Tài liệu ôn tập: Chương III. Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

Trừ các khí hiếm phân tử gồm 1 nguyên tử, các nguyên tử nguyên tố khác có khuynh hướng kết hợp với nhau để đạt cấu hình tương tự khí hiếm (ns2 np6 hay 1s2) - bền hơn cấu hình từng nguyên tử riêng rẽ.

LIÊN KẾT HÓA HỌC

VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ

 Đầu tiên, được xem xét theo quan điểm truyền thống

Lewis- Kossel:

Trừ các khí hiếm phân tử gồm 1 nguyên tử, các nguyên tử nguyên tố khác có khuynh hướng kết hợp với nhau để đạt cấu hình tương tự khí hiếm (ns2 np6 hay 1s2) - bền hơn cấu hình từng nguyên tử riêng rẽ.

 Tiếp đó các PP mới hơn: PP liên kết – hóa trị

 PP orbitan phân tử

Các liên kết hóa học

Ch ương III ng III



Liên kết hóa học có bản chất điện, vì cơ sở tồn tại của mọi liên kết hóa học là lực hút giữa các hạt tích điện

 Electron thực hiện liên kết hóa học trong mọi

trường hợp chủ yếu là các electron của những phân lớp ngoài cùng : ns, np , (n-1)d, (n-2)f, được gọi là

electron hóa trị.

 Sự phân bố mật độ electron khác nhau trong

trường hạt nhân của các nguyên tử đưa đến xuất hiện các kiểu liên kết khác nhau, chủ yếu có 2 kiểu liên kết: cộng hóa trị và ion

III.1 Những khái niệm cơ bản về liên kết hóa học:

A Bản chất liên kết:

B Vài đặc trưng của liên kết hĩa học:

là khoảng cách (đơn vị A 0 ) giữa hai hạt nhân của các nguyên tử tương tác với nhau.

Phân tử Độ dài liên kết Phân tử Độ dài liên kết

(có kể đến các hệ số hợp thức của phương trình hóa học).

Đ/v phân tử 2 nguyên tử AB thì năng lượng phân li đúng bằng

năng lượng liên kết A-B VD: E H-H = E plH2 = 431,4 kJ/mol

Đ/v phân tử 2 nguyên tử ABn thì NL phân li chỉ xác định được

NL liên kết trung bình của lk A-B (= 1/n NL phân li AB n ).

VD: E O-H =  =  = 459,8 kJ/mol E plH2O

2 916,6 2

2 Năng lượng liên kết

 Liên kết càng bền thì năng lượng liên kết càng lớn.

là góc tạo thành bởi hai đoạn thẳng tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên tử liên kết

H

H O

H

104,5 0

C H

109 0 28’

Cĩ thể xác định gần đúng độ dài liên kết ộ dài liên kết dựa trên bán

kính nguyên tử theo cơng thức:

 Khi các nguyên tử A, B cĩ độ âm điện gần nhau:

Khi các nguyên tử A, B cĩ độ âm điện khác nhau nhiều:

d A-B = r A + r B - 0,09 | A - B |

d A-B = r A + r B

 Góc hóa trị

1 Nội dung c ơng III bản:

 LKCHT trên cơ sở cặp electron gĩp chung do các nguyên tử

tương tác đĩng gĩp  liên kết 2 electron – 2 tâm

 LKCHT hình thành là do sự che ph nhau ủ nhau gi a ữa các AO chứa

các electron gĩp chung của các nguyên tử tham gia tạo liên kết.

VD: sự che phủ cặp đơi giữa 2 orbitan nguyên tử s và hai orbitan nguyên tử p

III.2 LIÊN KẾT HÓA TRỊ

III.2.1 Phương pháp liên kết cộng hóa trị (VB)

 Độ bền của LKCHT phụ thuộc vào độ che phủ của các AO,

nghiã là phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của AO, hướng che phủ.

 độ che phủ càng lớn liên kết càng bền và liên kết được tạo

thành khi độ che phủ đạt cực đại.

gạch nối

VD: liên kết trong phân tử hydro: H : H

hay H  H

cặp electron gĩp chung cơ sở của LKCHT

được tạo thành do mỗi nguyên tử tương tác đĩng gĩp 1 Các

electron này là các electron hĩa trị độc thân Liên kết được

hình thành do sự che phủ lẫn nhau giữa 2 AO hĩa trị chứa

các electron độc thân này.

