slide bài giảng hóa đại cươngLien ket hoa hoc compatibility mode

• Độ dài liên kết: Khoảng cách giữa hai hạt nhân của các nguyên tử tương tác với nhau.. • Các loại liên kết hóa học:– Liên kết cộng hóa trị Covalent bond là kết quả của việc chia, ghép e

LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ

CẤU TẠO PHÂN TỬ

Một số khái niệm cơ bản

• Bản chất liên kết: Lực hút giữa các nguyên tử,có bản chất điện giữa các hạt nhân tích điện dương và electron tích điện âm.

• Các electron thực hiện liên kết hóa học chủ yếu là các electron những phân lớp ngoài cùng: ns, np, (n-1)d, (n-2)f, gọi là các electron hóa trị.

• Độ dài liên kết: Khoảng cách giữa hai hạt nhân của các nguyên tử tương tác với nhau (thường tính bằng A0).

• Góc hóa trị là góc tạo thành bởi hai đoạn thẳngtưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâmvới hạt nhân hai nguyên tử liên kết.

– Linear : Đường thẳng

– Trigonal planar: Tam giác phẳng (đều)

– Tetrahedral: Tứ diện (đều)

– Trigonal pyramicdal: Hai kim tự tháp tam giác (đều) – Octahedral: Bát diện (đều)

• Năng lượng liên kết: (kcal hay kJ/mol) là năng lượng cần tiêu tốn để phá hủy lên kết.

• Độ bội liên kết: Là số mỗi liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử trong liên kết.

– Ví dụ: C – C độ bội 1, C C độ bội 3

• Quy tắc Bát bộ (octet - Lewis và Langmuir)

– “Để cĩ một trạng thái electron ổn định giống khí trơ, các nguyên tử cĩ khuynh hướng nhận, cho, hay chia sẻ các electron

để tầng ngồi cùng cĩ thể cĩ hoặc gĩp phần vào 4 cặp electron (bát bộ).”

• Quy tắc bát bộ cĩ những ngoại lệ Thí dụ như với hydrogen và helium, số electron tối đa là 2 thay vì 8; với phosphorus (P) số này là 10; với sulfur (S) số này cĩ thể

là 12

• Có 3 trường hợp ngoại lệ của quy tắc octet:

– Phân tử có các electron độc thân (ClO2, NO, và NO2).

– Phân tử có 1 nguyên tử có ít hơn 1 octet (BF3).

– Phân tử có 1 nguyên tử có nhiều hơn 1 octet (các nguyên tố chu kỳ 3).

• Các loại liên kết hóa học:

– Liên kết cộng hóa trị (Covalent bond) là kết quả của việc chia, ghép electron giữa các nguyên tử, thường gặp giữa các phi kim.

– Liên kết ion (Ionic bond) là kết quả của việc chuyển electron từ kim loại sang phi kim.

– Liên kết kim loại (Metallic bond) lực hút giữa các nguyên tử kim loại tinh khiết với nhau.

– Liên kết hydro (Hydrogen bond) là lực tương tác đặc biệt (có thể giữa các lưỡng cực-lưỡng cực) tồn tại giữa một nguyên tố có độ âm điện lớn và hydro.

LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ

• Phương pháp Heitler-London (Valence Bond Theory– VB, hay L-H)

– Do Walter Heitler và Fritz London đưa ra năm

1927 phát triển trên lý thuyết cấu trúc Lewis Vềsau Linus Pauling phát triển thêm thuyết cộnghưởng và lai hóa (1930)

• Còn gọi là phương pháp cặp electron.

– Dựa trên cơ sở nghiên cứu sự hình thành phântử H2

• Khi ở xa nhau thì  = a1 b2 (1)

–  : Hàm số sóng phân tử mô tả sự chuyểnđộng của hai electron

– a1, b2 Hàm sóng nguyên tử (giữa a và 1, bvà 2)

• Khi Ha, Hb lại gần nhau thì ta có thêm lực hút giữa ae2, be1, do đó cần bổ sung:

’ = a2 b1 (2)

•  Hàm sóng gần đúng là tổ hợp của (1) và (2), dạng:

Sự kết hợp 2 nguyên tử H

S

A

Ý nghĩa của hàm sóng

– Hàm S: Tương ứng với trường hợp haielectron của 2 H có spin ngược nhau, đếngần nhau dẫn đến hút nhau tạo phân tửHydro (có liên kết)

– Hàm A: Có hai electron spin giống nhau,tiến gần nhau dẫn đến đẩy nhau, tức khôngtạo phân tử Hydro

Đường cong thế năng của nguyên tử Hydro

• Một số điểm cơ bản của phương pháp VB vềliên kết cộng hóa trị:

– Liên kết cộng hóa trị là liên kết hai electron hai tâm.

