bai giang Hóa Đại Cương

Máy điện là thiết bị điện được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế, vì vậy việc tìm hiểu, nghiên cứu để có những kiến thức cơ bản trong việc thiết kế, sử dụng, vận hành, khai thác máy điện là vấn đề được nhiều người, nhiều ngành quan tâm, đặc biệt là các kỹ sư ngành kỹ thuật điện, tự động hóa.

Lời nói đầ

Giáo trình Hoá học Đại cơng do tập thể cán bộ giảng dạythuộc bộ môn Hoá học - khoa Khoa học Cơ bản - trờng Đại học Sphạm Kỹ thuật Hng Yên biên soạn theo chơng trình Hoá học Đại c-

ơng dùng cho sinh viên khối đại học năm thứ nhất của Nhà trờng

Giáo trình gồm hai phần với 9 chơng:

- Phần một Cấu tạo chất gồm các chơng I, II và III cung cấpcác kiến thức cơ bản về cấu tạo nguyên tử, cấu tạo phân tử,liên kết hoá học, hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hoá học

và trạng thái tập hợp của vật chất

- Phần hai Cơ sở lí thuyết các quá trình hoá học gồm các

ch-ơng IV, V, VI, VII, VIII và IX cung cấp các kiến thức về nhiệthoá học, chiều hớng và giới hạn tự diễn biến của các quátrình hoá học, động hoá học, cân bằng hoá học, dung dịch

và các quá trình điện hoá

Sau phần lí thuyết ở cuối mỗi chơng có các câu hỏi và bàitập giúp ngời học có thể luyện tập và hiểu thấu đáo hơn về cácnội dung mà lí thuyết đã đề cập

Trong cuốn giáo trình này chúng tôi đã cố gắng trình bày

và giải thích những vấn đề cơ bản của Hoá học Đại cơng mộtcách đơn giản, hiệu quả, dễ hiểu và phù hợp với mức độ yêu cầucho các sinh viên đang theo học các ngành kĩ thuật trong trờng

Giáo trình này đợc biên soạn lần đầu nên không thể tránhkhỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận đợc các ý kiến

đóng góp của các bạn đồng nghiệp, các em sinh viên cả về nộidung cũng nh cách trình bày Các tác giả xin trân thành cảm ơnPGS.TS Ngô Sỹ Lơng (Chủ nhiệm bộ môn Hoá vô cơ) trờng Đại họcKhoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã đọc, nhận xét và

đóng góp nhiều ý kiến quí báu cho bản thảo

Chúng tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đối với ban Giámhiệu, phòng Quản lý Khoa học & Đối ngoại và ban Chủ nhiệm khoaKhoa học Cơ bản - trờng Đại học S phạm Kỹ thuật Hng Yên đã tạomọi điều kiện thuận lợi cho chúng tôi hoàn thành cuốn giáo trìnhnày

Các tác giả

Giới thiệu khái quát về môn hóa học

Hóa học là một bộ phận của Khoa học tự nhiên nghiên cứudạng vận động hóa học của vật chất Dạng vận động hóa họccủa vật chất liên quan với sự hình thành và phá vỡ các mối liên kếtgiữa các nguyên tử, thực chất đó là sự phân bố lại electron hóatrị giữa các nguyên tử đồng thời với sự sắp xếp lại các nguyên tửtrong không gian Quá trình đó dẫn đến sự biến đổi chất nàythành chất khác kèm theo sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lợng,những quá trình nh vậy đợc gọi là quá trình hóa học Trong cácquá trình hóa học, bản chất của nguyên tử (đặc trng bằng số

điện tích hạt nhân Z) không bị biến đổi

Nh vậy có thể xác định đối tợng của hóa học: hóa học làmôn khoa học nghiên cứu sự phụ thuộc của tính chất các chấtvào thành phần và cấu tạo của chúng và những quá trình liênquan đến sự biến đổi các chất

Các quan niệm và khái niệm cơ bản của hóa học đợc ápdụng để tìm hiểu và xây dựng quan điểm lý thuyết cho nhiềungành khoa học khác nh: Vật lý học, sinh vật học, địa chất học

và các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau Các phơng pháp nghiên cứuhóa học đợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa học và kỹthuật

Bản thân Hóa học cũng áp dụng nhiều thành tựu của cácngành khoa học khác nh: Toán học, Vật lý

Ngày nay những thành tựu của Hóa học có ảnh hởng mạnh

mẽ đến mọi lĩnh vực hoạt động của con ngời

- Trong sinh hoạt có các chế phẩm hóa học nh dầu gội, sữatắm, sữa,

- Trong kỹ thuật có vật liệu nanô, vật liệu composit

- Trong nông nghiệp có phân bón, thuốc trừ sâu

- Về năng lợng: đóng vai trò quan trọng trong việc nghiêncứu, tìm kiếm các nguồn năng lợng mới nh ngăng lợng hạt nhân,năng lơng mặt trời…

- Bảo vệ môi trờng: xử lý nớc thải, rác thải, khí thải…

Phần I: Cấu tạo chất

Chơng 1: Cấu tạo nguyên tử và hệ thống tuần hoàn

các nguyên tố hoá học

1.1 Thành phần nguyên tử

Các nhà triết học cổ Hy Lạp đã giả thiết nguyên tử tồn tại

nh những hạt vô cùng nhỏ bé không thể nhìn thấy và không thểphân chia nhỏ Ngày nay, dựa vào thuyết lợng tử và các tiến bộkhoa học kỹ thuật, ngời ta đã có một bức tranh khá hoàn thiện vềcấu tạo nguyên tử Nguyên tử đặc trng cho một nguyên tố hoáhọc với một giá trị điện tích hạt nhân Z xác định Nh vậy:

- Đơn chất là do các nguyên tử của cùng một nguyên tố hợpthành nh O2, H2.v.v

- Hợp chất do nhiều nguyên tử của các nguyên tố tạo lên nhH2O, C2H4, C2H5OH.v.v

- Sự kết hợp các nguyên tử khác nhau dẫn tới sự hình thànhphân tử dạng XnYp

1.1.1 Hệ thống khối lợng nguyên tử.

a) Số Avogadro (N)

Là số nguyên tử cacbon 12 chứa trong 0,012kg 12C

N = 6,023.1023

Khi chia N/mol ta đợc hằng số Avogadro kí hiệu là NA

b) Khái niệm về mol

Mol là lợng chất chứa bởi 6,023.1023 hạt vi mô (nguyên tử,phân tử, ion.v.v )

c) Khối lợng mol nguyên tử, khối lợng mol phân tử

- Khối lợng mol nguyên tử

Đợc xác định bằng tỉ số của khối lợng nguyên tử tính ra gamchia cho lợng chất tính theo mol Đơn vị là g/mol

