Bài tập hóa học (Lý thuyết cơ sở): Phần 2

Bài tập hóa học đại cương (Hóa học lý thuyết cơ sở): Phần 1 gồm có những chương sau: Các khái niệm chung về liên kết thuyết VB, thuyết MO vê liên kết, liên kết giữa các phân tử và trong phức chất, liên kết hóa học trong tinh thể, một số đề thi và hướng dẫn giải môn hóa học lý thuyết.

Chương XIII

CÂC KHÁI NIỆM CHUNG VẼ LIÊN KỂT.THUYẾT VB

A- TÓM TẮT LÝ THƯYỂT

1 N h ữ n g v ấ n đ ể c h u n g

- Thuyết Lewis: đôi với các hợp chất phi ion, liên kêt cộng hóa trị được h ìn h th àn h là do một hay nhiều đôi eletron góp chung

- Liên k ế t cộng hóa tr ị được đặc trư n g bằn g n h iề u đại lượng khác n h au

+ N ăng lượng liên k ế t được tín h dựa trê n đ ịn h lu ậ t Hess của n h iệ t hóa học bằn g các phương ph áp khác N ăn g lượng liên

k ế t càng lớn th ì độ d ài liên k ế t càng nhỏ, p h â n tử càng bền vững

+ G iá tr ị m om en lưỡng cực đặc trư n g cho k h ả n ăn g phân cực của p h â n tử và được xác địn h bằn g biểu thức |i = ê.ỉ

e - điện tích; l - độ d ài liên k ết

a) L ai hóa sp3 (Lai hó a tứ diện)

1AO - s + 3AO - p -> 4AO sp 3

b) Lai hóa sp2 (Lai hóa ta m giác)

1AO - s + 2AO - p -» 3AO sp 2c) Lai hóa sp (Lai hóa th an g )

Ngoài ra còn có các loại la i hóa k hác n h ư d 2sp 3, sp d

3 T h u y ế t sứ c đ ẩ y c á c cặ p e le c t r o n h ó a tr ị th eo

G ille s p ie (V SEPR)

Đây là th u y ế t g ần đú n g dựa trê n mô h ìn h cặp electron định cư để mô tả dạng h ìn h học của p h ân tử

D ạng chung của p h â n tử: AXnE m

A- N guyên tử tru n g tâ m có các e‘ hóa tr ị tạo liên k ế tX- Các phối tử tạo liên k ế t ơ với A

n - sô' cặp electron tạo th à n h liên k ế t ơ

E - Cặp electron không phân chia,

m - số cặp electron không phân chia

Trong p h ân tử trê n thì nguyên tử tru n g tâm A được bao bọc bởi tổng số các cặp electron hóa trị p = n + m hầu như không tương đương với n h a u sẽ dẫn tới sự đẩy giữa các cặp theo th ứ tự sau:

z+ z

4 N ă n g lư ợ n g tư ơ n g tá c g iữ a c á c io n d ạ n g A B là

n - Hệ s ố đẩy Born v ố i 5, 7, 9, 10 ứng V Ớ I câu h m h

electron các k h í trơ He, Ne, Ar, Kr, Xe

k - Hệ số tỷ lệ

5 Đ ộ ( p h ầ n tr ă m ) io n c ủ a liê n k ế t được x á c đ in h

th e o h ê th ứ c

6% h t / nM-//t

.100

thuyết

B- BÀI TẬ P CÓ LỜ I GIẢIVII 1 a) H ãy biểu diễn liên k ết cộng hóa trị của các phân tử: H2S; BeCl2; N2 theo sơ đồ Lewis

b) Đối vói p h â n tử c o có điện tích dư trên cacbon và oxi

H ãy b iểu diễn sơ đồ tạo liên k ết theo Lew is và chỉ hướng của

h ế t ta p h ả i viết cấu h ìn h electro n của n g u y ên tử các nguyên tô" th a m gia tạo liê n kết

b) Với CO ta có:

: c : :0'; - > \c = ậ

| C ' s O +| hay |b = olc) Đôì với 0 3 ta giả th iết phân tử đóng vòng

Song thực nghiệm chỉ rõ 0 3 không đóng vòng Vậy sơ đồ cấu tạo của O 3 là:

Song thực nghiệm chỉ rõ 0 3 không đóng vòng Vậy sơ đồ câu tạo của 0 3 là:

BÀI GIẢIP: l s 22s22p63 s23p 3 K hi h ìn h th à n h liên k ê t th ì AO - 3s

và 3p la i hoá để tạo ra 4AO - sp 3 n h ư sau:

i k

3 s

Sơ đồ h ìn h th à n h liên kết trong PH 3.

