Liên kết hóa học và một số dạng bài tập về liên kết hóa học trong hóa vô cơ

Để hình thành nên các phân tử, hoặc mạng lưới tinh thể thì các tiểu phân phải kết hợp với nhau bằng những liên kết hóa học.Các quá trình vật lí như thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng,

KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

===  ===

NGUYỄN THỊ DỊU

(1562010006)

LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VỀ

LIÊN KẾT HÓA HỌC TRONG HÓA VÔ CƠ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÓA

THANH HÓA, THÁNG 5 NĂM 2019

KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

===  ===

NGUYỄN THỊ DỊU

(1562010006)

LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VỀ

LIÊN KẾT HÓA HỌC TRONG HÓA VÔ CƠ

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CHUYÊN NGÀNH: ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÓA

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: ThS VŨ HỒNG NAM

ĐƠN VỊ CÔNG TÁC: KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN

THANH HÓA, THÁNG 5 NĂM 2019

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Khoa học tự nhiên, trường

ĐH Hồng Đức đã tạo diều kiện cho tôi thực hiện đề tài này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới Thạc sĩ Vũ Hồng Nam giảng viên bộ môn hóa vô cơ đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này Đồng thời tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trong tổ Hóa- Khoa Khoa học tự nhiên đã giúp đơc tôi trong quá trình nghiên cứu

Thanh Hóa, ngày 10 tháng 05 năm 2019

Sinh viên

Nguyễn Thị Dịu

MỤC LỤC

Lời cảm ơn 0

MỤC LỤC ii

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1

I Lí do chọn đề tài 1

II Mục đích nghiên cứu 1

III Đối tượng nghiên cứu 2

IV Nhiệm vụ nghiên cứu 2

V Phương pháp nghiên cứu 2

VI Tính mới mẻ của đề tài 2

PHẦN II : NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: LIÊN KẾT HÓA HỌC 3

I Sơ lược sự phát triển các thuyết về liên kết hóa học 3

II Lý thuyết cơ học lượng tử về liên kết hóa học 4

III Các khái niệm cơ bản: 5

1 Độ dài liên kết 5

2 Góc hóa trị 6

3 Năng lượng liên kết 8

IV Liên kết cộng hóa trị 8

1 Thuyết liên kết cộng hóa trị ( Valence-Bond) 8

1.1 Khái niệm liên kết cộng hóa trị theo thuyết VB 9

1.1.1 Nội dung cơ bản của phương pháp VB 9

1.1.2 Liên kết xích ma (ᵹ), liên kết pi(), liên kết cho nhận 10

1.2 Sự hình thành liên kết cộng hóa trị 13

1.2.1 Khái niệm lai hóa: 13

1.2.2 Lai hóa sp 13

1.2.3 Lai hóa sp2 14

1.2.4 Lai hóa sp3 16

1.2.5 Điều kiện lai hóa bền 18

1.2.6 Các tính chất của liên kết cộng hóa trị: 18

2 Thuyết orbital phân tử MO( Moleculai Orbital) 19

2.1 Liên kết cộng hóa trị theo thuyết MO 19

2.2 Sự hình thành liên kết trong phân tử: 20

2.2.1 Các phân tử gồm hai phân tử chu kỳ 1: 20

2.2.2 Các phân tử gồm 2 nguyên tử cùng loại chu kì 2: 22

2.2.3 Các phân tử gồm hai nguyên tử khác loại chu kì 2 25

3 Mo men lưỡng cực của phân tử 26

V Liên kết ion-Liên kết kim loại-Liên kết hidro-Lực Vanderwaals 27

1 Sự hình thành liên kết ion 27

1.1 Điều kiện tạo liên kết ion 29

1.2 Hóa trị của nguyên tử trong liên kết ion: 30

2 Liên kết hidro 30

2.1 Khái niệm hidro 30

2.2 Độ bền của liên kết hidro 31

2.3 Ảnh hưởng của liên kết hidro đến tính chất của chất 31

3 Lực Vander Waals 31

4 Liên kết kim loại 32

VI Hóa lập thể của các hợp chất vô cơ 33

2 Quy tắc hoá lập thể đối với các nguyên tố không chuyển tiếp 33

CHƯƠNG II: MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP VỀ LIÊN KẾT HÓA HỌC 35

DẠNG 1: VIẾT CÔNG THỨC CẤU TẠO PHẲNG VÀ XÁC ĐỊNH BẢN CHẤT LIÊN KẾT 35

BÀI TẬP ỨNG DỤNG DẠNG I 38

HƯỚNG DẪN GIẢI VÀ ĐÁP SỐ 39

DẠNG II: CẤU TRÚC KHÔNG GIAN VÀ TRẠNG THÁI LAI HÓA 43

BÀI TẬP VẬN DỤNG DẠNG II 47

HƯỚNG DẪN GIẢI VÀ ĐÁP SỐ DẠNG II 48

DẠNG III: ẢNH HƯỞNG CỦA LIÊN KẾT HÓA HỌC ĐẾN TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA HỢP CHẤT VÔ CƠ 52

BÀI TẬP ỨNG DỤNG DẠNG III 56

HƯỚNG DẪN GIẢI DẠNG III 58

IV DẠNG 4: CÁC BÀI TOÁN VỀ MÔMEN LƯỠNG CỰC – ĐỘ DÀI LIÊN KẾT – NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT 60

