CHƯƠNG 3 LIÊN kết hóa học

Những khái niệm cơ bản Khi các nguyên tử ở thật xa nhau tiến đến gần nhau: tương tác hút  tương tác đẩy hai lực cân bằng  liên kết hóa học hình thành Khi liên kết hóa học hình thàn

Trang 1

CHƯƠNG 3 LIÊN KẾT HÓA HỌC CẤU TẠO PHÂN TỬ

3.1.Những khái niệm cơ bản về liên kết hóa học

3.2.Liên kết ion

3.3.Liên kết cộng hóa trị

3.4.Liên kết kim loại

3.5.Liên kết Van der Waals

3.6.Liên kết hidro

1

Trang 2

3.1.1.Sự hình thành liên kết hóa học 3.1 Những khái niệm cơ bản

Khi các nguyên tử ở thật xa nhau tiến đến gần nhau:

tương tác hút  tương tác đẩy

hai lực cân bằng  liên kết hóa học hình thành

Khi liên kết hóa học hình thành:

Các nguyên tử sắp xếp lại cấu trúc e các phân lớp ngoài cùng sao cho đạt tổng năng lượng chung của

hệ phải hạ thấp xuống thì liên kết mới bền

 Khi có sự tạo thành liên kết thì quá trình phát nhiệt (ΔH<0)

 Quy tắc bát tử: Các nguyên tử các nguyên tố có khuynh hướng liên kết với

nhau để đạt được cấu hình electron vững bền của khí hiếm với 8 electron (hoặc 2e đối với Heli) ở lớp ngoài cùng

Trang 3

Bản chất điện vì cơ sở tạo thành liên kết là lực

tương tác giữa các hạt mang điện: electron (-) và hạt nhân (+)

Chỉ có các e hóa trị thực hiện liên kết

Các e hóa trị nằm trong các AO hóa trị

Trang 4

Theo cơ học lượng tử, nghiên cứu liên kết

là nghiên cứu sự phân bố mật độ e trong trường hạt nhân của các nguyên tử tạo nên hợp chất

3.1.1.Sự hình thành liên kết hóa học

3.1 Những khái niệm cơ bản

Trang 5

3.1.2 Một số kiểu liên kết hóa học

 Liên kết ion

 Liên kết cộng hóa trị

 Liên kết kim loại

 Liên kết Van der Waals

 Liên kết hidro 3.1.3.Một số đặc trưng liên kết hóa học

 Độ dài liên kết

 Góc hóa trị

 Năng lượng liên kết

 Độ bội liên kết (Bậc liên kết) 3.1 Những khái niệm cơ bản

5

Chương 3: Liên kết hóa học

Trang 6

ĐỘ DÀI LIÊN KẾT

 Là khoảng cách giữa hai hạt nhân của các nguyên tử tham gia liên kết (thường tính bằng Å)

3.1.3.Một số đặc trưng liên kết hóa học

Trang 7

ĐỘ DÀI LIÊN KẾT

 Thay đổi có qui luật và phụ thuộc vào:

o bản chất nguyên tử (kích thước, độ âm điện)

o kiểu liên kết (đơn, đôi, ba)

 Ví dụ:

7

Trang 8

GÓC HÓA TRỊ (GÓC LIÊN KẾT)

Là góc hợp bởi hai đoạn thẳng nối hạt nhân nguyên

tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên tử liên kết

Trang 9

Góc hóa trị thay đổi có qui luật và phụ thuộc vào:

Tương tác đẩy giữa các đôi electron liên kết và

không liên kết trong phân tử

GÓC HÓA TRỊ (GÓC LIÊN KẾT) 3.1.3.Một số đặc trưng liên kết hóa học

9

Trang 10

NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT

Là năng lượng cần tiêu tốn để phá hủy liên kết thành các nguyên tử cô lập ở thể khí (chính là năng lượng giải phóng khi tạo thành liên kết từ các nguyên tử cô lập thể khí ban đầu)