Ví dụ: Khối lợng mol nguyên tử của cacbon là: 12,0011g/mol

Trong các phản ứng hoá học, các nguyên tố phản ứng với nhau(kết hợp hoặc thay thế) theo những quan hệ khối lợng hoàn toànxác định Ví dụ trong các phản ứng:

Hydro (1,00g) + Clo (35,5g)  Hydro clorua (36,5g)Natri (23g) + Clo (35,5g)  Natri clorua (58,5g)Natri (23g) + Oxi (8g)  Natri oxit (31g)

Hydro (1g) + oxi (8g)  Nớc (9g)Natri (23g) + Nớc (18g)  Natri hydroxit (40g) + Hydro (1g)

Nh vậy các khối lợng 1g hydro, 35,5g clo, 23g natri, 8g oxiv.v là tơng đơng với nhau trong các phản ứng hoá học

Có thể nhận thấy rằng các quan hệ này không phụ thuộcvào đơn vị khối lợng đợc dùng, dù đó là đvC, gam, kg, tấn, v.v Vì vậy tổng quát hơn có thể nói rằng trong các phản ứng hoáhọc 1 phần khối lợng hydro tơng đơng với 35,5 phần khối lợng clo,

23 phần khối lợng natri, 8 phần khối lợng oxi v.v

Từ đó ngời ta đa ra một đại lợng gọi là đơng lợng và đợc

định nghĩa nh sau:

"Đơng lợng của một nguyên tố là số phần khối lợng của nguyên tố đó kết hợp hoặc thay thế một phần khối lợng của hydro trong các phản ứng hoá học"

Từ định nghĩa ta thấy rằng đơng lợng là đại lợng không cóthứ nguyên Tuy nhiên, trong thực tế ngời ta vẫn hiểu ngầm đơn

n là hoá trị của nguyên tố

Nh vậy một nguyên tố đa hoá trị sẽ có các giá trị đơng lợngkhác nhau Ví dụ trong FeO thì ĐFe=56/2 =28; trong Fe2O3 thì

ĐFe= 56/3 = 18,67

- Đơng lợng của các hợp chất

Khái niệm đơng lợng cũng đợc áp dụng cho các hợp chất:

Đơng lợng của một hợp chất là số phần khối lợng của hợp chất

đó phản ứng không thừa không thiếu với một đơng lợng của hợp chất khác.

+ Đơng lợng của một oxit kim loại bằng khối lợng phân tử của

oxit đó chia cho tổng hoá trị của kim loại trong oxit đó

Ví dụ: Đơng lợng của Al2O3 là: Đ = 17

3.2

102



+ Đơng lợng của muối bằng khối lợng phân tử của muối chia

cho tổng hoá trị của các nguyên tử kim loại trong phân tử

Ví dụ: Đơng lợng của Al2(SO4)3 là: Đ = 57

3.2

342



+ Đơng lợng của một axit bằng khối lợng phân tử của axit

chia cho số nguyên tử H đợc thay thế trong phân tử axit đó

Ví dụ: Đơng lợng của H2SO4 khi thay thế 1 nguyên tử H là:

Đ = 98 1

98



+ Đơng lợng của một bazơ bằng khối lợng phân tử của bazơ

chia cho hoá trị của các nguyên tử kim loại trong phân tử

Ví dụ: Đơng lợng của NaOH H là: Đ = 40

1

40



1.1.2 Cấu tạo nguyên tử

1.1.2.1 Khái niệm về nguyên tử, phân tử

Nguyên tử là hạt nhỏ nhất của nguyên tố hóa học không thểchia nhỏ hơn đợc nữa về mặt hóa học

Phân tử là hạt nhỏ nhất của một chất có tất cả tính chất hóahọc của chất đó

1.1.2.2 Thành phần cấu trúc của nguyên tử

Về mặt Vật lý, nguyên tử không phải là hạt nhỏ nhất khôngthể phân chia nhỏ hơn đợc nữa mà là một hạt có cấu tạo phứctạp Nguyên tử có cấu tạo từ một hạt nhân mang điện tích dơngbao gồm các hạt proton, nơtron và lớp vỏ gồm các electron mang

điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân Các điệntích này bù trừ nhau nên nguyên tử không mang điện

- Electron (còn gọi là điện tử kí hiệu là e) do nhà vật lý ngờiAnh J.J Thomson tìm ra năm 1897 Electron có khối lợng rất bé sovới khối lợng của nguyên tử bằng 1/1837 đ.v.c và bằng 9,11.10-28g

Nó mang điện tích âm là -1,6021.10-19 culông (-e0)

- Hạt nhân nguyên tử do các hạt proton (p) và nơtron (n) cấutạo nên

+ Proton do Rutherford khám phá ra năm 1911 khi dùng tia α (

He

4

2 ) bắn phá hạt nhân nguyên tử N (theo phản ứng

H O N

9 4

4

2    ) Nơtronkhông mang điện, có khối lợng là 1,00867 đ.v.c hay 1,675.10-24g

Trong hạt nhân các hạt p và n liên kết với nhau bằng một loạilực đặc biệt gọi là lực hạt nhân

Khi nguyên tử ở trạng thái cơ bản nó trung hoà về điện, nên

- Do khối lợng electron rất nhỏ nên có thể xem khối lợngnguyên tử tập trung ở hạt nhân nguyên tử, mỗi cm3 hạt nhânnguyên tử có khối lợng khoảng 130 triệu tấn

- Với các nguyên tố có Z = 1  82 ta có: 1 1,524

P N

Ví dụ 1: Tính số E, N, P trong nguyên tử S (Z = 16 và A =

Ví dụ 2: Cho nguyên tố X có S = 58 và A < 40

Hãy xác định thành phần các loại hạt của X

a ra mô hình nguyên tử có hạt nhân Nó có thể hình dung nhmột thái dơng hệ nhỏ bé với những electron chuyển động xungquanh hạt nhân nh những hành tinh quay xung quanh mặt trời.Tuy nhiên, mẫu nguyên tử Rutherford có hai nhợc điểm lớn lànguyên tử theo kiểu này không bền vững và không giải thích đ-

ợc cấu tạo quang phổ vạch Bế tắc trên đã đợc bổ sung bởi NielsBohr với mô hình nguyên tử mang tên ông

Với tia đơn sắc có tần số  và bớc sóng  thì lợng tử năng ợng có trị số bằng: E = h =

l-

hc

với h là hằng số Planck, h =6,6256.10-34 JS

1.1.3.2 Mô hình nguyên tử Bohr

Khi áp dụng quan niệm lợng tử năng lợng để xem xét cấu tạoquang phổ vạch của nguyên tử hydro, nhà bác học Đan MạchN.Bohr đã đề xuất mô hình nguyên tử mang tên ông với nhữngnội dung chính nh sau:

- Trong nguyên tử, electron chỉ có thể chuyển động trênnhững quỹ đạo xác định có bán kính xác định Khi quay trêncác quỹ đạo đó năng lợng của electron đợc bảo toàn