– Liên kết cộng hóa trị hình thành do sự che phủ lẫn nhau giữa các ON hóa trị của các nguyên tử tương tác.

– Liên kết cộng hóa trị càng bền khi độ che phủ của các ON tương tác càng lớn Độ che phủ phụ thuộc kích thước, hình dạng các ON và hướng che phủ của chúng.

Liên kết cộng hóa trị có tính định hướng, bão hòa và phân cực.

Các kiểu liên kết cộng hóa trị

• Liên kết : Liên kết cộng hóa trị tạo thành do sựche phủ giữa các ON xảy ra theo trục nối hai hạtnhân nguyên tử s – s, s – p, p – p, s – d

– Chú ý: Cùng dấu thì che phủ, khác dấu không che phủ

• Liên kết cộng hóa trị : Khi các ON tương tác che phủ với nhau về hai bên của trục nối hai hạt nhân: p – p, p – d, d – d.

Acetylene

Liên kết cộng hóa trị  xuất hiện khi 20N d nằmtrong hai mặt phẳng song song che phủ nhau theocả 4 “cánh hoa”

• Xét ví dụ tạo thành phân tử N2

– Cấu trúc electron nguyên tử 1s22s22p3

– Sử dụng 3 electron độc thân ở orbital 2p để tạo liên kết

– Phân tử có một liên kết , hai liên kết 

Ví dụ: Phân tử Acetylene

• Bậc liên kết: Là số chỉ ra số cặp electron chung giữa 2 nguyên tử tạo thành liên kết cộng hoá trị.

– Liên kết đơn bậc bằng 1, liên kết đôi bậcbằng 2, liên kết ba bậc bằng 3 Ngoài ra liênkết còn có thể có giá trị lẻ

– Ví dụ: Bậc liên kết Cl – Cl là 1,12, của C –

O trong là 1,33…

Ví dụ:

• Liên kết F – F , O = O , NN

• Bậc liên kết 1 2 3

• Độ dài liên kết (A0) 1.42 1.207 1.095

• Năng lượng liên kết E 151 493 940

• Liên kết di động (không định chỗ) hai electron, đa tâm

• Ví dụ: Benzene C6H6

– C : 1s22s22p2, sử dụng 4 electron bên ngoàiđể liên kết (lai hóa sp2 và 1 ON p)

CÁC TÍNH CHẤT LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ

1 Tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị

• Liên kết cộng hóa trị được hình thành

theo hai cơ chế:

– Cơ chế ghép đôi:

Liên kết cộng hóa trị được hình thành do sựgóp chung hai electron hóa trị độc thân cóspin ngược nhau của hai nguyên tử tươngtác, trong đó mỗi nguyên tử đưa ra một chonên số liên kết cộng hóa trị bằng sốelectron ghép đôi

Ví dụ sự tạo thành các phân tử H2, HF hay F2

• Cơ chế cho – nhận (liên kết cộng hóa trị phối

hợp):

– Sự hình thành cặp electron ghép đôi của liên kết cộng hóa trị chỉ do một trong hai nguyên tử tương tác đưa ra, còn nguyên tử kia nhận lấy.

– Cặp electron có sẵn của nguyên tố cho được gọi là cặp electron hóa trị tự do.

– Khi liên kết được tạo thành, độ bền của nó không khác

gì so với liên kết cộng hóa trị ghép đôi.

– Thường được tạo thành trong cặp base Lewis (cho cặp e) – acid Lewis (nhận cặp e).

– Trong phân tử – ion, ví dụ NH4+ , liên kết được tạo thành từ proton (H + ) có orbital trống, và một cặp e từ

NH3 (từ N)

2 Tính định hướng của liên kết cộng hóa trị

• Theo lý thuyết thì liên kết nếu tạo thành từ các ON s, p, d đơn thuần thì góc liên kết sẽ là 900 hay 1800.

