chuyen de 05 lien ket

Động hoá học là một chuyên đề khá quan trọng trong hoá học. Nó có liên quan rất nhiều đến các lĩnh vực khác của hoá học. Hiểu được các quy luật về động hoá học giúp học sinh có được cái nhìn biện chứng về hoá học, giải thích được các hiện tượng xảy ra, dự đoán chiều hướng của phản ứng hoá học và điều chỉnh phản ứng xảy ra theo mong muốn. Ðộng hóa học có mục đích khảo sát vận tốc phản ứng, tức xem một phản ứng hóa học xảy ra nhanh hay chậm. Có những phản ứng xảy ra rất nhanh như phản ứng trung hòa giữa acit mạnh với bazơ mạnh, phản ứng nổ của thuốc súng... cũng có những phản ứng xảy ra rất chậm như phản ứng este hóa giữa acit hữu cơ với rượu, sự tạo rỉ sắt... Về mặt công nghiệp, một phản ứng hóa học chỉ có lợi thật sự nếu hiệu suất phản ứng đạt được cao trong một thời gian càng ngắn càng tốt. Còn những phản ứng có hại như sự ăn mòn kim loại, sự tạo khí làm ô nhiễm môi trường... chúng ta cần hạn chế vận tốc của chúng. Cũng có nhiều phản ứng tuy nhiệt động học cho phép xảy ra , nhưng lại xảy ra quá chậm nên thực tế coi như không xảy ra. Chúng ta cần đầu tư nghiên cứu động hóa học của các phản ứng này để thúc đẩy phản ứng xảy ra nhanh hơn, nếu muốn. Do đó, vấn đề khảo sát vận tốc phản ứng rất cần thiết trong phạm vi hóa học ứng dụng. Về mặt khoa học cơ bản, động hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu diễn tiến của phản ứng hóa học tức xác định cơ chế phản ứng hóa học. Giảng dạy phần động hóa học có ý nghĩa quan trọng trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi. Tuy nhiên để giúp học sinh có thể hiểu thấu đáo rành mạch mọi vấn đề có liên quan đến động hoá học là một vấn đề tương đối khó khăn vì chương trình SGK phổ thông hiện nay đề cập rất ít đến vấn đề này. Vì vậy việc giảng dạy lí thuyết và xây dựng hệ thống các dạng bài tập về động hoá học phù hợp và hiệu quả để phục vụ cho việc bồi dưỡng học sinh giỏi là rất cần thiết để từ đó khắc sâu kiến thức đã được học cho học sinh. Vì những lí do trên, nhằm góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả của việc giảng dạy bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học ở trường Phổ thông tôi lựa chọn đề tài: “ Xây dựng các bài tập về động hoá học nhằm nâng cao chất lượng bồi dưỡng học sinh giỏi ở trường phổ thông”.

*********************

chuyên đề 5 liên kết hoá học

Tổ chuyên môn: Hoá - Sinh

Chơng I: Hệ thống lí thuyết liên kết hóa học dùng bồi dỡng

học sinh giỏi và học sinh chuyên hóa học.

I.1 Phân tử và liên kết hóa học

Phân tử là hạt vi mô đại diện cho chất và mang đầy đủ tính chất hóa học của một chất

Sự kết hợp giữa các nguyên tử để đạt tới trạng thái bền vững hơn đợc gọi là liên kết hóa học.

I.2 Các khuynh hớng hình thành liên kết hóa học:

I.2.1 Các khuynh hớng hình thành liên kết - Qui tắc bát tử (Octet)

Nội dung của qui tắc bát tử: “ Khi tham gia vào liên kết hóa học các

nguyên tử có khuynh hớng dùng chung electron hoặc trao đổi để đạt đến cấu trúc bền của khí hiếm bên cạnh với 8 hoặc 2 electron lớp ngoài cùng”.

I.2.2 Một số đại lợng đặc trng cho liên kết hóa học

I.2.4.1 Độ dài liên kết (d): Là khoảng cách giữa hai

hạt nhân của hai nguyên tử liên kết trực tiếp với

nhau

Ví dụ: Trong phân tử nớc, dO-H = 0,94 0

A Độ dài liên kết giữa hai nguyên tử A-B có thể

tính gần đúng bằng tổng bán kính của hai nguyên

I.2.4.2 Góc liên kết: Là góc tạo bởi hai nửa đờng thẳng xuất phát từ một hạt

nhân nguyên tử và đi qua hạt nhân của hai nguyên tử liên kết trực tiếp với

Góc liên kết phụ thuộc vào:

+Trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm

+ Độ âm điện của nguyên tử trung tâm A và phối tử X: nguyên tử trungtâm A có độ âm điện lớn sẽ kéo mây của đôi electron liên kết về phía nónhiều hơn, hai đám mây của hai liên kết mà lớn lại ở gần nhau gây ra lực t-

ơng tác đẩy làm cho độ lớn góc liên kết tăng lên Nếu phối tử X có độ âm

điện lớn sẽ gây tác dụng ngợc lại

I.2.4.3 Năng lợng liên kết

Năng lợng liên kết A-B là năng lợng cần cung cấp để phá vỡ hoàn toàn liênkết A-B (thờng đợc qui về 1 mol liên kết - kJ/mol hoặc kcal/mol)

EH-H = 103 kcal/mol : H2 → 2H ∆ H = 103 kcal/molNăng lợng liên kết (năng lợng phân li liên kết), về trị tuyệt đối, chínhbằng năng lợng hình thành liên kết nhng ngợc dấu Tổng năng lợng các liên kếttrong phân tử bằng năng lợng phân li của phân tử đó

- Năng lợng liên kết giữ0a 2 nguyên tử xác định tăng cùng bậc liên kết ( đơn <

đôi < ba)

II liên kết ion

Định nghĩa liên kết ion: liên kết ion là liên kết hoá học đợc tạo thành do lực

hút tĩnh điện giữa các ion mang điện ngợc dấu

• Bản chất của lực liên kết ion: là lực hút tĩnh điện

Độ lớn của lực liên kết ion (F) phụ thuộc vào trị số điện tích của cation(q1) và anion (q2) và bán kính ion của chúng lần lợt là r1 và r2

II.3 Các yếu tố ảnh hởng đến sự tạo thành liên kết ion.