- Mỗi quỹ đạo ứng với 1 mức năng lợng của electron Quỹ đạogần hạt nhân nhất ứng với mức năng lợng thấp nhất Quỹ đạocàng xa hạt nhân nguyên tử ứng với mức năng lợng càng cao

Bohr cũng đã tính đợc năng lợng của điện tử trong nguyên

tử H khi nó quay trên những quỹ đạo khác nhau

2 2 2 0

- Khi electron chuyển từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác sẽxảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lợng, electron hấp thụnăng lợng khi chuyển từ quỹ đạo gần nhân ra quỹ đạo xa nhânhơn và giải phóng năng lợng khi chuyển theo chiều ngợc lại

Lợng tử năng lợng của bức xạ đợc giải phóng hoặc hấp thụbằng hiệu giữa hai mức năng lợng có tần số và bớc sóng đợc xác

Với En và En' đợc tính theo (1.5)

1.1.3.3 Kết quả và hạn chế của thuyết Bohr

- Không giải thích đợc sự tách các vạch quang phổ dới tácdụng của điện trờng và từ trờng.

1.2 Tính chất sóng của các hạt vi mô

Khi áp dụng các định luật của cơ học cổ điển cho hệ vật

lý vi mô thì kết quả ngời ta thu đợc là sự bế tắc Vì vậy, cácnhà khoa học phải xây dựng một ngành khoa học khác để đápứng với những thuộc tính mới của hệ hạt vi mô Cơ học lợng tử ra

mc

h

+ một electron chuyển động với vận tốc v = 6,6 m/s

+ một xe máy có khối lợng 60kg chuyển động với vận tốc v =

90 Km/h

Giải:

+ với một electron có:

cm m

mv

h

11.00011

,06,6.10.1,9

10.6256,6

37

34

1041,460

25

106256,

đối vật thể vĩ mô nh xe máy, viên đạn.v.v do khối lợng khá lớn sovới hằng số Planck nên bớc sóng  thu đợc theo hệ thức trên quánhỏ vì vậy bản chất sóng của vật thể không có ý nghĩa

1.2.2 Nguyên lý bất định Heisenberg

Từ tính chất sóng hạt trong chuyển động của các hạt vi mô,năm 1927 nhà vật lý Đức W.Heisenberg đã chứng minh đợcnguyên lý bất định:

"Về nguyên tắc không thể xác định đợc hoàn toàn chính xác cả toạ độ và vận tốc của các hạt, do đó không thể vẽ hoàn toàn chính xác quỹ đạo chuyển động của hạt"

Từ đó có thể chứng minh ra hệ thức bất định:

.

m

h v

 (1.8)

Trong đó: x là sai số của phép đo toạ độ theo phơng x vx là sai số của phép đo thành phần vận tốc của hạttheo phơng x

nguyên tử ta chỉ có thể nói đến sự phân bố mật độ có mặtcủa electron trong nguyên tử.

Thông qua hệ thức của De Broglie và hệ thức bất địnhHeisenberg ngời ta nhận thấy rằng sự chuyển động của các hạt vimô hoàn toàn tuân theo những định luật khác hẳn so vớinhững định luật cơ học Newton Từ đó lý thuyết mới phải đợchình thành - Cơ học lợng tử Lý thuyết này cũng đợc xây dựngtrên cơ sở một hệ tiên đề Các kết quả suy ra từ hệ tiên đề này

sẽ khẳng định tính đúng đắn của lý thuyết

Trong khuôn khổ tài liệu này chúng tôi chỉ đề cập đếnnhững khái niệm cơ sở của loại cơ học này dới dạng mô tả là chủyếu

1.3 Đại cơng về Cơ học Lợng tử

1.3.1 Hàm sóng

Vì chuyển động của hạt vi mô cũng có tính chất sóng nên

để mô tả chuyển động của chúng ngời ta cũng dùng phơng pháptơng tự nh phơng pháp vật lý học của quá trình truyền sóng vàthừa nhận tiên đề sau:

Trạng thái chuyển động của hạt hay hệ hạt vi mô (ví dụelectron trong nguyên tử) đợc mô tả bằng một hàm số  (x, y, z, t)

đợc gọi là hàm sóng

Đại lợng bình phơng mô đun của hàm sóng [(x,y,z,t)]2 chobiết mật độ xác suất tìm thấy hạt tại thời điểm t trong khônggian

Nếu trạng thái của hạt không phụ thuộc thời gian (đợc gọi làtrạng thái dừng) thì hàm sóng không phụ thuộc thời gian t Khi đó[(q)]2 biểu thị mật độ xác suất tìm thấy hạt tại điểm có toạ độ

q, chỉ phụ thuộc vào toạ độ

Giả sử hạt vi mô chuyển động trong không gian dV =dxdydz thì xác suất tìm thấy hạt trong toàn bộ không gian dV sẽlà:

1]

 (1.9)

Đây đợc gọi là điều kiện chuẩn hóa của hàm sóng Hàmsóng thoả mãn điều kiện này gọi là hàm chuẩn hoá

1.3.2 Phơng trình Schrodinger

Những qui luật chuyển động của các vi hạt trong cơ học ợng tử đợc biểu diễn thông qua phơng trình Schrodinger (phơngtrình sóng Schrodinger ở trạng thái dừng) do nhà vật lý ngời áo

2 2

2 2

z y

E: năng lợng toàn phần của hạt

Thay giá trị trên vào phơng trình (1.6) và biến đổi ta đợcphơng trình:

0 ) (

8

2

2 2

Phơng trình Schrodinger đợc xem nh một nguyên lý cơ bảncủa cơ học lợng tử

1.4 áp dụng cơ học lợng tử cho nguyên tử có một electron (nguyên

tr-ờng thế, ngời ta thay hệ toạ độ

Descartes bởi hệ toạ độ cầu (r, , )

Quan hệ giữa 2 hệ toạ độ nh sau:

x = r sin  cos 

y = r sin  sin 

z = r cos Với 0  r  

S-



F Ahệ

- V

= con

-

T

= con

F0F

= U

- TS

ất cu ối

)

A + B (c h ất

đầu)

Q2Q T G 3 T G 2



y

 x

Hình 1.1:Hệ toạ

độ cầu

0    2 

Đối với hệ 1 hạt, phơng trình Schrodinger có dạng:

0)(

82

2 2

Trong đó toán tử Laplace đối với hệ toạ độ cầu là:

1

r r

r r r





2 2

2

2 sin

1 ) (sin

.

sin

2



 , từ đó phơng trìnhSchrodinger có dạng:

0)

m (1.12)

Giải phơng trình (1.12) ta thu đợc biểu thức tính năng lợngcủa electron nh sau:

)(6,132

2 2

2

4 2 2

eV n

h n

me k

2



 , một cách tơng tự ta có:

