Bài giảng Hoá đại cương: Chương 2 - Nguyễn Văn Hòa (2022)

Bài giảng Hoá đại cương: Chương 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Đại cương về liên kết hóa học; Liên kết cộng hóa trị; Liên kết ion; Liên kết kim loại; Liên kết hydrogen; Lực van der Waals. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

Chapter 10: page 309 – 348 Chapter 11: page 349 – 400

Trang 2

• Trong tinh thể, phân tử là toàn bộ tinh thể không thể tách riêng.

• Trong phân tử, các nguyên tử không còn tồn tại như cấu trúc ban đầu

của nó

• Năng lượng trong phân tử < tổng năng lượng của các nguyên tử ban

đầu  hệ bền vững hơn

Trang 3

Chương 2 nvhoa102@gmail.com 3

1.2 Liên kết hóa học

Liên kết hóa học là liên kết được hình thành giữa

các nguyên tử trong phân tử hay trong tinh thể

• Liên kết hóa học có bản chất điện

• Các thông số đặc trưng của liên kết:

a Độ dài liên kết (l, pm)

Là khoảng cách giữa 2 hạt nhân của các nguyên

tử tương tác với nhau.

• l càng nhỏ  liên kết càng bền

Trang 4

b Góc liên kết

Là góc tạo thành bởi 2 đoạn thẳng tưởng tượng nối hạt nhân nguyên

tử trung tâm với 2 hạt nhân nguyên tử liên kết.

Góc liên kết cho biết dạng hình học (cấu hình không gian) của phân tử

Trang 5

c Năng lượng liên kết (E lk , kJ/mol)

Là năng lượng cần tiêu tốn để phá vỡ liên kết (E pl ) của một mol phân

Trang 6

2 Liên kết cộng hóa trị (LKCHT)

2.1 Phương pháp liên kết hóa trị (Valence bond)

Nội dung cơ bản của phương pháp VB

2.1.1 Khái niệm về LKCHT

• LKCHT dựa trên cặp e ghép đôi có spin ngược nhau và thuộc về cả

2 nguyên tử tương tác (2 e – 2 tâm).

Trang 7

• LKCHT được hình thành do sự che phủ

lẫn nhau giữa các AO chứa các e độc thân

của các nguyên tử tham gia tạo liên kết

• Độ bền của LKCHT phụ thuộc vào độ

che phủ các AO Độ che phủ các AO phụ

thuộc vào kích thước, hình dạng của AO

và hướng che phủ

• Độ che phủ càng lớn thì liên kết càng bền

và liên kết được tạo thành khi độ che phủ

đạt cực đại.

Trang 8

 Ảnh hưởng của kích thước orbital

 Ảnh hưởng của hình dạng orbital

Trang 9

(a), (c): che phủ các hàm sóng cùng dấu  tạo liên kết.

(b), (d): che phủ các hàm sóng khác dấu  phản liên kết.

 Ảnh hưởng của hướng che phủ orbital

Trang 10

⇒ LKCHT có tính định hướng, bão hòa và có cực.

che phủ không đối xứng  không tạo liên kết.

che phủ các hàm sóng cùng dấu  tạo liên kết.

Trang 11

2.1.2 Khả năng tạo LKCHT của nguyên tố và tính bão hòa của

LKCHT

a Cơ chế và khả năng tạo LKCHT của nguyên tố

• Cơ chế góp chung: Liên kết được hình thành do sự góp chung 2 e

hóa trị độc thân của 2 nguyên tử tương tác.

Ví dụ:

Trang 12

Khả năng tạo LKCHT được quyết định bởi số e hóa trị độc thân

của nguyên tử nguyên tố

Tuy nhiên, số e hóa trị độc thân của nguyên tử nguyên tố có thểthay đổi (tăng lên hay giảm xuống do sự kích thích)

Trang 13

• Cơ chế cho – nhận: Sự hình thành cặp e góp chung của LKCHT chỉ

do 1 trong 2 nguyên tử tương tác đưa ra, còn nguyên tử kia nhận lấy.