- Năng lợng ion hoá - ái lực với electron - Năng lợng mạng lới

II.3.1 Năng lợng ion hoá.

a) Khái niệm: Năng lợng ion hoá là năng lợng cần thiết để tách một electron ra

khỏi nguyên tử ở trạng thái cơ bản (trạng thái không kích thích) tạo ra cation ởtrạng thái khí

II.3.2 ái lực với electron.

a) Khái niệm: ái lực đối với electron là năng lợng tỏa ra (hay thu vào) khi một

nguyên tử kết hợp với electron để trở thành ion âm

X + 1e → X - + A1 ( A1: là ái lực đối với electron thứ nhất.)

b) Qui luật: ái lực đối với electron của một nguyên tố càng lớn thì nguyên tố

đó càng dễ chuyển thành ion âm

II.3.3 Năng lợng mạng lới.

a) Khái niệm: Năng lợng mạng lới là năng lợng toả ra khi các ion kết hợp với nhau

để tạo thành mạng lới tinh thể

b) Qui luật: Năng lợng mạng lới càng lớn thì hợp chất ion đợc tạo nên càng bền.

Tóm lại: Kim loại càng dễ nhờng electron, phi kim càng dễ nhận electron,

các ion đợc tạo thành hút nhau càng mạnh thì càng thuận lợi cho sự tạo thànhliên kết ion

III Liên kết cộng hóa trị

III.1 Lí thuyết phi cơ học lợng tử ( Thuyết electron hóa trị Lewis - Langmuir)

III.1.1 Sự hình thành liên kết cộng hóa trị.

chung các cặp electron để đạt cấu trúc bền của khí hiếm gần kề ( với 8hoặc 2 electron lớp ngoài cùng)

tham gia liên kết (cộng hóa trị thông thờng) hoặc chỉ do một nguyên tử bỏ

ra (cộng hóa trị phối trí)

của nhóm nguyên tố) Khi hết khả năng góp chung, liên kết với các nguyên tửcòn lại đợc hình thành bằng cặp electron do một nguyên tử bỏ ra (thờng lànguyên tử của nguyên tố có độ âm điện nhỏ hơn)

III.2.1 Thuyết VB (Valent Bond - Liên kết hóa trị)

III.2.1.1 Các luận điểm cơ sở của thuyết VB

hình thành phân tử từ nguyên tử, nghĩa là trong phân tử vẫn có sự chuyển

động của e trong AO Tuy nhiên khi 2 AO hóa trị của hai nguyên tử xen phủnhau tạo liên kết hóa học thì vùng xen phủ đó là chung cho hai nguyên tử

spin đối song mà trong trờng hợp chung, trớc khi tham gia liên kết, mỗi e đó

là e độc thân trong 1 AO hóa trị của một nguyên tử Mỗi liên kết hóa học đợctạo thành đó là một liên kết 2 tâm (2 nguyên tử) Liên kết đó không thểhình thành từ 1 e (thiếu e) hoặc từ 3e trở lên (tính bão hòa của liên kết cộnghóa trị)

tạo ra càng bền (nguyên lý xen phủ cực đại) Liên kết hóa học đợc phân bốtheo phơng có khả năng lớn về sự xen phủ 2 AO (thuyết hóa trị định hớng)

III.2.1.2 Thuyết VB về sự hình thành liên kết cộng hóa trị

Liên kết giữa hai nguyên tử càng bền nếu mức độ xen phủ của cácobitan càng lớn, nh vậy sự xen phủ của các obitan tuân theo nguyên lí xen

phủ cực đại: “ liên kết đợc phân bố theo phơng nào mà mức độ xen phủ các

obitan liên kết có giá trị cực đại”

Ví dụ: 1H 1s1 17Cl 1s22s22p63s23p5

HH

Cl H

ClCl

III.2.1.3 Thuyết VB về vấn đề hóa trị của nguyên tử trong hợp chất cộng hóa trị

nguyên tử đó có thể tạo đợc với các nguyên tử khác

dụng một e độc thân của chúng Nh vậy, có thể nói rằng cộng hóa trị củamột nguyên tử bằng số e độc thân của nguyên tử đã dùng để tham gia liênkết

“kích thích” Sự kích thích này có ảnh hởng đến cấu hình e của nguyên tử,các e cặp đôi có thể tách ra và chiếm cứ các AO còn trống trong cùng một lớp

Nh vậy số e độc thân của nguyên tử có thể thay đổi và cộng hóa trị củanguyên tử có thể có giá trị khác nhau trong những hợp chất khác nhau (Bảng2)

VD1: Cộng hóa trị của S trong H2S là 2 ; SO2 là 4 ; H2SO4 là 6

VD2: Cộng hóa trị của Clo trong HClO là 1; HClO2 là 3 ; HClO3 là 5; HClO4 là 7 Bảng 2: Số e độc thân có thể có của các nguyên tố thuộc phân nhóm chính

Nhóm Cấu hình electron hóa trị Số e - độc thân

Các liên kết đôi và liên kết ba còn đợc gọi chung là liên kết bội.