) ( 6 , 13

2

2

eV n

Z

E n   (1.14)

với Z là điện tích hạt nhân của ion giống H

Nh vậy năng lợng của electron chỉ phụ thuộc vào số lợng tửchính n, khi n càng lớn electron có năng lợng càng cao và hiệugiữa 2 mức năng lợng liên tiếp càng nhỏ, tức là các mức năng lợngcàng xít lại gần nhau

16

r

=

F + T

S-



F Ahệ

- V

= con

-

T

= con

F0F

= U

- TS

ất cu ối

)

A + B (c h ất

đầu)

Q2Q T G 3 T G

Hình 1.2: Các mức năng lợng của nguyên tử Hidro

Từ biểu thức tính năng lợng ta thấy: năng lợng không phải là

liên tục mà gián đoạn

n = 1 ứng với mức E ở lớp K, là trạng thái cơ bản

n > 1 ứng với mức năng lợng ở trạng thái kích thích

Từ biểu thức tính năng lợng ngời ta xác định đợc bớc sóngquang phổ phát xạ của nguyên tử H

E = Ecao - Ethấp

2 2 c

4 2 2

kh

n

emZ2π

t

4 2 2

kh

n

emZ2π

2

4 2 2

k h

e mZ 2π

1

 ) = h.c

λ 1

2

4 2 2

k h.c h

e mZ 2π

Yl,ml (,) - hàm góc, nó phụ thuộc vào các số lợng tử l và ml

r

=

F + T

S-



F Ahệ

- V

= con

-

T

= con

F0F

= U

- TS

ất cu ối

)

A + B (c h ất

đầu)

Q2Q T G 3 T G 2

Ethấp

thụ

Có thể nói trạng thái chuyển động trong không gian của vihạt nói chung và của electron nói riêng đợc đặc trng bằng 3 số l-ợng tử n, l, ml.

Đối với nguyên tử H: eV

n

E n  13,26

Nh vậy n càng lớn thì En càng lớn (xem mẫu nguyên tử Bohr)

n 1 2 3 4 56

En 2

1

6,13

2

6,13

 2

3

6,13

 2

4

6,13

5

6,13

6

6,13

Bình thờng electron ở trạng thái ứng với mức năng lợng thấpnhất E1 khi đó nguyên tử ở trạng thái cơ bản, khi cung cấp nănglợng cho electron (bằng cách chiếu sáng, nung nóng…) thìelectron nhận thêm năng lợng và chuyển lên mức cao hơn En,nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích Tuy nhiên, trạngthái đó rất kém bền, chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn sau

đó electron lại chuyển về trạng thái cơ bản, đồng thời giảiphóng năng lơng ∆E dới dạng bức xạ điện tử

b) Số lợng tử phụ (l)

Có các giá trị phụ thuộc n, cụ thể: l = 1, 2, 3, , n-1

+ ý nghĩa:

Số lợng tử phụ đặc trng cho hình dạng orbital và momen

động lợng của orbital nguyên tử Nghĩa là mỗi giá trị l, orbital cóhình dạng xác định và momen động lợng orbital xác định.Công thức tính là:

)1l(l2

h

12 2

h

20 2

h

Những electron có cùng một mức năng lơng En có thể có ngiá trị khác nhau của M Ngời ta thờng kí hiệu trạng tháielectron ứng với các giá trị số khác nhau của l nh sau:

Số giá trị ml là số orbital có năng lợng nh nhau nhng định ớng khác nhau trong không gian

h-Ví dụ ta xét trờng hợp l = 2 khi đó ml có 5 giá trị là: -2, -1,

Bảng 1.1: Mối quan hệ giữa các số lợng tử và hàm sóng

e) Mây electron

Nh ta đã biết đại lợng bình phơng hàm sóng [(q)]2 biểuthị mật độ xác suất tìm thấy electron ở vị trí có toạ độ q trongkhông gian xung quanh hạt nhân nguyên tử Tuy nhiên, xác suấttìm thấy electron ở những vị trí khác nhau là khác nhau, tức làtrong nguyên tử electron có thể có mặt nhiều ở vị trí này và íthơn ở vị trí khác Miền không gian mà electron thờng xuyên cómặt (chẳng hạn 90% thời gian electron có mặt tại đó) đợc quy -

ớc là mây electron Mỗi mây electron có hình dạng và kích thớcxác định phụ thuộc vào trạng thái orbital của electron, tức là phụthuộc vào số lợng tử n, l, ml

A O

2 01 00, 1, -1  200

210,  211, 21-1

2s2pZ, 2pX, 2pY

13

2

3d , 3d z Xz, 3d x2y2

3dyz, 3dxz,

135

Hình 1.4: Hình dáng và sự định hớng của 1 số mây electron

f) Spin

Ngoài trạng thái chuyển động trong không gian của electron(gọi là chuyển động orbital đợc đặc trng bằng 3 số lợng tử, n, l,ml) electron còn có mômen động lợng riêng, kí hiệu là M s Để dễhiểu ta có thể hình dung electron có một chuyển động riêngnào đó nh quay xung quanh 1 trục riêng của nó (thực ra sự tựquay nh vậy là không thể) do đó sinh ra momen động lợng spin

Momen động lợng spin có giá trị bằng:

2)1(s h s

M s   (1.16)

(z ms h

M s  (1.17)

ms đợc gọi là số lợng tử từ spin có thể nhận một trong hai giátrị bằng +1/2 hoặc -1/2, do vậy momen động lợng spin củaelectron chỉ có 2 khả năng định hớng trong không gian

Nh vậy trạng thái của electron trong nguyên tử còn đợc đặctrng bởi số lợng tử thứ t là số lợng tử spin ms nên hàm sóng toànphần sẽ có dạng:

n, l, ml(x,y,z) = Rn,l(r).yl,ml(,).xms()Với xms () đợc gọi là hàm spin

1.5 áp dụng cơ học lơng tử cho Nguyên tử nhiều electron

1.5.1 Phơng trình Schrodinger

Trong trờng hợp nguyên tử nhiều electron thì mỗi electronkhông những chịu lực hút của hạt nhân nguyên tử mà còn chịulực đẩy của các electron khác trong nguyên tử Vì vậy năng lợngelectron trong trờng hợp này phụ thuộc vào cả 2 số lợng tử n, l

Phơng trình sóng Schrodinger không thể giải đợc chính xáccho nguyên tử có từ hai electron trở lên (vì không xác định đợccác giá trị hàm (q) và E một cách chính xác) mà chỉ có thểgiải một cách gần đúng dựa trên mô hình về các hạt độc lập

Đối với hàm sóng khi đó có dạng [(q1,q2 )]2 biểu thị mật

độ xác suất tìm thấy một điện tử ở vị trí có toạ độ q1 và một

điện tử khác ở vị trí có toạ độ q2 trong không gian Theonguyên lý không phân biệt các hạt cùng loại ta có:

(q1,q2) =  (q2,q1)Nếu lấy dấu (+) ta có hàm đối xứng, lấy dấu (-) có hàmphản đối xứng

Ngời ta chứng minh đợc rằng hàm sóng toàn phần mô tảtrạng thái của electron trong nguyên tử nhiều electron là hàmphản đối xứng

Việc giải phơng trình Schrodinger trong trờng hợp này đợcquy về việc giải phơng trình giống của H cho từng electron

Phơng trình Schrodinger có dạng:

0)

(

82

2 2

Hàm sóng chung mô tả trạng thái của toàn lớp vỏ electron là:

 (1,2, i) = 1.2 i

1.5.2 Sự phân bố electron trong nguyên tử nhiều electron

a) Khái niệm lớp, phân lớp, ô lợng tử

Trong nguyên tử nhiều electron ngời ta đa ra các khái niệm

nh sau:

*Lớp electron: Trong một nguyên tử các electron có số lợng tử

chính giống nhau hợp lại thành một lớp và đợc ký hiệu bằng cácchữ cái in hoa:

n chỉ số thứ tự lớp electron, n càng lớn thì lớp e có năng lợngcàng cao và mây (e) đợc phân bố càng xa hạt nhân

* Phân lớp: Trong một lớp, các electron lại đợc xếp thành các

phân lớp ứng với các số lợng tử phụ l, nghĩa là trong một phân lớpcác electron có giá trị của n, l nh nhau Mỗi phân lớp đợc kí hiệubằng một chữ cái

Trong mỗi phân lớp ứng với số lợng tử phụ l xác định có (2l +1) ô lợng tử

Trong đó: n: giá trị của số lợng tử chính

l: chữ cái ứng với giá trị của số lợng tử phụ



* Nguyên lý Pauli (1925) hay nguyên lý ngoại trừ

Trong một nguyên tử không thể có 2 electron có cùng 4 số ợng tử giống nhau

l-Từ đó có thể tính đợc số electron cực đại trong một ô lợng

tử, một phân lớp, một lớp

- Trong một ô lợng tử các electron có giá trị của 3 số lợng tử n,

l, m giống nhau, nên số lợng tử spin (ms) khác nhau (+1/2 và -1/2),vì vậy trong một ô lợng tử có tối đa 2 electron có spin đối songsong (mũi tên ngợc chiều nhau)

- Trong một phân lớp ứng với số lợng tử phụ l có (2l + 1) ô lợng

tử, nên trong mỗi phân lớp sẽ có tối đa là 2(2l+1) electron

Ví dụ: phân lớp s có l = 0 có số electron tối đa là 2

phân lớp p có l = 1 có số electron tối đa là 6phân lớp d có l = 2 có số electron tối đa là 10

- Trong một lớp ứng với số lợng tử chính n có n phân lớp ứngvới l = 0,1,2, , n-1 Mỗi phân lớp lại có tối đa là 2(2l+1) nên sốelectron tối đa của cả lớp là:

1

0

212

5312)12(

Ví dụ: lớp K có n = 1 thì số electron tối đa trên lớp này là 2

lớp M có n = 3 thì số electron tối đa trên lớp này là 18

Theo quy tắc Klechskowsky ta có dãy thứ tự năng lợng tăngdần theo các phân lớp nh sau (hình 1.5):

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d

Cách sắp xếp theo quy tắc này thì các electron đợc điềnvào các phân lớp có giá trị n + l nhỏ trớc Nếu 2 phân lớp có cùnggiá trị n + l thì electron đợc điền vào phân lớp nào có giá trị sốlợng tử chính nhỏ trớc

Hình 1.5: Sơ đồ Klechskowsky

* Quy tắc Hund

Trong một phân lớp các electron có khuynh hớng phân bố

đều vào các ô lợng tử sao cho số electron độc thân là cực đại

Ví dụ: Nguyên tử ôxi (O)

0 (z = 8)

1s2 2s2 2p4

ở đây chúng ta cần phân biệt hai kiểu biểu diễn cấu

- Cấu hình electron theo năng lợng, nghĩa là các AO đợcsắp xếp theo qui tắc Klechskowsky.

- Cấu hình electron theo lớp, nghĩa là các AO đợc sắp xếptheo thứ tự các lớp electron

Ví dụ: Fe (Z = 26) 1s22s22p63s23p64s23d6 (theo năng lợng)

1s22s22p63s23p63d64s2 (theo lớp)

* Giới thiệu quy tắc bão hoà và bán bão hoà

Ngoài 3 quy tắc trên, khi nghiên cứu sự sắp xếp các e vàophân lớp d ở nguyên tử của một số nguyên tố, ngời ta thấy chúng

có khuynh hớng bão hoà dạng(n -1)d10 họăc bán bão hoà (n-1)d5 (5 edải đều trên 5 ô lợng tử)

Tức là nếu nguyên tố có cấu trúc ns2(n-1) d4 thì chúngchuyển sang dạng bán bão hoà ns1(n-1) d5và ns2(n-1) d9  ns1(n-1)

Câu hỏi và Bài tập

1 Trong số các hạt nhân nguyên tử của nguyên tố chì (207Pb

3 Tính đơng lợng của các chất tham gia phản ứng trong cácphản ứng sau:

Na2CO3 + 2HNO3 = 2NaNO3 + CO2 + H2O

Ca3(PO4)2 + H2SO4 = 2CaHPO4 + CaSO4

(5)

4 Định nghĩa ái lực với electron của nguyên tử, ái lực electronmạnh nhất và yếu nhất thuộc về những nguyên tử nào? Đại lợngnào đặc trng cho ái lực với electron

5 Tại sao không thể vẽ chính xác quĩ đạo chuyển động củaelectron, nhng ngời ta lại có thể xác định chính xác trạng tháichuyển động của hạt vi mô?

6 Trạng thái chuyển động của các electron xung quanh hạt nhânnguyên tử đợc đặc trng bằng những số lợng tử nào? Sựchuyển động riêng của electron đợc đặc trng bằng số lợng tửnào? Hãy cho biết giá trị và ý nghĩa của bốn số lợng tử

7 Năng lợng của electron trong nguyên tử hiđro và nguyên tửnhiều electron phụ thuộc vào những số lợng tử nào?

8 Phân biệt orbital nguyên tử và mây electron

9 Vận dụng nguyên lí Pauli để tính số electron lớn nhất trên một

AO (ví dụ 1s), trong một phân lớp (ví dụ 3d) và một lớp (ví dụlớp N)

nguyên lí và quy tắc nào? Phát biểu chúng và lấy ví dụ minhhoạ

brom là 35 và của thiếc là 50 Viết cấu hình electron và xác

định số thứ tự chu kì và phân nhóm của các nguyên tố trên

12 Hãy xác định số thứ tự chu kì và phân nhóm của nguyên tử

có bảy electron 3d

13 Cho các nguyên tố : Li, C, N, O, K, Ca, Sc, Fe, Cu, La, Ce

a) Hãy cho biết nguyên tố nào là nguyên tố s, nguyên tố p,nguyên tố f

b) Bằng các ô lợng tử hãy viết cấu hình electron của các

c) Hãy cho biết nh thế nào là một nguyên tố chuyển tiếp?