BÀI TẬP ỨNG DỤNG DẠNG IV 63

HƯỚNG DẪN GIẢI DẠNG IV 65

PHẦN III: KẾT LUẬN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHẦN I: MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Trong tự nhiên chỉ có nguyên tử khí hiếm là tồn tại riêng lẻ từng nguyên tử một, còn nguyên tử của mọi nguyên tố khác đều tồn tại dưới dạng phân tử hoặc mạng lưới tinh thể và tạo nên các chất Để hình thành nên các phân tử, hoặc mạng lưới tinh thể thì các tiểu phân phải kết hợp với nhau bằng những liên kết hóa học.Các quá trình vật lí như thay đổi trạng thái từ rắn sang lỏng, từ lỏng sang hơi, cũng như các phản ứng hóa học của các chất hầu hết đều có liên quan đến sự đứt liên kết, tạo thành liên kết giữa các tiểu phân với nhau

Do vậy nghiên cứu lý thuyết liên kết hóa học cho ta biết được bản chất tương tác của các tiếu phân, biết được cơ chế tạo thành, thành phần cấu tạo,và các tính chất vật lý hóa học của chúng hay từ liên kết hóa học ta có thể dự đoán tính chất vật lý hóa học cơ bản của các chất trong hóa học vô cơ nói riêng và trong bộ môn hóa học nói chung.Ngoài ra, hệ thống lý thuyết về liên kết hóa học không chỉ phục vụ cho ngành hóa vô cơ, mà còn cần thiết cho các ngành hóa khác: hữu cơ, đại cương,

Tuy nhiên, liên liên kết hóa học là một lĩnh vực khó, trừu tượng, chưa có tài liệu nào viết đầy đủ và dễ hiểu và đây cũng là một lĩnh vực rất rộng về mặt kiến thức, đề tài này tôi chỉ đề cập tới giới hạn trong hóa vô cơ với tên đề tài “

Liên kết hóa học và một số dạng bài tập về liên kết hóa học trong hóa vô cơ”

tập trung vào những kiến thức cơ bản của hóa học vô cơ phổ thông trung học, cao đẳng, đại học, không đi sâu nghiên cứu trong phức chất

II Mục đích nghiên cứu

- Chỉ ra được bản chất và quá trình hình thành liên kết hóa học trên cơ sở

lý thuyết cơ học lượng tử về cấu tạo nguyên tử, phân tử

- Cung cấp kiến thức cơ bản và thiết thực nhất phục vụ cho việc học bộ môn hóa học vô cơ: phân loại và giải một số bài tập trong hóa vô cơ như giải thích, so sánh nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, xét cấu trúc phân tử,

III Đối tượng nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết về liên kết hóa học và quá trình hình thành liên kết hóa học trong phân tử

IV Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu, sách báo về liên kết hóa học

- Nghiên cứu lý thuyết cơ học lượng tử về cấu tạo nguyên tử, phân tử

- Hệ thống hóa kiến thức một cách dễ hiểu mở rộng đào sâu một số phần phục vụ cho ngành hóa học vô cơ

V Phương pháp nghiên cứu

1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

Tôi nghiên cứu các tài liệu, sách báo có liên quan, tổng hợp và phân loại lý thuyết theo một trình tự logic, phù hợp với quá trình nghiên cứu

2 Quan sát sư phạm:

Nghiên cứu thực tiễn dạy và học của giảng viên và sinh viên trường ĐH Hồng Đức, nghiên cứu thưc tiễn dạy và học của giáo viên và học sinh các trường phổ thông trung học nhằm tìm ra những nhu cầu kiến thức cần thiết trong lĩnh vực hoa học vô cơ

3 Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia:

Tôi tham khảo ý kiến của các thầy cô giáo trong bộ môn, những người có kinh nghiệm trong lĩnh vực này

4 Phương pháp toán học:

Sử dụng các phương pháp thống kê toán học để xử lý kết quả thu được

VI Tính mới mẻ của đề tài

Trên cơ sở lý thuyết về liên kết hóa học cho ta một cách nhìn tổng quát về hóa học vô cơ, vận dụng các thuyết về liên kết hóa học và giải quyết các bài tập

cụ thể có liên quan đến liên kết hóa học

PHẦN II : NỘI DUNG CHƯƠNG 1: LIÊN KẾT HÓA HỌC

I Sơ lược sự phát triển các thuyết về liên kết hóa học

Sự ra đời của học thuyết về liên kết hóa học được đánh dấu bởi sự xuất hiện thuyết lực vạn vật hấp dẫn do Bermann và Bertholet đưa ra đầu thế kỉ XIX Theo thuyết này các tiểu phân được liên kết với nhau là do lực vạn vật hấp dẫn xuất hiện giữa chúng nhưng thực tế lực hóa học và lực vạn vật hấ dẫn có những

sự khác nhau cơ bản như: ái lực hóa học lớn hơn vạn vật hấp dẫn nhiều lần ( khoảng 1033 lần) hoặc ngược với lực hấp dẫn, lực hóa học không tỉ lệ thuận với khối lượng nguyên tử và chỉ tác dụng lên những khoảng vô cùng nhỏ ( từ 0.5A0đến 3A0