Khi số electron chung càng lớn, lực hút tĩnh điện giữa electron với hạtnhân của hai nguyên tử càng mạnh, độ bền liên kết tăng còn khoảng cáchgiữa hai tâm nguyên tử giảm Do vậy khi bậc liên kết càng lớn thì năng lợngliên kết càng lớn và độ dài liên kết càng nhỏ

dC-C ( 0

III.2.1.6 Liên kết xichma (σ) và liên kết pi (π).

a) Liên kết xichma (σ) : là loại liên kết cộng hóa trị đợc hình thành bằng

ph-ơng pháp xen phủ đồng trục các obitan nguyên tử, vùng xen phủ nằm trên trụcliên kết

Liên kết σ có các loại σs-s , σs-p , σp-p , …

s

quay tự do xung quanh trục liên kết mà không phá vỡ liên kết này

b) Liên kết π : Là loại liên kết cộng hóa trị đợc hình thành bằng phơng pháp

xen phủ song song trục các obitan nguyên tử, vùng xen phủ nằm ở hai phía sovới trục liên kết

Liên kết π có các loại πp-p , πp-d , …

quay tự do xung quanh trục liên kết mà không phá vỡ liên kết này

y

y x

III.2.1.7 Liên kết cộng hoá trị cho-nhận (liên kết phối trí).

a) Định nghĩa: Liên kết cộng hoá trị cho - nhận là liên kết cộng hoá trị trong

đó cặp electron dùng chung chỉ do một nguyên tử cung cấp – gọi là nguyên

tử cho, nguyên tử còn lại là nguyên tử nhận

H

+

HHH

H+

N O

O

N O

O hay

b) Điều kiện tạo ra liên kết cho nhận:

- Nguyên tử “ cho ” phải có lớp vỏ e đã bão hoà và còn ít nhất một cặp e tự do(cha tham gia liên kết) có bán kính nhỏ, độ âm điện tơng đối lớn

- Nguyên tử “ nhận ” phải có obitan trống

III.2.1.8 Sự lai hóa các obitan nguyên tử.

tham gia liên kết có xu hớng tổ hợp với nhau để tạo ra các AO lai hóa có năng ợng thấp hơn, liên kết hình thành bởi sự xen phủ các AO lai hóa sẽ bền vữnghơn

các obitan lai hóa tạo ra có năng lợng tơng đơng (bảng 2)

Kí

Lỡngtháp

đáytamgiác

sp3d

d

sp3d2s

Bátdiện

• Ngời ta cũng dự đoán kiểu lai hóa của nguyên tử trên lý thuyết: số

tự do của nguyên tử (H) Giá trị của n tính đợc bằng 2, 3, 4, 5, 6 tơng ứng vớicác trạng thái lai hóa sp, sp2, sp3, sp3d, sp3d2

Ví dụ: H-O-H , HO = 2+2 = 4 → O lai hóa sp3

O=S →O , HS = 2+1 = 3 → S lai hóa sp2 ; O=C=O , HC = 2+0 = 2 → C lai hóa

sp

thuyết VB và thuyết lai hóa các obitan nguyên tử :

CH4 (C lai hóa

sp3)

H H

H H

CH2 = CH2 (C lai hóa sp2)

H

III.1.2.11 Một số tính chất của phân tử

1- Mô hình sự đẩy giữa các đôi electron vỏ hóa trị

X là phối tử, n là chỉ số cho biết số phối tử, E là đôi e riêng, m là chỉ sốcho biết số đôi e riêng

- Mỗi mây electron chiếm một khoảng không gian nhất định Hình dạngcủa phân tử phụ thuộc vào khoảng không gian chiếm bởi các mâyelectron vỏ hóa trị của A hay hình dạng phân tử phụ thuộc vào sựphân bố các đôi electron hay các mây electron ở vỏ hóa trị của nguyên

tử trung tâm A

cặp electron trong vỏ hóa trị đợc phân bố cách nhau tới mức xa nhất cóthể đợc (hay các đôi electron trong vỏ hóa trị đẩy nhau ra xa tới mức

có thể đợc) để lực đẩy giữa chúng ở mức thấp nhất

Còn đôi e liên kết chịu tác dụng hút của cả hai hạt nhân nguyên tửtham gia liên kết là A và X Do đó đôi electron riêng của mây electronchiếm khoảng không gian rộng hơn khoảng không gian chiếm bởi mâyelectron của đôi electron liên kết

2- Hình dạng một số phân tử

1 Trờng hợp AX n (n = 2 → 6)

Nguyên tử trung tâm A có từ 2 đến 6 cặp electron liên kết tạo với phối

tử X, A không có đôi electron riêng

VD: BeH2 : H - Be - H

+ Khi n = 3: ba đôi electron này đợc phân bố trên mặt phẳng hớng về

+ Khi n= 4: 4 đôi electron hớng về 4 đỉnh của tứ diện đều, A ở tâm

H

Độ dài liên kết ngang < liên kết trục vì đôi e trên liên kết trục chịu

kết lớn, còn đôi e trên liên kết ngang chịu tơng tác đẩy của 2 đôi e trục, 2

đôi e ngang còn lại nhng tơng tác đẩy của 2 đôi e ngang là yếu vì góc tơngtác là lớn 1200 → lực đẩy yếu hơn → độ dài liên kết nhỏ hơn

