogen có khả năng xảy ra giữa các phân tử (tức liên phân tử) hoặc ở các phần khác nhau trong một phân tử (tức nội phân tử). Tùy vào bản chất của các nguyên tử cho và nhận tạo thành liên kết, hình học và từng môi trường của chúng, năng lượng trong liên kết hydro có khả năng thay đổi dao động khoảng từ 1 đến 40 kcal/mol. Điều đó làm cho chúng mạnh hơn chút so với tương tác van der Waals và yếu hơn liên kết cộng hóa trị hay ion hoàn toàn. Loại liên kết này có khả năng xảy ra ở các phân tử vô cơ như là nước và trong các phân tử hữu cơ như là prôtêin và ADN.

Liên kết hidrogen liên phân tử sẽ chịu trách nhiệm với điểm sôi cao của nước (nhiệt độ 100°C) so với các hydrua nhóm 16 khác với liên kết hidro yếu hơn rất nhiều. Liên kết hidro nội phân tử sẽ góp một phần trong cấu trúc bậc 2 và bậc 3 của protein hay axit nucleic. Nó cũng đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong cấu trúc của các polyme tự nhiên và tổng hợp.

2. Sự hình thành liên kết hydrogen

Liên kết hidro (liên kết hydrogen) được tạo thành từ lực hút tĩnh điện chính giữa nguyên tử Hidro (H) liên kết cộng hóa trị với 1 nguyên tử hoặc 1 nhóm các nguyên tử mang độ âm điện cao hơn.

Vì vậy, liên kết hidro được xem là một loại liên kết cộng hóa trị. Thông thường, người ta còn gọi ngắn gọn hơn là liên kết H. 

Tổ chức IUPAC khuyến nghị việc sử dụng dấu ba chấm để biểu diễn cho loại liên kết này.

– Liên kết hydrogen được biểu diễn bằng dấu ba chấm (…), kéo dài đều từ nguyên tử H đến nguyên tử hình thành liên kết hydrogen với nó.

– Bản chất liên kết hydrogen là tĩnh điện. Tương tác hút tĩnh điện xảy ra giữa Hδ+ và Yδ– chính là bản chất của liên kết hydrogen.

Tham khảo ngay bộ tài liệu tổng ôn kiến thức và phương pháp giải mọi dạng bài tập trong đề thi THPT Quốc gia môn Hóa

3. Các tính chất đặc trưng của liên kết hydrogen

Những tính chất đặc trưng liên kết hidro như sau: 

• Trạng thái của chất

Liên kết hidro tồn tại 2 dạng chính là Dimer và Polime. 

Nhờ có liên kết hidro mà phân tử H2O, HF và một số phân tử khác tạo thành các polime. Các liên kết khó linh động, phức tạp khiến cho các chất này có thể tồn tại ở trạng thái rắn hoặc lỏng. 

Chất không mang được năng lượng liên kết hidro thường là các Dimer, còn chất có năng lượng liên kết hidro thì thường là các Polime. 

Nước đá tồn tại ở thể rắn với nhiều liên kết hidro, lúc đó, 4 phân tử H2O sẽ hình thành 4 phân tử H2O khác tạo nên cấu trúc tứ diện có đặc điểm nhẹ hơn nước và có khả năng nổi trên mặt nước. Đây cũng là đáp án cho câu hỏi tại sao các viên nước đá lại có khả năng nổi trên bề mặt cốc nước dù nó tồn tại ở dạng rắn. 

• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi

Những chất mang liên kết hidro sẽ có nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy cao hơn vì khi chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng, trạng thái lỏng sang trạng thái khí sẽ phải tốn thêm một phần năng lượng nữa nhằm bẻ gãy cấu trúc của phân tử nước. 

• Độ tan 

Các liên kết hidro giữa nước (hay là các dung môi) với chất tan càng nhiều thì độ tan sẽ càng lớn. Lúc đó, các liên kết hidro sẽ bị tách ra giữa các phân tử nước với nhau nhằm liên kết với các phân tử ở trong chất tan. 

