Hóa học 11–12 — Độ tan và nhiệt độ sôi: bốn lực giữa các phân tử, liên kết hydrogen, công tắc pH của acid và base, và vì sao xà phòng cuộn thành micelle còn phospholipid xếp thành màng kép
Bài khái niệm Hóa học 11–12 về lực giữa các phân tử: vì sao nhiệt độ sôi tăng theo chiều dài mạch nhưng giảm khi phân nhánh, vì sao nước có nhiệt độ sôi cao…
LUKATO AI · HÓA HỌC 11–12
LỰC GIỮA PHÂN TỬ · LIÊN KẾT HYDROGEN · ĐỘ TAN · MICELLE
Sôi hay tan,
đều là cuộc đấu
của các lực giữa phân tử
Butan-1-ol và diethyl ether nặng ngang nhau nhưng sôi cách nhau 83 °C; nước sôi cao hơn xu hướng tới 193 °C; alcohol cứ thêm một carbon là tan kém đi khoảng ba lần. Chuyên đề này dạy bốn lực giữa các phân tử, liên kết hydrogen, quy tắc 3 C mỗi nhóm OH, công tắc pH của acid và base yếu, và vì sao xà phòng cuộn thành micelle còn phospholipid xếp thành màng kép, bằng năm phòng thí nghiệm tương tác.
- 1. Cán cân tan trong nước: đuôi carbon đấu với đầu OH, cứ khoảng 3 C cần một OH
- 2. Bậc thang sôi: chiều dài mạch, nhóm chức, phân nhánh và nóng chảy của acid béo
- 3. Nước bất thường: hydride nhóm 14 đến 17 và phần dư của liên kết hydrogen
- 4. Công tắc pH và phễu chiết: ion hóa bật tắt độ tan, chất nào ở lớp nước hay lớp ether
- 5. Micelle và màng kép: CMC, một đuôi, hai đuôi và giọt dầu
phòng thí nghiệm tương tác
bí kíp có chỗ vỡ
hiểu lầm được phản biện
01
Khái niệm lõi
Sôi và hòa tan đều là cuộc đấu giữa các lực giữa phân tử
Đun một chất lỏng đến sôi, rồi thả một chất vào nước xem nó tan hay không: hai chuyện tưởng khác nhau, nhưng bên dưới là cùng một câu hỏi. Phân tử này hút phân tử kia mạnh cỡ nào? Muốn sôi, phân tử phải rời khỏi chất lỏng nên phải thắng lực hút giữa các phân tử cùng loại. Muốn tan, phân tử chất tan phải chen vào giữa các phân tử dung môi, nên phải phá hai loại lực cũ và nhận về một loại lực mới. Chuyên đề đi qua năm phòng thí nghiệm tương tác: cân giữa đuôi carbon và đầu OH quyết định độ tan của alcohol trong nước; bậc thang nhiệt độ sôi theo chiều dài mạch, nhóm chức và phân nhánh; vì sao nước sôi cao hơn xu hướng tới 193 °C; pH bật tắt độ tan của acid và base yếu; và vì sao chất lưỡng tính vượt nồng độ micelle tới hạn thì tự cuộn thành micelle hoặc màng kép.
Độ tan · Lab 1
Cán cân tan trong nước
Đuôi carbon đấu với đầu OH: cứ khoảng 3 C cần một nhóm OH để tan vô hạn trong nước.
Nhiệt độ sôi · Lab 2
Bậc thang sôi
Chiều dài mạch, nhóm chức, phân nhánh, và nhiệt độ nóng chảy của acid béo C18.
Liên kết H · Lab 3
Nước bất thường
Hydride nhóm 14 đến 17: đường xu hướng và phần dư do liên kết hydrogen.
Ion hóa · Lab 4
Công tắc pH và phễu chiết
pH quyết định dạng ion hay dạng trung hòa, tức quyết định chất nằm ở lớp nước hay lớp ether.
