Liên kết cộng hoá trị là liên kết tạo thành giữa hai nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron dùng chung; nếu cặp electron đó nằm lệch về phía nguyên tử hút mạnh hơn, liên kết phân cực, còn nếu nằm chính giữa, liên kết không phân cực. Đây là kiểu liên kết của phần lớn chất bạn gặp hằng ngày: nước, khí oxi, khí cacbonic, đường, dầu ăn.
Học sinh thường nhớ định nghĩa nhưng lúng túng khi phải xếp một liên kết cụ thể vào loại nào, hoặc khi đề hỏi "phân tử" thay vì "liên kết". Bài này đi từ ví dụ đơn giản nhất là phân tử hiđro đến liên kết cho nhận trong ion amoni, kèm cách dùng AI để luyện mà không bị dắt sai.
Góp chung electron: bản chất của liên kết cộng hoá trị
Hai nguyên tử hiđro, mỗi nguyên tử có một electron. Khi chúng tiến lại gần nhau, hai electron này ghép thành một cặp nằm giữa hai hạt nhân và được cả hai hạt nhân cùng hút. Cặp electron dùng chung ấy giữ hai nguyên tử lại thành phân tử H2. Mỗi nguyên tử hiđro lúc này "có" hai electron quanh mình, giống cấu hình của heli.
Với clo, mỗi nguyên tử có bảy electron lớp ngoài cùng. Hai nguyên tử clo góp mỗi bên một electron thành một cặp chung, nhờ đó mỗi nguyên tử có đủ tám electron lớp ngoài. Các electron lớp ngoài không tham gia liên kết vẫn đi thành từng cặp, gọi là cặp electron riêng hay cặp electron không liên kết. Trong phân tử Cl2, mỗi nguyên tử clo có ba cặp riêng.
Điểm khác căn bản với liên kết ion là không có nguyên tử nào nhường hẳn electron cho nguyên tử kia. Vì thế liên kết cộng hoá trị hay gặp giữa các phi kim với nhau, nơi hai bên hút electron không chênh nhau quá nhiều. Sản phẩm thường là các phân tử riêng biệt có kích thước xác định, khác với mạng ion kéo dài vô tận của muối ăn.
Liên kết đơn, đôi, ba khác nhau thế nào
Hai nguyên tử có thể góp chung một, hai hoặc ba cặp electron. Số cặp chung càng nhiều, hai hạt nhân bị kéo lại càng gần và liên kết càng khó phá, khi so cùng một cặp nguyên tố.
| Loại liên kết | Số cặp electron dùng chung | Ví dụ | Thành phần theo sách lớp 10 |
|---|---|---|---|
| Liên kết đơn | 1 | H–H trong H2, Cl–Cl trong Cl2, O–H trong H2O | 1 liên kết sigma |
| Liên kết đôi | 2 | O=O trong O2, C=O trong CO2 | 1 liên kết sigma và 1 liên kết pi |
| Liên kết ba | 3 | N≡N trong N2 | 1 liên kết sigma và 2 liên kết pi |
Liên kết ba trong phân tử nitơ rất bền, và đó là lý do khí nitơ chiếm phần lớn không khí mà gần như không phản ứng ở nhiệt độ thường. Muốn bẻ được liên kết này phải cần điều kiện mạnh như tia sét hay nhiệt độ và áp suất cao trong nhà máy phân đạm.
Liên kết sigma hình thành do các orbital xen phủ trên đường nối hai hạt nhân, liên kết pi do xen phủ ở hai bên đường nối đó. Ở lớp 10 bạn chỉ cần đếm đúng số sigma và pi; chi tiết hình dạng orbital để dành cho chương trình chuyên hoặc đại học.
Khi nào cặp electron bị kéo lệch về một phía
Hai nguyên tử giống nhau thì không phân cực. Trong H2, Cl2, O2, N2, hai hạt nhân giống hệt nhau nên cặp electron chung nằm chính giữa. Đây là liên kết cộng hoá trị không phân cực điển hình.
Hai nguyên tử khác nhau thì thường phân cực. Trong HCl, clo hút cặp electron chung mạnh hơn hiđro, nên đầu clo mang một phần điện tích âm, kí hiệu δ−, đầu hiđro mang một phần điện tích dương δ+. Chữ "một phần" quan trọng: không ai nhường hẳn electron, chỉ là cặp chung bị kéo lệch.