VD: PCl5

+ Khi n = 6: cả 6 đôi e đợc phân bố trên bát diện đều Các góc liên

VD: SF6

2) Trờng hợp AX n E m : ngoài phối tử nguyên tử trung tâm A có đôi e riêng

Cần lu ý đến sự không tơng đơng giữa đôi e liên kết với đôi e riêngnày

+ AX 2 E: Đôi e riêng có mây e chiếm khoảng không gian rộng hơn đôi

electron liên kết nên 3 nguyên tử X – A – X không còn nằm trên cùng 1 đờngthẳng nh trong AX2, phân tử có góc: góc XAX < 1200

Cl Cl

F

F

+ AX 3 E: Phân tử hình tháp tam giác, góc liên kết < góc của tứ diện đều

(109,50)

VD: NH3; các amin

+ AX 2 E 2: Có 2 đôi e riêng nên khác với AX4 và AX3E mà phân tử có góc, do

t-ơng tác đẩy của 2 đôi e riêng → góc liên kết < 109,50

VD: H2O

+ AXE 3 : Phân tử thẳng

VD: các HX

+ AX 4 E, AX 3 E 2 , AX 2 E 3: xét từ trờng hợp AX5

phẳng tam giác vì khi đó lực đẩy tơng hỗ giữa đôi e riêng với các đôi e liênkết là nhỏ nhất

Vậy ta có thể có các dạng hình của các trờng hợp trên nh sau

liên kết trục và liên kết ngang < 900, góc liên kết ngang với liên kếtngang < 1200

VD: SF4,

hình chữ T, góc liên kết của liên kết ngang và liên kết trục < 900

11

H H

H N

F F

F

F F

F

VD: ClF3, HClO2

VD: ClF2, HOCl

+ AX 5 E, AX 4 E 2 , : xuất phát từ hình dạng của phân tử AX6

trên trục, đôi e không liên kết nằm trên trục còn lại Do đôi e không liênkết chiếm khoảng không gian lớn nên góc liên kết giữa liên kết trục vớiliên kết ngang < 900, độ dài liên kết trục < độ dài liên kết ngang ( liênkết trục bị đẩy yếu hơn so với liên kết ngang)

VD: BrF5

Tứdiện Lỡng thápđáy tam

giác

Vuôngphẳng

Thápvuông diệnBát

* Mỗi loại lai hóa có khả năng tạo ra một hay một số cấu trúc nào đó:

H O N +

O

O

-• Lai hóa sp3: Tạo cấu trúc chữ V (nh trong các phân tử H2O, H2S, …), tháptam giác (nh NH3, H3O+, …) và tứ diện (nh trong các phân tử và ion: CH4, CCl4,

NH4+, PO43-, SO42-, ClO4-, …)

O

N H H

H

H C H H

Cl Cl

Cl

tháp vuông (nh trong phân tử BrF5 …) và cấu trúc bát diện (nh: SF6, AlF63-,SiF62-…)

F F

F

F

S F

F F

F

F

b) Sự phân cực của phân tử

điện tích +q và -q cách nhau một khoảng cách l Lỡng

q và cách tay đòn l à = l.q

+q

-q l

điện

Trong hệ SI momen lỡng cực à đợc tính bằng Cm (coulomb.met) Vớiphân tử do momen lỡng cực có giá trị nhỏ nên ngời ta thờng tính theo D(Debye) với qui ớc :

3 10-29 Cm

là một lỡng cực điện và có một momen lỡng cực xác định đợc gọi là momen ỡng cực liên kết Liên kết phân cực càng mạnh thì momen lỡng cực càng lớn

l-Ví dụ: HF HCl HBr HI

Liên kết H F H Cl H Br H I

à (D) 1,83 1,08 0,82 0,44

nhận thuộc tính cộng tính của momen lỡng cực liên kết và coi momen lỡngcực của phân tử là tổng vectơ các momen lỡng cực liên kết

Ví dụ:

Với phân tử CO2 : O = C = O ⇒ ⇒à = 0

Với phân tử H2O : à ≠ 0 (à = 1,84D)

việc nghiên cứu tính chất của liên kết (khi à càng lớn, tính ion của liên kếtcàng mạnh), cấu trúc hình học của phân tử cũng nh các tính chất vật lí, hóahọc của một chất

c) Từ tính của phân tử

mặt cấu tạo, phân tử của các chất này có e cha ghép đôi ( e độc thân)

nguyên tử N :

Về mặt cấu tạo, phân tử của chất này không có e độc thân

IV Liên kết kim loại

IV.1 Định nghĩa: Liên kết kim loại là liên kết hoá học hình thành do các

electron tự do gắn kết các ion dơng kim loại trong mang tinh thể kim loại haytrong kim loại lỏng

tự do và các ion (+) kim loại

IV.2 Một số kiểu mạng tinh thể kim loại.

IV.2.1 Mạng lập phơng đơn giản:

- Đỉnh khối lập phơng là các nguyên tử kim loại

hay ion dơng kim loại; Số phối trí = 6

- Khối lăng trụ lục giác gồm 3 ô mạng cơ sở

Mỗi ô mạng cơ sở là một khối hộp hình thoi Các đỉnh

và tâm khối hộp hình thoi là nguyên tử hay ion kim

loại;

- Số phối trí = 12

IV.3 ảnh hởng của liên kết kim loại đến tính chất vật lý của kim loại

Do cấu trúc đặc biệt của mạng tinh thể kim loại mà các kim loại rắn có những tính chất vật lý chung: tính dẫn điện, tính dẫn nhiệt, tính dẻo, ánh kim Các tính chất vật lý chung đó đều do electron tự do trong kim loại gây ra.