Ví dụ:

Cặp e hóa trị tự do Orbital hóa trị tự do

H 3 N: + H +  [ H 3 N : H ] +

Trang 14

b Tính bão hòa của LKCHT:

Số LKCHT cực đại của nguyên tố bằng số AO hóa trị của nó.

 phân tử có thành phần xác định

Ví dụ: các nguyên tố chu kỳ II có 4 AO hóa trị; chu kỳ III có 9 AO

hóa trị

2.1.3 Tính định hướng của LKCHT và sự lai hóa các AO

Vì liên kết được tạo thành theo những hướng nhất định nên phân tửtạo thành có cấu hình không gian xác định

Trang 15

Ví dụ: Phân tử H2Te có cấu hình không gian dạng góc, với góc liên kếtHTeH = 90o

Nhưng:

Trang 16

a Sự lai hóa các AO và cấu hình không gian phân tử

Lai hóa là quá trình tổ hợp (trộn lẫn) của các AO trong 1 nguyên tử với nhau để tạo thành orbital lai hóa.

Sự lai hóa có các đặc điểm:

 Orbital lai hóa tạo thành có hình dạng, năng lượng hoàn toàn giống

nhau, nhưng khác với các AO tham gia tạo lai hóa

 Số orbital lai hóa tạo thành bằng tổng số AO tham gia tạo lai hóa và

phân bố đối xứng trong không gian

 Có nhiều kiểu lai hóa: sp, sp2, sp3, sp3d, dsp3 …

Trang 17

Ví dụ: Sự lại hóa sp của nguyên tử Be:1s 2s

Điều kiện để các AO tham gia lai hóa:

Các AO tham gia lai hóa phải có: năng lượng gần bằng nhau; mật độ elớn; mức độ che phủ lớn

Trang 19

ii Lai hóa sp

1 orbital s tổ hợp với 2 orbital p (của cùng 1 nguyên tử) tạo thành 3orbital lai hóa sp2 phân bố đối xứng trên một mặt phẳng hướng đến 3đỉnh của tam giác đều, tạo thành một góc 120o

Trang 20

Trang 21

iii Lai hóa sp

1AO s + 3AO p  4AO lai hóa sp3 phân bố đối xứng trong không gianhướng đến 4 đỉnh của tứ diện đều, tạo thành một góc 109o28’

Trang 22

 Kích thước của các orbital lai hóa:

Trang 23

iv Các kiểu lai hóa khác

 Lai hóa sp3d: lưỡng tháp tam giác

 Lai hóa sp3d2: bát diện

VD: [CuCl5]

3-VD: SF6

Trang 24

 Lai hóa dsp2: hình vuông phẳng

 Lai hóa dsp3: Tháp hình vuông

VD: [AuCl4]

VD: [Ni(CN)5]

Trang 25

3-Chương 2 nvhoa102@gmail.com 25

 Lai hóa d s: lăng trụ tam giác

 Lai hóa d3sp3: tháp ngũ diện kép

VD: [W(CH3)6]

VD: [Os(CN)7]3−

Trang 26

 Lai hóa sp3d3: lăng trụ tam giác đơn chóp

 Lai hóa d4sp3: đối lăng trụ hình vuông

VD: [ZrF7]3−

VD: [XeF8]2−

Trang 27

 Lai hóa fsp d : lập phương

 Lai hóa sp3d4: 12 mặt tam giác

VD: [TaF8]

Trang 28

3-Chương 2 nvhoa102@gmail.com 28

 Lai hóa sp3d5: lăng trụ tam giác tam chóp

VD: Ba[ReH9]

Trang 29

c Quy tắc đẩy nhau giữa các cặp e hóa trị

Xét các phân tử CH4, NH3, H2O, trạng thái lai hóa của C, N, O đều là

sp3

⇒ Lý thuyết đẩy nhau giữa các cặp e hóa trị (Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) theory).