 Trường hợp cặp electron chung phân bố đều cho cả hai

nguyên tử, ta bảo liên kết cộng hóa trị không phân cực

H  H, Cl  Cl

 Khả năng tạo LKCHT của nguyên tố và tính bão hịa của LKCHT

 Cơ chế ghép đơi:

 khả năng tạo LKCHT được quyết định bởi số electron hóa

trị độc thân của nguyên tử của nguyên tố

 Hóa trị của một nguyên tố bằng số electron độc thân của

nguyên tử (ở trạng thái cơ bản hay kích thích)

Ở trạng thái kích thích C * có 4 electron độc thân do có thêm 1

electron tách ra từ AO 2s chuyển lên AO 2p z còn tự do

 + 

 Cơ chế cho

nhận:

+ cặp electron chung do một nguyên tử đóng góp (chất cho)

 cặp electron hĩa trị tự do.

+ chất nhận cần cĩ 1 AO hĩa trị khơng chứa electron

 AO hĩa trị tự do

VD:

 Liên kết trong trường hợp này được hình thành do sự che phủ

giữa:  AO chứa cặp electron hĩa trị tự do của nguyên tử cho và  AO hĩa trị tự do của nguyên tử nhận.

+

 khả năng tạo LKCHT cịn được quyết định bởi cả các AO

hĩa trị 2 electron và AO hĩa trị tự do.

Liên kêát phối trí là một loại liên kết cộng hoá trị trong đó:

 Tính bão hòa của LKCHT:

VD:

 Đ/v các nguyên tố CK II, số AO hóa trị là 4 (một 2s và ba 2p)

 Đ/v các nguyên tố d , số AO hóa trị là 9 ( một 2s, ba 2p và năm d)

 số LKCHT cực đại chúng có thể tạo thành là 9.

định.

 Số LKCHT cực đại của nguyên tố bằng số AO hóa trị của nó

 Khả năng tạo được số LKCHT có giới hạn của nguyên tố

được gọi là tính bão hòa của LKCHT

 Tính định hướng của LKCHT và sự lai hóa các AO

Liên kết được tạo thành khi mức độ che phủ của các AO đạt cực đại Muốn vậy các AO phải che phủ nhau theo hướng nhất định

 Điều này dẫn đến liên kết phải được tạo thành theo hướng nhất

định và do đó phân tử tạo thành phải có cấu hình không gian nhất định.

 Tính định hướng của LKCHT và cấu hình không gian của phân tử:

VD: phân tử H 2 Te có cấu hình dạng

góc với góc hóa trị HTeH = 90 0 là do

2 liên kết H-Te được tạo thành do sự

che phủ của các AO 1s (của H) với

5p (của Te) dọc theo các trục tọa độ

(hướng che phủ cực đại)

 Sự lai hĩa các AO:

Tuy nhiên trong thực tế cĩ nhiều hợp chất cĩ cấu hình khơng

gian phân tử khơng thể được giải thích bằng sự che phủ thơng thường của các AO s, p, d , f… tạo nên các liên kết trong những hợp chất đĩ.

tạo thành do sự tự che phủ nhau giữa các

AO s, p, d , f… trong nội bộ nguyên tử của

mình (sự lai hĩa các AO) để che phủ với

các AO của nguyên tử khác tạo liên kết.

CH 4 (d ng t di n ạng tứ diện đều, HCH = 109 ứ diện đều, HCH = 109 ện đều, HCH = 109 độ dài liên kếtều, HCH = 109 u, HCH = 109 0 28’)

Để giải thích Pauling và Slater đưa ra thuyết lai hĩa các AO:

 Sự lai hóa có các đặc điểm sau:

 Orbital lai hóa tạo thành có hình dạng, năng lượng hòan

tòan giống nhau, nhưng khác với các AO tham gia lai hóa.

 Số orbital lai hóa tạo thành bằng số AO tham gia lai hóa và phân bố rất đối xứng trong không gian.