• Ví dụ xét phân tử H2O.

– O : 1s22s22p4, nếu O dùng 2 ON p chứa 1 e độcthân (giả sử px và pz) để che phủ tạo liên kếtvới 2 ON 1s1 của H thì goc liên kết sẽ là 900.Kết quả như hình sau:

• Nhưng thực nghiệm thì cho thấy góc liên kết của H2O là 104.50.

• Có rất nhiều phân tử cộng hóa trị có góc khác với các giá trị nếu như dùng các

ON đơn thuần để tạo liên kết, do đó chỉ đơn thuần xét sự che phủ của các ON tương tác mà kết luận cấu hình không gian là không chính xác.

• Từ đó Linus Pauling đã đưa ra thuyết lai hóa.

THUYẾT LAI HÓA

• Các nguyên tử tương tác với nhau có thể khôngdùng những ON s, p, d, … thuần túy mà dùngnhững ON “trộn lẫn” mới được tạo thành trongnội bộ nguyên tử để che phủ với những ONkhác Hiện tượng này gọi là sự lai hóa các ON

– Ví dụ: Lai hóa sp, sp 2 , sp 3 , sp 3 d, sp 3 d 2

• Các ON lai hóa có hình dạng và năng lượnghoàn toàn giống nhau, trong đó có bao nhiêu ONtham gia lai hóa sẽ có bấy nhiêu ON lai hóađược tạo thành và phân bố đối xứng trong khônggian

Điều kiện có lai hóa bền vững

• Các ON tham gia lai hóa phải có năng lượnggần nhau

• Mật độ electron của các ON phải đủ lớn

• Mật độ che phủ của các ON càng tăng thì laihóa càng bền

Dưới đây sẽ xét một số dạng lai hóa.

• Ví dụ: Xét sự tạo thành phân tử BeCl2.

– Be: 1s22s22p0 Ở trạng thái bình thường Be sẽ không tạo liên kết  Be chuyển lên trạng

thái kích thích 1s22s22p1, và Be sủ dụng 1ON

s, 1ON (chứa e) để lai hoá tạo 2 ON lai hóa

sp

– Cl: 1s22s22p7, có 1 ON p chứa e độc thân, nên

Cl sử dụng ON này để che phủ tạo liên kết .– Be sử dụng 2 ON lai hóa này để che phủ với

2 ON 2p (chứa electron độc thân) của Cl tạo phân tử BeCl2

Lai hóa sp2

một ON s vàhai ON p (cùngmột nguyên tử)tạo ba ON laihóa và góc là

1200

phân tử BF3

Lai hóa sp3

một ON s và

ba ON p tạo rabốn ON lai hóaphân phối đối

Tham khảo thêm: Lai hóa sp3d

Tham khảo thêm: Lai hóa sp3d2

Đặc biệt

Xuất hiện các giá trị góc 104.5 0 (H2O), 107 0 (NH3) (gần với109 0 28’) là do có mặt cặp electron hóa trị tự do trong nguyên tử trung tâm tạo nên hiệu ứng đẩy.

Quay trở lại vấn đề phân tử H2O

O lai hoá sp 3 , trong đó có 2 ON lai hoá chứa 1 e độc thân che phủ tạo liên kết với H, 2 ON lai hóa còn lại chứa 1 cặp e không tạo liên kết và gây hiệu ứng đẩy với 2 cặp e liên kết nên góc liên kết bây giờ chỉ còn 104.5 0 thay vì 109 0 28’.

SỰ PHÂN CỰC CỦA LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ

• Trong liên kết cộng hóa trị, cặp electron là dùng chung.

• Việc sử dụng chung cặp electron này không hoàn toàn đồng đều cho cả 2 nguyên tử tạp liên kết Trong nhiều phân tử, cặp electron sẽ phân bố gần một nguyên tử hơn là nguyên tử kia.

• Hiện tượng này dẫn đến sự phân cực liên kết.

• Vậy:

– Sự phân cực của liên kết cộng hóa trị là do cặpelectron hóa trị chuyển (bị hút) về nguyên tố cóđộ âm điện cao hơn, làm cho nó bị phân cực âm,nguyên tố kia phân cực dương Dần dần tiến đếngiới hạn liên kết ion, gọi là sự ion hóa (khi độchênh lệch của độ âm điện (chương 3) giữa hainguyên tố lớn)

• Thang độ âm điện của Pauling từ 0.7 (Cs) to

4.0 ( F ).

