Năng lượng liên kết các halogen

1. Tổng quát

Với các phân tử hai nguyên tử, trong đó có đơn chất halogen X₂ (F₂, Cl₂, Br₂, I₂), năng lượng liên kết nói chung tỉ lệ nghịch với phân tử khối.  

Thật vậy, khi đi từ F đến I (đi từ trên xuống), số lớp vỏ electron tăng, bán kính nguyên tử tăng. Các nguyên tử nhỏ dễ tiến lại gần nhau nên liên kết giữa chúng ngắn. Đảo lại các nguyên tử lớn khó tiến lại gần nhau nên liên kết sẽ dài hơn. Tuy nhiên, có thể giải thích rõ hơn dựa trên kích thước cụ thể của 2 orbital tham gia tạo liên kết. Liên kết giữa các nguyên tử halogen đi từ F đến I có độ dài tăng dần do xen phủ giữa 2 orbital có kích thước lớn hơn (2p với F, 3p với Cl, 4p với Br, và 5p với I). Độ dài liên kết tăng, nên liên kết nói chung yếu dần. 

Tại sao liên kết càng dài, nói chung càng yếu?

• Theo thuyết liên kết hóa trị: liên kết ngắn thì khoảng cách giữa cặp electron chung với 2 nhân dương là gần, nên hút hai nhân mạnh, liên kết bền. Đảo lại, liên kết dài thì khoảng cách giữa cặp electron chung với 2 nhân dương xa hơn, nên hút hai nhân yếu hơn, liên kết kém bền.
• Theo thuyết cơ học lượng tử: liên kết ngắn do xen phủ giữa 2 orbital có kích thước nhỏ nên xen phủ nhiều, liên kết bền. Đảo lại, liên kết dài do xen phủ giữa 2 orbital có kích thước lớn, nên xen phủ ít. Xen phủ ít còn do bị cản trở bới các orbital các lớp bên trong. Xen phủ ít nên liên kết kém bền.

2. Bất thường

Nếu chỉ bình thường như trên, thì thứ tự năng lượng liên kết của các halogen phải là:

F₂ < Cl₂ < Br₂ < I₂

Thực nghiệm cho thấy năng lượng liên kết của F₂, Cl₂, Br₂, I₂ lần lượt bằng 155, 240, 190, 149 kJ/mol. Nói cách khác, năng lượng liên kết thực tế theo thứ tự:

Cl₂ > Br₂ > F₂ > I₂

Điều này được giải thích là do liên kết trong phân tử F₂ quá nhỏ, 2 nguyên tử F ở rất gần nhau, dẫn đến xuất hiện lực đẩy rất mạnh giữa các cặp electron độc thân, hay là cặp electron hóa trị riêng, trên hai nguyên tử F, làm cho liên kết của F₂ yếu bất thường, yếu hơn cả Cl₂ và Br₂, dẫn đến kết quả thực nghiệm trên.

Chuyện bên lề: 

Tôi hay nói vui với các học trò của mình về luật lệ: trong luật, có lệ, nghĩa là có ngoại lệ. Vì thế khi học bất kỳ điều gì trong hóa học luôn cần nhớ: Hóa học là môn khoa học thực nghiệm. Thực nghiệm trước, quan sát trước, rồi mới nghĩ đến một lý thuyết hay lập luận để giải thích thực nghiêm ấy, quan sát ấy. Không có chuyện ngược lại: biết một lý thuyết rồi dựa trên lý thuyết đó để bịa ra một rừng những phản ứng, những tính chất "tương tự". Điều này xảy ra không ít trong các sách vở, các trang mạng, các bài toán, ... với những phản ứng kiểu "suy ra" tùy tiện một cách "hồn nhiên" như thế.

Chúc luôn vui với Hóa. 

Nguyễn Trọng Thọ 

HọcHóa.TT