• Độ điện ly

Giữa các phân tử hidro ít linh động có nhiều liên kết hidro sẽ dẫn tới khó điện li. Đây cũng chính là nguyên nhân tại sao mà ancol và đường là các chất không thể điện ly. 

• Liên kết hidro ở trong nước

Các phân tử H2O tương tác với nhau thông qua sự có mặt của liên kết hidro, tuy nhiên, nó là liên kết không bền vững, chỉ tồn tại ở một thời gian cực kì ngắn. Sau đó, các phân tử H2O sẽ tách ra và liên kết lại với các phân tử H2O khác. 

4. Vai trò và ảnh hưởng của liên kết hydrogen tới tính chất vật lí của nước

Liên kết hydrogen được hình thành giữa 2 phân tử nước

Ở khoảng cách 177 pm, lớn hơn độ dài của liên kết cộng hoá trị O – H (khoảng cách 96 pm), đã hình thành liên kết hydrogen.

– Đặc điểm tập hợp:

+ Nhờ có liên kết hydrogen, các phân tử nước có khả năng tập hợp lại với nhau, ngay cả khi ở thể hơi cũng có thể hình thành một cụm phân tử. Kích thước từng cụm phân tử này sẽ thay đổi tùy vào điều kiện nhiệt độ và áp suất. Đặc điểm này khác hẳn với gần như toàn bộ các chất khác.

– Nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy:

+ Tại áp suất 1 bar, nước có nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy tương ứng là 100°C (xấp xỉ) và 0oC, cao hơn so với các chất với khối lượng phân tử lớn hơn H2O. Tính chất này hình thành do các phân tử H2O liên kết khá chặt chẽ với nhau bằng liên kết hydrogen.

5. Công dụng của liên kết hydrogen trong nước

Liên kết Hidro mang đến những công dụng nhất định đối với quá trình cân bằng, điều chỉnh, lý giải được các hiện tượng tự nhiên trong trái đất: 

• Liên kết hidro giúp ổn định các phân tử H2O, giúp các phân tử H2O tương tác được với nhau, duy trì trạng thái lỏng trong một phạm vi diện rộng. 

• Làm tăng nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của H2O vì cần phải có năng lượng giúp làm đứt gãy các liên kết hidro. Cũng nhờ vậy mà sẽ cân bằng và giảm thiểu được lượng H2O bốc hơi trong tự nhiên, điều hòa sự tuần hoàn của H2O. 

• Các liên kết hidro làm cho băng, đá nhẹ hơn nước ở trạng thái lỏng nên chúng có khả năng nổi lên trên bề mặt nước mặc dù chúng có cấu tạo là chất rắn.

• Hệ sinh thái cũng như tuần hoàn tự nhiên trên trái đất cũng rất cần đến liên kết Hidro: quá trình băng tan, nước có khả năng bay hơi và tạo ra mưa. Nếu không có sự tồn tại của liên kết hidro, khả năng tuần hoàn H2O của trái đất sẽ bị gián đoạn, H2O sẽ không thể dịch chuyển từ các trạng thái rắn sang lỏng, trạng thái lỏng sang khí. Từ đó, xảy ra rất nhiều hệ lụy khác nữa đối với trái đất, có khả năng là không còn sự sống của các loài sinh vật trên hành tinh này nữa. 

• Liên kết Hidro còn giúp bảo vệ trái đất, chống lại những quá trình thay đổi thời tiết cực đoan, điều chỉnh được nhiệt độ trên toàn cầu. 

6. Bộ câu hỏi trắc nghiệm luyện tập về liên kết hydrogen

Câu 1: Liên kết hydrogen có ảnh hưởng gì đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của H2O?

