Lưỡng cực trong phân tử chất

Phân tử H–Cℓ tự nó bị phân cực do khác biệt độ âm điện giữa hydrogen (2,20) và chlorine (3,16) nên hình thành lưỡng cực. Lưỡng cực này luôn tồn tại nên gọi là lưỡng cực thường trực (permanent dipole) hay cũng có nơi viết là lưỡng cực vĩnh cửu.

Bản đồ thế tĩnh điện và moment lưỡng cực của HCl 

Trong bản đồ thế tĩnh điện của HCl, phía chlorine tích điện âm (màu đỏ), phía hydrogen tích điện dương (màu xanh). Tương tự cho trường hợp của phân tử nước, phía oxygen âm (màu đỏ), phía hydrogen dương (màu xanh)

Bản đồ thế tĩnh điện và moment lưỡng cực của H₂O

Ngược lại, phân tử bromine Br₂ không phân cực, không tồn tại lưỡng cực. 

Phân tử bromine không phân cực, không có lưỡng cực

Tuy nhiên, trong nước, lưỡng cực thường trực của nước sẽ có tác dụng hút electron (từ phía hydrogen đang tích điện dương, màu xanh), hoặc đẩy electron (từ phía oxygen đang tích điện âm, màu đỏ), làm  cho các electron trong phân tử Br₂ hoặc bị lệch về phía phân tử H₂O đang tích điện dương, hoặc bị đẩy về phía ngược lại nếu tiến gần đến phần đang tích điện âm của phân tử H₂O. Nói cách khác, các phân tử Br₂ lúc này tạm thời bị phân cực, tạo nên lưỡng cực tạm thời:

Các phân tử Br₂ với lưỡng cực tạm thời

Nay xét đến các ví dụ với hợp chất hữu cơ 

1. Lưỡng cực tạm thời

Đối với phân tử không phân cực, ví dụ như propane, moment lưỡng cực của propane bằng không (không phân cực, không mang điện tích)

Moment lưỡng cực của propane bằng không

Bản đồ thế tĩnh điện của propane cho thấy điều đó. Do phân tử propane được bao quanh bởi 8 nguyên tử hydrogen hơi dương, do có độ âm điện hơi nhỏ hơn so với carbon (2,20 so với 2,55) nên phần bên ngoài của phân tử propane toàn màu xanh (điện tích dương). Ba nguyên tử carbon có điện tích hơi âm hơn, tạo thành một vùng điện tích âm tương đối nhỏ (màu đỏ) bên trong phân tử.

Tuy nhiên, trong thực tế, phân tử propne cũng có thể phân cực do các electron có thể chuyển động ngẫu nhiên lệch nhiều hơn về một bên nào đó của phân tử, làm cho bên đó âm hơn, bên còn lại tất nhiên hơi dương. Khi ấy, giữa các phân tử có lực hút tĩnh điện yếu, gọi là tương tác Van der Waals. Tương tác này cũng yếu do sự tạo lưỡng cực trong phân tử chỉ là tạm thời và thay đổi được:

Electron có thể ngẫu nhiên dồn về bên trên, hoặc bên dưới...

2. Lưỡng cực thường trực

Trái với trường hợp propane vừa xét trên, nếu là acetone, phân tử luôn phân cực do liên kết đôi C=O phân cực, dẫn đến moment lưỡng cực (dipole moment) khá lớn:

Moment lưỡng cực của acetone bằng 3,0 D

Điều này được thể hiện qua bản đồ thế tĩnh điện của acetone

Có thể thấy ngay là phân tử acetone luôn tồn tại lưỡng cực. Phía oxygen luôn mang điện tích âm (màu đỏ), phần còn lại mang điện tích dương (màu xanh), nói cách khác, lưỡng cực trong phân tử acetone luôn tồn tại với lưỡng cực như nêu trên, cho nên acetone là phân tử có lưỡng cực thường trực.

Như vậy, sự hiện diện của liên kết đôi C=O trong các hợp chất carbonyl (aldehyde, ketone),và cả trong ester, làm cho phân tử có lưỡng cực thường trực, nhờ đó tương tác Van der Waals giữa các phân tử này mạnh hơn (so với các hydrocarbon có phân tử khối tương đương), vì thế chúng có nhiệt độ sôi cao hơn các hydrocarbon có phân tử khối tương đương.

Nguyễn Trọng Thọ 
HọcHóa.TT