 Có nhiều kiểu lai hóa khác nhau: sp, sp 2 , sp 3 , sp 3 d…

 các orbital tham gia lai hóa có năng lượng gần nhau,

 m t ật độ electron lớn, độ electron lớn, electron l n, ớn,

m c ức độ che phủ lớn độ electron lớn, che ph l n ủ nhau ớn,

 Điều kiện lai hóa bền:

Xét một số kiểu lai hóa:

VD: phân tử BeH 2 có dạng đường thẳng với góc hóa trị HBeH = 180 0

Cấu hình này được giải thích là do nguyên tử Be trung tâm sử dụng 2 orbital lai hóa sp che phủ với các orbital 1s của 2 nguyên tử H tạo

• Lai hóa sp: xảy ra do sự che phủ của một orbital s với 1

orbital p và tạo thành 2 orbital lai hóa sp phân bố đối xứng trên một đường thẳng, nghiã là dưới góc 180 0

y

180 0 x

B e C l

C l

) hóa

lai tử beri (nguyên

BeCl tử

•Lai hĩa sp 2 : xảy ra do sự (tự) che phủ của một orbital s với

hai orbital p và tạo thành 3 orbital lai hĩa sp 2 phân bố đối

xứng trên mặt phẳng theo hướng đến 3 đỉnh của một tam

giác đều, nghiã là dưới gĩc 120 0

3p

) hóa

lai tử bo (nguyên

BCl tử

 che ph v i 3 orbital 3p c a 3 ủ với 3 orbital 3p của 3 ới 3 orbital 3p của 3 ủ với 3 orbital 3p của 3 nguyên tử Cl tạo thành 3 liên kết B  Cl

1 orbital 2s + 2 orbital 2p = 3 orbital sp 2

O r b it a l O r b it a l O r b it a l

 Lai hĩa sp3 : xảy ra do sự (tự) che phủ của một orbital s với ba

orbital p và tạo thành 4 orbital lai hĩa sp 3 phân bố đối xứng trong khơng gian theo hướng đến 4 đỉnh của một tứ diện đều, nghiã là

dưới những gĩc 109 0 28’.

109,5o

Bốn orbital lai hóa sp 3 Trục của bốn orbital lai hóa sp 3

 che ph v i ủ nhau ớn, 4 AO1s của các nguyên tử H, tạo thành 4 liên kết C - H

C

Chiều dài C-H: 109,3 pm

Góc hóa trị H-C-H: 109 28'o

s

Giải thích cấu hình không gian các phân tử H 2 O, NH 3 , CH 4 :

 Các dạng góc, tháp tam giác, tứ diện đều của chúng được

giải thích bởi trạng thái lai hóa sp 3 của các nguyên tử trung

tâm O, N, C ( do các góc hóa trị của chúng bằng hoặc gần bằng với 109 0 28’):

 các nguyên tử này sử dụng các orbital lai hóa sp 3 để che phủ với các orbital 1s của các nguyên tử H tạo thành các liên kết

) hóa

lai nitơ tử

(nguyên amoniac

H

N

Chiều dài N-H: 101,4 pm

Góc hóa trị H-N-H: 107 3 o

) hóa

lai oxi

tử (nguyên

nước tử

O

Chiều dài O-H: 95,8 pm

Góc hóa trị H-O-H: 104,5 o

 Các kiểu LKCHT và LKCHT nhiều tâm:

Có nhiều kiểu LKCHT khác nhau phụ thuộc vào cách che phủ và tính đối xứng của các AO tham gia che phủ tạng tứ diện đều, HCH = 109 liên kết : , ,  o không định chỗ…

được tạo thành khi các AO (s-s, s-p, p, s-d,

p-d, d-d) che phủ dọc theo trục nối hạt nhân nguyên tử

 Đây là loại liên kết chính thực hiện giữa 2 nguyên tử, quyết định cấu hình không gian (khung) phân tử.

 Đây là loại liên kết phụ bổ sung thêm sau khi hình thành liên kết

chính  mà các nguyên tử tương tác vẫn chưa bão hòa hóa trị, cuûa :

c) d–d b) p–d

a) p–p

Liên kết  không định chỗ

Bậc liên kết C-O =  = 2 4e (C) + 2e x 2 (O)

2 x 2 ()



 Phân tử BCl 3 : có dạng tam giác đều , góc hóa trị ClBCl = 120 0 , lk B-Cl có bậc bằng 1,33, gồm 1lk  và 1lk  không định chỗ.

 B * :1s 2 2s 1 2p 2 (có 3e hóa trị độc thân) và vì ClBCl = 120 0

 nguyên tử B trung tâm sẽ ở trạng thái lai hóa sp2 và dùng 3

AO lai hóa này cùng với AO 2p không tham gia lai hóa để tạo các lk với Cl

 Cl: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 (có 1e hóa trị độc thân)

 nguyên tử Cl sẽ dùng e hóa trị độc thân này và các AO 3p

chứa 1e cũng như chứa cặp e ghép đôi để tạo lk với B.