A. làm giảm nhiệt độ sôi và làm tăng nhiệt độ nóng chảy của H2O.

B. làm tăng nhiệt độ sôi và làm giảm nhiệt độ nóng chảy của H2O.

C. làm tăng nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy của H2O.

D. làm giảm nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy của H2O.

Câu 2: Liên kết hydrogen được tạo nên giữa:

A. nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử mang độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (với độ âm điện lớn).

B. nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử mang độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (với độ âm điện nhỏ) còn cặp e hóa trị chưa tham gia liên kết.

C. nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử mang độ âm điện nhỏ) với một nguyên tử khác (với độ âm điện lớn) còn cặp e hóa trị chưa tham gia liên kết.

D. nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử mang độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (với độ âm điện lớn) còn cặp e hóa trị chưa tham gia liên kết.

Câu 3: Liên kết hydrogen thường được kí hiệu bằng:

A. dấu gạch đơn (kí hiệu –)

B. dấu gạch đôi (kí hiệu =).

C. mũi tên một chiều (kí hiệu →).

D. dấu ba chấm (kí hiệu …).

Câu 4: Chọn phát biểu đúng về điều kiện để hình thành liên kết hydrogen là:

A. Nguyên tử H liên kết với các nguyên tử với độ âm điện lớn (như F, O, N, …) và các nguyên tử đó phải có ít nhất 1 cặp e hóa trị chưa liên kết.

B. Nguyên tử H liên kết với các nguyên tử với độ âm điện lớn (như F, O, N, …).

C. Nguyên tử H liên kết với các nguyên tử còn ít nhất 1 cặp e hóa trị chưa liên kết.

D. Nguyên tử H liên kết với các nguyên tử với độ âm điện nhỏ và các nguyên tử đó phải có nhiều hơn 1 cặp e hóa trị chưa liên kết.

Câu 5: H2O có thể dễ dàng dâng lên trong mao quản của rễ cây nhằm vận chuyển lên thân và lá, đó là vì có

A. sự có mặt của liên kết ion.

B. sự có mặt của liên kết cộng hóa trị.

C. sự có mặt của tương tác van der Waals.

D. sự có mặt của liên kết hydrogen.

Câu 6: Phát biểu nào trong các phát biểu dưới đây là không đúng?

A. Liên kết hydrogen có ảnh hưởng đến đặc điểm của nước đá.

B. Một phân tử H2O có thể tạo nên 4 liên kết hydrogen với các phân tử H2O khác xung quanh hình thành cấu trúc tứ diện.

C. Nước đá sẽ nặng hơn so với nước lỏng.

D. Các phân tử H2O đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa nhiệt độ trên Trái Đất.

Câu 7: Quan sát sự phân bố điện tích trong phân tử H2O sau đây. Liên kết giữa hai phân tử H2O được hình thành qua cặp nguyên tử nào?

A. nguyên tử O với O

B. nguyên tử O với H

C. nguyên tử H với H

D. Cả A, B và C.

Câu 8: Loại liên kết yếu được tạo ra giữa nguyên tử H (đã liên kết với một nguyên tử mang độ âm điện lớn) với một nguyên tử khác (với độ âm điện lớn) còn cặp e hóa trị riêng là

A. liên kết ion

B. liên kết CHT có cực

C. liên kết CHT không cực

D. liên kết hydrogen

Câu 9: Nguyên tử H ở trong phân tử H2O không tạo ra được liên kết hydrogen với

A. nguyên tử N ở phân tử NH3

B. nguyên tử F ở phân tử HF

C. nguyên tử O ở phân tử H2O

D. nguyên tử C ở phân tử CH4

Câu 10: Liên kết hydrogen xuất hiện giữa các phân tử cùng loại nào dưới đây

A. CH4

B. NH3

C. H3C – O – CH3

D. PH3

Câu 11: Các nguyên tử mang độ âm điện lớn thường gặp trong ở liên kết hydrogen là

A. N

B. O

C. F

D. Cả A, B và C

Câu 12: Liên kết hydrogen ảnh hưởng tới tính chất vật lý của nước như là:

A. đặc điểm tập hợp

B. nhiệt độ sôi

C. nhiệt độ nóng chảy

D. Cả A, B và C

Câu 13: Liên kết được kí hiệu bằng các đường nét đứt được biểu diễn như hình dưới đây đóng vai trò quan trọng trong sự bền của chuỗi xoắn đôi ADN. Liên kết đó là loại nào?

