Khoá luận tốt nghiệp Câu hỏi về cấu tạo phân tử và liên kết hóa học qua các đề thi cao học

Thông qua sự phát triển của các thuyết về cấu tạo phân tử và liên kết hóa học, chúng ta thấy được qui luật phát triển của nhận thức từ đơn giản đến phức tạp, sự xoáy trôn ốc trong sự phá

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA HÓA HỌC

go CŨI 0 3

NGÔ THI HƯƠNG GIANG

CÂU HỎI YỀ CẤU TẠO PHÂN TỬ YÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC QUA CÁC ĐỀ THI CAO HỌC

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC

C huyên ngành: H óa đại cương

Người hướng dẫn khoa học

ThS Đ Ă N G TH Ị TH U H U Y ỀN

Em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã luôn động viên em quá trình em làm khóa luận tốt nghiệp.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thày cô, bạn bè để khóa luận được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực 3

1.1.1 Công thức cấu tạo Lewis 3

1.1.2 Mô hình đẩy giữa các cặp electron vỏ hóa trị (thuyết VSEPR)5 1.1.3 Momen lưỡng cực 9

1.2 Thuyết liên kết hóa trị (thuyết VB) 10

1.2.1 Thuyết liên kết hóa trị 10

1.2.2 Thuyết lai hóa 11

1.3 Thuyết obitan phân tử (Thuyết MO) 14

1.3.1 Các luận điểm cơ sở 14

1.3.2 Áp dụng thuyết MO giải thích liên kết hóa h ọ c 15

1.4 Phức chất 16

1.4.1 Một số vấn đề chung về phức chất 16

1.4.2 Giải thích hên kết hóa học của phức chất 17

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u 19

2.1 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 19

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 19

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21

3.1 Bài tập về công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực 2 1 3.2 Bài tập về thuyết VB 34

3.3 Bài tập về thuyết MO 40

3.4 Bài tập về phức chất 49

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

Thông qua sự phát triển của các thuyết về cấu tạo phân tử và liên kết hóa học, chúng ta thấy được qui luật phát triển của nhận thức từ đơn giản đến phức tạp, sự xoáy trôn ốc trong sự phát triển các thuyết Nói cách khác, học thuyết về liên kết hóa học và cấu tạo phân tử đã ừở thành vấn đề trung tâm của hóa học ngày nay.

Khi đã tìm hiểu, nghiên cứu sơ bộ lý thuyết về cấu tạo phân tử và liên kết hóa học hướng đến vận dụng các lý thuyết đó để tìm ra hướng giải, phân loại bài tập có liên quan ừong các đề thi cao học đã làm rõ ràng hơn, sâu sắc hơn về các kiến thức nổi bật như:

+ Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực

+ Thuyết liên kết hóa trị (thuyết VB)

+ Thuyết obital phân tử (thuyết MO)

+ Đại cương về phức chất

Từ những điều trên đây, rõ ràng chúng ta đã thấy được tàm quan trọng của những kiến thức về liên kết hóa học và cấu tạo phân tử trong hóa học đại cương Cũng chính vĩ lẽ đó, chủ đề tìm hiểu các câu hỏi cùng lòi giải về cấu tạo phân tử và liên kết hóa học trong các đề thi cao học đã thu

và đi cùng đề bài là phàn lời giải cụ thể Những bài tập này, theo em nhận xét là không phải dễ, nhưng cũng không quá khó nếu tìm hiểu lý thuyết kĩ càng.

Em rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và bạn đọc để bổ sung những khuyết điểm hay sửa chữa những sai sót nhầm lẫn trong quá trình làm bài

2 Nội dung nghiên cứu

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về liên kết hóa học và cấu tạo phân tử một cách ngắn gọn, đầy đủ và dễ hiểu Áp dụng các lý thuyết đó để giải các bài tập có chủ đề liên quan ữong các đề thi cao học Cụ thể là các bài tập về phần kiến thức liên quan đến:

+ Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực

+ Thuyết liên kết hóa trị thuyết (thuyết VB)

+ Thuyết obital phân tử thuyết (thuyết MO)

+ Phức chất

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực

1.1.1 Công thức cấu tạo Lewis

Quy ước dùng một dấu chấm (.) để biểu thị một electron, hai dấuchấm : (hay ) hoặc một vạch - (hay |,|_) để chỉ một đôi elecừon ừongnguyên tử hay phân tử Công thức hóa học có dùng kí hiệu trên được gọi là công thức cấu tạo Lewis ( gọi tắt là công thức Lewis)

Ví dụ: Các cách viết công thức Lewis cho NH3

Các bước để v iầ công thúc Lewỉs

Bước 1: Viết cấu tạo sơ bộ của công thức đó.