 3lk  B-Cl được tạo thành do sự che phủ cặp đôi giữa 3 AO sp 2

của B với các AO chứa 1e 2p x của 3Cl Tuy nhiên do cấu hình e của B vẫn chưa bão hòa nên cần phải tạo thêm lk bổ sung:

 lk  không định chổ theo cơ chế cho-nhận do sự che phủ giữa

AO hóa trị tự do 2p không tham gia lai hóa còn lại của B và

3AO hóa trị 2p z chứa cặp e ghép đôi của 3 Cl.

 lk  này chung cho cả 4 nguyên tử B và Cl

(nên được gọi là lk 2 e – 4 tâm)





Ion CO 3 2- : có dạng tam giác đều, góc hóa trị OCO = 120 0 ,

lk C-O có bậc bằng 1,33 , gồm 1lk  và 1lk  không định chỗ.

 Cấu hình e của C và O: Vì OCO = 120 0 nên C phải ở trạng thái lai hóa sp 2

1AO 2s + 2AO 2p = 3AO sp 2  4e hóa trị phân bố độc thân trên 3

AO sp 2 và orbital 2p còn lại không tham gia lai hóa.

1trong 3 nguyên tử O có cấu hình e hóa trị bình thường : 2s 2 2p 4 (có 2e hóa trị độc thân),

 còn 2 nguyên tử O còn lại do nhận thêm 2e điện tích của ion nên có cấu hình electron hóa trị : 2s 2 2p 5 ( chỉ có 1e hóa trị độc thân)

 Để tạo lk, các nguyên tử O cũng sử dụng các e hóa trị độc thân và các AO chứa 1e này.

 Các lk  C-O được tạo thành do sự che phủ cặp đôi giữa 3AO sp 2

của C với 3 AO 2p của 3O Tuy nhiên sau khi tạo 3lk  C-O cấu

hình e của C cũng như của các O vẫn chưa bão hòa (còn thiếu 1e), nên để ion có cấu tạo bền, giữa các nguyên tử C và O tạo thêm lk

 không định chỗ chung cho cả 4 nguyên tử theo cơ chế góp chung

do sự che phủ giữa orbital 2p không tham gia lai hóa của C với 3 orbital 2p của 3 O ( lk 2 e – 4 tâm)





O C

O O

III.2.2 Phương pháp orbital phân tử (MO)

A N i dung c ội dung cơ ơng III

bản: 1 Phân tử là tổ hợp thống nhất bao gồm các hạt nhân và các e của

các nguyên tử tạo thành phân tử, trong đó mỗi e chuyển động

trong trường tác dụng của các hạt nhân và các e còn lại

 phân tử là nguyên tử đa nhân.

2 Phân tử có cấu trúc orbital như nguyên tử: trong phân tử trạng thái e cũng được đặc

trưng bằng orbital phân tử (MO); các MO lại được xác định bằng tổ hợp các số lượng tử

Tương ứng với các AO s, p, d, f,… trong nguyên tử,

 trong phân tử có các MO ,, , ,

Ngồi ra cịn cĩ loại MO thứ ba được gọi là MO khơng lk do các

này cĩ năng lượng bằng các AO xuất phát.

S MO t o ố MO tạo ạng tứ diện đều, HCH = 109 thành = s AO tham gia t h p ố MO tạo ổ hợp ợc tạo thành khi

 Điều kiện tổ hợp: các AO tham gia tổ hợp phải gần nhau về

năng lượng, che phủ nhau đáng kể , có đối xứng giống nhau đ/v đường lk trong phân tử

 Sự tổ hợp của 2AO 1s tạo thành 2MO lk  1s và phản lk  *

1s

E * 1s

 sự tổ hợp của 2AO 2p tạo thành: 2MO lk  2p và phản lk  *

2p hoặc 2MO lk  2p và phản lk  *

 Liên kết có tên gọi từ tên MO chứa e lk không bị triệt tiêu.

 Đóng góp vào lk có thể là e ghép đôi hoặc các e độc thân riêng biệt.

