Chuyên đề: ‘lai hoá” trong liên kết hoá học và chuyên đề “ nhiệt hoá học”

Trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi của các trường THPT hiện nay thường gặp những hạn chế về kết quả. Điều đó xuất phát từ nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân chủ yếu thường là do nội dung bồi dưỡng. Do vậy, sau khi chọn được học sinh có khả năng chúng ta cần lập kế hoạch cho học sinh và lập kế hoạch cho mình, tránh tình trạng thích đâu dạy đó, thiếu định hướng và thiếu tính liên thông trong hệ thống chương trình.

BÁO CÁO THAM LUẬN CHUYÊN ĐỀ: CHỌN LỰA VÀ SƯU TẦM TÀI LIÊU, NỘI DUNG GIẢNG DẠY

BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

I LÍ DO CHỌN CHUYÊN ĐỀ

Hiền tài là nguyên khí quốc gia Vì vậy, việc phát hiện và bồi dưỡng nhân tài cho đất nước

là nhiệm vụ quan trọng của ngành giáo dục Ở bậc THPT vấn đề này được thực hiện thông qua việc bồi dưỡng học sinh tham gia các kì thi học sinh giỏi các cấp Dể đạt được kết quả cao trong công tác bồi dưỡng đòi hỏi nhiều yếu tố nhưng một trong những yếu tố quan trọng nhất là xây dựng chương trình bồi dưỡng thông qua việc chọn lựa, sưu tầm tài liệu và nội dung giảng dạy

II TẦM QUAN TRỌNG CỦA CHUYÊN ĐỀ

Trong công tác bồi dưỡng học sinh giỏi của các trường THPT hiện nay thường gặp những hạn chế về kết quả Điều đó xuất phát từ nhiều nguyên nhân nhưng nguyên nhân chủ yếu thường là do nội dung bồi dưỡng Do vậy, sau khi chọn được học sinh có khả năng chúng tacần lập kế hoạch cho học sinh và lập kế hoạch cho mình, tránh tình trạng thích đâu dạy đó, thiếu định hướng và thiếu tính liên thông trong hệ thống chương trình

III THỰC TRẠNG CỦA CHUYÊN ĐỀ

Đa số các nội dung thi học sinh giỏi đã có trong chương trình sách giáo khoa nhưng với thời lượng quá ít và nội dung kiến thức cũng hết sức đơn giản Để rút ngắn khoảng cách giữa nội dung kiến thức được học và nội dung thi học sinh giỏi cần thiết phải trang bị cho

cả giáo viên và học sinh những kiến thức nâng cao ngang tầm chương trình đại học nhưng vẫn đảm bảo mức độ hợp lý, phù hợp với trình độ học sinh phổ thông Thực tế hiện nay việc tìm một tài liệu nào đó để bồi dưỡng học sinh giỏi là không khó: có thể qua các sách nâng cao, tài liệu tham khảo, internet… Song chương trình bồi dưỡng vẫn chưa có sách hướng dẫn chi tiết, cụ thể từng buổi, từng tiết như chương trình chính khoá Vì vậy đòi hỏi giáo viên giảng dạy phải tự tìm tòi, chọn lọc, sắp xếp cho phù hợp với khă năng lĩnh hội của học sinh qua từng năm

IV NỘI DUNG

Việc chọn lựa, sưu tầm tài liệu, nội dung giảng dạy được tiến hành như sau:

+ Nắm được ma trận đề thi theo từng năm cho từng khối lớp

+ Xác định chuyên đề cụ thể mà bản thân mỗi giáo viên sẽ chọn bồi dưỡng cho học sinh+ Tìm tài liệu trên sách báo, internet, giáo trình đại học…ứng với các chuyên đề đã lựa chọn.Trong đề thi học sinh giỏi đặc biệt học sinh giỏi quốc gia phần kiến thức nặng nhất theo tôi là phần hoá học lập thể,cơ chế phản ứng, hợp chất dị vòng Đây là kiến thức khó không chỉ đối với học sinh mà ngay cả đối với giáo viên khi giảng dạy về phần này cũng gặp nhiều lúng túng Do đó học sinh của chúng ta thường không có điểm trong phần này Vìvậy cần có sự đầu tư hơn nữa cho mảng kiến thức này