Sự khác biệt độ âm điện xác định độ phân cựccủa liên kết:

– Sự khác biệt độ âm điện khoảng 0 thì phân tử không phân cực.

– Sự khác biệt độ âm điện 0<<3 thì liên kết cộng hóa trị phân cực.

– Sự khác biệt độ âm điện khoảng 3 trở lên thì tạo liên kết ion.

• Lưỡng cực vĩnh viễn ( Permanent dipole): Xảy ra khi

2 nguyên tử trong một phân tử thực chất khác nhau về độ âm điện, một nguyên tử hút e mạnh hơn nguyên tử kia.

• Lưỡng cực nhất thời (Instantaneous dipole): Chỉ xuất hiện nhất thời ở một thời điểm nào đó (ví dụ trong phân tử ) do sự phân bố mật độ e tức thời gần một nguyên tử hơn nguyên tử kia.

• Lưỡng cực cảm ứng (Induced dipole): Xuất hiện dưới tác dụng của điện trường ngoài, nó sẽ mất khi điện trường thôi tác dụng Ví dụ do lực đẩy hoặc hút của một phân tử phân cực gần nó.

Moment lưỡng cực

• Xét HF:

– Sự sai biệt độ âm điện dẫn đến tạo liên kết phân cực.

– Mật độ electrong phân bố gần F hơn H.

– HF tạo thành một “lưỡng cực”.

– Cực dương trong lưỡng cực ký hiệu + và cực âm ký hiệu -.

TÓM LẠI

• Ưu điểm của phương pháp VB là giải thích được khả năng tạo liên kết, các đặc trưng liên kết, giải trích được cấu trúc và tính chất của nhiều phân tử và nhất là có tính chất rõ ràng dể hình dung.

• Nhược điểm: Chưa giải thích được hết các tính chất, như tính thuận từ, độ màu sắc, sự tạo thành ion H2+…

NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT CỦA MỘT SỐ LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ (kJ/mol)

LIÊN KẾT ION

Bản chất liên kết ion:

– Là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu(lực Coulomb)

– Khả năng tạo Cation: Phụ thuộc năng lượngion hóa của nguyên tố I bé thì khả năng tạocation lớn

– Khả năng tạo anion: Phụ thuộc ái lựcelectron của nguyên tố E càng lớn thì khảnăng tạo anion càng lớn

Lieân keát Ion trong NaCl

Lieân keát Ion trong LiI

Đặc điểm liên kết ion

• Liên kết ion có hai tính chất đặc trưng tráingược hẳn với liên kết cộng hóa trị là khôngđịnh hướng và không bão hòa

• Do ion là quả cầu có điện trường đều nên nóhút các ion ngược dấu theo bất kỳ hướng nàotrong không gian Đặc biệt trong tinh thể mỗiion được bao quanh bằng các ion đối dấu vớilực liên kết hoàn toàn như nhau dẫn đến khôngcó ion tuyệt đối

– Ví dụ: Cs + -F - có 94% liện kết ion, 6% liên kết cộng hóa trị.

Bán kính nguyên tử - Ion

LIÊN KẾT KIM LOẠI

Cấu tạo kim loại và liên kết kim loại

• Kim loại có năng lượng ion hoá thấp (<900kJ/mol, với phi kim thường I > 900 kJ/mol)

• Thường thì chứa 1023electrons/ cm3

• Trên nút mạng là các ion dương (hoặc nguyên tửkim loại trung hòa tức thời), bên trong mạng làcác electron tự do (bứt khỏi nguyên tử kim loại)chuyển động hổn loạn trong toàn bộ tinh thể Dođó các liên kết tĩnh điện không ổn định cao độ,hay nói cách khác là liên kết rất nhiều tâm vì khielectron liên kết đồng thời thuộc về toàn bộ cácnguyên tử trong tinh thể

Lý thuyết miền năng lượng về cấu tạo kim loại

• Cơ sở của lý thuyết này là thuyết OP áp dụng cho hệkhoảng 1023 nguyên tử

• Theo thuyết OP thì hai nguyên tử tương tác nhau xảy

ra sự che phủ tạo ra các OP liên kết và phản liênkết Tức là mỗi trạng thái năng lượng nguyên tửđược tách thành hai trạng thái năng lượng phân tử