Năng lượng liên kết phụ thuộc:

Trang 11

Trang 12

3.2 Liên kết ion

3.2.1.Thuyết tĩnh điện Kossel về liên kết ion

1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 1s 2 2s 2 2p 6 3s23p 5 1s 2 2s 2 2p 6 1s 2 2s 2 2p 6 3s23p6

 Tương tác hóa học xảy

ra gồm hai giai đoạn:

Na + + Cl –  NaCl

Trang 13

3.2.2 Khả năng tạo liên kết ion của các nguyên tố

Chênh lệch độ âm điện của các nguyên tử càng lớn liên kết tạo thành có độ ion càng lớn:

 Độ ion, %  Độ ion, %  Độ ion, %

Phụ thuộc vào khả năng tạo ion của các nguyên tố:

 Năng lượng ion hóa càng nhỏ (IA, IIA) càng dễ tạo cation

 Ái lực electron càng âm (VIIA) càng dễ tạo anion

3.2 Liên kết ion

13

Trang 14

3.2.3 Tính chất của liên kết ion

Các ion được xem như các quả cầu tích điện có trường điện phân bố đồng đều về mọi hướng

cho một ion hút các ion trái dấu

theo mọi phương là như nhau nên

các ion có thể liên kết với các ion

trái dấu theo bất kỳ phương nào

Tính không bão hòa: làm cho

một ion có xu hướng hút một số

lượng tối đa các ion trái dấu (lưu

ý hiệu ứng lập thể)

3.2 Liên kết ion

Trang 15

3.2 Liên kết ion

3.2.4 Sự phân cực ion

là sự chuyển dịch đám mây electron ngoài cùng

so với hạt nhân của một ion dưới tác dụng của điện trường của ion khác

Do sự phân cực ion: các đám mây electron của cation và anion không hoàn toàn tách rời nhau

mà che phủ nhau một phần

→ Không có liên kết ion 100%

Trong LK ion có một phần liên kết cộng hóa trị

o Ion có đám mây e bị biến dạng gọi

Trang 16

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân cực ion

 Sự phân cực của các ion xảy ra với mức độ khác nhau phụ thuộc vào điện tích, kích thước và cấu hình electron

d10 » d1-9>[trơ]

Ví dụ:

Khả năng bị phân cực:

S2-> I- > Br- >Cl-

Trang 17

Ảnh hưởng của sự phân cực ion đến tính chất của hợp chất ion

 Độ điện li: Sự phân cực ion ↑→ tính CHT ↑→ tính

ion ↓ → độ điện li ↓

 Độ bền: Sự phân cực ion ↑ → tính CHT↑ → điện tích

hiệu dụng ion ↓ → lực hút giữa các ion ↓ → năng

lượng mạng lưới ion U ↓ → độ bền của tinh thể ion

↓, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ phân li ↓

Trang 18

Ảnh hưởng của sự phân cực ion đến tính chất của hợp chất ion

Chất LiF LiCl LiBr LiI Độ bị phân cực của các X- ↑ →

Trang 19

 Độ tan của hợp chất ion:

o phụ thuộc: Năng lượng mạng lưới tinh thể U

Năng lượng hydrat hóa của cation Eh

Trang 20

Liên kết CHT không dùng cơ học lượng tử

Thuyết LK CHT theo Lewis

Liên kết CHT theo cơ học lượng tử

Thuyết liên kết hóa trị (VB: Valence Bond) (Heitler – London – Pauling): xem hàm sóng phân tử là tích số

các hàm sóng nguyên tử

Do Walter Heitler và Fritz London đưa ra năm 1927 phát triển trên lý thuyết cấu trúc Lewis Sau này Linus Pauling phát triển thêm thuyết cộng hưởng và lai hoá (1930)