15 Tính năng lợng En của H ở trạng thái cơ bản và ở trạng tháikích thích khi electron ở lớp M Nguyên tử H ở trạng thái nàobền hơn?

16 Tính độ dài bớc sóng  của:

a) Một chiếc xe nặng 1 tấn, chuyển động với vận tốc 100km/h

b) Một electron chuyển động với tốc độ V = 106 m /s

Từ các giá trị bớc sóng tìm đợc hãy rút ra kết luận?

17 Tính độ dài bớc sóng DeBroglie của một proton có khối lợng là1,67.10-24g và động năng Eđ = 1000eV, biết rằng 1eV =1,6.10-19V Từ giá trị bớc sóng tìm đợc hãy rút ra kết luận

Đáp số:  9,1.10-13m

18 Một viên bi nặng 1g và một electron (m = 9,1.10-31 kg)chuyển động có độ bất định về vị trí là 1A0 Tính độ bất

định cực tiểu về vận tốc của chúng Biết rằng 1A0= 10-10m.Hãy rút ra kết luận từ các kết quả tính đợc

Đáp số: v = 7,27.107m/s

19 Căn cứ vào thuyết lợng tử planck hãy xác định năng lợng theo J

và khối lợng theo kg của photon ứng với  = 6563A0

tố nào đó không? Tại sao?

b) Cho ion X3+ có phân lớp electron ngoài cùng là 3d2 Hãy xác

định cấu hình electron và Z của X3+ và X

c) Ion X2- có phân lớp electron ngoài cùng là 3p6 Hãy xác địnhcấu hình electron và Z của X2- và X

a

)

c)

24 Cation R+ có cấu hình electron lớp ngoài cùng là 2p6.

a Viết cấu hình electron và sự phân bố electron trong orbitalcủa nguyên tử R

b Nguyên tố R thuộc chu kì nào? Phân nhóm nào? Nguyên tốgì? Giải thích bản chất liên kết của R với halogen

c Tính chất hoá học đặc trng của R là gì? Lấy hai ví dụ 2loại phản ứng để minh hoạ

Hãy xác định vị trí (chu kì, nhóm, phân nhóm, số thứ tự) của

A, M, X trong hệ thống tuần hoàn

26 Cho biết tổng số electron trong anion AB2- 3 là 42 Trong cáchạt nhân của A cũng nh B số proton và số nơtron bằng nhau

a Tính số khối của A,B

b Viết cấu hình electron và sự phân bố electron trong cácorbital của các nguyên tố A,B

27.Nguyên tử của nguyên tố X có năm electron ở lớp ngoài cùng vàthuộc chu kì 4

- Xác định phân nhóm của X

- Viết cấu hình electron nguyên tử của R cùng chu kì và cùngnhóm nhng khác phân nhóm với X

Chơng 2: Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

2.1 các đặc trng cơ bản của liên kết hoá học

Liên kết A - B Năng lợng liên

kết (Kj/ mol) Liên kết A - B

Năng lợng liênkết (Kj/ mol)

Độ dài liên kết phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tửtham gia liên kết và bản chất mối liên kết

Ví dụ : Độ dài một số mối liên kết sau:

H - H : 0,74Ao C  C : 1,20Ao

H - O : 0,96Ao C = C : 1,34 Ao

2.1.3 Góc hoá trị (góc giữa 2 mối lk).

Khi một nguyên tử đồng thời liên kết với nhiều nguyên tửkhác để tạo thành nhiều mối liên kết thì các mối liên kết này tạothành các góc khác nhau

Biết đợc độ dài liên kết và góc hoá trị ta sẽ xác định đợchình dạng của phân tử

Một số hình dạng thờng gặp của phân tử

- Phân tử thẳng: HCl, CO2

- Phân tử gẫy góc: H2O (lOH = 0,96A0 ; α = 1040 28’)

- Phân tử tam giác phẳng: BF3 (lBF = 1,4A0 ; α = 1200)

- Phân tử tháp tam giác: NH3 (lNH = 1,02A0 ; α = 1070)

- Phân tử tứ diện: CH4 (lCH = 1,09A0 ; α = 1090 28’)

- Phân tử bát diện:  4 

6 )

(CN

Fe

31

A B

α

=120 0

B A

α < 90 o

2.1.4 Độ bội của liên kết.

Là số mối liên kết đợc hình thành giữa hai nguyên tử cho ớc

tr-Ví dụ: Trong phân tử Nitơ có ba liên kết đợc hình thành

giữa hai nguyên tử N, nên độ bội của liên kết này là 3

2.2 Các loại liên kết hóa học

2.2.1 Quy tắc bát tử

Xét về mặt tính chất các khí trơ rất ít hoạt động hóa học.Chúng tồn tại trong tự nhiên dới dạng các nguyên tử tự do riêng rẽ.Chúng có cấu trúc với 8 electron ở lớp vỏ ngoài cùng (trừ He), đây

là 1 cấu trúc rất bền vững Từ nhận xét trên khi xem xét cấu trúccác phân tử khác ngời ta đi đến một quy tắc gọi là quy tắc báttử:

"Trong một phân tử, khi hình thành liên kết các nguyên tử của nguyên tố này có khuynh hớng liên kết với các nguyên tử của nguyên tố khác sao cho cấu trúc của chúng đạt tới cấu trúc bền vững của khí trơ với tám electron ở lớp vỏ ngoài cùng”

B

B

B B

A

Từ quy tắc bát tử W.Kossel - nhà bác học ngời Đức cho rằngkhi có tơng tác hoá học, các nguyên tử của các nguyên tố có xu h-ớng mất đi hoặc thu thêm một hay nhiều electron để đạt cấuhình electron bền vững.