) Do vậy không lâu sau, vào năm 1810 nó đã được thay thế bằng thuyết điện hóa của Berzelius với quan điểm cho rằng các nguyên tử đều có hai cực âm

và dương Trong một số nguyên tử có cực dương chiếm ưu thế, một số khác lại

có cực âm chiếm ưu thế và những nguyên tử có lực khác dấu sẽ hút nhau tạo nên hợp chất hóa học Tuy nhiên, trong thuyết này vẫn tồn tại những mâu thuẫn với thực tế sự tồn tại của các chất, các phân tử bền vững được tạo thành từ những nguyên tử đồng cực ( H2 ,O2, ) hay trong nhiều hợp chất, các nguyên tử có cực khác nhau lại thay thế cho nhau

Tiếp đó là công trình của Dumas (1834) với thuyết nhất thể cho rằng liên kết giữa các nguyên tử trong hợp chát hóa học được tạo thành không phải do lực hút tĩnh điện mà do lực liên kết hóa học có bản chát không xác định Công trình của Flanklin (1853) về khái niệm hóa trị như là khả năng của số nguyên tử này kết hợp với số nguyên tử khác và đặc biệt hơn là công trình của Butlerov (1861)

về thuyết cáu tạo với những luận điểm sau:

- Các nguyên tử trong hợp chất kết hợp với nhau theo trật tự nhất định tương ứng với hóa trị của chúng

- Tính chất của chất phụ thuộc không những vào bản chất các nguyên tử

mà còn phụ thuộc vào số lượng và cách sắp xếp của chúng ( tức là phụ thuộc vào cấu tạo hóa học của các phân tử hợp chất)

Tuy nhiên học thuyết về liên kết hóa học thực sự bước vào giai đoạn quan trọng khi Kossel và Lewis dựa trên quan niệm về cấu trúc electron (1916) để giải thích liên kết hóa học Theo thuyết này, khi các nguyên tử tương tác với nhau thì lớp electron ngoài cùng của chúng sẽ thay đổi để đạt cấu hình bền của khí trơ gồm 8 electton và mối liên kết hóa học trong trường hợp này được thực hiện bằng một cặp electron trao đổi giữu nguyên tử tương tác

Nếu cặp electron thuộc về cả hai nguyên tử tương tác thì liên kết được gọi

là cộng hóa trị, còn nếu cặp electron này chỉ thuộc về mội nguyên tử tương tác thì liên kết được gọi là ion

Mặc dù chưa giải thích được bản chất sự tạo thành liên kết cũng như các đặc trưng của liên kết nhưng thuyết electron vẫn được xem là một trong những điểm xuất phát để xây dựng lý thuyết liên kết hóa học hiện đại

Học thuyết liên kết hóa học hiện đại xây dựng dựa trên lí thuyết cơ học lượng tử về cấu tạo nguyên tử, phân tử Đó là một học thuyết cân đối, hoàn chỉnh, cho phép hiểu được sâu sắc bản chất cũng như các tính chất đặc trưng của liên kết và cho những kết quả nghiên cứu thưc nghiệm về liên kết hóa học

II Lý thuyết cơ học lượng tử về liên kết hóa học

Lý thuyết này được xuất hiện năm 1927 nghĩa là sau một năm ngày schodinger đưa ra phương trình sóng Cơ sở của nó là việc giải phương trình schodinger đối với các hệ phân tử gồm những hạt nhân và các electron chuyển động trong trường hạt nhân đó Tuy nhiên, việc giải thích chính xác các phương trình sóng đối với những hệ phân tử là điều vô cùng phức tạp về mặt toán học Trên thưc tế, hiện nay mới tìm được lời giải chính xác đối với hệ một electron như nguyên tử H, các ion tương tự hidro và ion phân tử H2+ Đối với các hệ phân

tử khác chỉ có thể giải bằng phương pháp gần đúng, nghĩa là cố gắng tìm hàm

và giá trị E gần đúng với  ( E là lời giải của phương trình Schodinger)

Năng lượng của hệ khảo sát có giá trị nhỏ nhất ở trạng thá cơ bản,do vậy hàm  chọn sẽ càng gần với hàm thực khi giá trị E tìm được khi giải phương trình sóng với hàm  đã chọn càng nhỏ Do đó hàm  cần chọn sẽ làm hàm cho giá trị E nhỏ nhất

III Các khái niệm cơ bản:

Để thuận lợi cho việc nghiên cứu lí thuyết liên kết hóa học, chúng ta xét một số khái niệm cơ bản về liên kết hóa học và các đặc trưng của liên kết

1 Độ dài liên kết

Là khoảng cách giữa hai hạt nhân của các nguyên tử tương tác với nhau Độ dài liên kết của các hợp chất thay đổi có quy luật phụ thuộc vào kiểu liên kết trạng thái hóa trị của các nguyên tố tương tác, độ bền của hợp chất, Do đó, khi xác định được độ dài liên kết có thể đoán được tính chất, ccaasu tạo của hợp chất

Ngày nay, chúng ta có nhiều phương pháp thực nghiệm cho phép xác định chính xác độ dài liên kết hóa học như: các phương pháp nhiễu xạ electron, quang phổ phân tử, phân tích cấu trúc bằng tia ronghen,

Ví dụ: Bằng các phương pháp trên, người ta có thể xác định được độ dài liên kết trong một số phân tử sau:

dA-B = rA + rB - 0,09XA -XB (2)