Tự lắp ráp · Lab 5
Micelle và màng kép
Một đuôi cuộn thành micelle, hai đuôi xếp thành màng kép; chỉ xảy ra khi vượt CMC.
Hình 1. Trái: bốn loại lực giữa các phân tử, hình do LUKATO vẽ. Phải: bốn ý cần nhớ.
Bốn sự thật nền
Sự thật · Nói gọn · Hệ quả khi làm bài
Sôi không phá liên kết cộng hóa trị · Bay hơi chỉ thắng lực giữa các phân tử; phân tử ở thể hơi vẫn nguyên vẹn. · So nhiệt độ sôi là so lực giữa các phân tử, không so độ bền liên kết trong phân tử (Lab 2).
Thứ tự các lực · London < lưỡng cực – lưỡng cực < liên kết hydrogen; ion – lưỡng cực mạnh nhất. · Khối lượng mol gần nhau thì lực mạnh hơn cho nhiệt độ sôi cao hơn (Lab 2, Lab 3).
Hòa tan là cân bằng · Phá chất tan – chất tan và dung môi – dung môi, rồi tạo chất tan – dung môi. · Lực mới giống lực cũ thì tan: giống tan trong giống (Lab 1, Lab 4).
Ion hóa đổi lực · Dạng ion có lực ion – lưỡng cực với nước; dạng trung hòa chỉ có lực yếu hơn. · pH bật hoặc tắt độ tan của acid và base yếu (Lab 4).
Hình 2. Trái: cân bằng năng lượng khi hòa tan, thang tùy ý do LUKATO vẽ. Phải: bốn ý về độ tan.
Vì sao bay hơi không phá liên kết O–H
Nước sôi cho hơi nước vẫn là H 2 O: liên kết O–H còn nguyên. Bay hơi 1 mol nước cần khoảng 40,7 kJ, trong khi phá một liên kết O–H cộng hóa trị cần cỡ 460 kJ/mol, gấp hơn mười lần. Con số 40,7 kJ khớp với bức tranh liên kết hydrogen: mỗi phân tử nước trung bình có hai liên kết hydrogen, mỗi liên kết cỡ 20 kJ/mol, hai liên kết cỡ 40 kJ/mol. Đó là lí do một lực yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị vẫn đủ giữ nước ở thể lỏng tới 100 °C.
Phân tử nặng hơn không chắc sôi cao hơn
Butan-1-ol (C 4 H 9 OH, 74,1 g/mol) sôi ở 117,7 °C, còn diethyl ether (C 2 H 5 OC 2 H 5 , cùng 74,1 g/mol) chỉ sôi ở 34,6 °C, thậm chí thấp hơn pentane (72,2 g/mol, 36,1 °C). Khối lượng mol chỉ báo lực London; nhóm chức mới quyết định liệu có thêm liên kết hydrogen hay không.
Dimethyl ether (CH 3 OCH 3 ) và ethanol (C 2 H 5 OH) cùng công thức phân tử C 2 H 6 O. Ở nhiệt độ phòng một chất là khí, chất kia là lỏng. Chất nào là lỏng và vì sao?
Gợi ý 1 · Cùng khối lượng
Hai chất cùng công thức nên cùng khối lượng mol, lực London gần nhau. Khác nhau nằm ở chỗ nào của cấu trúc?
Gợi ý 2 · Tìm H gắn vào O
Chất nào có H gắn trực tiếp vào oxygen và cặp e riêng ở phân tử bên cạnh để tạo liên kết hydrogen?
Kết luận
Ethanol có O–H nên tạo liên kết hydrogen giữa các phân tử: sôi ở 78,4 °C, là chất lỏng. Dimethyl ether chỉ có H gắn vào carbon, không tự tạo liên kết hydrogen: sôi ở khoảng −24 °C, là chất khí ở nhiệt độ phòng.