+ Sắp xếp các kiến thức theo mức độ từ cơ bản đến nâng cao

+ Sau mỗi chuyên đề cần có 1 đến 2 bài tập điển hình để nắm vững kiến thức lí thuyết sau

đó cho thêm một số bài tập nâng cao để học sinh vận dụng thành thạo Một số bài tập không

có quy luật chung cần cho học sinh làm nhiều hơn và trước những bài tập có quy luật

Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ rằng, độ bền của 4 liên kết C-H đều bằng nhau và các gócliên kết HCH đều bằng 109028’ Để giải thích khó khăn này người ta đã đưa ra thuyết laihoá

Nội dung:

Thuyết lai hóa cho rằng các obital nguyên tử (gọi tắt là AO) khác nhau của mộtnguyên tử gần nhau về năng lượng có thể tổ hợp tuyến tính với nhau để tạo ra các AOnguyên tử mới tương đương nhau

Các obtal này gọi là obital lai hóa

Như vậy: sự lai hóa orbital nguyên tử là sự tổ hợp “ trộn lẫn” một số orbital trong mộtnguyên tử để được từng ấy obital lai hóa giống nhau nhưng định hướng khác nhau rongkhông gian

1.2 Đặc điểm các orbital lai hóa

+ Các AO lai hóa có hình dạng và kích thước hoàn toàn giống nhau, chỉ khác nhau vềđịnh hướng trong không gian

+ Có bao nhiêu obital tham gia tổ hợp, sẽ tạo nên bấy nhiêu obital lai hóa

1.3 Hình dạng orbital lai hóa

+ Chỉ xét lai hoá của nguyên tử trung tâm

+ Sự xen phủ các AO lai hoá chỉ tạo liên kết đơn

2 MỘT SỐ KIỂU LAI HÓA

2.1 Lai hóa sp

- Sự hình thành: Lai hóa sp là sự tổ hợp 1 AOs và 1AOp tạo ra 2AO lai hóa sp

- Định hướng trong không gian của các AO lai hóa: 2AO lai hóa nằm thẳng hàng vàhướng về hai phía, đối xứng nhau

2.2 Lai hóa sp 2

- Sự hình thành: Lai hóa sp2 là sự tổ hợp 1AOs và 2AOp tạo ra 3AO lai hóa sp2

- Định hướng trong không gian của các AO lai hóa: 3AO lai hóa định hướng từ tâmđến 3 đỉnh của tam giác đều

2.3 Lai hóa sp 3

- Sự hình thành: Lai hóa sp3 là sự tổ hợp 1AOs và 3AOp tạo ra 4AO lai hóa sp3

- Định hướng trong không gian của các AO lai hóa: 4AO lai hóa định hướng từ tâmđến 4 đỉnh của tứ diện đều

3.1 Khái quát thuyết sức đẩy VSEPR

Công thức nguyên (AXm) của một chất cho ta biết số nguyên tử mà nó có Biết côngthức này là cần thiết nhưng chưa đủ để xác định cấu trúc của phân tử vì chính số electrronhóa trị tổng cộng mới đóng vai trò quyết định

Thuyết VSEPR cho phép ta xác định gần đúng cấu hình không gian của phân tử chất màkhông chứa các nguyên tố chuyển tiếp Thuyết này giúp chúng ta tiên đoán một cách kháchính xác các góc hoá trị trong phân tử có cặp electron không phân chia hoặc phân tử cóliên kết bội

Luận điểm chính:

+ Các cặp electron hoá trị của một nguyên tử luôn luôn đẩy nhau và do đó, mọi cặpelectron liên kết và không liên kết, có khi là electron dộc thân ở lớp ngoài cùng, đều cư trúmột cách thống kê ở cùng một khoảng cách xác định so với hạt nhân Các electron tươngứng đẩy nhau và định vị ở những vị trí làm cực tiểu hoá lực đẩy electron

Từ đó, người ta hình dung bất kì một phân tử chất nào cũng đều có công thức chung:

AXnEm.

Trong đó, A: kí hiệu nguyên tử trung tâm (đây là nguyên tử có độ âm diện nhỏ nhấttrừ H)

X: kí hiệu của nguyên tử bao quanh nguyên tử trung tâm (nguyên tử biên)

n: Số liên kết đơn giữa nguyên tử trung tâm và nguyên tử biên

E: Kí hiệu của cặp electron không phân chia hay không tham gia liên kết

m: Là số cặp electron không phân chia hay không tham gia liên kết

Tổng (m+n) quyết định cấu trúc hình học của phân tử chất

0 AX5E0 Tháp đôi 3 phương PCl5, AsF5

1 AX4E1 Tứ diện không đều TeCl4

4 CÁCH XÁC ĐỊNH NHANH KIỂU LAI HÓA

Để biết được lai hóa theo kiểu nào, cần tiến hành các bước sau:

- Xác định nguyên tử trung tâm (thường là nguyên tử có độ âm điện bé nhất trừ H) Khi xác định lai hoá, chỉ xét lai hoá của nguyên tử trung tâm

- Viết công thức cấu tạo của phân tử (cấu hình Lewis)

- Xác định được nguyên tử trung tâm có bao nhiêu liên kết xich ma (б) với các

nguyên tử biên (gọi là X) và còn bao nhiêu cặp electron không tham gia liên kết (gọi là E)

- Số AO lai hoá bằng tổng số liên kết xich ma (б) và số cặp eletron không tham gia liên kết

Ví dụ: Xét phân tử NH3

+ Nguyên tử trung tâm là N

Cấu hình electron của N ở trạng thái cơ bản: 1s22s22p3

+ Công thức cấu tạo:

=> Kiểu lai hoá của N là lai hoá sp3

Dạng hình học của phân tử : tháp tam giác

Mặc dù lai hoá của N là lai hoá sp3 tuy nhiên trong 4 AO lai hoá của N có 3 AO laihoá chứa electron độc thân sẽ xen phủ với 3 AO 1s của 3 nguyên tử H tạo thành 3 liên kết σcòn lại 1AO lai hoá chứa 1cặp electron không tham gia liên kết Cặp eletron không thamgia liên kết này chiếm một khoảng không gian lớn hơn (do tương tác đẩy giữa các cặp e) sovới các cặp electron liên kết do đó các góc liên kết HNH đều ≈ 1070, nhỏ hơn góc tứ diện.Phân tử không có cấu trúc tứ diện mà có cấu trúc tháp tam giác

5 VẬN DỤNG

Bài 1 Cho phân tử NF3 Trên cơ sở thuyết lai hoá hãy cho biết cấu trúc hình học củaphân tử trên Tính định hướng của liên kết cộng hoá trị thuần tuý có giải thích được dạnghình học của phân tử đó không ? tại sao?

Thực nghiệm xác nhận góc FNF gần bằng 1020, nghĩa là gần với góc tứ diện

Vậy thuyết lai hoá đã dự đoán góc FNF gần sát với thực tế hơn.

Bài 2 Hãy xác định dạng hình học của các phân tử sau: SO2, SO3, BeCl2, PH3, CHCl3

Hướng dẫn:

S trong SO2 có lai hoá sp2, phân tử có cấu trúc góc

S trong SO3 có lai hoá sp2, phân tử có cấu trúc tam giác đều

Be trong BeCl2 có lai hoá sp, phân tử có cấu trúc thẳng

P trong PH3 có lai hoá sp3, phân tử có cấu trúc tháp tam giác

C trong CHCl3 có lai hoá sp3, phân tử có hình tứ diện không đều vì các nguyên tử liênkết với C không phải đều giống nhau

âm điện nhỏ hơn O nên góc 

2 s 2 p

sp 3

Trong NH3 một obitan lai hóa sp3 có cặp electron không liên kết, còn 3 obitan lai hóa sp3

khác với 1 electron độc thân xen phủ với 1 obitan s của nguyên tử H có 1 electron, tạo ra cácliên kết σ bền vững

Bài 5 (HSG QG 2009)

Sử dụng mô hình về sự đẩy nhau của các cặp electron hóa trị (mô hình VSEPR), dự đoán dạng hình học của các ion và phân tử sau: BeH2, BCl3, NF3, SiF62-, NO2+, I3-

Hướng dẫn giải:

BeH2: dạng AX2E0 Phân tử có dạng thẳng: H−Be−H

BCl3: dạng AX3E0, trong đó có một “siêu cặp” của liên kết đôi B=Cl Phân tử có dạng tam giác đều, phẳng

NF3: dạng AX3E1 Phân tử có dạng hình chóp đáy tam giác đều với N nằm ở đỉnh chóp Góc FNF nhỏ hơn 109o29’ do lực đẩy mạnh hơn của cặp electron không liên kết

SiF62-: dạng AX6E0 Ion có dạng bát diện đều

NO2+: dạng AX2E0, trong đó có 2 “siêu cặp” ứng với 2 liên kết đôi N=O ([O=N=O]+) Ion

có dạng đường thẳng

I3-: dạng AX2E3, lai hoá của I là dsp3, trong đó 2 liên kết I−I được ưu tiên nằm dọctheo trục thẳng đứng, 3 obitan lai hoá nằm trong mặt phẳng xích đạo (vuông góc với trục)được dùng để chứa 3 cặp electron không liên kết Ion có dạng đường thẳng

BÀI 6 (HSG QG 2003 - B ảng A):

Nhôm clorua khi hoà tan vào một số dung môi hoặc khi bay hơi ở nhiệt độ không

quá cao thì tồn tại ở dạng dime (Al2Cl6) Ở nhiệt độ cao (7000C) dime bị phân li

thành monome (AlCl3) Viết công thức cấu tạo Lewis của phân tử dime vàmonome; Cho biết kiểu lai hoá của nguyên tử nhôm

Hướng dẫn giải:

* Viết công thức cấu tạo Lewis của phân tử dime và monome

Nhôm có 2 số phối trí đặc trưng là 4 và 6 Phù hợp với quy tắc bát tử, cấu tạo Lewis của phân tử dime và monome:

* Kiểu lai hoá của nguyên tử nhôm : Trong AlCl 3 là sp2 vì Al có 3 cặp electron hoá trị;

Trong Al2Cl6 là sp3 vì Al có 4 cặp electron hoá trị

BÀI 7 ( OLYMPIC HÓA HỌ C SINH VIÊN TOÀN QUÓC 2005 - B ảng A)

Hãy cho biết cấu hình hình học của phân tử và ion dưới đây, đồng thời sắp xếp các góc liên kết trong chúng theo chiều giảm dần Giải thích

a) NO2; NO2+; NO2- b) NH3; NF3

Hướng dẫn giải:

1) Để giải thích câu này ta có thể dùng thuyết VSEPR hoặc thuyết lai hóa (hoặc kết hợp cả hai) a)

O O

sp2 O spN O Osp2 O

(1) và (3): hình gấp khúc (2) : thẳngGóc liên kết giảm theo thứ tự sau: (2) – (1) – (3) do ở (2) không có lực đẩy electronhóa trị của N không tham gia liên kết, ở (1) có một electron hóa trị của N không liên kếtdẩy làm góc ONO hẹp lại đôi chút Ở (3) góc liên kết giảm nhiều hơn do có 2 electronkhông liên kết của N đẩy



1.2 HỆ VÀ MÔI TRƯỜNG:

- Hệ mở: hệ trao đổi chất và năng lượng với môi trường.

- Hệ kín: Hệ chỉ trao đổi năng lượng với môi trường.

- Hệ đoạn nhiệt: Hệ không trao đổi nhiệt với môi trường.

* Quy ước:

Hệ nhận năng lượng của môi trường  năng lượng mang dấu +

Hệ nhường năng lượng cho môi trường  năng lượng mang dấu

-1.3 BIẾN ĐỔI THUẬN NGHỊCH:

Nếu hệ chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác một cách vôcùng

chậm qua liên tiếp các trạng thái cân bằng thì sự biến đổi này được gọi là thuận nghịch.Đây là sự biến đổi lí tưởng không có trong thực tế

1.4 SỰ BIẾN ĐỔI BẤT THUẬN NGHỊCH: là sự biến đổi được tiến hành với vận tốc

đáng kể Những phản ứng trong thực tế đều là biến đổi bất thuận nghịch

1.5 HÀM TRẠNG THÁI: là hàm mà giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào các thông số

trạng thái của hệ, không phụ thuộc vào những sự biến đổi trước đó

Ví dụ: P.V = hàm trạng thái

14

P1.V1 = n.RT1 ; P2.V2 = n.R.T2

1.6 CÔNG (W) VÀ NHIỆT (Q)

- Là 2 hình thức trao đổi năng lượng

- W, Q không phải là hàm trạng thái vì giá trị của chúng phụ thuộc vào cách biến đổi

Ví dụ: Công của sự giãn nở khí lí tưởng từ thể tích V1 đến V2 ở to = const trong 1 xilanhkín nhờ 1 pittông được tính bằng công thức:

W = - P n .dV

2

1

 (Pn : áp suất bên ngoài)

* Nếu sự biến đổi là BTN thì Pn = Pkq = const

* Nếu sự biến đổi là thuận nghịch: Giảm Pn những lượng vô cùng bé để thể tích khí tăngnhững lượng vô cùng bé Khi đó Pn mỗi lúc thực tế = P ở bên trong xi lanh = Pk

* Các quá trình thuận nghịch sinh công lớn nhất khi hệ biến đổi từ trạng thái 1 sang trạngthái 2 Lượng công này đúng bằng lượng công cần thiết đưa hệ về trạng thái ban đầu mộtcách thuận nghịch

1.7 NỘI NĂNG U:

- U của một chất hay một hệ gồm động năng của các phần tử và thế năng tương tác giữacác phần tử trong hệ đó

- U là đại lượng dung độ và là hàm trạng thái

- U của n mol khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

1.8 NGUYÊN LÍ I CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC: (SỰ BIẾN ĐỔI NỘI NĂNG CỦA HỆ).

 QP = H2 - H1 = H = sự biến thiên entanpi của hệ.

thêm 1o trong điều kiện đẳng áp (mà trong quá trình không có sự biến đổi trạng thái)

T

U



 +

T

V P



 = CV + R

Q, W: Không phải là hàm trạng thái

16

Q V = U; Q P = H  Q V , Q P là hàm trạng thái  chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu

và trạng thái cuối của hệ mà không phụ thuộc vào quá trình biến đổi là thuận nghịch hay không thuận nghịch.

1.9 ĐỊNH LUẬT HESS: H (U) của 1 quá trình chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu vàtrạng thái cuối của hệ mà không phụ thuộc vào đường đi

Hpư = Hs (sản phẩm) - Hs (chất đầu) = Hc (chất đầu) - Hc (sản phẩm)

C

298

. Với Co

P = Co

P(sp) - Co

P(tham gia)

Co

P là nhiệt dung mol đẳng áp ở điều kiện chuẩn (1atm)

- Trong khoảng hẹp của nhiệt độ có thể coi Co

P = constThì: H2 = H1 + CP.(T2 -T1)

Ho

T = Ho 298 + Co

P (T - 298)

1.11 ENTROPI (S)

- Trong sự biến đổi thuận nghịch vô cùng nhỏ ở T = const hệ trao đổi với môi trường một

lượng nhiệt QTN thì sự biến thiên entropi trong quá trình này là: dS =

- Vì là hàm trạng thái nên khi chuyên từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 bằng biến thiên

thuận nghịch hay bất thuận nghịch thì S2 - S1 = S = 2

dS  T Q

- Trong hệ cô lập Q = 0 nên:

+ dS = 0: trong hệ cô lập entropi của hệ không đổi nếu xảy ra quá trình thuận nghịch.+ dS > 0 : trong hệ cô lập, quá trình tự xảy ra (BTN) theo chiều tăng entropi của hệ vàtăng cho tới khi đạt giá trị max thì hệ sẽ đạt trạng thái cân bằng

* Entropi là thước đo độ hỗn độn của hệ: Độ hỗn độn của 1 hệ hay 1 chất càng lớn khi hệhay chất đó gồm những hạt và sự dao động của các hạt càng mạnh (khi liên kết giữa cáchạt càng yếu)

VD: S < S < S

S < S < SH

2 (k) O2(k) O3 (k)

H2O(r) H2 O (l) H2O (h)

 S là 1 đại lượng dung độ

1.13 SỰ BIẾN THIÊN S TRONG QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA CHẤT:

Khi chất nguyên chất nóng chảy hoặc sôi ở P = const thì:

H = nhiệt biến thiên trạng thái = Ln/c hoặc Lh

1.14 S TRONG QUÁ TRÌNH GIÃN NỞ ĐẲNG NHIỆT KHÍ LÍ TƯỞNG:

Xét n mol khí lí tưởng giãn nở thể tích từ V1  V2 ở to = const Vì nội năng của khí lítưởng chỉ phụ thuộc nhiệt độ nên trong sự biến đổi này:

18

1.15 SỰ BIẾN THIÊN ENTROPI CỦA CHẤT NGUYÊN CHẤT THEO NHIỆT ĐỘ.

- Quá trình P = const: Đun nóng 1 chất nguyên chất từ T1 T2, không có sự chuyển pha:

- Quá trình: V = const  S = n CV.ln

1

2

T T

1.16 ENTROPI TUYỆT ĐỐI

* Nguyên lí III của nhiệt động học:

- Entropi của chất nguyên chất dưới dạng tinh thể hoàn chỉnh ở 0(K) bằng 0: S(T = 0) = 0

* Xuất phát từ tiên đề trên ta có thể tính được entropi tuyệt đối của các chất ở các nhiệt

độ khác nhau

VD: Tính S của 1 chất ở nhiệt độ T nào đó, ta hình dung chất đó được đun nóng từ 0(K)

 T(K) xét ở P=const Nếu trong quá trình đun nóng có sự chuyển pha thì:

S = ST - S(T = 0) = ST = 



 5

1

i i

S

T

L n T

dT C n T

L n T

dT C

n

T T h P S

S T

T l P nc

nc T

r P

S S

nc

nc

.

.

.

0

) (

1





Giá trị entropi được xác định ở P = 1 atm = const và ở nhiệt độ T nào đó được

gọi là giá trị entropi chuẩn, kí hiệu là S0

T, thường T = 298K  S0

298

1.17 SỰ BIẾN THIÊN ENTROPI TRONG PHẢN ỨNG HOÁ HỌC:

+ Khi phản ứng thực hiện ở P = const, T = const thì: S = S(sp) - S(t/g)

+ Nếu ở điều kiện chuẩn và 250C thì: S0

298= S0

298(sp) - S0

298(t/g)+ Vì S của chất khí >> chất rắn, lỏng nên nếu số mol khí sản phẩm (sp) > số mol

19