Trong đó: dA-B là độ dài liên kết A-B

Ví dụ: góc hóa trị trong phân tử H2O là góc tạo bởi hai đoạn thẳng nối hạt nhân nguyên tử O với hai hạt nhân nguyên tử H, tức là góc HOH có giá trị bằng 104,50 => phân tử có cấu hình dạng góc

Thưc tế cho thấy phân tử các hợp chất có cấu hình không gian rất đa dạng từ đơn giản đến phức tạp và các cấu hình không gian có góc hóa trị đặc trưng cũng khác nhau Dưới đây là cấu trúc hình học của một số loại phân tử thường gặp:

Cấu trúc thẳng

( CO2, C2H2, BeH2, )

Cấu trúc góc ( H2S, H2O, )

Cấu trúc tam giác phẳng

(BCl3, BF3)

Cấu trúc chóp tam giác (

NH3, NF3, PCl3, )

Cấu trúc vuông phẳng (Ni(CN)42

Cấu trúc lưỡng chóp tam giác

(PCl5)

Cấu trúc bát diện (FeF6

2-, )

Cấu trúc tứ diện ( CH4, )

3 Năng lượng liên kết

Là năng lượng cần tiêu tốn để phá hủy liên kết ( hay là năng lượng được giải phóng khi hình thành liên kết từ những ngyên tử độc lập)

Năng lượng phá hủy liên kết và năng lượng tạo thành liên kết có trị số bằng nhau nhưng có dấu khác nhau ( dấu âm và dấu dương) Như vậy, có thể xác định năng lượng liên kết dựa vào năng lượng phân li liên kết Tuy nhiên với phân tử gồm hai nguyên tử thì năng lượng phân li đúng bằng năng lượng liên kết Còn đối với phân tử nhiều nguyên tử thì năng lượng phân li phân tử chỉ xác định được năng lượng liên kết trung bình của một liên kết

Năng lượng liên kết cũng là đại lượng đặc trưng quan trọng cho hợp chất hóa học vì nó liên quan đến độ dài, bậc, độ bền, của liên kết Nghiên cứu năng lượng liên kết cũng góp phần giải thích được quy luật thay đổi tính chất của các hợp chất hóa học

IV Liên kết cộng hóa trị

1 Thuyết liên kết cộng hóa trị ( Valence-Bond)

Thuyết liên kết cộng hóa trị ( thuyết VB) được xuất phát từ luận điểm cho rằng một cặp nguyên tử trong phân tử được liên kết với nhau bằng một vài electron dùng chung ( quan điểm của Lewis) Với quan điểm này, trong nhiều trường hợp các nguyên tử đạt cấu hình electron lớp vỏ ngoài cùng giống các khí hiếm là 2 hoặc 8 electron Tuy nhiên thuyết này chưa giải thích được bản chất của liên kết cộng hóa trị cũng như chưa giải thích được sự tồn tại của các phân

tử PCl5, SF6, IF7,

Để tìm hiểu rõ hơn về bản chất của liên kết cộng hóa trị, hai nhà vật lý người Đức là Haile và London đã tìm ra cách giải gần đúng phương trình sóng Schodinger cho phân tử H2 Đặt cơ sở khoa học cho liên kết cộng hóa trị, thuyết này được Pauling phát triển theo nững luận điểm cơ bản là khi tạo thành phân

tử, các nguyên tử vẫn giữ nguyên kiến trúc electron của mình và liên kết được hình thành nhờ sự trao đổi và góp chung các electron

Khi hai nguyên tử H chứa electron có spin ngược nhau, tiến đến gần thì chúng hút nhau làm năng lượng của hệ giảm xuống và xuất hiện liên kết hóa học Các electron này có thể chuyển động gần cả hai hạt nhân làm cho mật độ electrontrong khoảng không gian giữa hai hạt nhân tăng Vùng có mật độ điện tích âm tăng này bị hạt nhân nguyên tử hút, kết quả là thế năng của hệ giảm và

hệ trở nên bền vững

Ngược lại, trong trường hợp hai nguyên tử H chứa hai electron có spin giống nhau tiến lại gần thì chúng đẩy nhau, làm cho mật độ electron giữa hai hạt nhân nguyên tử giảm xuống đến không, nghĩa là các electron bị đẩy ra khỏi vùng không gian đó Như vậy, liên kết không hình thành

Sự phân bố electron trong hệ hai nguyên tử hidro

(a) – Các electron có spin khác nhau

(b) - Các electron có spin giống nhau

Từ việc phân tích sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử H2, chúng ta có thể rút ra những nội dung cơ bản trong quan niệm của phương pháp

VB về liên kết cộng hóa trị

1.1 Khái niệm liên kết cộng hóa trị theo thuyết VB

1.1.1 Nội dung cơ bản của phương pháp VB

Luận điểm 1: Liên kết giữa hai nguyên tử hình thành do sự ghép đôi của hai electron có spin trái dấu, cặp electron là chung co cả hai nguyên tử Ở đây có

sự xen phủ của hai orbital nguyên tử, cặp electron liên kết chỉ di chuyển trong vùng không gian ba phủ của hai hạt nhân nguyên tử liên kết nên còn được gọi là liên kết hai tâm, hai electron

Luận điểm 2:Liên kết giữa hai nguyên tử càng bền nếu mức độ xen phủ của các orbital nguyên tử càng lớn Như vậy, liên kết sẽ được phân bố theo hướng để mức độ xen phủ của các orbital là cực đại

