Bài giảng Hóa đại cương: Chương 2 - Nguyễn Văn Hòa

HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 2 Cơ chế góp chung: Liên kết được hình thành do sự góp chung 02 e hóa trị độc thân của 02 nguyên tử tương tác.. HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com

Trang 1

HÓA ĐẠI CƯƠNG nvhoa102@yahoo.com Chương 2

1

CHƯƠNG 2 LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ

CẤU TẠO PHÂN TỬ

Trang 2

2

1.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LIÊN KẾT HÓA HỌC

- Bản chất liên kết: Có bản chất điện.

- Các loại liên kết hóa học: LK cộng hóa trị; LK ion.

- Các đặc trưng của liên kết: độ dài liên kết, góc hóa trị, năng lượng liên kết.

Trang 3

3

Độ dài liên kết: Là khoảng cách 02 hạt nhân của

các nguyên tử tương tác với nhau (dA-B)

dA-B

Nguyên tử A-B có độ âm điện

gần nhau: dA-B = ra+ rb

Nguyên tử A, B có độ âm điện khác nhau nhiều:

dA-B = ra+ rb – 0,09 |A- B |

dA-B

Trang 4

4

Góc hóa trị: Góc tạo thành bởi 02 đoạn thẳng

tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với

02 hạt nhân nguyên tử liên kết.

N

H

Trang 5

5

Năng lượng liên kết: Là năng lượng cần tiêu tốn

để phá hủy liên kết (+E) hay là năng lượng được

giải phóng ra khi tạo thành liên kết (-E)

Đặc trưng cho độ bền của liên kết

Trang 6

6

2.2 LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ

2.2.1 Phương pháp liên kết hóa trị (pp VB).

a- Nội dung cơ bản:

* Khái niệm về liên kết cộng hóa trị (LKCHT):

- LKCHT cơ sở trên cặp e góp chung do các nguyên tử tương tác đóng góp ( liên kết 2 e – 2 tâm).

- LKCHT được tạo thành do sự che phủ nhau giữa các AO chứa các e góp chung của các nguyên tử tham

Trang 7

7

Trang 8

8

- Độ bền của LKCHT phụ thuộc vào độ che phủ

của các AO Độ che phủ phụ thuộc vào kích thước,

hình dạng của AO, hướng che phủ.

Độ che phủ càng lớn liên kết càng bền và liên kết

được tạo thành khi độ che phủ đạt cực đại.

Ví dụ: sự che phủ cặp đôi giữa 2 AO s và 2 AO p.

S

Trang 9

 Cơ chế góp chung: Liên kết được hình thành

do sự góp chung 02 e hóa trị độc thân của 02 nguyên tử tương tác.

Ví dụ: Sự tạo thành liên kết trong phân tử hyđro:

H . + H .  H:H

Trang 10

10

Khả năng tạo LKCHT được quyết định bởi

số e hóa trị độc thân của nguyên tử nguyên tố (hay bởi số AO hóa trị chứa e hóa trị độc thân).

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

+

Trang 11

2p

2

( 1x 1y 0z

) p 2 p

2 p

2 ( 1x 1y 1z

Trang 12

12

 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: Sự tạo thành liên kết giữa phân tử NH 3 (chất cho) và ion H + (chất nhận):

H 3 N: + ºH +  [ H 3 N : H ] +

Cặp e hóa trị tự do Obital hóa trị tự do

Video clip

Trang 13

13

 Tính bão hòa của LKCHT:

Số LKCHT cực đại của nguyên tố bằng số

AO hóa trị của nó: tính bão hòa của LKCHT.

Ví dụ: Chu kỳ II có 4 AO hóa trị; Chu kỳ III có

9 AO hóa trị

* Tính định hướng của LKCHT và sự lai hóa các

AO: Vì liên kết được tạo thành theo những hướng

nhất định nên phân tử tạo thành có cấu hình không

gian nhất định

Trang 14

14

Ví dụ: phân tử H 2 Te có cấu hình dạng góc với

góc hóa trị là HTeH=90 o

do 2 liên kết H  Te được

tạo thành do sự che phủ của

các AO 1s (của H) với 5p

(của Te) dọc theo các trục

tọa độ (hướng che phủ cực

đại).

1s

1s 5p

5p

H

H Te

Trang 15

15

 Sự lai hóa các AO:

Trong thực tế có nhiều hợp có cấu hình không

gian phân tử không thể được giải thích bằng sự

che phủ thông thường của các AO s , p , d , f …

tạo nên các liên kết trong những hợp chất đó.

Ví dụ: các hợp chất H 2 O (dạng góc, HOH = 104,5 o )

NH 3 (dạng tháp tam giác, HNH = 107 o 3

CH 4 (dạng tứ diện đều, HCH = 109 o 28’).