Để thực hiện được bước này càn dựa vào hóa trị của các nguyên tử

và giả thiết ban đầu chỉ có liên kết đơn được hình thành Nếu chưa biết thứ

tự liên kết giữa các nguyên tử, hãy dùng giả thiết để viết thứ tự đó

Bước 2: Tìm tổng số electron hóa trị của các nguyên tử, quy ước dùng kí

hiệu ni

Nếu phân tử đó là:

+ lon âm : 1 đơn vị điện tích âm được cộng thêm le vào tổng trên

+ Tìm tổng số electron đã tạo liên kết trong công thức đưa ra ở bước

1, ta kí hiệu là n2 Tìm số electíon còn lại, kí hiệu n3 từ : n3 = n! - n2

+ Lấy số electron từ n3 để tạo octet cho nguyên tử âm điện nhất trong công thức sơ bộ Tổng số electron tạo được kí hiệu là n4

Bước 4 : Tìm công thức Lewis đúng.

Tìm số e còn lại, kí hiệu n5 = n3 - ĨI4

+ Nếu n5 = 0 : Tính điện tích hình thức ở mỗi nguyên tử trong công thức vừa viết ở bước 3 và kết luận

+ Nếu n5 # 0 : Dùng số electron này tạo octet cho nguyên tử trung tâm Tính lại điện tích hình thức và kết luận

Chú ý :

+ Việc này chỉ được thực hiện khi nguyên tử trung tâm là nguyên tử

của nguyên tố thuộc chu kì 3 trở đi Sau đó tính lại điện tích hình thức cho mỗi nguyên tử trong công thức vừa viết và kết luận

+ Công thức cấu tạo Lewis là đúng khi điện tích hình thức của các nguyên tử trong phân tử trung hòa bằng 0 và không tồn tại các nguyên tử mang điện tích hình thức trái dấu trong ion phân tử

Ví dụ: Viết công thức Lewis cho phân tử C 0 2

1.1.2 Mô hình đẩy giữa các cặp electron vỏ hóa trị (thuyết VSEPR)

Ở vỏ hóa trị của nguyên tử (trong phân tử liên kết cộng hóa trị) có đôi elecừon liên kết và đôi elecừon riêng

Quy ước kí hiệu phân tử là AXnEm Trong đó:

- A là nguyên tử trung tâm

- X là phối tử, n là số phối tử X có trong phân tử

- E kí hiệu của cặp electron không liên kết, m số cặp electronkhông liên kết

Mỗi cặp electron có tương ứng một mây electron

Người ta hình dung nguyên tử trung tâm A có hình dạng một quả cầu Tâm của quả cầu là hạt nhân nguyên tử A, vỏ quả cầu là lớp electron ngoài cùng hay lớp electron hóa trị Mỗi mây electron của một cặp electron

vỏ hóa trị chiếm một khoảng không gian trên mặt cầu đó

Hình dạng phân tử phụ thuộc chủ yếu vào sự phân bố các cặp electron hay các mây electron vỏ hóa trị của nguyên tử A

Nội dung của mô hình VSEPR là: “Các cặp electron vỏ hóa trị được phân bố cách nhau tới mức xa nhất có thể được để có lực đẩy nhỏ nhất giữa chúng”

1 2 AX5E Tháp vuông

1.1.3 Momen lưỡng cực

a Momen lưỡng cực của phân tử

Phân tử bao gồm các hạt nhân mang điện tích dương (+) và electron mang điện tích âm (-) Trị số tổng cộng các điện tích dương đó bằng +Q, điện tích âm bằng Q Vì phân tử trung hòa điện nên +Q = I Q l

Hai trọng tâm của hai điện tích đó xác định vectơ r , giả thiết r hướng từ +Q đến Q

Trong hệ SI, đơn vị của [I là c.m (Culong.mét)

Người ta hay dùng đơn vị Đơbai, kí hiệu là D, 1D = 3,33.10'30 c.m Nếu phân tử có p = 0, phân tử không phân cực Ví dụ: H2, C 0 2,

Momen lưỡng cực của liên kết được gọi tắt là momen liên kết.