3.3 Liên kết cộng hóa trị

Thuyết orbital phân tử (MO: Molecule Orbital) (Mulliken): xem hàm sóng phân tử là phép tổ hợp cộng

và trừ các hàm sóng nguyên tử Do Friedrich Hund và

Robert S.Mulliken đưa ra (năm 1927-1928)

Trang 21

THUYẾT LIÊN KẾT HÓA TRỊ (VB)

→ Định tính

 Theo cơ học lượng tử

THUYẾT ORBITAL PHÂN TỬ (MO)

→ Định lượng

21

Trang 22

2 2

2

= Y -

+



Y

 +



Y

 +

m z

y x

p

Với V là thế năng của hệ Quy ước:

Khi không có tương tác: thế năng = 0

Có tương tác hút thế năng giảm: dấu âm

Có tương tác đẩy thế năng tăng: dấu dương

Trang 23

3.3.1.Thuyết VB

1 Phân tử H2 Xét hệ:  1 2 

a H H

Khi 2 nguyên tử ở xa nhau vô cùng -> tương tác giữa electron và hạt nhân của từng nguyên tử H

Sự chuyển động của electron được mô tả bằng hàm sóng của từng nguyên tử H:

Một cách gần đúng, xem hàm sóng Ψ của hệ  1 2

a H H

2

a Y Y

= Y

Trang 24

Khi hai nguyên tử H tiến đến gần nhau:

e1 chịu lực hút của hạt nhân a và hạt nhân b, và e2 thì ngược lại

-> hàm sóng được bổ sung thêm một đại lượng tương đương:

-> hai nguyên tử có sự trao đổi e với nhau nên hàm sóng Ψ của hệ:

Trang 25

vào phương trình sóng Schrödinger

Trang 26

Ý nghĩa vật lý:

o ΨS – hàm đối xứng:

ứng với 2 e trao đổi có spin ngược dấu → hút nhau →

mật độ e trong vùng không gian giữa hai hạt nhân tăng

→ lực hút tăng nên liên kết được hình thành

o ΨA – hàm bất đối xứng:

ứng với 2 e trao đổi có spin cùng dấu→ đẩy nhau →mật

độ e trong vùng không gian giữa hai hạt nhân triệt tiêu →

Trang 28

2.Luận điểm cơ bản của thuyết VB về liên kết cộng hóa trị

Luận điểm 1: LKCHT hình thành

trên cơ sở các cặp electron ghép

đôi có spin ngược dấu nhau và

thuộc về đồng thời cả hai nguyên

tử tương tác  LKCHT còn gọi là

liên kết hai tâm – hai điện tử

Luận điểm 2: LKCHT được hình

thành do sự xen phủ nhau giữa

các AO hóa trị của các nguyên tử

tương tác

3.3.1.Thuyết VB

Trang 29

2.Luận điểm cơ bản của thuyết VB về liên kết cộng hóa trị

Luận điểm 3: LKCHT càng bền khi độ xen phủ

Trang 30

3.Khả năng tạo LKCHT của nguyên tử và tính bão hòa của LKCHT

Cơ chế tạo liên kết cộng hóa trị

Cơ chế ghép đôi

LK CHT được hình thành do sự xen phủ của 2

AO hóa trị chứa e độc thân của 2 nguyên tử

Cặp e ghép đôi do hai nguyên tử bỏ ra

Khả năng tạo LKCHT được quyết định bởi số

AO hóa trị chứa e độc thân

3.3.1.Thuyết VB

Trang 32

LK CHT hình thành do một nguyên tử đơn phương bỏ ra cặp e hóa trị dùng chung (nguyên tử cho) còn nguyên tử kia nhận cặp e này (nguyên tử nhận)

Trang 33

Cơ chế cho nhận

• Khả năng tạo lk được quyết định bởi số và số

• Điều kiện tạo liên kết cho nhận:

nguyên tử cho phải có AO hóa trị chứa cặp e ghép đôi; nguyên tử nhận phải có AO hóa trị trống