Trang 16

16

Để giải thích Pauling và Slater đưa ra

thuyết lai hóa các AO:

Các nguyên tử khi tương tác với nhau có thể dùng những AO “trộn lẫn” mới được tạo thành do sự tự che phủ nhau giữa các

AO s, p, d, f … trong nội bộ nguyên tử của mình (sự lai hóa các AO) để che phủ với các

AO của nguyên tử khác tạo liên kết.

Trang 17

17

Sự lai hóa có các đặc điểm sau:

 Orbital lai hóa tạo thành có hình dạng, năng

lượng hoàn toàn giống nhau, nhưng khác với các

AO tham gia lai hóa.

 Số orbital lai hóa tạo thành bằng số AO tham gia

lai hóa và phân bố rất đối xứng trong không gian.

 Có nhiều kiểu lai hóa khác nhau: sp, sp 2 , sp 3 ,

sp 3 d …

Video clip

Trang 18

18

Điều kiện lai hóa bền: các orbital tham gia lai hóa có: năng lượng gần nhau, mật độ e lớn, mức độ che phủ lớn.

Trang 19

19

- Xét một số kiểu lai hóa:

 Lai hóa sp :

Một orbital s che phủ với orbital p tạo thành 2

orbital lai hóa sp phân bố đối xứng trên một

đường thẳng, nghĩa là dưới một góc 180o.

Trang 20

20

Ví dụ: phân tử BeH 2 có dạng đường thẳng với góc hóa trị 180 O

Giải thích:

-Cấu hình e của nguyên tử Be khi bị kích thích: 2s 1 2p 1

-Nguyên tử Be trung tâm sử dụng 2 orbital lai hóa sp

(được tạo thành từ sự tự che phủ của 1 orbital 2s với 1

orbital 2p) che phủ với các orbital 1s của 2 nguyên tử

H tạo thành 2 liên kết BeH

Trang 21

21

Trang 22

22

Lai hóa sp2:

Một orbital s che phủ với hai orbital p và tạo thành 3 orbital lai hóa sp2 phân bố đối xứng trên mặt phẳng theo hướng đến 3 đỉnh của một tam giác đều, nghĩa là dưới những góc 120o.

Trang 23

23

Ví dụ: phân tử BCl 3 có dạng tam giác đều với góc hóa trị 120 O

Giải thích:

-Cấu hình e của nguyên tử B khi bị kích thích: 2s 1 2p 2

-Nguyên tử B trung tâm sử dụng 3 orbital lai hóa sp2

(được tạo thành từ sự tự che phủ của một orbital s với 2orbital 2p) che phủ với các orbital 3p của 3 nguyên tử

Cl tạo thành 3 liên kết BCl

Trang 24

Trang 25

3p 3p

B

Trang 26

26

 Lai hóa sp3:

1 orbital s che phủ với 3 orbital p tạo thành 4 orbital lai hóa sp3 phân bố đối xứng trong không gian theo hướng đến 4 đỉnh của một tứ diện đều, nghĩa là dưới những góc 109o28’.

3 3

109 28'o

Trang 27

27

Ví dụ: phân tử CCl 4 có dạng tứ diện đều với góc hóa trị 109 O 28 ’

Giải thích:

Nguyên tử C trung tâm sử dụng 4 orbital lai hóa

sp3 (được tạo thành từ sự tự che phủ giữa orbital2s với 3 orbital 2p) che phủ với các orbital 3pcủa các nguyên tử Cl tạo thành 4 liên kết

CCl

Trang 28

33

109 28' o

Trang 29

29

- Giải thích cấu hình không gian các phân tử

H 2 O, NH 3 , CH 4 :

Trang 30

30

 Các dạng góc, tháp tam giác, tứ diện đều của chúng được giải thích bởi trạng thái lai hóa sp 3 của các nguyên tử trung tâm O, N, C (do các góc hóa trị của chúng bằng hoặc gần với 109 o 28’).

Các nguyên tử này sử dụng các orbital lai hóa

sp 3 để che phủ với các orbital 1s của các nguyên tử

H tạo thành các liên kết trong phân tử.

Trang 31

31

Trang 32

32

 Sự sai lệch giữa góc hóa trị của H 2 O và NH 3 được giải thích bằng lý thuyết đẩy nhau giữa các cặp e hóa trị của Gillespie: các cặp e hóa trị tự do trong 2 phân tử trên đẩy các cặp e liên kết làm cho góc hóa trị hẹp lại (số cặp e hóa trị tự do càng nhiều đẩy càng mạnh).