4AO - la i h óa của P:

AO của 3H

- N guyên tử tru n g tâm : p

- T rạn g th á i la i hóa: sp 3

- Liên k ết h ìn h th à n h : ơ

S i0 2: M ột cách tương tự ta cũng có th ể biểu diễn sự hình

th àn h liên k ết tro n g p h â n tử này như sau:

Sơ đồ h ìn h th à n h liên k ết trong S i0 2:

Vậy: Nguyên tử tru n g tâm : Si

T rạng th ái lai hoá: sp

th à n h ơ và n

n

hay (o = Si = o)

X III.3 Tính en tan p i của các liên k ết c - H và C-C từ các

Theo định lu ậ t H ess ta viết:

=AHi - AH2 -AH3 + AHg +2AH4

= -801,7 + 483 + 393,4 + 2(431,5) + 715 = 1652,7k.m or'

Vậy A H ? = i ^ = 413,2 kJ/m ol

4

Theo sơ đồ ta viết:

Theo sơ đồ ta viết:

AH"C + 6AH" H = AH" - 2 AH" - 3 / 2 a h's + 2 a h" + 3AH*

AHcc = -1412.7 + 2(393,4) + 3/2(483) + 2(715) + 3(431,5) - 6(431) AH"C = 345,7 k J.m o T 1

XIII.4 Xác định giá trị momen lưỡng cực (D )^C 1 , 8 n o 2

trong các dẫn x u ất thê 2 lần của nhân benzen sau đây:

O rthodinitrobenzen (|I = 6,6D)Paranitrotoluen (jl = 4,4D)Nitrobenzen ( |I = 4,2 D)

và toluen (hướng của ịxCH3 ngược với hướng của nhóm N 0 2)

BÀI GIẢI

Theo phương pháp cộng véc tơ ta viết:

P2 = ï i i + ï i | + 2 ^ 2 cose w

Trưòng hợp với phân tử có hai nhóm th ế như nhau (m = ịi2 ), công thức (1) có thể viết như sau:

Ĩ*C1 : Aci =

- Đối vói phân tử paranitrotoluen vói góc 9 = 71 = 180° Cách

tính jl sẽ khác với hai trường hợp trên Trong phân tử này còn tồn tại đồng thời hai nhóm th ế đối nhau (9 = 180°) Với các giá trị: ji1 = P no 2 va ?2 = ic i không như nhau.

Theo hình vẽ ta nhận thấy ịi của phân tử toluen và nitrobenzen có hưống ngược nhau nên phép cộng véc tơ có dạng như sau ịi (paranitrotoluen): jlN0 - PCH,

Thay các giá trị tương ứng với biểu thức này, ta có:

4,4 - 3,8 - PCH3

của vòng benzen

X III.5 Bằng thực nghiệm người ta đã xác định được giá trị

b) Độ ion của liên kết s - H trong p h ân tử H 2S được xác địn h theo công thức:

9//Í

2,61.1Q~30ĩ,33.10“1 0.l,6.10~ 19

100 = 12,3%

X III.6 1) Dựa vào lý th u y ết tương tác tĩn h điện, hãy trình

ion dạng Az+ và Bz‘ ở trạ n g th ái cân bằng với khoảng cách là r0

2) Từ công thức vừa rú t ra, hãy tín h năng lượng nguyên tử hóa cho p h â n tử N aF

INa = 5,139eV; Ep = -3,447eV

của năng lượng h ú t và

đẩy của hai ion trá i d ấu

Năng lượng tương tác đạt tới giá trị bền vững khi

= 0 Sau khi thực hiện phép lấy đạo hàm u theo r và

n - là hệ sô đẩy Born được suy ra từ độ chịu nén cua từng loại

tin h th ể tương ứng, n có giá trị 5; 7; 9; 10; 12 tương ứng với

cấu h ìn h electron của khí trơ He, Ne, Ar, Kr, Xe

NaF N ăng lượng phân ly ion cho NaF (vối z + = z = 1)