Xét phân tử 3 nguyên tử ABC Có 2 liên kết A - B và A - c Hai momen liên kết tương ứng là Góc liên kết là a

Momen lưỡng cực của phân tử là / u có liên hệ với

V 2

Công thức tính độ lớn:

I p I = N (Hi)2 + (H2)2 + 2 Pi P2-COS a

1.2.Thuyết liên kết hóa trị (thuyết VB)

1.2.1 Thuyết liên kết hóa trị

3 luận điểm cơ bản của thuyết VB:

1 Coi cấu tạo elecữon của nguyên tử vẫn được bảo toàn khi hình thành phân tử từ nguyên tử Khi 2 AO hoá ưị của nguyên tử xen phủ nhau tạo liên kết hoá học thì vùng xen phủ đó là chung cho cả 2 nguyên tử

2 Mỗi liên kết hoá học giữa 2 nguyên tử được đảm bảo bởi 2 electron

có spin đối song, trước khi tham gia liên kết mỗi elecừon đó là elecừon độc thân trong một AO hóa trị của một nguyên tử Không có sự hình thành liên kết bởi lelectron hay từ 3 electron trở lên

3 Sự xen phủ giữa 2AO có elecừon độc thân của 2 nguyên tử càng mạnh thì liên kết được tạo ra càng bền Liên kết hoá học được phân bố theo phương có khả năng lớn nhất về sự xen phủ của 2 AO

1.2.2 Thuyết lai hóa

Lai hóa là sự tổ hợp tuyến tính các AO hóa trị nguyên chất (hay thuần khiết) chỉ có số lượng tử 1 khác nhau của cùng một nguyên tử tạo ra các AO mới có cùng năng lượng

A O - P y ) tạo ra 3 A O lai hóa sp2.

Lai hóa sp3 là lai hóa trong đó 1AO - s tổ họp tuyến tính v ớ i 3

A O - p tạo ra 4 A O lai hóa sp3.

ba đinh hướng ra ba phía tạo thành 3 đỉnh của m ột tam giác đều nên lai hóa sp2 còn được gọi

là lai hóa tam giác.

4 trục của 4A O - sp3 cằt nhau ở tâm (hạt nhân nguyên tử), từng đôi tạo vớ i nhau g ó c 1 0 9 ° 2 9 , bốn đỉnh hướng ra b ốn đỉnh của

tứ diện đều D o đó lai h óa sp3 được g ọ i là lai hóa tứ diện.

1.3.Thuyết obitan phân tử (Thuyết MO)

1.3.1 Các luận điểm cơ sở

Ba luận điểm cơ bản của thuyết MO

1 Phân tử gồm một số có hạn các hạt nhân nguyên tử và các electron chuyển động không ngừng liên kết với nhau thành một thể thống nhất, ừong đó các electron được phân bố trên các obitan chung của toàn phân tử - là các obitan phân tử, các MO

2 Một cách gần đúng, các MO được xây dựng như sau: MO chung của toàn phân tử là tổ họp tuyến tính các MO chỉ chứa 1 electron - gọi tắt là

MO lelecừon, được lấy gần đúng như sau: khi lelecừon chuyển động gần hạt nhân hơn so vói các hạt nhân khác của phân tử thì AO của electron đó được coi là MO 1 electron của elecừon này Như vậy MO chung của toàn phân tử là tổ hợp tuyến tính các obitan nguyên tử, AO Nội dung đó được

diễn đạt bằng biểu thức: \|/ = Ễ(\(p

Trong đó: V|/ là MO của phân tử

(Ị) là AO thứ i

Ci là hệ số tổ họp hàm sóng, cho biết tỉ lệ đóng góp của

AO thứ i vào MO, Ci được gọi là trọng số thống kê

về nguyên tắc, số AO tham gia tổ họp càng nhiều thì sự gần đúng càng tốt Tuy nhiên, nếu số lượng AO nhiều sẽ gây khó khăn cho việc tính

Vì vậy thực tế người ta giói hạn số lượng AO, nên ta viết : \|/ = Ề c (D • số

lượng MO thu được bằng tổng số AO tham gia tổ hợp Trong sự tổ họp đó, nguyên lí xen phủ cực đại được tuân thủ Đó là nội dung của sự gần đúng obitan phân tử là tổ họp tuyến tính các obitan nguyên tử, thường được viết tắt là sự gần đúng MO - LCAO Sự gàn đúng này được áp dụng rộng rãi trong Hóa học lượng tử