Ngoài ra đặc điểm của liên kết kim loại: Mật độ nguyên tử (hay độ đặc khít), mật

độ electron tự do, điện tích của cation kim loại cũng ảnh hởng đến các tính chất vật lý khác của kim loại nh: độ cứng, nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, tỷ khối.

IV.4 Độ đặc khít của mạng tinh thể, khối lợng riêng của kim loại.

IV.4.1 Độ đặc khít của mạng tinh thể

a) Mạng tinh thể lập phơng tâm khối

23aaa

2a 6 3

a = 2.r

¤ c¬ së

b=

a

IV.4.2 Khèi lîng riªng cña kim lo¹i

a) C«ng thøc tÝnh khèi lîng riªng cña kim lo¹i

Ví dụ 2: Xác định khối lợng riêng của Na, Mg, K

Khối lợng riêng thực nghiệm

O H

H O

H

H

V.2 Bản chất của lực liên kết hyđro.

- Bản chất của lực liên kết hyđro là lực hút tĩnh điện

- Liên kết hiđro thuộc loại liên kết yếu, có năng lợng liên kết vào khoảng 10-40 kJ/mol, yếu hơn nhiều so với liên kết cộng hóa trị mà năng lợng liên kết vào khoảng và trăm đến vài ngàn kJ/mol, nhng lại gây nên những ảnh hởng quan trọng lên tính chất vật lí (nh nhiệt độ sôi và tính tan trong nớc) cũng nh tính chất hóa học (nh tính axit) của nhiều chất hữu cơ.

δ

Y

V.3 Điều kiện hình thành liên kết hyđrô

+ X phải có độ âm điện cao, bán kính nguyên tử phải tơng đối nhỏ( O,

Có thể có loại liên kết H liên phân tử tạo thành vòng khép kín (dạng

đime) rất bền rất khó tách nhau ra ngay cả khi bay hơi

+ Liên kết H nội phân tử: Xuất hiện trong phân tử có cả − − +

C O OH

O H

;

• Trong phân tử có liên kết H nội phân tử: ngoài ra còn có liên kết H liên phân tử nhng vô cùng khó khăn vì nó tạo ra liên kết H nội phân tử dễ dàng hơn và bền hơn liên kết H liên phân tử

b) ảnh hởng của liên kết H

+) ảnh hởng đến độ sôi, nhiệt độ nóng chảy

- Liên kết hyđro liên phân tử làm tăng nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, sức căng bề mặt

và khả năng hoà tan vào nớc của chất.

- Các chất có liên kết hyđro nội phân tử sẽ giảm khả năng tạo liên kết hyđro liên phân tử, làm giảm nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi, khả năng hoá lỏng so với hợp chất có khối lợng phân tử tơng đơng nhng có liên kết hyđro liên phân tử.

O H (II) VD

(II) có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao hơn(I).

+) ảnh hởng đến độ tan: Xét ảnh hởng của liên kết H giữa phân tử và dung

môi

- Nếu có liên kết H giữa phân tử hợp chất và dung môi thì độ tan lớn

- Những chất có khả năng tạo liên kết H nội phân tử dễ tan trong dung môikhông phân cực, khó tan trong dung môi phân cực hơn so với những chất cóliên kết H liên phân tử

VD: Do có liên kết hyđro nên H 2 O, NH 3 , HF có nhiệt độ sôi cao hơn các hợp chất có khối lợng phân tử tơng đơng(hoặc lớn hơn) nhng không có liên kết hyđro nh H 2 S, HBr, HI Liên kết hyđro của C 2 H 5 OH với H 2 O làm cho rợu etylic tan vô hạn trong nớc.

- Ngoài ra liên kết hyđro còn ảnh hởng đến khả năng cho và nhận proton(H + ), tức ảnh hởng

đến tính axit-bazơ của chất.

VD: HF tạo liên kết hyđro mạnh trong dung dịch nên tính axit của HF giảm mạnh

so với các axit HCl, HBr, HI.

VI liên kết Vanđecvan (Liên kết phân tử)

VI.1 Định nghĩa:

Liên kết Vanđecvan là liên kết hoá học đợc hình thành bằng lực húttĩnh điện rất yếu giữa các phân tử phân cực thờng trực hay phân cực tạmthời

Lực liên kết Vanđecvan hình thành giữa tập hợp của các chất rắn, lỏng,khí

VI.2 Các yếu tố ảnh hởng tới lực liên kết Vanđecvan.

Độ lớn của lực liên kết Vanđecvan phụ thuộc vào các yếu tố sau: (Ký hiệu

- Tơng tác cảm ứng : Khả năng làm phân cực hoá lẫn nhau của các

trị tự do, các hợp chất thơm là những chất dễ bị phân cực hoá, nên tơng táccảm ứng giữa chúng khá mạnh

- Tơng tác khuyếch tán : Tơng tác này phụ thuộc vào kích thớc phân

tử và lực hút giữa các phân tử Các phân tử có kích thớc càng nhỏ, càng cótính đối xứng cao và có cấu trúc tơng đồng nhau thì càng dễ khuyếch tánvào nhau (dễ tan vào nhau nếu có mặt chất lỏng)

VI.2.2 ảnh hởng của lực hút Vanđecvan đến tính chất vật lý của các chất :

O - H O

- Tơng tự ảnh hởng của liên kết hyđro nhng yếu hơn : Tơng tác Vanđecvancàng mạnh thì chất có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi càng cao, càng dễhoá lỏng, tan vào nhau đáng kể.