Luận điểm 3: Hóa trị của một nguyên tố bằng số electron độc thân của nguyên tử (ở trạng thái cơ bản hay kích thích)

Ví dụ sự hình thành phân tử N2

N1 2s22p3

N2

N N

Mức độ xen phủ của các orbital trong trường hợp tạo liên kết pi nhỏ hơn liên kết xích ma và ở xa hạt nhân hơn Vì vậy, liên kể pi yếu hơn liên kết xích

ma Sự có mặt của liên kết pi làm cho độ dài liên kết ngắn lại và tăng độ bền của liên kết giữa hai nguyên tử

Ví dụ:

Пpx-px пpy-py

- Liên kết cho nhận ( liên kết phối trí)

Thông thường trong liên kết cộng hóa trị, mỗi nguyên tử góp một electron cho liên kết Tuy nhiên trong một số hợp chất, liên kết được tạo thành bởi sự dùng chung một cặp electron nhưng cả hai electron này đều do một nguyên tử cung cấp Người ta gọi liên kết này là liên kết cho nhận

Liên kết cho nhận là trường hợp đặc biệt của liên kết cộng hóa trị được hình thành theo cơ chế cho nhận, tức là sự hình thành cặp electron ghép đôi của liên kết cộng hóa trị chỉ do một trong hai nguyên tử tương tác đưa ra, nguyên tử còn lại sẽ nhận lấy

Liên kết cho nhận được biểu diễn bằng mũi tên từ nguyên tử cho đến nguyên tử nhận Liên kết cho nhận được hình thành sau liên kết cộng hóa trị để đạt cấu hình khí hiếm mà vẫn còn dư cặp electron dùng chung Cụ thể:

- Nguyên tử cho: sau khi hình thành liên kết cộng hóa trị để đạt cấu hình khí hiếm mà vẫn còn dư một hoặc nhiều cặp electron chưa tham gia liên kết

- Nguyên tử nhận: sau khi hình thành liên kết cộng hóa trị hoặc chưa tham gia liên kết thiếu đúng hai electron để đạt cấu hình khí hiếm ( tức là còn orbital trống)

Ví dụ:

C O CO ( cacbon oxit) S

SO2 ( lưu huỳnh (IV) oxit)

1.2 Sự hình thành liên kết cộng hóa trị

Từ lý thuyết về sự hình thành các liên kết cộng hóa trị, có thể thấy rằng muốn cho liên kết hóa trị tạo thành bền vững thì mức độ che phủ của các orbital nguyên tử tương tác phải cực đại Tuy nhiên, trong thực tế nếu chỉ dựa vào việc phân tích độ che phủ của các orbital tương tác để xác định cấu hình không gian của phân tử( góc hóa trị, tính đối xứng) nhiều khi đi đến kết luận không đúng

Để giải quyết vấn đề này Pauling và Slater đã đưa ra thuyết lai hóa các orbital

nguyên tử dựa trên cơ sở thuyết liên kết hóa trị của Heither và London

1.2.1 Khái niệm lai hóa:

Các nguyên tử khi tương tác với nhau có thể không dùng những orbital nguyên tử thuần túy s,p,d,f, mà dùng những orbital nguyên đã được tổ hợp tuyến tính thành những orbital mới có năng lượng, hình dạng, kích thước giống nhau.các orbital này được tạo thành do sự trộn lẫn với nhau của các orbital nguyên tử, hay có thể nói sự che phủ nhau giũa các orbital nguyên tử trong cùng một nguyên tử Hiện tượng này đực gọi là sự lai hóa các orbital nguyên tử và các orbital này được gọi là orbital lai hóa

Có bao nhiêu orbital nguyên tử tham gia lai hóa thì có bấy nhiêu orbital lai hóa được hình thành và chúng phân bố đối xứng

Để hiểu rõ hơn sự lai hóa của các orbital nguyên tử và vận dụng vào phân tích cấu tạo các hợp chất khác nhau, chúng ta đi sâu khảo sát các kiểu lai hóa sp,

sp2, sp3

1.2.2 Lai hóa sp

Lai hóa sp là sự tổ hợp tuyến tính của 1orbital s và 1 orbital p của cùng một nguyên tử tạo thành 2 orbital lai lóa đồng nhất nằm trên cùng một tục và tạo với nhau thành một góc 1800

Hàm sóng ứng với trạng thái lai hóa

φ spa =

2

1 ( φs + φp)

φ spb =

2

1 ( φs - φp)

Ví dụ : Khảo sát phân tử BeH2 theo phương pháp VB

Cấu hình electron ngoài cùng của Be(1s22s2), của H (2s1)



 



Nguyên tử Be trong phân tử BeH2 ở trạng thái lai hóa sp Mỗi nguyên tử Be

có 2 orbital lai hóa, nó sẽ mang 2 orbital lai hóa để xen phủ với 2 orbital s của 2 nguyên tử H tạo 2 liên kết xích ma Be-H góc liên kết HBeH = 1800

1.2.3 Lai hóa sp 2

Lai hóa sp2 là sự tổ hợp tuyến tính của 1 orbital s và 2 orbital p cho ta 3 orbital lai hóa sp2đồng nhất, các trục của 3AO lai hóa nằm trong cùng một mặt phẳng và tạo với nhau một góc 1200