Trang 33

33

* Các kiểu LKCHT:

Có nhiều kiểu LKCHT khác nhau phụ thuộc vào

cách che phủ và tính đối xứng của các AO tham gia

che phủ tạo liên kết: , ,  không định chỗ … :

 Liên kết  : được tạo thành khi các AO che phủ dọc theo trục nối hạt nhân nguyên tử Đây làloại liên kết chính thực hiện giữa 2 nguyên tử, quyếtđịnh cấu hình không gian (khung) phân tử và có thểxuất hiện do sự che phủ của bất kỳ loại AO nào (ss ,

sp …)

Trang 34

34

 Liên kết  : được tạo thành khi các AO che phủ về 2 bên trục nối hạt nhân Đây là loại liên kết

phụ bổ sung thêm sau khi tạo thành liên kết chính 

mà các nguyên tử tương tác vẫn chưa bão hòa hóa trị

Nó được tạo thành do sự che phủ của các cặp orbital

pp, dd, pd

Xem liên kết

Trang 35

35

 Liên kết  : được tạo thành khi các AO d

nằm trong các mặt phẳng song song che phủ lẫn

nhau theo cả 4 “cánh hoa”. Nó được tạo thành do

sự che phủ của các cặp orbital dd

Trang 36

36

Liên kết  không định chỗ (liên kết nhiều tâm):

Là loại liên kết  nhưng được thực hiện 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 các

liên kết xuất phát từ nguyên tử trung tâm có bậc lẻ,

bằng nhau và được biểu diễn bằng những

Trang 37

Trang 38

38

* Bậc liên kết:

- Cho biết số cặp e tham gia tạo liên kết

giữa 2 nguyên tử Bậc liên kết có thể nguyên

hay lẻ, được tính theo công thức:

Bậc = (Số e liên kết) /(2  số liên kết )

- Bậc liên kết tăng, độ dài liên kết giảm, năng lượng và độ bền liên kết tăng.

Trang 39

39

Ví dụ:

Liên kết C O C … O C = O

Bậc liên kết 1 1,33 2

Độ dài liên kết (AO ) 1,43 1,29 1,22

* Tính có cực, sự phân cực của LKCHT:

Tự đọc

Trang 40

liên kết bằng cách góp chung 3 e độc thân.

Cặp 2p x tạo thành liên kết , còn 2 cặp 2p y và 2p z tạo thành các liên kết .

Vậy liên kết trong N 2 là liên kết 3 (bậc 3), gồm 1 liên kết  và 2 liên kết .

Trang 41

Trang 42

42

Vì OCO=180 o , nguyên tử C trung tâm có lai hóa sp (AO 2s che phủ với 1 AO 2p tạo thành

2 orbital lai hóa sp).

C sẽ sử dụng 2 orbital lai hóa này cùng với 2 orbital 2p không tham gia lai hóa còn lại để che phủ với các orbital của O tạo liên kết.

Trang 43

43

 O: 1s 2 2s 2 2p 4 (có 2 e hóa trị độc thân) Suy ra

O sẽ dùng 2 e hóa trị độc thân và các AO hóa trị chứa 1 e này để tạo các liên kết với C.

 Từ đây: các liên kết  C  O được tạo thành

do sự che phủ giữa 2 orbital lai hóa sp của C và các AO 2p chứa 1 electron (ví dụ 2p x ) của 2 O , còn các liên kết  CO được tạo thành do sự che phủ cặp đôi giữa các AO 2p của C và O ( giữa 2py với 2py và 2pz với 2pz).

Trang 44

Trang 45

45

* Phân tử BCl3 :

- Phân tử BCl 3 có dạng tam giác đều, góc hóa trị ClBCl=120 o , liên kết B - Cl có bậc bằng 1,33; gồm 1 liên kết  và 1 liên kết  kh định chỗ.

- Cấu hình e của B và Cl:

 B* : 1s 2 2s 1 2p 2 (có 3 e hóa trị độc thân): B sẽ dùng 3

e này để tạo các liên kết với Cl Tuy nhiên vì ClBCl = 120 o , nên B lai hóa sp 2 (AO 2s che phủ với

2 AO 2p tạo 3 orbital lai hóa sp 2 )

Trang 46

46

B sẽ dùng 3 AO lai hóa này và AO 2p không tham gia lai hóa còn lại để che phủ với các AO của

Cl tạo liên kết.

Cl:1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 (có 1 e hóa trị độc thân): Cl sẽ dùng e này và các AO 2p chứa 1 e cũng như chứa cặp e ghép đôi tạo liên kết với B.

 Từ đây: 3 liên kết BCl được tạo ra do sự che phủ cặp đôi giữa 3 orbital lai hóa sp 2 của B với các

AO chứa 1 e 2p (ví dụ 2px) của 3 Cl.