Ví dụ : SO2 có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao hơn CO2, do :

phân tử CO2 làm cho nhiệt độ sôi của SO2 cao hơn CO2

Chơng II:

Hệ thống bài tập liên kết hóa học dùng bồi dỡng học sinh giỏi

và học sinh chuyên hóa học.

I Cấu tạo phân tử và liên kết hóa học:

Bài 1 Hãy cho biết kiểu lai hoá của các nguyên tố và loại liên kết (σ, π) trong các hợp chất sau:

hoá của các nguyên tử trung tâm là cơ sở để xác định loại liên kết, dự

đoán hình dạng phân tử, cấu trúc không gian của phân tử từ đó dự

đoán về độ bền của phân tử, tính chất của phân tử

≡ C-CH=C=CH-CH(CH3)2; H2SO4; H3PO3; H2SO4; SO2; SO3; NH4HSO4;

KMnO4 ; K2Cr2O7; Cl2O7; H2S2O7; H2S2O8; H2O2,………

Bài 2 Axit 3-aminobenzoic có cấu tạo nh hình vẽ bên Hãy xác định hoá trị

và số oxihoá của tất cả các nguyên tố và trạng thái lai hoá của các nguyên tửtrung tâm trong công thức đã cho và giải thích

H

ớng dẫn : - Xác định hoá trị dựa vào số liên kết cộng hoá trị mà nguyên tử

nguyên tố đó liên kết với các nguyên tử khác

- Xác định số oxi hoá của H, O, N theo qui tắc chung; số oxi hoá của C theo từng nhóm nguyên tử ngăn cách với nhau bằng liên kết C-C (trong

đó tổng số oxi hoá của các nguyên tố bằng -0)

F

F

F

♣ Hoá trị C = IV, O = II , H = I và N = III

Số oxihoá : H+1, O−2 , N−3, còn những nguyên tử

cacbon có số oxihoá khác nhau:

oxihoá −1

- Nguyên tử C của liên kết C – C có số oxihoá = 0

- Nguyên tử C của liên kết C – N có số oxihoá +1

- Nguyên tử C trong nhóm -COOH có số oxihoá +3

Vì: độ âm điện N > C > H và trong nhóm –COOH liên kết bằng ba liên kết với các nguyên tử oxi âm điện hơn

hoá của các nguyên tố đặc biệt trong hợp chất hữu cơ: một nguyên tố

có thể có nhiều số oxi hoá khác nhau tuỳ thuộc vào cấu tạo của chúng

C-CH=C=CH-CH(CH3)2; H2SO4; H3PO3; H2SO4; SO2; SO3; NH4HSO4; KMnO4 ; K2Cr2O7;

Cl2O7; H2S2O7; H2S2O8; H2O2, NH4NO3, H2N-C6H4-NO2, Al4C3, ………

Bài 3 Cho phân tử: ClF3 hãy: - Viết công thức cấu tạo; Cho biết kiểu lai hoá

tử là O,55 D ; góc liên kết FClF = 870 Giải thích

H

ớng dẫn :

- Clo có 7 e ở lớp ngoài cùng ở trạng thái kích thích Cl có 3 e độc thân tạo 3 liên kết σ với 3e độc thân của F → Clo còn 2 đôi e cha liên kết →

trạng thái lai hoá của clo

- áp dụng mô hình về sự đẩy của các đôi e hoá trị → hình dạng phân

tử của clo

Lời giải

+ Cấu tạo ClF 3 : Nguyên tử Clo lai hoá sp 3 d.

+ Hình dạng phân tử: chữ T

Ba obitan lai hóa sp 3 d đợc sử dụng để tạo liên kết với

obitan p của ba nguyên tử F, còn lại hai obitan lai hóa

(trên mỗi obitan có một cặp e tự do)

Bài 4 Độ phân ly nhiệt (tính theo %) ở 1000 K của các halogen:

- Sự bất thờng từ flo đến clo: dựa vào cấu tạo nguyên tử của flo khác clo, brom, iot : do flo không có obitan d còn trống nên không tạo đợc loại liên kết

C

N

H H

H

H

H

H H

pi giữa đôi e cha liên kết của nguyên tử clo này với obitan d còn trống của nguyên tử clo kia

Lời giải:

nguyên tử tăng, độ dài liên kết tăng, năng lợng liên kết giảm

* Giải thích sự bất thờng: - Flo trong phân tử chỉ có liên kết đơn (không có obitan d)

- Clo, Brom , Iot ngoài liên kết ơ còn có liên kết π giữa các obitan d còn trống và cặp e cha liên kết

* Nhận xét: Bài tập này vận dụng ở mức độ cao hơn: HS cần nắm vững về cấu tạo nguyên tử, các yếu tố ảnh hởng đến độ bền của liên kết, sự hình thành liên kết

* HS có thể dựa vào bài tập này để giải thích sự phân li nhiệt của nhiều dãychất khác : HF, HCl, HBr, HI; hoặc H2O; H2S; H2Se; H2Te;………

Bài 5 Cho các trị số góc liên kết trong phân tử PX3: 100,30; 97,80; 101,50;

1020 và các góc liên kết IPI; ãFPF; ãClPCl; ãBrPBr Hãy gán trị số cho mỗi gócliên kết và giải thích

H

ớng dẫn : Góc liên kết phụ thuộc vào trạng thái lai hoá của nguyên tử trung

tâm và lực đẩy giữa các đôi e liên kết với nhau và đôi e không liên kết

*

Nhận xét: bài này vận dụng trạng thái lai hoá của nguyên tử trung tâm ở

mức độ cao hơn; HS cần phai nẵm vững trạng thái lai hoá và lực tơng tácgiữa các đôi e trong phân tử để giải thích