3 Các MO của 1 phân tử được xếp theo thứ tự năng lượng từ thấp lên cao thành giản đồ năng lượng các MO, MO ứng với năng lượng thấp

được gọi là MO liên kết, MO ứng với năng lượng cao được gọi là MO phản

liên kết, số lượng 2 loại MO này bằng nhau Các electron được điền vào

MO trên cơ sở của nguyên lí năng lượng cực tiểu, nguyên lí Pauli và quy

tắc Hund, kết quả ta có cấu hình electron của phân tử

1.3.2 Áp dụng thuyết MO giải thích liên kết hóa học trong một sổ hệ

a Hệ các phân tử đồng hạch (A2)

Nguyên tắc chung: Các AO tổ hợp tuyến tính tạo ra các MO Cụ thể:

2 AO - ls tạo ra 2 MO: ơis và ơ*

2 AO - 2s tạo ra 2 MO: Ơ2s và Ơ2s

2 AO - 2pz tao ra 2 MO: <T và ơ*

2 AO - 2px, 2 AO - 2py tạo ra 4 MO - 7Ü : 7ÜX = Tüy và n* = Hy

Các MO được xếp theo thứ tự năng lượng tăng dàn thành giản đồ năng

lượng Ta có 2 loại giản đồ

Giản đồ I: ơis < ơis < Ơ2s < Ơ2s < ơz < 7IX = Tiy < TI* = TI* < ơ*

(AO - s và AO - p không có sự tương tác với nhau)

Giản đồ II: Ơis < ơ^s < Ơ2s < Ơ2s < 7IX = Tty < Ơz < II* = Uy < ơ*

(AO - s và AO - p có sự tương tác vói nhau)

Gồm các nguyên tố từ (O —> Ne) Gồm các nguyên tố từ (Li —> N)

b Hệ các phân tử dị hạch (AB): xét tương tự hệ A2

- về nguyên tắc cách xây dựng giống như phân tử dạng A2

- Trong phân tử AB, các AO có tính đối xứng khác nhau nên phần xen phủ tạo thành MO là khác nhau Chỉ có các AO có cùng tính đối xứng mới tham gia tạo liên kết

- Trong 2 nguyên tử A và B thì nguyên tử nào có độ âm điện lớn hon

sẽ có mức năng lượng bền hơn và được biểu diễn thấp hơn

1.4 Phức chất

1.4.1 Một số vấn đề chung về phức chất

Một số khái niệm:

* Phức chất là tập hợp các nguyên tử gồm: nguyên tử hay ion được gọi

là hạt trung tâm và các phân tử, ion liên kết hóa học với hạt trung tâm đó

Ví dụ: Fe(CO)s hay K2[CuC14]

* Nguyên tử hay cation mà phân tử, ion khác liên kết với nó để tạo

ra phân tử phức chất được gọi là hạt trung tâm

* Phân tử hay anion liên kết hóa học trực tiếp với hạt trung tâm được gọi là phối tử Phối tử là phân tử như H20 , NH3 , hay anion như X' ( X là halogen), OH', CN',

- Số phối trí:

Số lượng phối tử liên kết hóa học trực tiếp với hạt trung tâm được gọi là

số phối trí của hạt trung tâm đó

Ví dụ: với Fe(CO)5 thì Fe có số phối trí bằng 5

- Cầu nội, cầu ngoại

Phần của phân tử phức chất gồm hạt trung tâm và các phối tử được gọi

là cầu nội phối trí, gọi tắt là cầu nội

Cầu nội được đặt ừong móc vuông [ ] Phần còn lại của phân tử phức

đó, là cầu ngoại

1.4.2 Giải thích liên kết hóa học của phức chất

a Theo Pauling

Liên kết hóa học trong phức chất được thực hiện do sự xen phủ giữa

AO có đôi electron riêng của phối tử với AO lai hóa chưa bị chiếm có định hướng không gian thích họp của hạt trung tâm

Thực chất liên kết hóa học giữa phối tử và hạt tạo phức là liên kết cho nhận hay liên kết phối trí Phối tử cho cặp electron riêng (chưa liên kết), hạt tạo phức có AO trống (thường là AO lai hóa)