↑↓

Hàm sóng với trạng thái các orbital lai hóa

không tham gia liên kết chứa 1 electron sẽ đẩy các liên kết,làm góc liên kết bị ép lại so với góc lai hóa nên SO2 có cấu trúc góc

Ob

Oa S

1.2.4 Lai hóa sp 3

Là sự tổ hợp tuyến tính của 1AOs và 3AOp của một nguyên tử cho ta 4AO lai hóa sp3 đồng nhất hướng về 4 đỉnh của một tứ diện đều: có tâm là hạt nhân nguyên tử, các trục của AO lai hóa sp3 tạo với nhau một góc 109028’

Sự xen phủ giữa 3AO lai hóa chứa 3 electron độc thân của 3 nguyên tử N với 3AO độc thân của H cho ta 3 liên kết xích ma Do sự đẩy cặp electron chƣa tham gia liên kết trên nguyên tử N làm cho góc liên kết bé lại còn 107,30 Phân

tử có cấu trúc tam giác đều

1.2.5 Điều kiện lai hóa bền

Điều kiện để trạng thái lai hóa bền đó là:

- Năng lượng của các AO tham gia lai hóa phải xấp xỉ nhau

- Mật độ electron tham gia lai hóa phải đủ lớn

- Độ xen phủ các AO lai hóa với các nguyên tử khác phải đủ lớn để tạo thành hợp chất bền

Từ các điều kiện trên ta thấy đi từ đầu đến cuối chu kì hiệu năng lượng của AO-s và AO-p tăng nên khả năng tham gia lai hóa giảm xuống Khi tăng kích thước của các nguyên tử thì khả năng lai hóa của AO hóa trị cũng bị giảm

1.2.6 Các tính chất của liên kết cộng hóa trị:

- Tính định hướng:

Muốn cho liên kết cộng hóa trị tạo thành bền vững thì mức độ xen phủ các

AO nguyên tử tương tác phải cực đại Sự xen phủ cực đại chỉ xảy ra theo những hướng nhất định đối với các nguyên tử tương tác Từ dó mà các liên kết cộng hóa trị sẽ được tạo thành theo những hướng nhất định trong không gian

2 Thuyết orbital phân tử MO( Moleculai Orbital)

2.1.Liên kết cộng hóa trị theo thuyết MO

Phương pháp MO quan niệm rằng có thể xem phân tử như một nguyên tử

phức tạp và cũng có cấu trúc AO giống như nguyên tử: mỗi electron trong phân

tử có trạng thái dược đặc trưng bằng AO phân tử và việc khảo sát cấu tạo phân

tử nói chung cũng như khảo sát liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong phân

tử nói riêng là việc xác định các AO phân tử, năng lượng của chúng và sự phân

bố electron trên các AO phân tử

Mỗi AO phân tử cũng được đặc trưng bằng bộ 4 số lượng tử б, п, ᵹ, φ và

cũng có một mức năng lượng tương ứng

Các AO phân tử có tên gọi là б, п, ᵹ, φ ,… tùy thuộc vào sự định hướng

của chúng đối với trục nối các hạt nhân nguyên tử tương tác Để gọi tên các AO

phân tử một cách chính xác người ta thêm kí hiệu các AO nguyên tử vào sau kí

hiệu б, п, ᵹ, φ tạo thành AO phân tử phản liên kết, người ta thêm kí hiệu (*) phía

trên kí hiệu AO phân tử (ví dụ б*1s)

Giản đồ năng lượng của phân tử H2 và hình dạng các AO liên kết

tử không có electron độc thân trên các AO phân tử gọi là chất nghịch từ

2.2 Sự hình thành liên kết trong phân tử:

2.2.1 Các phân tử gồm hai phân tử chu kỳ 1:

a Sự tạo thành và trật tự phân bố các AO phân tử :

Các nguyên tử H và He chỉ có một AO nguyên tử là 1AO 1s, do vậy các

AO phân tử phải được tạo thành từ 2AO 1s này Sự tổ hợp tuyến tính 2AO nguyên tử 1s tạo thành 2AO phân tử (δ1s)(δ1s

*), tương ứng với các hàm sóng

phân tử

b Phân tử H2

Giản đồ năng lƣợng nhƣ hình 1

Cấu hình electron : (δs)2

- Độ bội liên kết: N= ½ (2-0) =1 -> giữa 2 nguyên tử H có mối liên kết

- Phân tử không có electron độc thân-> phân tử nghịch từ

2.2.2 Các phân tử gồm 2 nguyên tử cùng loại chu kì 2:

Các nguyên tố chu kì 2, số AO của mỗi nguyên tử có khả năng tham gia tổ hợp thành AO phân tử là 5 gồm 1AO 1s và 4 AO nguyên tử hóa trị 2s,2px, 2pyvà 2pz ở lớp ngoài Vậy tổng số AO nguyên tử tham gia tổ hợp là 10 và sẽ có 10AO phân tử tạo thành

Với các nguyên tố đầu chu kì( từ Li đến N), độ chênh lệch năng lƣợng giữa các AO nguyên tử 2s và 2p(∆E2p-2s) nhỏ nên theo điều kiện năng lƣợng, các AO2s tổ hợp đƣợc với các AO 2p và giản đồ năng lƣợng các phân tử có dạng