 LK được xác định bằng số e lk không bị e phản lk triệt tiêu



l k s

Khảo sát các phân tử 2 nguyên tử cùng loại của các

nguyên tố chu kì I ( H và He):

Các MO của H 2 , He 2 được tạo thành từ sự tổ hợp tuyến tính 2AO 1s của các nguyên tử H

và He  đó là các:

 MO lk 1s (có năng lượng thấp hơn) và

 MO phản lk 1s* (có năng lượng cao hơn)

 Lk trong phân tử H 2 là lk , có bậc bằng 1, nên nó tồn tại bền

trong thực tế Lk trong H 2 +, He 2 + tuy chỉ có 1e, nhưng có bậc lk >0, nên chúng vẫn tồn tại được trong thực tế dù không bền.

Trong khi đó , phân tử He 2 không thể tồn tại được ở điều kiện bình thường vì có lk có bậc bằng không (lk không hình thành).

 Cấu hình e phân tử của các mẫu phân tử và ion phân tử trên:

H 2 : [( 1s ) 2 ]; H 2 + : [( 1s ) 1 ] ; He 2 + : [( 1s ) 2 ( 1s * ) 1 ]; He 2 : [( 1s ) 2 ( 1s * ) 2 ]

 Nhận xét:



lk s

2



 2s

 Sự tổ hợp cặp đôi 2AO 2p y và 2AO 2p z tạo thành các cặp MO

2py , 2py * và  2pz ,  2pz * (che phủ về 2 phía theo trục nối hạt nhân).

z

Năng lượng lk ( kj/mol) 629 494 328 154

 Sự phân bố electron trên các MO

do độ chênh lệch năng lượng E giữa các AO 2p và 2s nhỏ nên

các AO 2s tổ hợp được với nhau và với các AO 2p

 Sự tổ hợp 2AO 2s và 2 AO 2p x  4 MO  2s ,  2s *, 2px ,  2px *.

 Sự tổ hợp các cặp AO 2p y hay 2p z  4 MO  2py ,  2py *,  2pz ,  2pz *

Các MO tạo thành được phân bố theo năng lượng như sau:

2pz trở nên thuận lợi hơn về năng lượng so với 2px

AO MO AO

 Đ/v các nguyên tố đầu chu kì (từ Li đến N):

289 105

Năng lượng lk ( kj/mol)

1,10 1,24

1,59 2,67

Chiều dài lk (A 0 )

2,5 3

2 1

1 Bậc liên kết

Cấu hình e hĩa trị của N 2 : ( 2s ) 2 ( * 2s ) 2 ( 2pyz ) 4 ( 2px ) 2

B c lk t ng ận ăng  Đội dung cơ dài lk gi m ảm  N ng l ăng ược tạo thành khi ng lk t ng ăng  Đội dung cơ ều, HCH = 109 b n lk

t ng ăng

tia vùng ánh sáng thấy được để chuyển lên orbital có năng lượng cao

VD: Iot có màu tím là do e khi chuyển từ orbital * 5p lên orbital

* 5x hấp thụ năng lượng tương ứng tia vàng - lục, vàng để lại các tia xanh và đỏ 2 bên tạo ra màu tím.

 Gi i thích t ảm ừ

tính:

 Giải thích màu sắc các chất vô cơ:

 cấu tạo từ các nguyên tử cùng loại :H 2 , N 2 ,O 2 , Cl 2 ,… hoặc

 phân tử cĩ cấu tạo đ/x : CO 2 , CS 2 , CCl 4 , C 6 H 6 ,…

III.2.3 Phân tử cộng hóa trị và cực tính:

 Phân tử cộng hóa trị có cực và không cực:

 cĩ cực do:

 khơng cực

do:

 Lưỡng cực và momen lưỡng cực:

 Momen lưỡng cực của phân tử phụ thuộc vào momen lưỡng

cực của các liên kết và cặp electron hóa trị tự do, vào cấu

tạo phân tử.

 Tính momen lưỡng cực của liên kết và các phân tử đơn giản.

 Phân tử cĩ cực là một lưỡng cực điện, là hệ thống gồm 2 điện

tích bằng nhau nhưng ngược dấu (+ và -) và ở cách nhau một

khoảng cách l (độ dài lưỡng cực).

 Tích số MO tạo gi aữa độ dài liên kếtội dung cơ dài l ưỡng cực ng c c ực l v i i n tích ới 3 orbital 3p của 3 độ dài liên kết ện đều, HCH = 109  là đại lượng đặc trưng cho độ có cực của lk & phân tử và độ dài liên kếtược tạo thành khi c g i ọi là momen lưỡng cực