Lai hoa ocbitan - Hoa 10

Cơ sở thực tiễn: Sự lai hoá các obitan nguyên tử là khái niệm quan trọng nhất của thuyết hoá trị định hướng, được Pau – linh đưa ra để giải thích sự định hướng cũng như độ bền của liên

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:

Nội dung sách giáo khoa hoá học lớp 10 nâng cao đưa vào một số vấn đề mới so với chương trình cũ, trong đó có phần: Sự xen phủ và sự lai hoá các obitan Một vấn đề khó

và trừu tượng không những đối với học sinh mà nhiều giáo viên cũng khá lúng túng Nên dạy như thế nào? truyền thụ những vấn đề gì về sự xen phủ và lai hoá; làm thế nào để học sinh dễ hiểu dễ vận dụng, phù hợp với chương trình kiến thức sách giáo khoa?

Để góp phần nâng cao chất lượng đổi mới phương pháp dạy học, xin mạnh dạn giới

thiệu đóng góp một phần kinh nghiệm bản thân qua đề tài: “ Khai thác vấn đề xen phủ

và lai hoá obitan trong hoá học lớp 10 nâng cao”

II CƠ SỞ THỰC TIỄN VÀ KHOA HỌC:

A Cơ sở thực tiễn:

Sự lai hoá các obitan nguyên tử là khái niệm quan trọng nhất của thuyết hoá trị định hướng, được Pau – linh đưa ra để giải thích sự định hướng cũng như độ bền của liên kết ở nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ (đặc biệt là phức chất )

Lai hoá các obitan là một vấn đề mới mà rất trừu tượng, cùng với sự xen phủ các obitan – chúng là những vấn đề được đưa ra sau khi học sinh đã được hình thành khái niệm về các loại liên kết Đây là những vấn đề được phát triển thêm theo quan điểm hiện đại: Thuyết liên kết hoá trị – cụ thể là:

- Liên kết hoá học được tạo nên bởi cặp electron có spin ngược chiều nhau của 2 nguyên

tử Trong đó sự xen phủ giữa những obitan của hai nguyên tử tạo nên một vùng có mật độ điện tích cao dẫn đến sự giảm thế năng của hệ, nghĩa là liên kết được hình thành

- Liên kết được hình thành theo phương trong không gian mà khả năng xen phủ giữa các obitan nguyên tử là cực đại

- Hai obitan nguyên tử xen phủ với nhau càng nhiều thì liên kết được tạo ra càng bền

Sự xen phủ các obitan và lai hoá các obitan là những nội dung khó đối với học sinh nhưng đây là vấn đề mới , dễ hấp dẫn các em Đối với giáo viên, việc hiểu sâu sắc về bản chất vấn đề để từ đó với nghiệp vụ sư phạm của mình làm cho các em hiểu khái niệm về

sự xen phủ các obitan, sự lai hoá các obitan nguyên tử, nắm được một số kiến thức lai hoá điển hình và vận dụng kiến thức lai hoá để giải thích dạng hình học của phân tử là vấn đề không đơn giản

B Cơ sở khoa học:

1 Sự xen phủ obitan:

Thuyết liên kết hoá trị (viết tắt là thuyết VB ) và thuyết obitan phân tử (viết tắt là

Những trường hợp mà các obitan xen phủ nhau nhiều, sự xen phủ dương làm tăng xác suất tìm thấy electron vùng nằm giữa hai hạt nhân dẫn đến sự hút nhau giữa hai nguyên

tử tạo nên liên kết mạnh

Ví dụ:

s - s s - p p - p

+ _ + + _

p - p p - d

Ngược lại sự xen phủ âm làm giảm xác suất tìm thấy của các electron ở vùng nằm giữa hai hạt nhân dẫn đến sự đẩy nhau giữa hai nguyên tử và liên kết không được hình thành

Ví dụ:

+ _ +

s - p

p - p

Ngoài ra còn có sự xen phủ triệt tiêu, tuy có sự xen phủ giữa các obitan nguyên tử nhưng không tạo ra lực đẩy hay hút giữa hai nguyên tử nghĩa là các nguyên tử ở trạng thái không liên kết