02
Độ tan
Cán cân tan trong nước: đuôi carbon đấu với đầu OH
Máy dưới đây mô hình hóa alcohol mạch thẳng và polyol bằng hai con số: số nguyên tử carbon của đuôi n (1 đến 12) và số nhóm OH m (1 đến 4, mỗi C mang tối đa một OH nên m không vượt quá n). Máy tính r = n / m , số C mà mỗi nhóm OH phải gánh. Quy tắc của mô hình: r từ 3 trở xuống thì trộn lẫn hoàn toàn với nước; r lớn hơn 3 thì độ tan giảm theo S = 73 · 0,3 r − 4 g/L, hiệu chỉnh trên butan-1-ol (73 g/L). Máy thả 100 g chất vào 1 lít nước rồi cho biết bao nhiêu gam tan, bao nhiêu gam còn lại nổi riêng. Ở mặc định (butan-1-ol: n = 4, m = 1) máy cho r = 4, S = 73 g/L: 73 g tan, 27 g chưa tan. Thử ba việc: kéo n từ 1 đến 12 với một OH và xem cán cân đổi chiều khi qua n = 3; giữ n = 6 rồi tăng m từ 1 lên 2 để thấy hexan-1-ol (ít tan) thành hexane-1,6-diol (tan rất tốt); đặt n = 3, m = 3 để gặp glycerol.
Hình 3. Trái: năm alcohol với đuôi dài dần, độ tan là số thực nghiệm đã làm tròn. Phải: bốn ý về alcohol và nước.
Phòng thí nghiệm 1 · Cán cân tan trong nước LAB 1
Số C của đuôi n
Số nhóm OH m
Chất
Đuôi và đầu
Số C mỗi OH
Cân đuôi, đầu
Độ tan S
100 g trong 1 L nước
Thanh n chạy từ 1 đến 12 carbon; thanh m chạy từ 1 đến 4 nhóm OH. Nút Phát cho n tăng giảm tự động.
Tám trường hợp để thử
Cài đặt · Chất · r = n / m · S mô hình (g/L) · S thực nghiệm làm tròn (g/L)
n = 3, m = 1 · propan-1-ol · 3 · trộn lẫn · trộn lẫn
n = 4, m = 1 · butan-1-ol · 4 · 73 · 73
n = 5, m = 1 · pentan-1-ol · 5 · 21,9 · 22
n = 6, m = 1 · hexan-1-ol · 6 · 6,57 · 5,9
n = 7, m = 1 · heptan-1-ol · 7 · 1,97 · 1,7
n = 8, m = 1 · octan-1-ol · 8 · 0,591 · cỡ 0,5
n = 10, m = 1 · decan-1-ol · 10 · 0,0532 · 0,037
n = 3, m = 3 · glycerol · 1 · trộn lẫn · trộn lẫn
Quy tắc chốt: mỗi nhóm OH chỉ kéo nổi khoảng 3 carbon vào nước. Từ r = 3 trở xuống alcohol trộn lẫn với nước; mỗi C thêm vào đuôi sau đó nhân độ tan với cỡ 0,3 (73, 22, 5,9, 1,7 g/L cho butan-1-ol đến heptan-1-ol). Thêm nhóm OH thì r giảm và độ tan tăng trở lại.
Vì sao đuôi dài làm tan kém
Nước giữ nhau bằng mạng liên kết hydrogen. Khi một đuôi hydrocarbon chen vào, các nhóm CH 2 chỉ có lực London yếu với nước, không đền lại được những liên kết hydrogen nước phải bỏ để nhường chỗ, nên việc hòa tan thiệt thòi hơn mỗi khi đuôi dài thêm. Nhóm OH làm điều ngược lại: nó tạo liên kết hydrogen với nước nên đền bù. Cuộc đấu giữa hai phần ấy chính là điều cán cân của Lab 1 mô tả; r = 3 là điểm hòa trong thang của mô hình.