Eị = - U 0 = L 1 -(1’610 9.1010[1 = 1,070.10~18 J

Hay Ej = 6,686 eV

Để xác đ ịn h n ăn g lượng nguyên tử hóa ENaF ta lập sơ đồsau:

Theo đ ịn h lu ậ t bảo toàn năn g lượng ta viết:

E i = ® N aF + *N a + ® F

ở đây dấu được quy ước cho các q uá trìn h giải phóng và cung cấp n ăn g lượng n hư sau:

D ấu + là n ăn g lượng được cung cấp

D ấu - là năng lượng được giải phóng

Vậy n ăn g lượng nguyên tử hóa N aF là:

En3f = Ej - INa - Ep hay

= 6 , 6 8 6 - 5,139- (-3,448) = 4,995 eV EỊỵjaF = 5,0eV

Hệ thức rú t ra ở câu 1) là cơ sở của th u y ế t B orn-L ande vổi

sự th ừ a n h ậ n p h â n tử Az+,B z~ là p h ân tử ion lý tưởng song trong thực t ế không có loại p h ân tử như vậy nên k ế t quả thu được chỉ là giá trị gần đúng

X III.7 Dựa và lý th u y ết Lewis và cách tính điện tích hình thức (FC) hãy cho biết công thức cấu tạo nào là hợp lý trong các hợp chất cho dưới đây:

Công thức giả định nào được chọn cũng ph ải thông qua giá trị FC Quả vậy:

o 6 — (4 + 2) = 0 6 - ( 2 + 3) = l 6 - ( 6 + l ) = - l

c 4 - ( 0 + 4) = 0 4 - ( 0 + 4) = 0 4 - ( 0 + 4) = 0

N 5 - (4 + 2) = -1 5 - ( 6 + 1) = - 2 5 - (2 + 3) = 0Công thức A và c có cùng giá trị FC như n h a u nhưng côngthức c là hợp lý hơn vì điện tích - 1 trê n nguyên tử 0 có độ âm điện lớn hơn độ âm điện của N cũng có giá trị FC = —1

c) lon c o f - có tổng sô" electron hoá trị là:

1.4(C) + 3.6(0) + 2 = 24

một nối đôi Công thức giả định sẽ là:

Kết quả chỉ rõ cả 3 phương á n đều có giá trị FC như nhau,

cộng hưởng

X III.8 H ai phân tử NHy và N F3 đểu có cấu trúc tháp tam

a) Hãy cho biết trạn g thái lai hóa của N trong cả hai trường hợp và biểu diễn chúng bằng sơ đồ

b) Giải thích tại sao momen lưỡng cực của phân tử

3AO - sp3 xen p h ủ với 3A 0 - 2p (E) cũng tạo ra 3 liên kết ơ trong p h â n tử N F 3.

Trong cả h a i trư ờng hợp đều có đôi electron tự do trê n AO -

sp3 không th a m gia liên kết T a có th ể biểu diễn điều trìn h bầy trê n đây bằng sơ đồ sau:

b) Từ h ìn h vẽ ta n h ậ n th ấ y hướng củ a véctơ m om en lưỡng cực các liên k ết N -H và của cặp electron không p h â n chia (tự do chưa liên kết) là cùng chiều với n h au Trong khi đó hướng của véctơ momen lưỡng cực của các liên k ết N -F và của cặp electron không p h ân chia lại ngược chiều n h a u do XF > XN • Theo PhéPcộng véctơ ta th u được giá trị momen lưỡng cực của p h â n tử N H 3

lớn hơn đại lượng tương ứng ỏ p h â n tử N F3

X III.9 H ãy xác địn h khoảng cầch giữa h ai nguyên tử iot trong hai đồng p h ân h ìn h học của p h ân tử C 9 H 9 I 9 với giả th iết

h ai đông p h ân này có câu tạo ph ẳn g theo sơ đồ sau:

a) b)