Ví dụ:

s - p p - d

2 Quan niệm về sự lai hoá:

Obitan nguyên tử là một hàm toán học nên hình dạng các obitan nguyên tử được biểu diễn bằng mô hình toán học Chẳng hạn obitan p hình số 8 nổi; nghĩa là mật độ xác suất tìm thấy electron p là khối số 8 nổi- đây là một biểu thức toán học , không phải là electron chuyển động theo hình số 8 nổi

Qua thực nghiệm cho thấy 4 liên kết C – H trong phân tử CH4 giống hệt nhau và có góc liên kết HCH = 1090 28’ , Slây - tơ và Pau- linh đã đề ra quan niệm lai hoá của các obitan trong một nguyên tử Theo đó - khi tạo thành liên kết, những electron hoá trị của một nguyên tử không tham gia một cách riêng rẽ với nhau mà các hàm sóng của chúng tức là các obitan nguyên tử trộn lẫn với nhau hay nói một cách toán học là chúng tổ hợp với nhau thành những tổ hợp tốt nhất để có thể tạo nên liên kết bền hơn Các tổ hợp tốt nhất đó là các hàm sóng tương đương nhau, trong mỗi hàm có một phần giống nhau của obitan này và một phần giống nhau của obitan khác của nguyên tử Chẳng hạn trong ví dụ trên: 4 hàm sóng tương đương của C là 4 obitan lai hoá sp3; trong đó mỗi obitan lai hoá chứa một phần như nhau của obitan 2s (

4

1

Ψ 22s ) và một phần như nhau của obitan 2p (

4

3

Ψ 2 2p )

Hiện tượng tổ hợp giữa các obitan trong một nguyên tử gọi là hiện tượng lai hoá Các hàm sóng tương đương với nhau được tổ hợp nên gọi là obitan lai hoá Những obitan lai hoá của một nguyên tử có kích thước và hình dạng hoàn toàn giống nhau nhưng chỉ khác nhau về phương ở trong không gian

3 Các kiểu lai hoá thường gặp:

3.1.Lai hoá sp:

Ví dụ: Xét sự lai hoá của obitan s và obitan p (ví dụ obitan pz ) Giữa 2 obitan đó có 2 tổ hợp:

sp

Ψ

1

( Ψs + Ψp)

sp

Ψ

1

( Ψs - Ψp) Obitan s mang dấu dương còn obitan p có phần dương và phần âm Cộng hai obitan này lại sẽ được obitan lai hoá thứ nhất nằm dọc trục z; phần dương của nó lớn ra và nằm trong phần dương của trục z, còn phần âm bé lại và nằm trong phần âm của trục z Ngược lại tổ hợp trừ của hai obitan s và p cho một obitan lai hoá thứ hai có kích thước và hình dạng giống với obitan lai hoá thứ nhất ; cùng nằm trên trục z nhưng có chiều ngược lại Trục hai obitan lai hoá làm với nhau một góc 1800 Mỗi obitan có kích thước lớn hơn

về một phía cho nên có thể tạo nên liên kết bền hơn so với liên kết tạo nên bởi riêng

spa

spb

Lai hoá sp được gặp trong phân tử BeH2 , C2H2, BeCl2 …Kiểu lai hoá sp xảy ra khi tạo thành muối halogenua của các nguyên tố như Be, Zn ,Cd, Hg…Nguyên tử những nguyên tố này ở trạng thái cơ bản có 2 electron đã ghép đôi- khi bị kích thích thì 1 electron s chuyển thành electron p và nguyên tử có 2 electron độc thân Để tạo thành liên kết với các nguyên tử halogen hai hàm sóng các electron s và p nghĩa là các obitan s và p

tổ hợp với nhau tạo thành 2 obitan lai hoá sp, mỗi obitan lai hoá có một electron độc thân Hai obitan lai hoá đó nằm trên cùng một đường thẳng sẽ xen phủ với 2 obitan p cùng nằm trên đường thẳng- ví dụ phân tử BeCl2:

Còn với phân tử BeH2 lại có sự xen phủ của 2 obitan lai hoá sp của nguyên tử Be với

2 obitan s của 2 nguyên tử H

+ + + +

3.2 Lai hoá sp 2 :

Đây là sự tổ hợp của obitan s và 2 obitan p tạo nên 3 obitan lai hoá sp2 nằm trong cùng một mặt phẳng và làm với nhau những góc 1200