Cơ chế tạo liên kết cộng hóa trị

3.3.1.Thuyết VB

↑↓

33

Trang 34

Được quyết định bởi số AO hóa trị (AO trống, AO chứa electron độc thân và AO chứa cặp electron ghép đôi), (không phải phụ thuộc vào số e hóa trị)

Trang 35

Điều kiện tạo liên kết cộng hóa trị:

o Năng lượng của các AO tham gia xen phủ phải xấp xỉ nhau

o Các AO tham gia xen phủ phải có mật độ e đủ lớn

o Các AO tham gia xen phủ phải cùng tính định hướng

Biểu diễn liên kết cộng hóa trị:

Trang 36

4.Các loại liên kết cộng hóa trị và bậc của LKCHT

Liên kết  (sigma) -> bền

o Vùng xen phủ của các AO nằm trên trục nối hai hạt nhân

o Xuất hiện đầu tiên giữa 2 nguyên tử

o Có thể xuất hiện giữa tất cả các loại AO:

s – s, p – p, s – p, s – d, p – d … 3.3 Liên kết cộng hóa trị

3.3.1.Thuyết VB

Trang 37

Liên kết p (pi): -> kém bền hơn 

o Vùng xen phủ của các AO nằm ở hai bên trục nối hai hạt nhân, mật độ che phủ nhỏ hơn so với liên kết 

o Chỉ hình thành sau khi giữa 2 nguyên tử đã có liên kết 

Trang 38

o Các nguyên tử của nguyên tố thuộc chu kỳ 2

Trang 39

Liên kết p không định chỗ:

Là liên kết p mà các electron p không cố định ở các nguyên tử ban đầu đã bỏ ra, chúng xoay quanh trên một số hạt nhân nhiều hơn hoặc cả phân tử

3.3.1.Thuyết VB

 Cặp electron liên kết không thuộc hẳn về một cặp nguyên tử nào cả mà phân bố đồng đều cho một số hạt nhân nguyên tử kế cận

39

Trang 41

o Được tạo thành khi hai AO d che phủ bằng tất cả bốn cánh

chuyển tiếp hoặc một số hợp chất của các nguyên tố thuộc chu kỳ 3

Trang 43

Bậc liên kết cộng hoá trị

là số lần lặp lại liên kết giữa hai nguyên tử

Bậc liên kết có thể không nguyên

Ví dụ

CO32- và SO32- 1,33 butadien-1,3 1,67

Trang 45

5.Tính chất của liên kết cộng hóa trị

Trang 46

Tính bão hòa

Tính có cực:

Mỗi nguyên tử có một số giới hạn AO hóa trị -> số liên kết CHT có thể tạo được cũng có giới hạn

-> Tính bão hòa của liên kết CHT

Cặp e dùng chung có thể bị lệch về phía nguyên tử

có độ âm điện lớn hơn -> nguyên tử này tích một phần nhỏ điện âm -, nguyên tử kia tích một phần nhỏ điện dương +

-> sự phân cực của liên kết cộng hóa trị

3.3.1.Thuyết VB

Trang 47

Tính có cực: Sự phân cực làm xuất hiện:

lưỡng cực điện gồm hai tâm có điện tích trái dấu

(+, - ) nằm cách nhau một khoảng l

-> l gọi là độ dài lưỡng cực = độ dài liên kết

-> lưỡng cực được đặc trưng bằng vectơ momen lưỡng cực 

Trang 48

3.3.1.Thuyết VB

(chiều quy ước từ cực

dương đến cực

âm )

Tính có cực của phân tử CHT được tính bằng phép

tổng các vecto momen lưỡng cực của tất cả các LK

và các cặp e không LK trong phân tử

Trang 49

o Phân tử cộng hóa trị không cực ( = 0)

Trang 50

 Tính có cực của phân tử CHT ảnh hưởng gần như quyết

định đến khả năng hòa tan và hóa lỏng của chúng:

Các chất có cực thì tan tốt trong dung môi có cực

Ví dụ: H2O, C2H5OH, CH3COOH, CHCl3, (C2H5)2O…

Các chất không cực tan tốt trong dung môi không cực

Ví dụ: CCl4, CS2, C6H6, n- C6H14, xylen…

Các chất có cực (NH3, CH3Cl…) dễ hóa lỏng hơn các chất không cực

3.3.1.Thuyết VB

Trang 51

3.3.1.Thuyết VB

Tính định hướng

Trang 52

3.3.1.Thuyết VB

Trang 53

Thuyết sức đẩy cặp electron hoá trị

Valence Shell Electron Pair Repulsion(VSEPR )

Trong phân tử cộng hoá trị ABn các cặp electron hóa trị liên kết (σ) và cặp electron hoá trị tự do cuả A (nếu có) phải xa nhau ở

Trang 54

Định hướng trong không gian cuả các cặp electron liên kết (σ) hoặc electron tự do quanh A

2 charge clouds,

linear

3 charge clouds, trigonal planar 4 charge clouds, tetrahedral

3.3.1.Thuyết VB

Trang 55

6.Thuyết lai hóa và cấu hình không gian phân tử

Để tăng mật độ xen phủ, các nguyên tử

(thường là nguyên tử trung tâm trong các phân

tử có từ 3 nguyên tử trở lên) dùng các AO lai hóa thay thế cho các AO thuần túy s, p, d, f để tạo liên kết

Các AO lai hóa tạo thành do sự trộn lẫn của các

AO trong nội bộ một nguyên tử

Trang 56

 Đặc điểm của các AO lai hóa:

o Số AO lai hóa tạo thành = tổng số AO tham gia lai hóa

o Các AO lai hóa luôn phân bố đối xứng nhất trong không gian (để giảm tương tác đẩy giữa các múi

có mật độ e lớn xuống đến mức tối thiểu mới bền)

Trang 57

Trong một chu kỳ, từ trái sang phải sai biệt mức năng lượng giữa ns và np (Ens – np) tăng nên khả năng lai hóa giảm

Trong một phân nhóm: từ trên xuống kích thước nguyên tử tăng nên khả năng lai hóa giảm

Điều kiện để lai hóa bền

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

o Mật độ e của các AO tham gia lai hóa đủ lớn

Trang 58

Trang 59

Dự đoán trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm A trong phân tử ABn

Cách 1:

Góc liên kết thực nghiệm có giá trị gần với góc của kiểu lai hóa nào thì nguyên tử trung tâm sẽ lai hóa kiểu đó

Ví dụ:

CO2 (OĈO = 1800) -> C lai hóa sp

SO2 (OŜO = 119,50) -> S lai hóa sp2

NH3 (HNH = 107,30) -> N lai hóa sp3

H2O (HÔH = 104,50) -> O lai hóa sp3 59

3.3.1.Thuyết VB

Trang 60

 Cách 2: Phép thay thế nguyên tử

o thay thế một nguyên tử trong một phân tử đã biết cấu hình không gian bằng một nguyên tử khác cùng phân nhóm với nó

o với nguyên tử trung tâm: chỉ nên cách nhau 1 chu kỳ

o với nguyên tử biên: có thể thay thế H bằng các nguyên tử halogen X và ngược lại

3.3.1.Thuyết VB

Trang 62

 Cách 3:Tính số phối trí N (số AO lai hóa) của

nguyên tử trung tâm: N = n + ½ k

n: số nguyên tử biên k: số e tự do không liên kết của nttt

k = x ± y – z x: số e lớp ngoài cùng của nttt

y: số e cho hay nhận (nếu là ion) z: số e cần thiết để các nguyên tử biên đạt cấu hình khí trơ

3.3.1.Thuyết VB

Định dạng
Số trang	76
Dung lượng	2,91 MB