Điều kiện để hình thành liên kết ion là hai nguyên tử thamgia liên kết có độ âm điện khác nhau nhiều (   2) Khi đómây electron liên kết sẽ chuyển hoàn toàn về phía nguyên tử có

độ âm điện lớn và làm cho nguyên tử này trở thành ion âm,nguyên tử kia trở thành ion dơng Các ion trái dấu tạo ra sẽ hútnhau bằng lực hút tĩnh điện

Ví dụ : Quá trình tạo nên phân tử NaCl ở trạng thái khí từ

các đơn chất đợc biểu diễn nh sau:

-2s22p6 3s23p6

Lực hút tĩnh điện giữa các ion là lực không bão hoà, không

định hớng có nghĩa là một ion dơng có tác dụng hút đối vớinhiều ion âm và ngợc lại

Hóa trị của một nguyên tử trong hợp chất ion đợc tính bằng

số electron hóa trị mà nguyên tử nhờng đi hay thu vào (bằng số

điện tích của ion đó) Khi nguyên tử nhờng electron để biếnthành ion dơng thì nó có hóa trị dơng Khi nguyên tử thu e đểbiến thành ion âm thì nó có hóa trị âm

2.2.3 Liên kết cộng hóa trị

Khi xem xét các hợp chất phi ion nh H2, Cl2, CH4 Lewis nhà hóa học ngời Mỹ cho rằng liên kết giữa hai nguyên tử đợchình thành là do các cặp electron góp chung tạo lên, liên kết này

-đợc gọi là liên kết cộng hoá trị hay liên kết nguyên tử

Ví dụ: Cl + Cl  Cl : Cl

H + Cl  H : ClCặp electron dùng chung đợc gọi là cặp electron liên kết,mỗi cặp đợc tính là một liên kết (có thể thay bằng một dấu gạchnối) Số liên kết hình thành giữa hai nguyên tử đợc gọi là bậc liênkết

Số liên kết hình thành giữa một nguyên tử của nguyên tốnày với các nguyên tử khác trong phân tử đợc gọi là hóa trị củanguyên tố đó

Ví dụ: Phân tử CH4 thì C có hóa trị 4 còn H có hóa trị 1Trong các phân tử, ta thấy có các cặp electron không thamgia hình thành liên kết Các cặp electron này đợc gọi là cặpelectron không liên kết hay cặp electron không phân chia hoặccặp electron tự do

Có hai cách biểu diễn sự hình thành liên kết trong phân tử

là biểu diễn bằng công thức electron (CTE) hoặc công thức cấutạo (CTCT), các cách này đợc gọi là sự biểu diễn theo sơ đồLewis

Có trờng hợp khi hình thành liên kết cộng hoá trị cặpelectron dùng chung lại do một nguyên tử đóng góp (nguyên tửcho) còn nguyên tử kia nhận cả 2 electron (nguyên tử nhận) khi

đó liên kết hình thành đợc gọi là liên kết cho nhận

ở đây N là nguyên tử cho còn H+ và O là các nguyên tửnhận Liên kết cho nhận đợc biểu diễn bằng một mũi tên cóchiều từ nguyên tử cho đến nguyên tử nhận

Ví dụ nh trong phân tử HCl thì cặp electron dùng chung lệch vềphía nguyên tử Cl vì nguyên tử này có độ âm điện lớn hơn sovới nguyên tử H

2.2.4 Liên kết hydro

Xét các phân tử dạng HX, H2X với X là các nguyên tử có độ

âm điện cao nh Cl, O nên trong các phân tử này nguyên tử X có

xu hớng hút cặp electron dùng chung về phía mình làm nguyên

tử H có điện tích hơi dơng vì thế nó có khả năng tạo liên kếtphụ với nguyên tử có độ âm điện cao

Ví dụ 1: Trong phân tử nớc có hai liên kết chính H - O - H.

Nguyên tử hydro có 1e, khi tham gia liên kết cộng hoá trị phâncực với nguyên tử ôxy, điện tử này đã lệch hẳn về phía nguyên

tử ôxy, hình thành nên một trung tâm tích điện (-) trên nguyên

tử oxi và một trung tâm tích điện (+) trên nguyên tử hyđrô Nênnguyên tử hydro dễ bị hút bởi nguyên tử ôxy của phân tử nớc bêncạnh Lực hút tĩnh điện đó làm cho hai phân tử liên kết lại vớinhau Liên kết đó gọi là liên kết hyđrô Liên kết hydro gây ra sựliên hợp phân tử giữa các phân tử cùng loại hoặc khác loại

HR1

Liên kết hydro có năng lợng liên kết rất bé so với liên kếtchính.

Ví dụ 2: Khi nớc đá đang tan có khoảng 15% liên kết hydro

bị phá vỡ Đến 400C thì khoảng 50% liên kết hydro bị phá vỡ

Có hai loại liên kết hydro

a) Liên kết hydro ngoại phân tử

Là liên kết hình thành giữa các phân tử phân cực khácnhau

Ví dụ: Phân tử nớc H2O, phân tử HF

b) Liên kết hydro nội phân tử

Là liên kết hình thành giữa các nhóm chức trong cùng mộtphân tử

Ví dụ: Phân tử andehit salixylic

- Liên kết hydro càng bền khi nguyên tử phi kim tham gialiên kết hydro có độ âm điện càng lớn và kích thớc càng nhỏ

- ảnh hởng của liên kết hydro: Liên kết hydro gây ra hiện ợng liên hợp các phân tử nên làm:

t-+ Tăng nhiệt độ nóng chảy, tăng nhiệt độ sôi, tăng nhiệthóa hơi, nhiệt dung

+ Làm giảm độ điện ly của axit

+ ảnh hởng đến sự hoà tan lẫn nhau giữa các chất lỏng+ Giữ vai trò quan trọng trong hoạt động sống của sinh vật2.3 Phơng pháp liên kết hóa trị (Thuyết VB)

2.3.1.Những tiên đề cơ bản của phơng pháp cặp electron liên kết

Liên kết cộng hoá trị đợc hình thành là do sự ghép đôi haielectron độc thân có số lợng tử ms ngợc dấu nhau của hai nguyên

tử tham gia liên kết vào một ô lợng tử của phân tử Khi đó xảy ra

sự xen phủ của các AO hoá trị (các mây electron liên kết) củacác nguyên tử tham gia liên kết

H

F

C H H

OO

Các liên kết đợc phân bố theo phơng nào đó để sự xenphủ giữa các AO hoá trị là cực đại Mức độ xen phủ giữa cácmây electron càng mạnh thì liên kết sẽ càng bền và ngợc lại.

Hình 2.1: Sự hình thành liên kết trong các phân tử

2.3.2 Thuyết lai hoá

Khi nghiên cứu sự tạo thành các liên kết trong phân tử CH4,các nhà hóa học Sleiter và Pauli (Mỹ) đã đa ra thuyết lai hoá

Ta biết rằng trong phân tử CH4 có 4 liên kết C - H đợc tạothành bởi các orbital hoá trị của cacbon là 2s1, 2p3 với 4 orbital 1scủa 4 nguyên tử H Nh vậy trong phân tử CH4 phải có 1 liên kết C-Hs-s và 3 liên kết C - Hs-p Nhng thực nghiệm cho thấy rằng cả 4liên kết C - H trong CH4 đều giống nhau và đợc định hớng theohình tứ diện đều (tâm là nguyên tử C, 4 đỉnh là 4 nguyên tửH)

Thuyết lai hoá cho rằng khi tham gia liên kết,1 orbital 2s và

3 orbital 2p của C tổ hợp với nhau để tạo ra 4 orbital lai hoá giốnghệt nhau về hình dáng và bằng nhau về năng lợng Thuyết laihoá có thể phát biểu nh sau:

”Sự tổ hợp các orbital khác nhau để tạo thành các orbital

đồng nhất về hình dạng và năng lợng khi tham gia liên kết gọi là

sự lai hoá các orbital liên kết”.