Trang 30

i Lực đẩy giữa các cặp e giảm dần theo thứ tự:

L-L > L-B > B-B (L - lone pair; B - bond pair)

Triple bond > double bond > single bond

ii Lực đẩy B-B rất lớn khi góc liên kết ≤ 90o

Trang 31

iii Khi độ âm điện của NTTT càng lớn  cặp e liên kết bị hút về phía

NTTT càng mạnh  lực đẩy B-B tăng  góc liên kết tăng

Ví dụ:

iv Khi độ âm điện của nguyên tử biên càng lớn  cặp e liên kết càng

bị lệch xa NTTT  lực đẩy B-B giảm  góc liên kết giảm

Trang 32

v Cấu hình không gian của các phân tử có lai hóa sp3d, sp3d2, phải sắpxếp các cặp e tự do sao cho tổng lực đẩy giữa các cặp e với nhau lànhỏ nhất

Tất cả orbital lai hóa sp 3 d tạo liên kết:

Trang 33

Tứ diện lệch

Trang 34

Chữ T

 Hai cặp e tự do:

Trang 35

Đường thẳng

Trang 36

Tất cả orbital lai hóa sp 3 d 2 tạo liên kết:

Trang 37

Tháp vuông

Trang 38

Vuông phẳng

 Hai cặp e tự do:

Trang 39

d Dự đoán trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm và cấu hình

không gian của phân tử

Bước 1: Xác định số liên kết  xung quanh nguyên tử trung tâm (A)

Bước 2: Xác định số cặp e hóa trị tự do của nguyên tử trung tâm (B)

Trang 40

Bước 1: A = Số nguyên tử biên liên kết với nguyên tử trung tâm.

Bước 2:

X - Tổng số e hoá trị của tất cả các nguyên tử trong phân tử.

Đối với ion: Trừ bớt n electron cho ion có điện tích (n+)

Cộng thêm n electron cho ion có điện tích (n-)

Y - Tổng số e hoá trị bão hòa của nguyên tử biên:

 8e cho mỗi nguyên tử biên nói chung

 2e cho mỗi nguyên tử biên là hydro

Trang 41

Phân tử

Ng.tử

X Y B

[SbF 5 ] 2- Sb 5 + (7 x 5) + 2 8 x 5 1 5 + 1 = 6 sp 3 d 2

O 3 O 6 + (6 x 2) 8 x 2 1 2 + 1 = 3 sp 2

CO 3 2- C 4 + (6 x 3) + 2 8 x 3 0 3 + 0 = 3 sp 2

Trang 42

Tứ diện đều CH4, SiCl4, NH4+

Trang 44

-Chương 2 nvhoa102@gmail.com 44

2.1.4 Sự phân cực của LKCHT

LKCHT phân cực là LKCHT trong đó các e liên kết phân bố về phíamột nguyên tử nào đó trong hai nguyên tử Nguyên nhân do sự khácnhau về 

Cl – Cl H+ – Cl - Na+ Cl

Trang 45

Momen lưỡng cực 

• Trong 1 phân tử có điện tích hiệu dụng + và -, khoảng cách giữa

các điện tích là d thì momen lưỡng cực:

 = .d (C.m),  thường có đơn vị debye (D).

1 D = 10-18 esu.cm = 3,34.10-30 C.m

• Momen lưỡng cực là một thước đo định lượng về mức độ phân cực

của liên kết trong một phân tử

 = 0 ⇒ phân tử không phân cực;   0 ⇒ phân tử phân cực;

 ⇒ phân tử phân cực càng mạnh

Trang 46

• Momen lưỡng cực là 1 đại lượng vectơ, chiều của vectơ momen

lưỡng cực thường quy ước từ trọng tâm tích điện dương qua trọngtâm tích điện âm

•  của phân tử được xác định bằng thực nghiệm.

•  của phân tử phụ thuộc độ phân cực của liên kết trong phân tử

() và dạng hình học của phân tử

Trang 48

2.1.5 Các kiểu LKCHT

Có nhiều kiểu LKCHT khác nhau,

tùy thuộc vào cách che phủ và

tính đối xứng của các AO tham

gia che phủ tạo liên kết: , , 

không định chỗ, .

Trang 49

a Liên kết :

Được hình thành khi các AO che phủ dọc theo trục nối hạt nhân

nguyên tử Đây là loại liên kết chính giữa 2 nguyên tử, quyết định cấu

hình không gian (khung) phân tử và có thể xuất hiện do sự che phủ củabất kỳ loại AO nào

Trang 50

b Liên kết :

Được tạo thành khi các AO che phủ về 2 bên của trục nối hạt nhân.

