Chào các em! Cô là giáo viên dạy Hóa 10 đây. Rất vui được giúp các em ôn tập cho bài kiểm tra ngày mai. Bài tập về độ tan của ammonia và hydrogen sulfide trong nước là một câu hỏi rất hay, nó liên quan đến cấu tạo phân tử và khả năng tương tác giữa các phân tử. Chúng ta sẽ cùng nhau phân tích thật chi tiết nhé.

Bước 1: Phân tích cấu tạo phân tử của ammonia (NH3) và hydrogen sulfide (H2S).

Để hiểu tại sao một chất tan nhiều hay ít trong một dung môi nào đó, chúng ta cần xem xét cấu tạo của cả chất tan và dung môi.

* Phân tử ammonia (NH3):
* Ammonia được tạo thành từ nguyên tử Nitơ (N) và ba nguyên tử Hiđro (H).
* Nguyên tử Nitơ có độ âm điện lớn hơn nguyên tử Hiđro. Điều này có nghĩa là cặp electron dùng chung trong các liên kết N-H sẽ lệch về phía nguyên tử Nitơ.
* Do đó, nguyên tử Nitơ sẽ mang một phần điện tích âm (δ-), còn các nguyên tử Hiđro sẽ mang một phần điện tích dương (δ+).
* Phân tử NH3 có hình chóp tam giác đều với nguyên tử Nitơ ở đỉnh và ba nguyên tử Hiđro ở đáy. Tuy nhiên, do sự chênh lệch độ âm điện và có cặp electron tự do trên nguyên tử Nitơ, phân tử NH3 có tính phân cực. Cụ thể, nó có một momen lưỡng cực đáng kể.

* Phân tử hydrogen sulfide (H2S):
* Hydrogen sulfide được tạo thành từ nguyên tử Lưu huỳnh (S) và hai nguyên tử Hiđro (H).
* Nguyên tử Lưu huỳnh cũng có độ âm điện lớn hơn nguyên tử Hiđro. Vì vậy, cặp electron dùng chung trong các liên kết S-H cũng lệch về phía nguyên tử Lưu huỳnh.
* Nguyên tử Lưu huỳnh sẽ mang một phần điện tích âm (δ-), còn các nguyên tử Hiđro sẽ mang một phần điện tích dương (δ+).
* Phân tử H2S có hình góc (giống phân tử nước H2O). Sự phân bố electron và hình dạng phân tử làm cho H2S cũng có tính phân cực, với momen lưỡng cực khác không.

* Phân tử nước (H2O) – dung môi:
* Nước được tạo thành từ nguyên tử Oxy (O) và hai nguyên tử Hiđro (H).
* Nguyên tử Oxy có độ âm điện rất lớn. Cặp electron dùng chung trong các liên kết O-H lệch mạnh về phía nguyên tử Oxy.
* Nguyên tử Oxy mang một phần điện tích âm (δ-), còn các nguyên tử Hiđro mang một phần điện tích dương (δ+).
* Phân tử H2O có hình góc và là một phân tử phân cực mạnh.

Bước 2: Xét khả năng tương tác giữa các phân tử chất tan và dung môi.

Nguyên tắc chung để một chất tan tốt trong dung môi là “chất giống nhau thì hòa tan lẫn nhau” (polar dissolves polar, nonpolar dissolves nonpolar). Ở đây, cả NH3, H2S và H2O đều là các phân tử phân cực. Tuy nhiên, mức độ phân cực và khả năng hình thành liên kết với nước là khác nhau.

* Khả năng hình thành liên kết hiđro của NH3 với nước:
* Như đã phân tích, phân tử NH3 có nguyên tử Nitơ mang một phần điện tích âm (δ-) và các nguyên tử Hiđro mang một phần điện tích dương (δ+).
* Trong phân tử nước (H2O), nguyên tử Oxy mang phần điện tích âm (δ-) và các nguyên tử Hiđro mang phần điện tích dương (δ+).
* Khi ammonia tan trong nước, các nguyên tử Hiđro mang điện tích dương (δ+) của phân tử NH3 có thể hút các nguyên tử Oxy mang điện tích âm (δ-) của phân tử H2O.
* Quan trọng hơn, nguyên tử Nitơ trong NH3 có một cặp electron tự do và có độ âm điện tương đối lớn. Chính nguyên tử Nitơ này có thể tạo liên kết hiđro với các nguyên tử Hiđro mang điện tích dương (δ+) của phân tử H2O.
* Ngược lại, các nguyên tử Hiđro mang điện tích dương (δ+) của phân tử NH3 cũng có thể hút các nguyên tử Oxy mang điện tích âm (δ-) của phân tử H2O.
* Sự hình thành liên kết hiđro giữa phân tử NH3 và H2O là rất bền vững và giúp kéo các phân tử NH3 vào trong dung dịch nước, làm cho NH3 tan rất nhiều.
* Phản ứng có thể viết như sau: NH3 + H2O <=> NH4+ + OH- (tạo ra ion amoni và ion hidroxit, cho thấy sự tương tác mạnh mẽ). Tuy nhiên, ngay cả khi không xét phản ứng ion hóa, sự hình thành liên kết hiđro cũng là yếu tố chính.

* Khả năng hình thành liên kết hiđro của H2S với nước:
* Phân tử H2S cũng phân cực, nguyên tử Lưu huỳnh mang một phần điện tích âm (δ-) và các nguyên tử Hiđro mang một phần điện tích dương (δ+).
* Phân tử nước (H2O) cũng phân cực, nguyên tử Oxy mang phần điện tích âm (δ-) và các nguyên tử Hiđro mang phần điện tích dương (δ+).
* Các nguyên tử Hiđro mang điện tích dương (δ+) của phân tử H2S có thể hút các nguyên tử Oxy mang điện tích âm (δ-) của phân tử H2O.
* Tuy nhiên, nguyên tử Lưu huỳnh (S) trong H2S có độ âm điện nhỏ hơn Nitơ (N) trong NH3. Đồng thời, Lưu huỳnh không có cặp electron tự do như Nitơ (lưu huỳnh đã dùng hết electron hóa trị để tạo liên kết với 2 nguyên tử Hiđro). Do đó, khả năng tạo liên kết hiđro giữa nguyên tử Lưu huỳnh của H2S và nguyên tử Hiđro của H2O là rất yếu.
* Mặc dù có sự tương tác lưỡng cực-lưỡng cực giữa H2S và H2O, nhưng sự tương tác này không đủ mạnh để tạo thành liên kết hiđro bền vững như trường hợp của NH3.

Bước 3: So sánh và kết luận.

* Cả NH3 và H2S đều là phân tử phân cực và có thể tan trong nước (là dung môi phân cực).
* Tuy nhiên, phân tử NH3 có khả năng tạo liên kết hiđro mạnh với phân tử nước nhờ nguyên tử Nitơ có cặp electron tự do và độ âm điện tương đối lớn.
* Phân tử H2S có khả năng tạo liên kết hiđro với nước yếu hơn nhiều do nguyên tử Lưu huỳnh có độ âm điện nhỏ hơn và không có cặp electron tự do để tương tác mạnh.
* Do đó, khí ammonia (NH3) tan nhiều trong nước hơn khí hydrogen sulfide (H2S).

Bước 4: Viết sơ đồ minh họa.

Để minh họa, chúng ta có thể vẽ hình ảnh cách các phân tử tương tác với nhau.

* Sơ đồ minh họa sự tan của NH3 trong nước:

(Vẽ một phân tử nước H2O với nguyên tử O ở giữa, hai nguyên tử H hai bên, O mang δ-, H mang δ+)
(Vẽ một phân tử NH3 với nguyên tử N ở đỉnh, ba nguyên tử H ở đáy, N mang δ-, H mang δ+)
(Dùng mũi tên chỉ ra sự hút giữa nguyên tử H của NH3 và nguyên tử O của H2O)
(Dùng mũi tên chỉ ra sự hút giữa nguyên tử N của NH3 và nguyên tử H của H2O, minh họa cho liên kết hiđro)
(Minh họa nhiều phân tử nước bao quanh phân tử NH3)

Giải thích sơ đồ:
Trong sơ đồ, chúng ta thấy nguyên tử Nitơ (N) của NH3 có cặp electron tự do và mang điện tích âm (δ-) có thể hút các nguyên tử Hiđro (H) mang điện tích dương (δ+) của phân tử nước. Đồng thời, các nguyên tử Hiđro (H) của NH3 mang điện tích dương (δ+) có thể hút nguyên tử Oxy (O) mang điện tích âm (δ-) của phân tử nước. Sự hình thành các liên kết hiđro này giúp NH3 dễ dàng hòa tan vào nước.

* Sơ đồ minh họa sự tan của H2S trong nước:

(Vẽ một phân tử nước H2O với nguyên tử O ở giữa, hai nguyên tử H hai bên, O mang δ-, H mang δ+)
(Vẽ một phân tử H2S với nguyên tử S ở giữa, hai nguyên tử H hai bên, S mang δ-, H mang δ+, hình dạng góc)
(Dùng mũi tên chỉ ra sự hút giữa nguyên tử H của H2S và nguyên tử O của H2O)
(Sự tương tác giữa S của H2S và H của H2O là yếu, không vẽ thành liên kết hiđro rõ rệt hoặc vẽ bằng nét đứt mờ nhạt hơn)
(Minh họa ít phân tử nước bao quanh phân tử H2S hơn so với NH3)

Giải thích sơ đồ:
Trong sơ đồ này, nguyên tử Hiđro (H) của H2S mang điện tích dương (δ+) có thể hút nguyên tử Oxy (O) mang điện tích âm (δ-) của phân tử nước. Tuy nhiên, nguyên tử Lưu huỳnh (S) của H2S không có cặp electron tự do và có độ âm điện yếu hơn Nitơ, nên khả năng tạo liên kết hiđro với phân tử nước rất hạn chế. Do đó, sự tương tác giữa H2S và nước yếu hơn nhiều so với NH3 và nước.

Kết luận cuối cùng:

Khí ammonia (NH3) tan nhiều trong nước hơn khí hydrogen sulfide (H2S) là do phân tử NH3 có khả năng hình thành liên kết hiđro mạnh với các phân tử nước, trong khi khả năng này của H2S yếu hơn hẳn.

Các em nhớ xem lại bài kỹ nhé. Nếu có gì chưa rõ, cứ hỏi cô. Chúc các em thi tốt!