Trang 47

47

Cấu hình e hóa trị của B vẫn chưa bão hòa (còn 1

AO hóa trị 2p tự do), để cho phân tử BCl 3 bền vững (nghĩa là các liên kết B  Cl phải đạt được độ bền cực đại) cần phải tạo thêm liên kết bổ sung: liên kết 

không định chỗ, được tạo thành theo cơ chế cho-nhận

do sự che phủ giữa AO hóa trị tự do 2p không tham gia lai hóa còn lại (ví dụ 2pz) của B và 3 AO hóa trị 2p chứa cặp e ghép đôi sẵn có (2pz) của 3 Cl Liên kết 

này chung cho cả 4 nguyên tử B và Cl (nên được gọi là liên kết 2 e - 4 tâm).

Trang 48

48

 Bậc liên kết B  Cl:

= [ 3e (B) + 5e (3 Cl) ] / [ 2  3 () ] = 1,33.

120oCl

Cl

B

3p 3p

2p

sp2

Trang 49

49

* Ion CO3 2- :

- Ion CO 3 2- có dạng tam giác đều, góc hóa trị OCO

=120 o , liên kết C-O có bậc bằng 1,33; gồm 1 liên kết

 và 1 liên kết  không định chỗ.

- Cấu hình e của C và O:

 Vì nên C ở trạng thái lai hóa sp 2 (AO 2s che phủ

với 2 AO 2p tạo thành 3 AO lai hóa sp; 4 e hóa trị

phân bố độc thân trên 3 AO lai hóa sp 2 và AO 2p còn

lại không tham gia lai hóa):

Trang 50

50

C sẽ dùng các e hóa trị độc thân và các AO lai hóa sp 2 , AO 2p không tham gia lai hóa.

1 O có cấu hình e : 2s 2 2p 4 (có 2 e hóa trị độc thân).

2 O còn lại do nhận thêm 2 e điện tích của ion nên có cấu hình e hóa trị: 2s 2 2p 5 (chỉ có 1 e trị độc thân).

Để tạo liên kết các nguyên tử O cũng sử dụng các e hóa trị độc thân và các AO chứa 1 e này.

 Từ đây: các liên kết C  O được tạo thành do sự che phủ cặp đôi giữa 3 orbital lai hóa sp 2 của C với 3 orbital 2p của 3 O.

Trang 51

51

Sau khi tạo 3 liên kết  CO cấu hình e của

C cũng như của các O vẫn chưa bão hòa (còn thiếu

1 e), để ion có cấu tạo bền, giữa các nguyên tử C

và O tạo thêm liên kết  không định chỗ chung

cho cả 4 nguyên tử theo cơ chế góp chung do sự che

phủ giữa orbital 2p không tham gia lai hóa của C

với 3 orbital 2p của 3 O ( liên kết 2 e – 4 tâm).

 Bậc liên kết C  O:

= [ 4e (C) + 4e(3 O) ] / [ 2  3 () ] = 1,33.

Trang 52

Trang 53

53

2.2.2 Phương pháp orbital phân tử (MO).

a- Nội dung cơ bản:

- 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).

Trang 54

54

- Phân tử có cấu trúc orbital như nguyên tử:

Trong phân tử trạng thái e cũng được đặc

trưng bằng orbital phân tử (MO).

Các MO lại được xác định bằng tổ hợp các số lượng tử.

Tương ứng với các AO s, p, d, f … trongnguyên tử, trong phân tử có các MO    

Trang 55

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

 Sự tổ hợp tuyến tính “cộng” các AO tạo thành

MO liên kết có năng lượng thấp hơn các AO xuất phát Sự tổ hợp tuyến tính “trừ” các AO tạo thành

MO phản liên kết có năng lượng cao hơn các AO xuất phát.

Trang 56

56

Trang 57

57

MO không liên kết được hình thành từ các AOkhông tham gia tổ hợp MO, có năng lượng và hình dạnggiống các AO xuất phát

 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.

Ví dụ: sự tổ hợp của 2 AO 1s tạo thành 2 MO liên kết

1s và phản liên kết *

1s hay sự tổ hợp của 2 AO 2p cóthể tạo thành 2 MO liên kết 2px và phản liên kết *

2px

hoặc 2 MO liên kết 2py và phản liên kết *

2py

Trang 58

58

 Sự tổ hợp các AO thành các MO cũng thường được biểu diễn dưới dạng giản đồ năng lượng.

 Điều kiện tổ hợp: các AO tham gia tổ hợp

phải gần nhau về năng lượng, che phủ nhauđáng kể, có đối xứng giống nhau đối với đườngliên kết trong phân tử

Tiêu đề	Liên Kết Hóa Học Và Cấu Tạo Phân Tử
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Hóa học
Thể loại	Bài giảng
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	1,95 MB