Lai hóa sp như [Ag(NH3)2]+, sp2 như [Hgl3]\ sp3 như [Cd(CN)4]2', lai hóa dsp2 như [Ni(CN)4]2', lai hóa sp3d2 như [Ni(NH3)]2+, d2sp3 như

b.Theo thuyết trường tinh thể

Liên kết hóa học trong phức chất được đảm bảo bởi lực tương tác tĩnh điện giữa hạt trung tâm với phối tử

Trong trường (tĩnh điện) của phối tử, các mức năng lượng AO - d bị tách

Hiệu số hai mức năng lượng eg với t2g được gọi là năng lượng tách hay thông số cường độ trường, được kí hiệu là : Ao

Hình: Sự tách mức năng lượng d trong trường phối tử bát diện

Trong trường hợp chung, trường phối tử không phải là trường bát diện đều, ta chỉ kí hiệu năng lượng tách là : A Giá trị A càng lớn trường càng mạnh hay phối tử tạo ra trường đó là phối tử càng mạnh

C H Ư Ơ N G 2: Đ Ố I T Ư Ợ N G V À P H Ư Ơ N G P H Á P N G H IÊ N c ứ u

2.1 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu về các phàn: công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực, thuyết liên kết hóa tri VB, thuyết obitan phân tử MO, phức chất

Từ các kiến thức tìm hiểu được , áp dụng vào các câu hỏi và tìm ra lòi giải, khái quát hóa cho các câu hỏi có liên quan về các phần kiến thức đó ừong các đề thi cao học

2.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2.2.1 Đổi tượng nghiên cứu

- Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực

- Thuyết liên kết hóa trị VB

- Thuyết obitan phân tử MO

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng ừong đề tài:

Nghiên cứu các tài liệu tham khảo là các đề thi tuyển sinh sau đại học

sở đó phân loại, chia dạng, tìm ra hướng giải cho các phàn câu hỏi được nghiên cứu trong các đề thi liên quan đến đề tài.

2.4 Ý nghĩa của việc nghiên cứu

Việc tìm ra các câu hỏi và lời giải cho các câu hỏi ừong đề tài rất có

ý nghĩa đối với các kiến thức liên quan trong Hóa học đại cưomg, giúp ta phân loại, chia dạng và biết được các bước tìm ra lòi giải cho các câu hỏi đó

C H Ư Ơ N G 3: K Ế T Q U Ả V À T H Ả O L U Ậ N

3.1 Bài tập về công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, mômen lưỡng cực

Dạng 1: Viết CT cấu tạo Lewis cho các phân tử

Một số đề thi có bài tập liên quan đến việc viết công thức cấu tạo Lewis như :

Bài 1: Hãy trình bày chi tiết việc viết công thức cấu tạo Lewis của

đề thi yêu cầu viết công thức cấu tạo Lewis liên quan đến các phân tử: cs2,

SO3, NH3, CO2, SO2, SF6, SF4, AsC15, IF5, H30 +, CO32 , NO3, PO4" Chúng tôi đã viết công thức Lewis của các phân tử đó, sắp xếp các phân tử từ dễ

n4 = 12e

5 so2 o - s - o

111 = 18e n2 = 4 e n3 = 14e

I O - S - Õ I n4 = 12e n5 = 2e

ni = 34e n2 = 8e n3 = 2 6 e

n4 = 24e n5 =2

C l - A s - C l

C l " c i

ni = 4 0 e n2 = 10e n3 = 30e

ICÏI

|â - A s - Ç l |

1 c il 'ÌCỊI

n4 = 30e n5 = 0

ni = 4 2 e n2 = 10e n3 = 32e

I F I

1 7 - 1 - F l

|F _I l £ l n4 = 30e n5 =2e

1 F~ 1

I F - I - F l / N ,

1 F l 1 L 1

10 COĨ~

O - C - 0 1

H — 0 — H 1 H n4 = 0 n5 = 2e

1 H

Dạng 2: Dự đoán dạng hình học của các phân tử dựa vào thuyết VSEPR

Các bước:

+ Viết công thức Lewis của phân tử

+ Chuyển phân tử về dạng AXnEm

(Đ H SPH N -N ăm 2009)

Bài 2: Hãy trình bày chi tiết việc viết công thức cấu tạo Lewis và

cho biết hình dạng của SO3 theo thuyết VSEPR

(Đ H S PH N -N ăm 2000)

Bài 3: Thực nghiệm cho biết SO 4 có hình tứ diện đều (tâm là s, 4 đỉnh là 40), góc oso bằng 109,5° Áp dụng mô hình VSEPR, giải thích kết quả đó