Đo mức lệch bằng hiệu độ âm điện. Sách giáo khoa dùng mốc: hiệu độ âm điện dưới 0,4 là không phân cực, từ 0,4 đến dưới 1,7 là phân cực, từ 1,7 trở lên thường là liên kết ion. Liên kết C–H có hiệu khoảng 0,35 nên xếp vào không phân cực, dù hai nguyên tử khác nhau.
Phân cực là một dải liên tục. Liên kết O–H phân cực mạnh hơn N–H, N–H mạnh hơn C–H. Thay vì chia cứng thành hai hộp, hãy hình dung một thang trượt từ "chia đều" đến "cho hẳn", liên kết ion nằm ở đầu cuối thang.
Liên kết phân cực chưa chắc làm phân tử phân cực
Đây là chỗ đề kiểm tra thích gài bẫy nhất. Câu "liên kết trong phân tử là phân cực" và câu "phân tử là phân cực" là hai câu khác nhau. Một phân tử có thể chứa toàn liên kết phân cực nhưng tổng thể lại không phân cực, nếu các liên kết đó sắp xếp đối xứng và triệt tiêu nhau.
Khí cacbonic CO2 là ví dụ kinh điển. Mỗi liên kết C=O đều phân cực, oxi hút electron mạnh hơn cacbon. Nhưng phân tử CO2 thẳng hàng, hai nguyên tử oxi nằm hai bên đối xứng qua cacbon, hai lực kéo ngược chiều bằng nhau nên triệt tiêu. Kết quả là phân tử CO2 không phân cực. Nước thì khác: hai liên kết O–H tạo góc chứ không thẳng hàng, các lực kéo cộng lại thành một chiều rõ rệt, nên phân tử nước phân cực.
Muốn trả lời đúng câu hỏi về phân tử, bạn phải biết hình dạng phân tử, phần này có bài riêng trong danh mục. Ở đây chỉ cần nhớ quy trình hai tầng: xét từng liên kết trước, rồi xét cách chúng sắp xếp trong không gian. Bỏ tầng thứ hai là sai ngay ở những chất như CO2, CH4 hay CCl4.
Một phép thử nhỏ giúp bạn nhớ lâu: tưởng tượng mỗi liên kết phân cực là một sợi dây kéo về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn. Nếu tất cả các sợi dây kéo đều ra các phía và cân nhau, phân tử đứng yên, không có đầu âm đầu dương rõ rệt. Nếu các sợi dây cùng lệch về một phía, phân tử có một đầu mang phần điện âm, một đầu mang phần điện dương. Tính phân cực của cả phân tử quyết định nhiều tính chất bạn sẽ gặp ở các bài sau, như chất này có tan trong nước không, hay vì sao nhiệt độ sôi của hai chất có khối lượng gần bằng nhau lại chênh nhau nhiều.
Liên kết cho nhận: một bên góp cả cặp
Trong các ví dụ trên, mỗi nguyên tử góp một electron vào cặp chung. Có trường hợp cả cặp electron chung do một nguyên tử đưa ra, nguyên tử kia chỉ góp chỗ trống. Sách giáo khoa gọi đó là liên kết cho nhận, một dạng đặc biệt của liên kết cộng hoá trị.
Ion amoni NH4+ là ví dụ quen nhất. Trong phân tử NH3, nguyên tử nitơ dùng ba electron tạo ba liên kết với ba nguyên tử hiđro và còn thừa một cặp electron riêng. Ion H+ là hạt nhân hiđro không có electron nào. Cặp riêng của nitơ được dùng chung với H+, tạo liên kết thứ tư. Nitơ là bên cho, H+ là bên nhận.
Một chi tiết hay hỏi: sau khi hình thành, bốn liên kết N–H trong NH4+ giống hệt nhau, không phân biệt được liên kết nào là "cho nhận". Cách phân loại chỉ nói về nguồn gốc của cặp electron, không phải về một liên kết khác loại. Khi viết công thức, một số sách vẽ mũi tên từ nguyên tử cho sang nguyên tử nhận để thể hiện điều này; bạn theo cách trình bày của sách mình đang học.
Câu lệnh mẫu khi học phần này với AI
Phần liên kết cộng hoá trị có nhiều khái niệm đi cặp với nhau, nên câu lệnh hiệu quả là câu buộc AI đặt các khái niệm cạnh nhau và để bạn tự phân loại.