* HS vận dụng để làm các bài tập tơng tự: so sánh góc liên kết trong cácphân tử: NH3; NF3 hoặc H2O; OF2; OCl2; OBr2……

Bài 6 a) Tại sao trong các phân tử H2O,NH3 các góc liên kết ãHOH(104,290) và

a) Trong các phân tử trên, nguyên tử trung tâm ở trạng thái lai hoá sp 3 có các cặp e cha liên kết đẩy mạnh hơn cặp e đã liên kết làm cho góc liên kết nhỏ lại so với góc tứ diện.

b) Khi độ âm điện của nguyên tử trung tâm giảm (hoặc khi độ âm

điện của phối tử tăng)thì các cặp điện tử của liên kết bị đẩy nhiều về phía các nguyên tử liên kết nên chúng chỉ còn chiếm một khoảng không gian nhỏ chung quanh nguyên tử trung tâm → lực đẩy giữa các đôi e liên kết giảm xuống Độ âm điện của S < O nên góc ãHSH < góc ãHOH.

c) Độ âm điện của F >O> H nên trong phân tử OF 2 đôi e liên kết lệch về

F → lực đẩy giữa 2 đôi e liên kết giảm; trong phân tử H 2 O đôi e liên kết lệch về O → lực đẩy giữa 2 đôi e liên kết tăng → góc liên kết ãFOF < ãHOH

* Nhận xét: Bài tập này yêu cầu HS vận dụng thuyết đẩy của các căp e và sự chênh lệch về độ âm điện giữa phối tử và nguyên tử trung tâm để giải thích

- Cũng có thể mở rộng bài tập này về so sánh độ phân cực của phân tử, độ phân cực của liên kết, nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, khả năng hoà tan trong các dung môi phân cực

Bài 7 Cho các phân tử: Cl2O ; O3 ; SO2 ; NO2 ; CO2 và các trị số góc liên kết:

1200 ; 1110 ; 1320 ; 116,50 ; 1800 Hãy ghi giá trị góc liên kết trên cho phù hợpvới các phân tử tơng ứng và giải thích (ngắn gọn)

H

ớng dẫn : - Dựa vào trạng thái của nguyên tử trung tâm và độ âm điện

của nguyên tử trung tâm so với phối tử, độ âm điện của nguyên tử trung

tâm tuỳ thuộc vào trạng thái lai hoá của nguyên tử trung tâm Độ âm điện

của nguyên tố trung tâm càng mạnh → kéo các cặp e dùng chung về trung tâm → tăng lực đẩy giữa các cặp e → tăng góc liên kết.

* Góc liên kết của obitan lai hóa sp > sp 2 > sp 3

Lời giải

- Các phân tử: O 3 : (116,5 0 ); SO 2 : (120 0 ); NO 2 : (132 0 ) ; có lai hoá sp 2 nên góc liên kết nhỏ hơn CO 2 : lai hoá sp và lớn hơn Cl 2 O: lai hoá sp 3

* Mật độ e, độ lớn của obitan cha tham gia liên kết làm tăng lực đẩy khép góc → làm giảm góc liên kết.

- NO 2 có góc liên kết lớn nhất vì obitan cha tham gia liên kết chỉ có 1e nên lực đẩy khép góc kém hơn so với O 3 và SO 2 đều có obitan cha tham gia liên kết chứa cặp e.

- SO 2 có cấu trúc phân tử dạng góc rất giống O 3 nhng có góc liên kết lớn hơn một chút vì ngoài nguyên tử trung tâm S có bán kính lớn hơn nguyên tử trung tâm O, còn tồn tại một phần liên kết π kiểu p – d tạo bởi obitan p chứa cặp e tự do của phối tử O với obitan d còn trống của S làm cho lực đẩy giữa các đôi e liên kết tăng → góc liên kết tăng

- Phân tử CO 2 : lai hoá sp nên góc liên kết ≈ 180 0

- Phân tử Cl 2 O: lai hoá sp 3 : góc liên kết ≈111 0

* Nhận xét : Bài tập này yêu cầu HS ở mức cao hơn: HS phải so sánh đợc góc

liên kết của các nguyên tử trung tâm khác nhau ở các trạng thái lai hoá khác nhau

* Có thể mở rộng bài tập này về so sánh độ bền của các phân tử, các liên kết, độ phân cực của phân tử, khả năng tan trong nớc

Bài 8 Một trong ba chất hữu cơ sau: ortho-diclobenzen ; meta-diclobenzen ;

para-điclobenzen có momen lỡng cực bằng 1,53 D Hãy chỉ rõ đó là chất

nào? có giải thích, biết rằng mônôclobenzen có momen lỡng cực là 1,53D)

H

ớng dẫn: - Xác định liên kết phân cực về phía nguyên tử có độ âm điện

lớn hơn, biểu diễn nó bằng các véc tơ rồi tổng hợp theo qui tắc cộng

Vậy meta- diclo benzen có momen lỡng cực bằng 1,53D

* Nhận xét: Bài tập này có thể kết hợp với việc so sánh nhiệt độ sôi, nhiệt

độ nóng chảy, độ tan trong dung môi phân cực và không phân cực của 3

Biết A, B, C, D, E thuộc trong các chất sau:

cis - CHCl = CHCl ; cis - CH3– CH = CH – Cl ; trans - CHCl = CHCl;

trans - CH3–CH = CH–Cl và trans - CH3– CH = CH – COOH

Hãy chỉ rõ A,B,C,D,E là những chất nào? giải thích

* Nhận xét : Bài tập này yêu cầu học sinh phải có kiến thức tổng hợp về so sánh độ phân cực của các liên kết, kết hợp với tổng hợp vectơ toán học

để so sánh

Bài tập này có thể kết hợp với việc so sánh nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy,

độ tan trong dung môi phân cực và không phân cực của 3 đồng phân trên

Bài 10 Giải thích tại sao : ở nhiệt độ thờng, lu huỳnh có tính trơ về hóa

học nhng khi đun nóng thì độ hoạt động hóa học tăng ?