(δ1s)<(δ1s*)<(δ2s)<(δ2s*)<(п2px)=(п2py)<(δ2pz)<(п2py*)=(п2py*)<(δ2pz)

Với các nguyên tử cuối chu kì ( từO đến Ne), độ chênh lệch năng lƣợng giữa các AO nguyên tử 2s và 2p lớn nên năng lƣợng các AO 2s không tổ hợp đƣợc với AO2p mà chỉ xảy ra tổ hợp giữa các AO 2s và 2p với nhau Khi đó giản đồ năng lƣợng phân tử có dạng

- Cấu hình electron ngoài cùng O: 2s22p4→ có 6 e hóa trị

- Phân tử có 2 electron độc thân -> phân tử thuận từ

2.2.3 Các phân tử gồm hai nguyên tử khác loại chu kì 2

Sự tạo thành phân tử trong trường hợp này không khác nhiều so với trường hợp phân tử gồm hai nguyên tử cùng loại chu kì 2 Tuy nhiên, do các AO s và p tăng, đưa đến sự tổ hợp của hai nguyên tử khác nhau có cả AO s, p(tương tự phân tử O2, F2 )

Hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau, khi đó nguyên tử có độ âm điện lớn hơn thì sẽ có năng lượng bé hơn

Ví dụ: Khảo sát phân tử CO

- Cấu hình electron ngoài cùng

C :2s22p2 → 4 electron hóa trị

- Độ bội liên kết N= 2 -> phân tử có 3liên kết

- Trên các MO không có electron độc thân → phân tử nghịch từ

3 Mo men lưỡng cực của phân tử

Các phân tử có sự phân bố các electron đối xứng hoặc không đối xứng làm cho cấc phân tử cộng hóa trị có thể là có cực hoặc không cực Thực vậy, do sự phân bố không đồng đều mật độ electron phân tử, ở phần nguyên tử có độ âm điện lớn hơn xuất hiện dư điện tích âm và phần còn lại dư điện tích dương, khi

đó phân tử trở nên phân cực

Để đặc trưng cho sự phân cực ( hay độ có cực) của phân tử, người ta dùng đại lượng: Mo men lưỡng cực có giác trị bằng tích số giữa độ dài lưỡng cực d với điện tích q

Độ dài lưỡng cực (d) là khoảng cách giữa 2 điện tích bằng nhau nhưng ngược dấu (q+ và q-)

Thuyết ion của Cotxen và Liut

- Cotxen đề ra thuyết ion, ông cho rằng để có vỏ điện tử bền vững giống các khí trơ, nguyên tử các nguyên tố tương tác với nhau, chyển điện tử cho nhau

để biến thành các ion âm, dương Các ion khác dấu hút nhau bằng lực hút tĩnh điện tạo thành phân tử

Ví dụ: tương tác giữa nguyên tử Natri có cấu tạo vỏ nguyên tử(2.81) với nguyên tử flo có cấu tạo vỏ nguyên tử (2,7) tạo thành phân tử NaF Sơ đồ tạo thành phân tử NaF được mô tả như sau:

F-Sơ đồ tạo thành liên kết ion

Như vậy theo Cotxen, bản chất lực liên kết là lực hút tĩnh điện tĩnh điện giữa các ion trái dấu Hóa trị của các nguyên tố được xác định bằng điện tích của ion mang, nghĩa là bằng số điện tử thì có hóa trị dương còn thu điện tử có hóa trị

âm Như trong ví dụ trên Natri có hóa trị dương 1, flo có hóa trị âm 1

Các ion khác dấu thì hút nhau, tiến lại gần nhau, nhưng vì quanh các ion còn có các điện tử, do đó khi các ion càng gần nhau thì lực đẩy giữa các lớp điện

tử, giữa các ion cũng tăng lên, đến một khoảng cách nhất định nào đó, lực đẩy cân bằng với lực hút các ion không tiến gần nhau hơn được nữa mà chỉ dao động quanh vị trí cân bằng đó

+Nhược điểm:

Thuyết ion cũng như thuyết cộng hóa trị của Cotxen và Liut đều có những nhược điểm nhất định: thyết ion không giải thích được sự tạo thành phân tử giữa các nguyên tử cùng loại Ví dụ Cl2

Mặt khác, khi xác định các năng lượng ion hóa người ta thấy rằng năng lượng ion hóa điện tử thứ 3, thứ 4 của các nguyên tử đều rất lớn, năng lượng đó không thể do quá trình hóa học cung cấp nên thực tế không có các ion mang điện tích 3+, 4+

Tương tự, khi đó ái lực với các điện tử của các nguyên tố thì thấy xác định được rằng chỉ có một nguyên tố có khả năng thu điện tử và cũng chỉ thu được nhiều nhất là một điện tử, do đó trong thực tế không thể có các ion mang điện tích -2, -3,

Thực nghiệm cho biết, có thể có sự tạo thành những hợp chất mà quy tắc bát tử không được thỏa mãn Ví dụ, nguyên tử đồng có cấu tạo vỏ nguyên tử (2,

8, 28, 1) khi tạo thành phân tử CuCl2 thì nguyên tử đồng mất 2 điện tử biến thành ion Cu2+ có cấu tạo (2, 8, 17 )

 Vấn đề liên kết hóa học đã có những bước phát triển xa hơn nhờ cơ học lượng tử trong những công trình của Hetle, London, Pauling,