- "Em học lớp 10. Cho em 8 liên kết trong các chất quen thuộc, em sẽ tự xếp loại không phân cực, phân cực hay ion dựa vào bảng độ âm điện. Chờ em trả lời rồi mới nhận xét."
- "Giải thích khác nhau giữa liên kết phân cực và phân tử phân cực bằng ví dụ CO2 và H2O, kèm một hình ảnh ví von đời thường. Sau đó hỏi em một câu để kiểm tra em hiểu chưa."
- "Đếm số liên kết sigma và pi trong N2, O2, CO2. Đừng đưa đáp án, chỉ nhắc em quy tắc đếm, em tự đếm."
- "Em hiểu liên kết cho nhận như sau: …. Hãy chỉ ra chỗ em hiểu chưa đúng, nếu có, và đừng viết lại toàn bộ bài."
Nếu bạn dán đoạn ghi chép của mình cho AI xem, xoá trước những dòng không liên quan như tên, lớp, lịch học thêm. AI chỉ cần nội dung hoá học để góp ý.
Lỗi AI hay mắc ở chương này và cách bắt
Kết luận CO2 là phân tử phân cực. Lỗi này xuất hiện khi chatbot chỉ nhìn liên kết C=O. Bắt bằng cách hỏi lại "hình dạng phân tử CO2 là gì, các lực kéo có triệt tiêu không".
Đếm sai cặp electron riêng. Khi mô tả công thức bằng chữ, AI đôi khi viết rằng oxi trong nước có ba cặp riêng. Tự đếm: oxi có sáu electron lớp ngoài, dùng hai cho hai liên kết, còn bốn electron tức hai cặp riêng.
Dùng mốc phân loại khác sách. Một số tài liệu nước ngoài dùng mốc 0,5 thay vì 0,4, hoặc khoảng 1,8 đến 2,0 thay vì 1,7. Khi làm bài cho lớp, bạn dùng mốc của sách giáo khoa và thầy cô, nhắc AI làm theo mốc đó ngay trong câu lệnh.
Lẫn tên gọi cũ và mới. Chương trình hiện hành dùng nhiều tên theo quốc tế như hydrogen, nitrogen, oxygen, trong khi AI có thể trộn cả hiđro, nitơ, oxi trong một đoạn. Không sai về hoá học, nhưng bài nộp nên thống nhất theo cách gọi của sách bạn học.
Khẳng định quá chắc ở trường hợp ranh giới. Với liên kết có hiệu độ âm điện sát mốc, AI hay phán một câu dứt khoát. Hãy yêu cầu nó nêu con số tính được và mốc đang dùng, rồi tự đối chiếu.
Câu hỏi thường gặp
Liên kết cộng hoá trị không phân cực có nhất thiết phải giữa hai nguyên tử giống nhau không?
Không nhất thiết. Hai nguyên tử khác nhau nhưng độ âm điện gần nhau, hiệu dưới 0,4 theo mốc sách giáo khoa, cũng được xếp không phân cực. Ví dụ quen thuộc là liên kết C–H trong metan với hiệu khoảng 0,35.
Vì sao phân tử nitơ lại khó phản ứng?
Vì hai nguyên tử nitơ liên kết với nhau bằng liên kết ba gồm một sigma và hai pi, rất bền. Phá liên kết này cần nhiều năng lượng, nên ở điều kiện thường khí nitơ trong không khí gần như trơ.
Liên kết cho nhận có phải là kiểu liên kết thứ tư không?
Không. Sách giáo khoa xếp liên kết cho nhận là một dạng của liên kết cộng hoá trị, chỉ khác ở chỗ cặp electron chung do một nguyên tử đóng góp. Sau khi hình thành, nó không khác gì các liên kết cộng hoá trị cùng loại.
Làm sao biết phân tử có phân cực hay không khi đề không cho hình dạng?
Bạn cần tự suy ra hình dạng từ công thức Lewis và số cặp electron quanh nguyên tử trung tâm. Phân tử đối xứng như CO2, CH4 thường không phân cực; phân tử có cặp electron riêng ở nguyên tử trung tâm như H2O, NH3 thường phân cực.
Có nên tin bảng phân loại liên kết do AI tự lập không?
Chỉ nên dùng làm bản nháp. Kiểm từng dòng bằng cách tự tính hiệu độ âm điện theo bảng trong sách của bạn và đối chiếu mốc. AI hay lẫn mốc giữa các tài liệu hoặc tính sai một chữ số thập phân.