H

ớng dẫn : xác định cấu trúc phân tử của lu huỳnh ở nhiệt độ thờng, trạng

thái liên kết của các nguyên tử S

Lời giải : Độ âm điện của S = 2,5 cho thấy S là nguyên tố hoạt

động, nhng ở điều kiện thờng S tỏ ra trơ vì phân tử

(S 8 ) ở dạng trùng hợp mạch khép kín Khi đun nóng bị đứt ra thành những phân tử mạch hở, dễ tham gia phản ứng hơn ⇒ Độ HĐHH tăng.

Nhận xét : Bài tập này giúp HS củng cố về khả năng hoạt động hoá học của

các đơn chất phụ thuộc vào độ bền của phân tử hoặc tinh thể

- Có thể mở rộng bài tập này về so sánh độ bền của một số dạng thù hình của cùng 1 nguyên tố : C(kim cơng, than chì, C vô định hình) ; Oxi, ozon;

P (P trắng; P đỏ) hoặc so sánh độ bền khả năng hoạt động hóa học của các chất ở nhiệt độ thờng: Nitơ với Photpho; oxi với halogen (clo, brom, iot);

Bài 11 Trong phân tử HCHO có 2 góc liên kết là 1160 và 1220 Hãy cho biết đó

là góc nào? Giải thích

H

ớng dẫn : dựa vào trạng thái lai hoá của nguyên tử C trung tâm và khoảng

không gian mà đám mây e của liên kết đôi chiếm so với đám mây e của liên kết đơn

Lời giải

Theo các quy tắc Gillespie: đám mây e của liên kết

đôi “xốp” hơn và chiếm khoảng không gian lớn hơn

đám mây e của liên kết đơn Nguyên tử các bon trong

phân tử H 2 CO ở trạng thái lai hóa sp 2 có một liên kết π

nên góc ãHCO= 122 0 , còn góc ãHCH = 116 0

Bài 12: Cho 3 phân tử SCl2, F2O, Cl2O với các trị số góc đo đợc bằng 1110,

1030, 1050 Hỏi đó là những góc nào? Giải thích

H

ớng dẫn : dựa vào trạng thái lai hoá của nguyên tử C trung tâm và sự chênh

lệch về độ âm điện của nguyên tử trung tâm với phối tử, kết hợp với so sánh độ dài liên kết dựa vào bán kính nguyên tử

Lời giải :

Các phân tử trên đều thuộc loại AX 2 E 2 với lai hóa sp 3 và cấu trúc hình chữ V.

* Nguyên tử trung tâm có độ âm điện lớn hơn sẽ hút cặp e liên kết về phía mình dẫn tới sự tăng lực đẩy giữa các cặp e này và góc liên kết tăng Sự khác nhau về góc liên kết trong phân tử SCl 2 và OCl 2 đợc giải thích bằng sự khác nhau về độ âm điện của nguyên tử trung tâm, vì χO

> χS nên ãClOCl> ãClSCl

* Ngợc lại, phối tử có độ âm điện lớn hơn sẽ hút cặp e liên kết làm cho nó

xa nguyên tử trung tâm hơn, lực đẩy giảm → góc liên kết giảm Vì χF >

χCl nên ãFOF< ãClOCl.

* Do bán kính nguyên tử S > O nên cặp e liên kết ở xa nguyên tử trung tâm hơn

→ lực đẩy yếu hơn → góc liên kết nhỏ hơn → ãClSCl <ãFOF

Vậy ãClSCl = 103 0 ; ãFOF = 105 0 ; ãClOCl = 111 0

• Nhận xét : Bài tập này yêu cầu hs vận dụng tổng hợp lí thuyết về cấu tạo nguyên tử, lực đẩy giữa các đôi e liên kết để giải quyết

Bài 13 Giải thích tại sao CCl4 là hợp chất trơ, không bị thuỷ phân trong H2O,còn SiCl4 lại bị thuỷ phân rất mạnh trong H2O Viết phơng trình phản ứng

H

ớng dẫn : So sánh độ bền của liên kết C-Cl với Si-Cl và cấu tạo nguyên tử C

so với Si có đặc điểm gì khác nhau dẫn đến tính chất của chúng khác nhau

Lời giải :

Phân tử CCl 4 đã đầy đủ electron nên có tính trung hòa và trơ SiCl 4 còn obitan d trống của Si có thể nhận thêm electron nên có tính axit, đồng thời bán kính nguyên tử của Si lớn nên độ dài liên kết Si-Cl lớn hơn liên kết C- Cl nên kém bền, dễ bị thủy phân: SiCl 4 + 2H 2 O → SiO 2 + 4HCl

SiCl 4 + 4NaOH → SiO 2 + 4NaCl + 2H 2 O

H2S với H2O ;

Bài 14 Mô tả cấu trúc các phân tử N(CH3)3 và N(SiH3)3 So sánh góc liên kết CNC với SiNSi So sánh tính bazơ giữa 2 hợp chất trên

H

ớng dẫn : So sánh cấu tạo nguyên tử của C với Si từ đó suy ra trạng thái lai