Giả sử hai obitan p tham gia tổ hợp là px và py ; một trong ba obitan lai hoá sp2 đó nằm trên trục x ; các obitan lai hoá có các hàm sóng như sau:

Ψsp2a= 13 ( Ψs + 2 Ψpx )

Ψsp2b= 13 ( Ψs - Ψpx

2

1

+ Ψpy

2

Ψsp2c= 13 ( Ψs - Ψpx

2

1

- Ψpy

2

Kiểu lai hoá sp2 xẩy ra khi tạo thành các hợp chất của nguyên tố B chẳng hạn; ở trạng thái kích thích, nguyên tử B có 3 electron độc thân: 1 electron s và 2 electron p Nhờ sự lai hoá sp2, nguyên tử B có 3 obitan lai hoá giống nhau, có trục nằm trong cùng một mặt phẳng và làm với nhau những góc 1200 Mỗi obitan lai hoá có một electron độc thân đã xen phủ với obitan nguyên tử nguyên tố khác để tạo thành liên kết

Nếu nguyên tố khác là nguyên tố F chẳng hạn thì phân tử BF3 có cấu tạo hình tam giác đều với nguyên tử B nằm ở trọng tâm của tam giác và 3 nguyên tử F ở ba đỉnh của tam giác

Kiểu lai hoá này còn gặp trong các phân tử như C2H4 …

F F

F B

x

1200

1200

spa2

spc2

Năm liên kết σ nằm trong cùng một mặt phẳng, bao gồm 4 liên kết C – H và một liên kết

C- C Các góc liên kết HCH, HCC đều có giá trị 1200 Hai obitan p cuối cùng không tham gia lai hoá của nguyên tử C sẽ xen phủ với nhau để tạo nên liên kết Π C – C

3.3 Lai hoá sp 3 :

Đây là sự tổ hợp của obitan s và 3 obitan p tạo nên 4 obitan lai hoá sp3 giống nhau

về kích thước và hình dạng hướng tới 4 đỉnh của một tứ diện đều mà tâm là hạt nhân nguyên tử

Trục các obitan làm với nhau những góc 1090 28| và tứ diện đều có được khi ta lấy các đỉnh đối diện của một hình lập phương mà tâm là hạt nhân nguyên tử

Phương của 4 obitan lai hoá sp 3

Nếu quy ước hệ toạ độ của nguyên tử đó như hình trên thì các obitan lai hoá sp3 có các hàm sóng như sau:

3

sp

Ψ a= 12 ( Ψs+ Ψpx + Ψpy + Ψpz) Ψsp3c= 21 ( Ψs+ Ψpx - Ψpy -

pz

Ψ )

3

sp

Ψ b= 12 ( Ψs- Ψpx - Ψpy + Ψpz) Ψsp3d= 21 ( Ψs- Ψpx + Ψpy -

pz

Ψ )

Kiểu lai hoá sp3 xảy ra khi tạo thành các hợp chất của các nguyên tố như C, Si, Ge, …

ví dụ: CH4 , H2O, NH3 …

spc3

spd3

spb3

y z

x

spa3

Chẳng hạn : Phân tử NH3 có dạng khối tứ diện, nguyên tử N làm đỉnh và 3 nguyên tử

H ở đỉnh của tam giác đều làm đáy:

.

N

Nguyên tử N ở trạng thái lai hoá sp3 Một obitan lai hoá có cặp electron không liên kết, còn 3 obitan lai hoá khác mỗi obitan có một electron độc thân xen phủ với

obitan 1s có electron độc thân của 3 nguyên tử H tạo thành 3 liên kết σ

Ngoài ra khi có obitan d tham gia lai hoá thì còn có các kiểu lai hoá dsp2,sp3d,

sp3d2…

4 Điều kiện để trạng thái lai hoá obitan của nguyên tử xảy ra và tạo được liên kết bền:

- Các obitan chỉ được lai hoá với nhau khi năng lượng của chúng xấp xỉ bằng nhau

- Mật độ electron của các obitan nguyên tử tham gia lai hoá phải đủ lớn để độ xen phủ của obitan lai hoá với obitan nguyên tử khác đủ lớn để tạo ra liên kết bền

III NỘI DUNG KHAI TH ÁC:

1 Sự xen phủ obitan:

Sách giáo khoa Hoá 10 nâng cao khi đề cập đến vấn đề xen phủ của các obitan thì có nêu sự hình thành các phân tử: H2, Cl2, HCl, H2S do sự hình thành một hay nhiều cặp electron dùng chung Sự hình thành liên kết trong phân tử H2: đó là do 2 obitan 1s của hai nguyên tử H xen phủ với nhau tạo thành một vùng xen phủ giữa hai hạt nhân nguyên

tử Xác suất có mặt của các electron tập trung chủ yếu ở khu vực giữa hai hạt nhân Vì vậy ngoài lực đẩy tương hỗ giữa hai proton và hai electron còn có lực hút giữa các electron với hai hạt nhân hướng về tâm nguyên tử Liên kết cộng hoá trị giữa hai nguyên tử H trong phân tử H2 là một liên kết hoá học bền

Cần hiểu rõ hơn là theo thuyết MO, trong phân tử H2 quan hệ giữa những obitan nguyên tử 1sa , 1sb với những obitan phân tử σ slk, σ s* được trình bày ở giản đồ năng lượng

H

H H

+

Hai electron trong phân tử H2 được xếp vào obitan phân tử σ slk do đó cấu hình electron phân tử H2 là (σ slk )2 nên phân tử H2 bền Trong phân tử Cl2 có sự xen phủ giữa 2 obitan p chứa electron độc thân của mỗi nguyên tử Cl Còn trong phân tử HCl, liên kết hoá học hình thành nhờ sự xen phủ giữa obitan 1s của nguyên tử H và obitan 3p có 1 electron độc thân của nguyên tử Cl Nội dung bài 18 sau phần lai hoá có giới thiệu thêm sự xen phủ trục và sự xen phủ bên; Xen phủ trục là sự xen phủ mà trục các obitan tham gia liên kết trùng với đường nối tâm của hai nguyên tử + + _ + + _ + + _

Sự xen phủ trục tạo nên liên kết σ bền vững Trong các phân tử Cl2, HCl ở trên đều có sự xen phủ trục, vì thế đều tạo ra liên kết bền ( liên kết σ ) Còn sự xen phủ trong đó trục các obitan liên kết song song với nhau và vuông góc với đường nối tâm của hai nguyên tử liên kết gọi là sự xen phủ bên + +

_ _

Sự xen phủ bên tạo nên liên kết Π kém bền

Chúng ta cần lưu ý rằng chỉ có sự xen phủ dương mới dẫn đến sự hút nhau giữa hai nguyên tử và tạo nên liên kết mạnh Giáo viên có thể ngộ nhận trường hợp nào có sự xen phủ đều tạo liên kết; nhưng thực tế chỉ có những trường hợp sau mới tạo nên liên kết:

1sa 1sb

s

*

slk

_ _ _

+ + + + + +

+ + _ _ _ +

ở bài “Liên kết cộng hoá trị”, khi nói đến sự hình thành phân tử H2S, từ sự xen phủ của obitan 1s của hai nguyên tử H với hai obitan 2p của nguyên tử S thì đáng lẽ góc liên kết HSH phải là 900 do hai obitan p của nguyên tử S có trục tạo với nhau một góc 900 nhưng trên thực tế góc liên kết HSH là 920 ở đây cần phải hiểu rằng sự sai lệch trên thực nghiệm so với lý thuyết là do có sự phân cực liên kết Tuy nhiên dựa vào sự xen phủ cực đại giữa các obitan nguyên tử s và p có thể giải thích được hình dạng nhiều phân tử nhưng cách giải thích đó hoàn toàn không thể áp dụng cho các nguyên tố như: C, Si, Be, B… và vì thế nên thuyết lai hoá ra đời 2 Khái niệm về sự lai hoá: Để đưa ra khái niệm về sự lai hoá, sách giáo khoa đã đưa ra ví dụ về phân tử CH4 Từ công thức cấu tạo của phân tử CH4 :

Giáo viên nên giới thiệu luôn cả mô hình phân tử CH4; Nguyên tử C làm tâm và 4 nguyên tử H là 4 đỉnh của tứ diện đều và các góc liên kết HCH đều bằng 1090 28’ Mà từ cấu hình electron của nguyên tử C* s - s s - p p - p p - p p - d - - +

+ +

-H

H

H H

C

H

H

H

Thấy rằng 4 electron hoá trị tạo ra 4 liên kết C- H không giống nhau ( gồm 1 electron s và 3 electron p ) mà vẫn tạo được 4 liên kết giống hệt nhau Để giải thích hiện tượng này các nhà hoá học Slây – tơ và Pau – linh đã đề ra thuyết lai hoá , theo

thuyết này đã có sự tổ hợp “trộn lẫn” một số obitan trong một nguyên tử, và trong

trường hợp trên chính là obitan 2s đã tổ hợp “ trộn lẫn” với 3 obitan 2p để tạo ra 4 obitan lai hoá sp3 giống hệt nhau, bốn obitan lai hoá này xen phủ với 4 obitan 1s của 4 nguyên tử H tạo ra 4 liên kết C- H hoàn toàn giống nhau

Sự lai hoá obitan nguyên tử là sự tổ hợp “ trộn lẫn” một số obitan trong một

nguyên tử để được từng ấy obitan lai hoá giống nhau nhưng định hướng khác nhau trong không gian.

Khái niệm về tổ hợp “ trộn lẫn” để đỡ trừu tượng đối với học sinh ; chúng ta có thể nhắc đến phương pháp lai trong nông nghiệp để học sinh dễ liên hệ; chẳng hạn cho lai vài giống cây khác nhau để tạo ra một giống mới mang một số đặc tính của cả cây “bố” lẫn cây “mẹ”.ở đây, mỗi obitan lai hoá kết hợp được cả tính chất của các obitan ban đầu tạo nên nó Ví dụ: Obitan lai hoá sp3 là kết quả của sự tổ hợp giữa một obitan s và ba obitan p trong một nguyên tử , mỗi obitan lai hoá kết hợp được cả tính chất của obitan s

và obitan p sinh ra nó

Khi dạy các kiểu lai hoá thường gặp cần hiểu rõ hơn bản chất của các kiểu lai hoá

sp, sp2 , sp3, nhấn mạnh điều kiện để trạng thái lai hoá obitan của các nguyên tử xảy ra

và tạo được liên kết bền:

- Các obitan chỉ được lai hoá với nhau khi mức năng lượng của chúng xấp xỉ nhau; trong các trường hợp lai hoá thường xẩy ra như sp, sp2,sp3 thì các electron s và p phải thuộc cùng một lớp - ví dụ như: 2s và 2p

- Mật độ electron của các obitan tham gia lai hoá phải đủ lớn để độ xen phủ của obitan lai hoá với obitan nguyên tử khác đủ lớn để tạo ra liên kết bền; vấn đề này liên quan đến phương và trục của các obitan lai hoá

ở sách giáo khoa lần lượt giới thiệu:

Lai hoá sp: Là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết

tạo thành 2 obitan lai hoá sp nằm thẳng hàng với nhau hướng về hai phía- lai hoá đường thẳng Cần cho học sinh thấy rõ những loại hợp chất có kiểu lai hoá sp thường gặp có dạng AB2 như: BeCl2, ZnCl2, BeH2 hay C2H2…

Lai hoá sp là nguyên nhân dẫn đến tính thẳng hàng ( góc liên kết bằng 1800 ) của các liên kết trong những phân tử trên

Lai hoá sp 2 : Là sự tổ hợp của 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyên tử tạo thành 3

obitan lai hoá sp2 cùng nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ tâm đến đỉnh của tam giác đều – lai hoá tam giác.Thực tế hình dạng của phân tử BF3 là hình dạng tam giác đều nên ta chọn kiểu lai hoá sp2 để giải thích liên kết Giáo viên giới thiệu những hợp chất

AB3 có kiểu lai hoá sp2 thường gặp như BF3, BCl3, SO3 hay C2H4…

Lai hoá sp 3 : Là sự tổ hợp của 1 obitan s với 3 obitan p của một nguyên tử tham gia liên

kết tạo thành 4 obitan lai hoá sp3 định hướng từ tâm đến 4 đỉnh của một tứ diện đều – lai