Liên kết  kém bền hơn liên kết  Đây là loại liên kết bổ sung thêmsau khi hình thành liên kết  mà các phân tử vẫn chưa bão hòa hóa trị

Nó được tạo thành do sự che phủ các AO: p-p; p-d; d-d

Trang 51

c Liên kết  không định chỗ (LKCHT nhiều tâm)

Là loại liên kết  nhưng được tạo thành giữa nhiều nguyên tử (từ 3

nguyên tử trở lên) với số e tham gia tạo liên kết có thể nhiều hơn 2.

Đây là loại liên kết phụ bổ sung được dùng để giải thích trường hợp cácliên kết xuất phát từ nguyên tử trung tâm có bậc lẻ, bằng nhau và đượcbiểu diễn bằng “- - - -”

Trang 52

Xét CO 3 2- :

Trang 53

Xét C 6 H 6 :

Trang 54

2.1.6 Bậc liên kết của LKCHT

• Cho biết số cặp e tham gia tạo liên kết giữa 2 nguyên tử Bậc liên kết có

thể nguyên hay lẻ, được tính:

Trang 55

Bài tập:

1 Dự đoán kiểu lai hóa, cấu hình không gian và góc hóa trị, số liên kết  , số liên

kết  và  không định chỗ, bậc liên kết của các phân tử và ion sau:

Trang 56

2.2 Phương pháp orbital phân tử (MO)

2.2.1 Nội dung cơ bản của phương pháp MO

Phân tử là tổ hợp thống nhất gồm:

• Các hạt nhân và các e của các nguyên tử tạo thành phân tử

• Mỗi e chuyển động trong trường tác dụng của các hạt nhân và các e

còn lại (phân tử là nguyên tử đa nhân)

• Trong phân tử cũng có các orbital như nguyên tử

• Các orbital phân tử:     …

Trang 57

• Các MO được tạo thành do sự tổ hợp tuyến tính (che phủ) các AO:

 Số MO tạo thành bằng số AO tham gia tổ hợp.

 Tổ hợp tuyến tính (+)  MO  ,  , : E MO < E AO

 Tổ hợp tuyến tính (-)  MO  * ,  * ,  *: E MO > E AO

 Không tổ hợp:  MO  o ,  o ,  o: E MO = E AO và hình dạng không thay

đổi.

• Điều kiện tổ hợp: Các AO tham gia tổ hợp có năng lượng gần

nhau, che phủ nhau đáng kể, đối xứng giống nhau đối với đường liên kết trong phân tử.

Trang 58

Trang 59

• Tên gọi các MO (   …) được xác định tùy thuộc vào cách che

phủ của các AO đối với trục nối hạt nhân nguyên tử giống như trong

pp VB

• Các MO cũng được biểu diễn dưới dạng giản đồ năng lượng

• Các e phân bố trên các MO theo quy tắc giống như trên các AO

(Nguyên lý loại trừ Pauli; Nguyên lý vững bền; Quy tắc Hund)

Trang 60

Giản đồ năng lượng các MO của N 2 và HF

Trang 61

Các đặc điểm của liên kết trong phân tử:

 Đóng góp vào liên kết của phân tử có thể là các cặp e ghép đôi

hoặc các e độc thân riêng biệt

 Liên kết được xác định bằng số e liên kết không bị e phản liên kết

triệt tiêu (1 e phản liên kết sẽ triệt tiêu 1 e liên kết)

 Khi bậc liên kết bằng 0, phân tử không tạo thành

Từ tính của phân tử: phân tử có e độc thân  thuận từ; không có eđộc thân  nghịch từ

Trang 62

Giản đồ năng lượng các MO của He 2 và O 2

Trang 65

2 1s ) (σ )

Trang 66

2 1s ) (σ )

Trang 71

Trang 72

* 2pz

* 2px = *

Trang 73

KK – lớp K bên trong hoặc những

lớp bên trong của 2 nguyên tử.