1.1 Điều kiện tạo liên kết ion

Là hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau (∆χ ≥ 2) Khi đó, mây electron liên kết sẽ chuyển hoàn toàn về phía nguyên tử có χ lớn và làm cho nguyên tử này trở thành ion(-) nguyên tử kia trở thành ion(+) Hai nguyên tử liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện

Xét sự hình thành mối liên kết hóa học giữa 2nguyên tử A và B Khi đó có thể xảy ra các trường hợp:

TH1: A nhường electron cho B

A + B → A+ + BCác ion A+ và B- liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện

-Khi đó để tách electron khỏi nguyên tử A cần tiêu thụ năng lượng là IA Khi kết hợp electron vào B, giải phóng năng lượng là EB

Năng lượng được giải phóng trong cả quá trình -EB + IA

TH2: B nhường electron cho A

B + A → B+ + ANăng lượng giải phóng –EA + IB

-Ví dụ : Xảy ra quá trình 1

Có -EB + IA> –EA + IB suy ra EB + IB< EA + IA hay có thể đặt (EB + IB )/2

< (EA + IA)/2

Đại lượng χ = (E + I )/2 được gọi là độ âm điện của một nguyên tố Trong đó E là ái lực, I là năng lượng ion hóa của nguyên tố đó

Vậy: Khi tiến hành liên kết hóa học giữa 2 nguyên tử, electron hóa trị chuyển từ nguyên tử có χ nhỏ sang phía có χ lớn hơn

1.2 Hóa trị của nguyên tử trong liên kết ion:

Được tính bằng số electron hóa trị mà nguyên tử nhường hay nhận Khi nguyên tử nhường electron để biến thành ion(+) thì nó có hóa trị dương Khi nhận thêm electron nó trở thành ion(-) và có hóa trị âm

Ví dụ : Khi hình thành liên kết Na+-Cl- thì : Na có hóa trị +1, Cl có hóa trị -1

NL của liên kết là năng lượng tương tác tĩnh điện giữa 2 ion gồm có:

- NL hút của 2 điện tích trái dấu được tính bằng công thức:

Vhút = -(k.Z1.Z2.e2)/r Với k là hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào cách chọn đơn vị

- NL đẩy của 2 điện tích trái dấu được tính bằng công thức:

Vđẩy =(B.e2 ) / rnVới : B là hằng số,n là hệ số đẩy Born, các giá trị phụ thuộc vào cấu dạng

vỏ electron của ion

V= Vhút + VđẩyĐặc điểm của liên kết ion:

- Không có tính bão hòa

- Không có tính định hướng

Vì vậy ở điều kiện thường các ion thường tạo thành các tinh thể

2 Liên kết hidro

2.1 Khái niệm hidro

Xét phân tử hidro, vì χ rất lớn nên trong mỗi liên kết H-F mây electron liên kết bị hút lệch về phía nguyên tử F làm F tích điện tích âm, nguyên tử H chỉ còn lại gần như trơ trọi hạt nhân mang điện dương nên có thể đến khá gần nguyên tử

F và chui vào bên trong vỏ electron của nguyên tử F và hình thành mối liên kết với nguyên tử F này

F- - H+ F- - H+Mối liên kết, mối hình thành này được gọi là liên kết hidro Do sự tạo thành liên kết hidro nên các phân tử HF liên hợp lại với nhau thành những phân tử liên hợp dạng (HF)n với n=2 khi trong dung dịch, n=4 khi ở thể khí

2.2 Độ bền của liên kết hidro

Liên kết H có năng lượng cỡ 4÷40 KJ/mol

Liên kết H càng bền khi nguyên tử phi kim tham gia liên kết có độ âm điện càng lớn và kích thước càng nhỏ

Một số ví dụ:

Liên kết F- H F-H có năng lượng 28KJ/mol, độ dài 2,44A0

Liên kết H-O H-O có năng lượng 14KJ/mol, độ dài 2,75A0( thể khí)

Có năng lượng 20,9KJ/mol, độ dài 2,75A0

(thể lỏng)

2.3 Ảnh hưởng của liên kết hidro đến tính chất của chất

Liên kết hidro gây ra hiện tượng liên hợp phân tử nên ảnh hưởng đến nhiều tính chất vật lý và hóa học của các chất

- Tăng t0s, t0nc, nhiệt hóa hơi, nhiệt dung

- Gây ra sự biến đổi bất thường khối lượng riêng của nước

- Giảm độ điện li của axit

- Ảnh hưởng đén sự hòa tan lẫn nhau giữa các chất lỏng

- Liên kết hidro giữ vai trò to lớn trong hoạt động sống của cơ thể sinh vật

3 Lực Vander Waals

Giữa các phân tử có lực hút vâg lực đẩy lẫn nhau Lực hút và đẩy giữa các phân tử được gọi là lực Vanđecvan (Vander Waals là nhà bác học Hà Lan đã nghiên cứu về sự tương tác giữa các phân tử)

* Bản chất của lực tương tác được giải thích như sau:

- Nếu 2 phân tử có cực gần nhau, thì các cực ngược dấu của chúng hút nhau, các cực cùng dấu của chúng đẩy nhau Các lực đó có tác dụng là cho các phân tử được sắp xếp theo một chiều nhất định Lực đó được gọi là lực định hướng