BÀI GIẢI

a) Từ sơ đổ hình học của phân tử dạng a)

BE = FG = / c_c BA = EH = ¿0-1Xét tam giác vuông ADB

-AF = DB = BA.cos60° =

= 2,10.cos60°= 1,05A°.Vậy dx-1 = AH = AF + FG + GH =1,05 + 1,33 + 1,05 = 3,43A°

b) Đôl với cấu dạng hình họckhoảng cách I-I được tín h như sau:

Theo hìn h vẽ bên ta nh ận thấy AK là khoảng cách I-I

Để xác định khoảng cách này ta phải biêt độ dài đoạn AC

và đoạn CK trong tam giác vuông ACK '

d i.i

N hư vậy dj_j = ÃK = a/ấC2 - C K2 = ^3.64“ +3,43^ = 5,0 0A°

X III.10 D ùng lý th u y ế t lai hóa hãy mô tả dạng h ìn h học của

Hãy cho biết:

- Sô"cặp electron liên kết và không phân chia

- Kiểu lai hóa

- Cấu trúc không gian

- Giải thích tạ i sao góc hóa trị tăng dần đi từ phân tử OF2

X III.12 Biểu diễn liên kết cộng hóa trị trong các hợp chất

và ion sau đây theo sơ đồ Lewis

S 0 2; SF4; A1C13; H N 0 3; NO^; ( A1C1Ị)

Cho gO; 9F; i 3A1; 7N; igS; ]H; 17CI

Đáp sô": Độc giả tự viết

X III.13 Dựa vào thuyết lai hóa hãy giải thích tại sao phân

Đáp sô": Do Bo-(B) ở trạng thái lai hóa sp2

X III.1 4 H ãy xác định độ ion của các liên k ết trong các hợp

ch ất sau: HF; HC1, HBr; HI Từ k ết quả th u được cho biết nhận xét cần th iết

b) Xác định giá trị momen lưỡng cực của liên k ế t F - 0 biêt

rằ n g p của p h ân tử F 20 là 0,67D Giả th iế t ả n h hưởng của p của cặp electron không p h ân chia là không đáng kể

b) p F_o = 0,54D

X III.16.D ựa vào quan điểm lai hóa trong thuyết VB hãy cho biết:

a) Trạng th ái lai hóa của nguyên tử Be trong phân tửBeH2

b) Trạng th ái lai hóa của B trong BFß

của liên k ết lần lượt là: Pc-H = 0,4D; P c= 0 = 2,3D Từ các sô liệu trê n hãy:

b) Xác định giá trị momen lưõng cực (D) của phân tử nó trên Cho H(Z = 1); C(Z = 6); 0(Z = 8)

b) P HCHO = 2,7D

a) Cho biết trạ n g thái lai hóa của oxi Minh họa băng sơ đô

b) T ín h giá trị m omen lưỡng cực (D) của p h â n tử này

a = 1 2 0°, h ãy xác đ ịn h giá tr ị m om en lưỡng cực cho b a dạng nêu trê n theo D Giả th iế t ịã C _H - 0; P C„C1= 1,6D

X III.20 a) Cho giá trị momen lưỡng cực của NO là 0,153D,

độ dài liên k êt /no - 1,15Â , hãy xác địn h diện tích dư thừ a (5) trê n hai nguyên tử N và o của p h ân tử NO

Cho 1D = 3,33.10‘ 30 c m

e = 4,8.10"10ues CGS = l,6.10~19c

b) Cho biêt cấu trú c hìn h học của ion n itrit NO^ là dạnggóc Độ dài liên k êt NO giả th iế t là như n h au Hãy biểu diễn ion này theo sơ đồ Lewis

a)b)

N Độc giả tự viết

-o

X III.2 1 a) Dựa vào các quy tắc trong thuyết lai hóa, hãy cho biết trạ n g th ái lai hóa của cacbon trong một hợp chất hữu cơ.

b) Sử dụng k ết quả của câu a) hãy mô tả liên kết được xác

Đáp số: a) sp3 nếu c chỉ tham ra liên kết đơn

sp2 khi c có liên kết đôi

b) HoC - 5 - C = ỖN|

đây theo sơ đồ Lewis: C10¡- ; CIO“ ; C10¡ ; CIO"