Trang 78

c Các phân tử hai nguyên tử khác loại của những nguyên tố chu

kỳ II (AB)

A – nguyên tố dương điện hơn

B – nguyên tố âm điện hơn

Trang 82

* 2pz

* 2px = *

Trang 83

Giải thích tính chất bằng lý thuyết MO

 Chất thuận từ: Phân tử có chứa e độc thân, bị nam châm hút

 Chất nghịch từ: Phân tử không có e độc thân, không bị nam châm

hút

 Màu sắc của chất: Các e phân bố trên MO khi bị kích thích bởi các

bức xạ thuộc vùng ánh sáng trắng sẽ chuyển sang MO có năng lượngcao hơn Các bức xạ còn lại sẽ tổ hợp tạo ra màu

Trang 84

Ví dụ phân tử

I 2 có màu tím

Trang 85

 So sánh thuyết VB và thuyết MO:

VB: Giải quyết nhiều vấn đề của LKCHT như khả năng tạo liên kết,

các đặc trưng của liên kết, giải thích được cấu trúc và tính chấtcủa nhiều phân tử 1 cách rõ ràng, dễ hiểu

MO: Mô tả LK hóa học trong bất kỳ phân tử nào Giải quyết được các

đặc tính mà phương pháp VB không giải thích được như từ tính,màu sắc, quang phổ của phân tử, sự tồn tại của ion phân tử H2+khá bền …

Trang 86

Cho biết từ tính và bậc liên kết? Phân tử nào tồn tại, không tồn tại?

2 So sánh độ dài liên kết, độ bền liên kết của:

a O2,, O2-, O2+

b NO, NO+, NO

-c He2, He2+, He22+

Trang 87

Sự tạo thành ion gồm 2 quá trình:

- Quá trình tạo thành các ion từ các

nguyên tử tương tác.

- Quá trình hút nhau bằng lực hút tĩnh

điện giữa các ion này.

Trang 88

3.2 Năng lượng mạng tinh thể (U)

Là năng lượng cần thiết để phân

tách hoàn toàn một mol chất rắn ion

thành các ion ở thể khí

Chu trình Born-Haber

Trang 90

Năng lượng mạng tinh thể, nhiệt độ nóng chảy,

nhiệt độ sôi của một số chất rắn ion

Trang 91

3.3 Khả năng tạo liên kết ion của các nguyên tố

 Các nguyên tố có tính kim loại mạnh (I nhỏ) và các nguyên tố có

tính phi kim mạnh (F lớn) sẽ dễ tạo liên kết ion

 Có thể dựa vào  hoặc  để xác định độ ion của liên kết Liên kết

được xem là ion khi độ ion  50 % (  1,7)

Trang 93

3.4 Tính chất của liên kết ion

• Liên kết ion có 2 tính chất ngược với liên kết cộng hóa trị: tính

không bão hòa và không định hướng.

Trang 94

• Ở điều kiện thường, chúng tồn tại ở dạng tinh thể rắn, cứng và giòn

• Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao.

Trang 95

• Có tính phân cực cao nên dễ hòa tan trong các dung môi phân cực

• Dẫn điện ở trạng thái nóng chảy hoặc trong dung dịch

Trang 96

3.5 Sự phân cực ion – Quy tắc Fajan

Sự phân cực ion là sự chuyển dịch đám mây e đối với hạt nhân của một ion dưới tác dụng của điện trường một ion khác.

• Ion có đám mây e bị biến dạng được gọi là ion bị phân cực, nó được

đặc trưng bằng độ bị phân cực.

• Ion có điện trường tác dụng được gọi là ion phân cực, nó được đặc

trưng bằng độ phân cực.

Trang 97

♣ Các yếu tố ảnh hưởng đến độ phân cực của

ion dương: điện tích, kích thước và cấu hình

electron của ion

 Ảnh hưởng của điện tích ion: Khi điện tích ion

tăng thì độ phân cực tăng

 Ảnh hưởng của kích thước ion: Khi điện tích và

cấu hình e như nhau, nếu kích thước tăng thì độ

phân cực sẽ giảm xuống

Tiêu đề	Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử
Tác giả	Nguyễn Văn Hòa
Chuyên ngành	Hóa học
Thể loại	Bài giảng
Năm xuất bản	2022

Định dạng
Số trang	129
Dung lượng	8,18 MB