2.3.3 Một số kiểu lai hoá

a) Lai hoá sp 3

Một AO - s tổ hợp với 3 AO - p để tạo thành 4 AO lai hoá qgiống nhau định hớng theo phơng từ tâm tới 4 đỉnh của tứ diện

đều gọi là sự lai hoá sp3 Trục các AO - q tạo với nhau 1 góc

109028’

Trong ví dụ về CH4 ta vừa xét ở trên chính là lai hoá sp3.Nguyên tử C trong CH4 có 4 orbital lai hoá q giống hệt nhau liênkết với 4 nguyên tử H ở 4 đỉnh của tứ diện đều (tâm tứ diện lànguyên tử C), tạo ra 4 liên kết  Góc hoá trị HCH là 109028’

Các orbital S, Px, Py,Pz Các orbital lai hoá

Hình 2.2: Hình dạng các orbital lai hoá sp3Các orbital lai hoá chỉ tham gia tạo liên kết , thờng gặptrong các nguyên tử O, N, C của các phân tử H2O, NH3, NH4+, CH4

và các ankan (CnH2n+2) hoặc nguyên tử cacbon có 4 liên kết đơn

b) Lai hoá sp 2

Sự tổ hợp giữa một AO - s và 2 AO - p tạo ra 3 AO lai hoá qgiống nhau gọi là sự lai hoá sp2 Trục của 3 orbital này cùng nằmtrong 1 mặt phẳng tạo thành những góc 1200 xuất phát từ tâmcủa một tam giác đều hớng về 3 đỉnh Do đó còn gọi lai hoá sp2

là lai hoá kiểu tam giác

Ví dụ: Xét phân tử C2H4.

Hình 2.3: Hình dạng các orbital lai hoá sp2

Sự lai hoá sp2 thờng gặp trong các hợp chất hydro cacbon cómột nối đôi đôi dạng CnH2n: C2H4 ,C3H6 v.v

Chẳng hạn: Trong C2H4 (êtylen), mỗi nguyên tử C đều có laihoá sp2 tạo ra 3 orbital q (đồng nhất): Mỗi nguyên tử C liên kết vớinhau bằng một orbital q hình thành nên một liên kết 

Hai orbital lai hoá còn lại, liên kết với hai orbital 1s của hainguyên tử hydro Nh vậy mỗi nguyên tử C chỉ còn lại 1 orbital 2pzcha bị lai hoá Các orbital 2pz của hai nguyên tử C sẽ liên kết vớinhau để tạo ra liên kết 

Nh vậy toàn bộ phân tử C2 H4 có 5 liên kết  và 1 liên kết 

c) Lai hoá sp

Một AO - s tổ hợp với một AO - p, tạo ra 2 AO lai hoá q giốngnhau nằm trong cùng một mặt phẳng nhng hớng về hai phía đốinhau (trục của hai orbital này tạo thành một góc 1800) gọi là sự laihoá sp

Ví dụ: với phân tử BeH2

Hình 2.4: Hình dạng các orbital lai hoá sp Kiểu lai hoá sp xảy ra khi tạo thành các muối halogenua củacác nguyên tố nh Be, Zn, Cd, Hg.v.v nguyên tử của những nguyên

tố này ở trạng thái cơ bản có hai electron s đã ghép đôi, khi đợckích thích một electron ở phân lớp s chuyển sang phân lớp p vànguyên tử có hai electron độc thân Để tạo thành liên kết với cácnguyên tử halogen, các orbital s và p tổ hợp với nhau tạo thành 2orbital lai hoá sản phẩm mỗi orbital lai hóa có 1 electron độcthân Hai orbital lai hóa đó cùng nằm trên một đờng thẳng sẽche phủ với 2 orbital p cùng nằm trên đờng thẳng đó của 2nguyên tử halogen tạo thành các phân tử có cấu tạo đờng thẳngBeX2, ZnX2, CdX2, HgX2 (X là halogen) Nhờ vậy 2 liên kết giữakim loại và halogen đều giống nhau mặc dù do electron s vàelectron p tạo nên

Sự lai hoá sp cũng thờng gặp ở các nguyên tử C có liên kết 3hoặc liên kết đôi liên hợp Nh trong phân tử C2H2, CO2.v.v

Ví dụ: Trong phân tử C2H2: Mỗi nguyên tử C có sự lai hoá sp.

Giữa 2 nguyên tử C có 1 liên kết  đợc tạo bởi các orbital lai hoá

Orbital lai hoá còn lại sẽ liên kết với orbital 1s của nguyên tửHyđrô Nh vậy mỗi nguyên tử C còn lại 2 orbital 2py và 2pz Trụccủa chúng vuông góc với nhau và vuông góc với trục của các orbitallai hoá

Các orbital cha lai hoá sẽ tạo ra liên kết  với nhau Nh vậytrong phân tử C2H2 có 3 liên kết  và 2 liên kết 

Ngoài các AO lai hoá trên còn có các lai hoá liên quan đếncác AO - d, hay gặp ở các kim loại bộ d trong phức chất nêu ởbảng sau:

Bảng 2.2: Các kiểu lai hoá và hình dạng phân tử của một

sp3d

sp3d2

Đờng thẳngTam giác

Tứ diệnVuôngLỡng chópBát diện

[Cu(NH3)4]2+

PCl5SF6, SiF62-

d) Điều kiện lai hoá bền

+ Năng lợng của các orbital tham gia lai hoá phải xấp xỉnhau

+ Mật độ electron của AO tham gia lai hoá phải đủ lớn

+ Độ xen phủ của các AO lai hoá với các AO của các nguyên tửkhác tham gia liên kết phải đủ lớn để tạo thành liên kết bền

e) Cách tính trạng thái lai hoá

Khi biết công thức cấu tạo của một phân tử ta có thể dự

đoán đợc kiểu lai hoá của các nguyên tử trong phân tử đó theocông thức:

Số liên kết  + Số cặp electron hoá trị cha tham gia liênkết

- Nếu tổng trên bằng 2 ta có lai hoá sp

- Nếu tổng trên bằng 3 ta có lai hoá sp2

- Nếu tổng trên bằng 4 ta có lai hoá sp3

Ví dụ: Trong phân tử NH3 nguyên tử N hình thành 3 liên kết

 với các nguyên tử H và N còn một cặp electron hoá trị cha thamgia liên kết, nên tổng trên là 4 Vậy N có trạng thái lai hoá sp3