• Vậy nếu có 3, 4, 5…nguyên tử tương tác với nhau thìmỗi trạng thái năng lượng nguyên tử lại tách thành

3, 4, 5… trạng thái năng lượng phân tử

• Xét tinh thể có nguyên tử tương ứng với mức nănglượng tổ hợp nhau tạo OP Các mức năng lượng trảiđều nhau trong một giải năng lượng được xem nhưliên tục

Sơ đồ tách trạng thái năng lượng nguyên tử

thành trạng thái năng lượng phân tử

Chiều rộng và vị trí của miền năng lượng được quyết định bởi giá trị của khoảng cách cân bằng giữa các nguyên tử trong tinh thể chất rắn.

– Miền chứa các electron hóa trị gọi là miền hóatrị(1)

– Miền tự do nằm trên miền hóa trị gọi là miềndẫn (2)

– Miền xuất hiện giữa (1) và (2) (nếu có) là miềncấm (3)

• Electron và ion dương trong kim loại có lực hút rất mạnh Tức là phải cần năng lượng rất lớn để phá hủy năng lượng này.

• Vì bản chất liên kết kim loại nên kim loại có các tính chất đặc trưng: Bền, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi, dẫn nhiệt và dẫn điện và ánh kim.

Cấu trúc kim loại, chất bán dẫn và chất cách điện

Kim loại: E<0.3eV Chất bán dẫn: 0.3eV<E<3eV Chất cách điện: E>3eV

CÁC LOẠI LIÊN KẾT YẾU

(GIỮA CÁC PHÂN TỬ)

Liên kết Hydro

• Liên kết tạo thành giữa H đã tham gia liên kếttrong phân tử này với nguyên tử có độ âm điệnmạnh trong phân tử khác

– Ví du: Trong dung dịch HF, H2O, NH3…

• Liên kết Hydro (E = 8  40KJ/mol) ảnh hưởngđến nhiều quá trình

– Ví dụ: Làm nhiệt độ sôi , nhiệt độ nóng chảy chất tăng cao, ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi trong dung dịch

• Liên kết Hydro có thể hình thành nội phân tử (với chất hữu cơ nhiều nhóm chức, ví dụ axit amin).

• Bản chất liên kết Hydro:

– Là liên kết có tính chất ion

– Có tính cho, nhận (H+ nhận cặp electron)

– Thứ tự giảm dần liên kết Hydro: F, O,N…(Giảm theo độ âm điện giảm dần)

• Liên kết hydro mạnh nhất là với các nguyên tố fluorine, nitrogen, và oxygen Liên kết hydro yếu nhất được tạo trong chloroform và acetylene

• Liên kết Hydro mạnh hơn liên kết Van der Waals, nhưng yếu hơn liên kết cộng hóa trị và liên kết ion.

• Liên kết hydro biến thiên từ rất yếu (1-2 kJ/mol) đến rất mạnh (40 kJ/mol).

O—H :N (29 kJ/mol or 6.9 kcal/mol) O—H :O (21 kJ/mol or 5.0 kcal/mol) N—H :N (13 kJ/mol or 3.1 kcal/mol) N—H :O (8 kJ/mol or 1.9 kcal/mol)

Một vài minh họa của liên kết Hydro

Ảnh hưởng của liên kết Hydro đến nhiệt độ sôi

Liên kết Van der Waals

• Bản chất cũng là tương tác tĩnh điện, gồm bathành phần tương tác sau:

– Tương tác định hướng: Xuất hiện giữa các phân tử có cực Tương tác tăng khi moment lưỡng cực của các phân tử tăng và nhiệt độ giảm.

– Tương tác cảm ứng: Phân tử không cực tiến đến gần phân tử phân cực mạnh và bị phân cực tạm thời, tương tác với nhau.

– Tương tác khuếch tán: Xuất hiện giữa các phân tử có cực hoặc không cực bất kỳ, nhờ lưỡng cực nhất thời.

• Lực liên kết Van der Walls yếu, dễ bị phá vỡ

So sánh độ lớn các liên kết

• Bond type Relative strength (kJ/mol)