2) Một nguyên tô X thuộc nhóm VA và cùng chu kỳ với Fe (Z = 26), hãy:

a) Xác định sô" thứ tự z của X

b) Cho biết hợp chất giữa X và C1

c) Cho biết trạ n g thái lai hóa của X trong hợp chất với Cl Cho C1 (Z= 17); 0 (Z = 8)

Đáp số’: 1) Độc giả tự viết

2) a) z x = 33b) XC13

b) Cho b iết p h â n tử nào chưa ph ân cực Giải th ích và chỉ rõ dạng lai h óa của nguyên tử tru n g tâm

Cho H(Z = 1); Be (Z = 4); C(Z = 6) ; 0(Z = 8); P(Z = 15); S(Z = 16); C1(Z = 17)

X III.24 Cho giá trị momen lưỡng cực của LiH là 5,88D, độ ion của liên k ết Li-H là 77% hãy:

a) Xác địn h điện tích dư ở trê n h ai nguyên tử Li và H

b) T ính độ dài liên k ết l(Ẵ ) của LiH.

c) Giải thích vì sao p h ân tử SCO có p = 0,72D, trong khi đó giá trị này triệ t tiêu ở p h â n tử C 0 2

Đáp số:

ô+ = 0,77 ; 5' = -0,77a) L i - H

b) * l ì - h = 1,59Â c) SCO có cấu trú c h ìn h học không đôi xứng

XIII.25 G iá tr ị momen lưỡng cực của p - nitrobenzyl

clorua đo trong dung môi benzen là 3,59D, hãy xác định góc hợp thành giữa liên k ết C-Cl và C-C6H5 trong phân tử nói trên, biết rằng các giá trị ịi thực nghiệm của nitrobenzen và benzylclorua cũng trong dung môi benzen lần lượt là 3,98D và 1,85D

Đáp số :0 = 1 1 5 °4 0'

XIII.26 Khi đốt cháy H2 bằng 02 ngưòi ta được nước H20 một lượng n h iệt giải phóng ra là AH° = -484,88kJ/mol Biêt năng lượng phân ly liên kết H-H và 0 - 0 lần lượt bằng 431,79kJ/mol

và 4,93,24kJ/mol

H ãy xác định năng lượng liên kết 0 -H được hình thành

Đáp sô": AH°0_H) = -460,20kJ/mol

XIII.27 C ăn cứ vào lý thuyết nhiệt hóa học hãy xác định

giá trị năng lượng nguyên tử hóa ứng với công thức cổ điển của Kekulê Từ k ết quả tín h hãy so sánh với giá trị thực nghiệm: (AH°(t/n) = 6312kj/mol) và cho nhận xét

X III.2 8 Cho các giá trị thực nghiệm sau đây đổi với các

a) Dựa vào mô hìn h ion h ãy tín h n ă n g lượng liên kêt ion

cho các p h â n tử nêu trên

b) So s á n h các giá trị tín h được vói giá trị thự c nghiệm rồi

Giả th iế t vòng benzen là h ìn h lục lă n g đều, liên k ẹt C-I luôn luôn đi q ua tâ m của vòng benzen

Cho zc_c - 1,40Ắ : bán kính cộng hóa trị của các nguyên tử:

X III.30 H ãy tín h độ rộng X giữa hai nguyên tử cacbon v à

khoảng cách xa n h ấ t f giũạ cacbon trong phân tử naphthaxen (xem h ìn h vẽ) Giả th iết phân tử này có cấu tạo phẳng Các vòng

a) Tại sao cacbon ỏ dạng cấu trú c kim cương có nhiệt độ nóng chảy cao (~ 4000°), trong khi đó Si lại có n h iệ t độ th ấ p hơn (~ 1410°).

h) P h â n tử CCI4 tru n g hòa, trơ với nưốc, còn SiCl4 lại có tín h axit và dễ th ủ y phân

Đáp sô': a) c và Si đều ở dạn g lai hóa sp3 song A O -ls(C ) bị

Chương XIV THUYẾT MO VÊ LIÊN KẾT

Ci, c2, cn - Các hệ số chuẩn hóa

Muốn biết thông tin của hệ ta phải giải phương trình Schrodinger theo nguyên ỉý biến phân