Không tan không có nghĩa là "ghét nước hoàn toàn"
Octan-1-ol chỉ tan cỡ nửa gam mỗi lít, nhưng đầu OH của nó vẫn bám nước. Nhờ đó khi cho vào nước, các phân tử xếp quay đầu vào nước, đuôi ra ngoài: đó là tính chất lưỡng tính, và là mầm của micelle ở Lab 5.
Khi nào máy cán cân cần thận trọng
Mô hình chỉ cho thứ tự độ lớn. Một, nó áp dụng cho alcohol và polyol mạch thẳng ở khoảng 20 đến 25 °C; alcohol phân nhánh tan tốt hơn đồng phân thẳng. Hai, polyol dạng rắn (như các loại đường) còn phải trả thêm năng lượng phá mạng tinh thể nên độ tan thật khác mô hình. Ba, vị trí các nhóm OH trên mạch cũng ảnh hưởng. Bốn, số 73 g/L và hệ số 0,3 là số hiệu chỉnh từ dữ liệu thực nghiệm làm tròn của butan-1-ol đến heptan-1-ol.
Hexan-1-ol (C 6 H 13 OH) tan khoảng 5,9 g/L, còn hexane-1,6-diol (HOC 6 H 12 OH) tan rất tốt dù cùng 6 C. Giải thích bằng quy tắc r.
Gợi ý 1 · Đếm
Mỗi chất có bao nhiêu nhóm OH trên 6 carbon? Tính r = n / m.
Gợi ý 2 · So với 3
Hexan-1-ol: r = 6; hexane-1,6-diol: r = 3. Điểm hòa nằm ở r nào?
Kết luận
Hexan-1-ol có r = 6, quá 3 nên đuôi thắng và chỉ tan ít. Hexane-1,6-diol có r = 3, đầu OH thứ hai đủ kéo cả phân tử vào nước. Thêm một nhóm OH đã đổi cán cân từ ít tan sang tan rất tốt.
03
Nhiệt độ sôi
Bậc thang sôi: chiều dài, nhóm chức, phân nhánh và nóng chảy
Nhiệt độ sôi là thước đo trực tiếp của lực giữa các phân tử. Máy dưới đây có bốn chế độ, mỗi chế độ đặt một câu hỏi. Chiều dài mạch : alkane và alcohol từ 1 đến 10 carbon, chênh lệch giữa hai dãy cho thấy phần của liên kết hydrogen. Nhóm chức : bảy chất cùng khối lượng mol 72 đến 74 g/mol, nhiệt độ sôi trải từ 34,6 đến 141,1 °C chỉ vì lực khác nhau. Phân nhánh : đồng phân của pentane, hexane và butanol. Acid béo C18 : nhiệt độ nóng chảy của năm acid béo cùng 18 carbon, từ acid stearic no đến acid linolenic có ba liên kết đôi cis. Mặc định là chế độ chiều dài mạch ở n = 5: pentane sôi 36,1 °C, pentan-1-ol sôi 137,9 °C, chênh 101,8 °C. Hãy thử: kéo n từ 1 lên 10 và xem hai bước tăng khác nhau thế nào; sang chế độ nhóm chức để so ether với alcohol; sang phân nhánh để thấy 2,2-dimethylpropane sôi chỉ 9,5 °C dù cùng công thức C 5 H 12 với pentane.
Hình 4. Trái: nhiệt độ sôi của alkane và alcohol theo số C, số liệu thực nghiệm đã làm tròn. Phải: bốn ý về nhiệt độ sôi.
Phòng thí nghiệm 2 · Bậc thang sôi và nóng chảy LAB 2
Chọn chất
Chất đang chọn
Nhiệt độ
Mốc so sánh
Chênh lệch
Chi tiết
Trạng thái hoặc khối lượng
Thanh Chọn chất đổi phạm vi theo chế độ: n từ 1 đến 10, hoặc theo thứ tự các chất trong từng bảng.
Alcohol hơn alkane bao nhiêu độ
Số C · Alkane · Alcohol 1 nhóm OH · Chênh lệch
n = 1 · methane: −161,5 °C · methanol: 64,7 °C · +226,2 °C
n = 2 · ethane: −88,6 °C · ethanol: 78,4 °C · +167 °C
n = 3 · propane: −42,1 °C · propan-1-ol: 97,2 °C · +139,3 °C
n = 4 · butane: −0,5 °C · butan-1-ol: 117,7 °C · +118,2 °C
n = 5 · pentane: 36,1 °C · pentan-1-ol: 137,9 °C · +101,8 °C
n = 6 · hexane: 68,7 °C · hexan-1-ol: 157,6 °C · +88,9 °C
n = 8 · octane: 125,7 °C · octan-1-ol: 195 °C · +69,3 °C
n = 10 · decane: 174,1 °C · decan-1-ol: 232,9 °C · +58,8 °C
Bảy chất cùng khối lượng mol
Chất · Công thức · Khối lượng mol (g/mol) · Nhiệt độ sôi · Chênh so với pentane
diethyl ether · C 2 H 5 OC 2 H 5 · 74,1 · 34,6 °C · −1,5 °C
pentane · C 5 H 12 · 72,2 · 36,1 °C · 0 °C
butanal · C 3 H 7 CHO · 72,1 · 74,8 °C · +38,7 °C
butan-1-amine · C 4 H 9 NH 2 · 73,1 · 77,8 °C · +41,7 °C
butanone · CH 3 COC 2 H 5 · 72,1 · 79,6 °C · +43,5 °C
butan-1-ol · C 4 H 9 OH · 74,1 · 117,7 °C · +81,6 °C
propanoic acid · C 2 H 5 COOH · 74,1 · 141,1 °C · +105 °C
Phân nhánh hạ nhiệt độ sôi
Đồng phân · Nhiệt độ sôi · Chênh so với đồng phân thẳng
Pentane · pentane · 36,1 °C · mốc
Pentane · 2-methylbutane · 27,8 °C · −8,3 °C
Pentane · 2,2-dimethylpropane · 9,5 °C · −26,6 °C
Hexane · hexane · 68,7 °C · mốc
Hexane · 3-methylpentane · 63,3 °C · −5,4 °C
Hexane · 2-methylpentane · 60,3 °C · −8,4 °C
Hexane · 2,3-dimethylbutane · 58 °C · −10,7 °C
Hexane · 2,2-dimethylbutane · 49,7 °C · −19 °C
Butanol · butan-1-ol · 117,7 °C · mốc
Butanol · 2-methylpropan-1-ol · 107,9 °C · −9,8 °C
Butanol · butan-2-ol · 99,5 °C · −18,2 °C
Butanol · 2-methylpropan-2-ol · 82,4 °C · −35,3 °C
Nhiệt độ nóng chảy của acid béo C18
Acid béo · Nóng chảy · Chênh so với acid stearic · Ở 25 °C
stearic acid (C18:0) · 69,3 °C · mốc · rắn
elaidic acid (C18:1 trans) · 45 °C · −24,3 °C · rắn
oleic acid (C18:1 cis) · 13,4 °C · −55,9 °C · lỏng
linoleic acid (C18:2 cis) · −5 °C · −74,3 °C · lỏng
alpha-linolenic acid (C18:3 cis) · −11 °C · −80,3 °C · lỏng
Quy tắc chốt: nhiệt độ sôi theo lực giữa các phân tử. Cùng loại lực thì mạch dài hơn và duỗi hơn sôi cao hơn, phân nhánh làm sôi thấp hơn. Cùng khối lượng mol thì chất có liên kết hydrogen sôi cao hơn nhiều so với chất chỉ có London hoặc lưỡng cực. Nhiệt độ nóng chảy còn phụ thuộc xếp chặt trong tinh thể, nên không đi theo cùng quy luật.
Vì sao phân nhánh hạ nhiệt độ sôi mà lại có thể nâng nhiệt độ nóng chảy