A. Liên kết ion

B. Liên kết CHT có cực

C. Liên kết CHT không cực

D. Liên kết hydrogen

Câu 14: HF có nhiệt độ sôi cao hơn so với HBr là do

A. Khối lượng của phân tử HF nhỏ hơn so với HBr

B. Năng lượng liên kết của H – F cao hơn so với H – Br

C. Giữa các phân tử HF hình thành liên kết hydrogen còn phân tử HBr thì không

D. Cả A, B và C đều sai

Câu 15: Trong dung dịch NH3 (hỗn hợp gồm NH3 và H2O) tồn tại bao nhiêu loại liên kết hydrogen?

A. 1

B. 2

C. 3

D. 4

Câu 16: Giữa các phân tử C2H5OH có đặc điểm nào?

A. không có sự tồn tại của liên kết hydrogen

B. tồn tại liên kết hydrogen ở giữa nguyên tử H (đã liên kết với C) và nguyên tử O

C. tồn tại liên kết hydrogen ở giữa nguyên tử H (đã liên kết với O) và nguyên tử O

D. tồn tại liên kết hydrogen ở giữa nguyên tử H (đã liên kết với O) và nguyên tử C

Câu 17: Khẳng định đúng dưới đây là

A. NH3 có độ tan trong nước lớn hơn so với PH3

B. NH3 có độ tan trong nước thấp hơn so với PH3

C. NH3 có độ tan trong nước giống như PH3

D. Cả A, B và C đều sai.

Câu 18: Bản chất tạo ra liên kết hydrogen và tương tác van der waals đều do

A. quá trình góp chung electron

B. quá trình nhường – nhận electron

C. tương tác hút tĩnh điện

D. Cả A, B và C đều sai

Câu 19: So với lực kiên kết ion, liên kết CHT hay liên kết kim loại thì tương tác giữa các phân tử có đặc điểm gì?

A. mạnh hơn nhiều.

B. yếu hơn nhiều.

C. không khác nhau nhiều.

D. giống nhau hoàn toàn.

Câu 20: Mặc dù chlorine mang độ âm điện là 3,16 xấp xỉ với nitrogen là 3,04 nhưng giữa các phân tử HCl lại không hình thành được liên kết hydrogen với nhau, trong khi giữa các phân tử NH3 lại hình thành được liên kết hydrogen với nhau, nguyên nhân là vì:

A. Tổng số nguyên tử ở trong phân tử NH3 nhiều hơn trong phân tử HCl.

B. Độ âm điện của HCl nhỏ hơn so với của NH3.

C. Phân tử NH3 chứa nhiều nguyên tử H hơn so với phân tử HCl.

D. Kích thước của nguyên tử HCl lớn hơn nguyên tử NH3 nên mật độ điện tích âm trên HCl không đủ lớn để tạo ra liên kết hydrogen.

Bảng đáp án tham khảo:

Đăng ký ngay để được các thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình học tập THPT vững vàng

Liên kết hydrogen là liên kết rất phổ biến ở trong các hợp chất hoá học. Bởi vậy, VUIHOC đã viết bài viết này nhằm củng cố lý thuyết kèm bộ bài tập rất bổ ích về liên kết hydrogen để giúp các em ôn tập dễ dàng hơn. Để học thêm được nhiều các kiến thức hay và thú vị về Hoá học 10 cũng như Hoá học THPT thì các em hãy truy cập vuihoc.vn hoặc đăng ký khoá học với các thầy cô VUIHOC ngay bây giờ nhé!