Hiị/ = Eip để xác đ ịn h E và lị/

' Các AO xen phủ theo trục (dọc theo trục liên kết tạo

th à n h các MO - ơ (liên kết) và các MO - ơ* (phản liên kết)

- Các AO xen ph ủ theo cạnh sườn của trụ c liên kết tạo

n - Sô electron trên MO liên kết.

n* - Sô" electron trên MO phản liên kêt

2 K hái q u á t v ể phương pháp MO - H uckel (HMO)

-Phương pháp HMO dùng để khảo sát tính chát của hệ

- Trong phép tính HMO, các cơ sở của phương pháp MO vẫn giữ nguyên nhưng có đưa thêm một sô quy tắc gần đúng đê đơn giản hoá phép tín h (xem giáo trình)

Từ k ết quả giải theo phương pháp HMO ta có thể tính được các đặc trư ng sau:

a) M ậ t độ electrón 71

qr = 5 > c f ri=li- Số' o rb itan tối đa ở từ n g trạ n g th á i khảo sát

r- Sô' th ứ tự nguyên tử cacbon trong p h â n tử

n - Sô eletro n trê n orbitan ở trạ n g th á i cơ b ản thông

b) Bậc liên k ế t 71

P r s ~ ¿ C n C jr C js i=lr.s - Chỉ 2 nguyên tử cacbon cạnh n h au

B- BÀI TẬ P CÓ LỜI GIẢI

50V 1 H ãy lập giản đồ MO cho p h â n tử Cl2 K hi p h ân tử

tử sẽ biến đổi r a sao? cho C1(Z = 17)

BÀI GIẢI 17CI: l s 22s 22 p 63s23 p 5

b) Từ giản đồ MO lập ở câu a) hãy viết cấu h ìn h electron

của FO" và FO+, chỉ rõ từ tín h của từ ng p h ân tử và so sánh khoảng cách giữa các nguyên tử của những hợp c h ất trên Cho:

80 ; nF ; Xf> Xo

XIV.2 a) X u ất p h á t từ cấu hìn h electron của F và o , hãy

lặp giản đồ MO cho p h ân tử FO

BÀI GIẢIa) C ấu hìn h electron:

nghịch từ

N = 1 ( 6 -4 ) = 1,0 FO+ : u lo s 2ũ ịn ln ị 71**71.

N = - (6 -2 ) = 2,0

2

thuận từDựa vào kết quả tín h N ta suy ra độ bền liên kết theo thứ

trí tang dan đo dài lien kêt ỉ : Zp0 + < Zpo < Z p Q

a) Ap dụng phương pháp MO, hãy lập giản đồ MO cho từng cặp và viêt cấu hìn h electron của chúng

b) So sánh độ bền liên kết trong từng cặp phân tử nêu trên

BÀI GIẢIa) Cấu hìn h electron N: l s22s22p3; O: l s22s22p

T ừ g iản đồ MO vừa xây dựng được, cho 2 p h â n tử Ny và NO

ta có th ể v iêt câu h ìn h electron cho các cặp p h â n tử như sau:

độ bền liên k ế t theo nguyên tắc số liên k ết N càng lớn th ì độ dài

ỉiên k ê t càng ngăn, ng h ĩa là độ bền càng lớn Theo k ế t quả tính,

ta x é t cho các cặp sau:

C ặp (N2 và N2+ ): th ì liên k ết trong p h â n tử Nọ bền hơn

liên k ết tro n g N2+ vì N n > N

- C ặp (NO và NO+) M ột cách hoàn toàn tương tự, liên kết

tro n g p h â n tử NO+ b ển hơn liên k ết trong NO

X IV 4 B ăng phương pháp gần đúng HMO, các kết quả

nên năng lượng liên kết n là:

phải tín h các giá trị qr, Prs và Fr Vổi 4

electron 71 được xếp trê n 2 MO ở trạng th ái cơ ban, ta co the xac

định các đại lượng trên M ật độ electron trên từng nguyên tư cacbon trong ph ân tử butađien là: