CHƯƠNG 7 KHÁI QUÁT VỀ PHÂN TỬ và LIÊN KẾT HOÁ HỌC
7.4 MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA PHÂN TỬ
Khi 2 nguyên tử càng có sự chêch lệch về độ âm điện thì liên kết càng phân cực.
Như trong phân tử HCl, đôi electron liên kết không được phân bố đều cho 2 nguyên tử. Vì vậy đã phát sinh ra lưỡng cực. Người ta hình dung có một trọng tâm cho các hạt mang điện tích dương và có một trọng tâm cho các hạt mang điện tích âm. Nếu 2 trọng tâm đó trùng nhau ta nói phân tử không có cực, còn khi 2 trọng tâm lệch nhau - tức đã hình thành nên lưỡng cực - ta nói phân tử bị phân cực - và phân tử có momen lưỡng cực.
Momen lưỡng cực à là tớch số điện tớch δ của một cực với khoảng cỏch d giữa 2 cực : à = δ d
B B A
B B Hình 7.3.12 Hình 7.3.9
I I I Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
HOÁ ĐẠI CƯƠNG 1 52
Nếu δ được tính theo 10-10 đơn vị điện tích (điện tích của 1 điện tử = 4,8.10-10 đvđt) ; d tính bằng (1 10 10 )
0 0
m A
A = − . Thỡ đơn vị của à là D (Debye).
Thí dụ : Phân tử A+B- (A mất hẳn 1 electron, B nhận hẳn 1 electron) e = 4,8.10-10 đvtđ, nếu dA-B= 1
0
A . Thì δ = 4,8.1 = 4,8D. Còn nếu tính theo hệ SI : δ = 1,6.10-19. 10-10 = 1,6.10-29Cm. Vậy 1D = Cm
3 10 8
, 4 10 . 6 ,
1 −29 −29
= (C : coulomb ; m : mét) Momen lưỡng cực được biểu diễn bằng một vectơ từ cực dương sang cực âm như H Cl.
Nếu một phân tử có nhiều nguyên tử thì từng liên kết một có momen liên kết và momen lưỡng cực sẽ bằng tổng các vectơ momen liên kết (theo quy tắc cộng vectơ).
Ví dụ như phân tử CO2 có cấu hình thẳng, từng liên kết có momen liên kết lớn (do O có độ âm điện lớn hơn C nhiều) nhưng momen lưỡng cực của phân tử : 0
2 CO2 =
CO à O C O Như vậy giữa momen lưỡng cực và cấu hình của phân tử có mối tương quan chặt chẽ.
Phõn tử H2O cú momen lưỡng cực à ≠0 vỡ vậy trong phõn tử H2O khụng thể cú cấu tạo thẳng hàng mà phải có dạng góc.
Tương tự như vậy đối với sản phẩm 2 lần thế vào nhân benzen như dinitrobenzen, hoặc nitrophenol, ... nếu đo được momen lưỡng cực ta có thể biết 2 nhóm thế này đính vào ở vị trí nào đối với nhau trong nhân benzen (orto, meta, para).
Vớ dụ như diclobenzen nếu à=0 thỡ 2 nhúm Cl ở vị trớ para cũn nếu đo được momen lưỡng cực lớn thì 2 nhóm Cl ở vị trí orto, còn nhỏ hơn thì 2 nhóm ở vị trí meta vì :
* Ở para (Hỡnh 7.4.1.1) : momen lưỡng cực →à =à→1+à→2. Trong trường h
* Ở orto (Hình 7.4.1.2) : trong trường hợp này 2 vectơ momen liên kết →à1 và à→2tạo với nhau một gúc 600 và khi nú cú trị tuyệt đối bằng
nhau, thỡ vectơ momen lưỡng cực →à ở trờn đường phõn giỏc của à1O∧à2 và giỏ trị của momen lưỡng cực là : à= 2OA = 2à1cos300 = 3à1
* Khi 2 nhúm thế ở vị trớ meta (Hỡnh 7.4.1.3), lỳc ấy 2 vectơ à→1 và à→2tạo với nhau một gúc là 1200 và vỡ cú cựng giỏ trị (cựng nguyờn tử Cl) nờn vectơ momen lưỡng cực tổng →à nằm trờn đường phõn giỏc của gúc à1O∧à2 nờn giỏ trị của àlà : à= 2OB = 2à1cos600 = à1
7.4.2. Tính chất quang học :
Khi bức xạ điện từ tương tác với các phân tử, lúc ấy có thể xảy ra theo 2 cách là : trạng thái năng lượng của phân tử thay đổi hay không thay đổi phụ thuộc vào bức xạ chiếu đến.
Khi có bức xạ thích hợp thì phân tử hấp thụ năng lượng ∆Ε để phân tử từ mức năng lượng E1 chuyển thành E2. E2 = E1 + ∆Ε
à2 à1
Hình 7.4.1.1
O A 300
à1
à à2
Hình 7.4.1.2
O B
à1
600 à
à2
Hình 7.4.1.3 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
Lượng năng lượng ∆Ε này sẽ làm thay đổi trạng thái của phân tử dưới các hình thức : làm cho phân tử quay, làm cho phân tử dao động (tịnh tiến) hoặc kích thích electron trong phân tử.
Mỗi một hình thức đều hấp thụ một năng lượng riêng mà
ν hλc h =
=
∆Ε . Điều đó có nghĩa, mỗi hình thức đòi hỏi một bức xạ điện từ có tần số ν nhất định (suy ra có λ nhất định). Các bức xạ này tương ứng với : 1 1000 (10 7 )
0
m A
mm− −
λ . Các bước sóng này nằm
trong vùng vi sóng, hồng ngoại, khả kiến và tử ngoại.
- Ở miền vi sóng, hồng ngoại : có ν nhỏ nên năng lượng ∆E nhỏ chỉ đủ để làm phân tử quay - quang phổ tương ứng là quang phổ quay.
- Ở miền khả kiến : năng lượng tương ứng sẽ làm phân tử dao động - quang phổ tương ứng là quang phổ dao động.
- Ở miền tử ngoại : λ nhỏ suy ra ν lớn nên năng lượng lớn hơn 2 miền kia mới đủ năng lượng để kích thích electron trong phân tử lên mức có năng lượng cao hơn - quang phổ tương ứng là quang phổ điện tử phân tử.
7.4.3. Từ tính :
Một phân tử có thể có các từ tính : thuận từ, nghịch từ hay sắt từ.
- Một phân tử có tính thuận từ khi phân tử bị hút bởi nam châm và người ta nhận thấy loại phân tử này có electron độc thân. Còn khi phân tử bị đẩy bởi từ trường ngoài - phân tử đó có tính nghịch từ - loại phân tử này có các electron đã ghép cặp hết. Còn tính sắt từ là tính thuận từ ở cường độ rất mạnh.
Sở dĩ các phân tử có từ tính như vậy là do phân tử có momen từ vĩnh cửu hay không.
- Monmen từ vĩnh cửu có được chỉ khi phân tử có electron độc thân vì khi một hạt bất kỳ nào có mang điện tích, lúc đó hạt chuyển động sẽ sinh ra momen từ không phụ thuộc vào việc có từ trường ngoài hay không.
Electron mang điện tích âm, được spin hoá (chuyển động quay chung quanh nó) nờn sinh ra momen từ spin às: às =g s(s+1) (àB)
với g : Tỷ số từ quay 2
momengọc momentừ ≈
= ;
àB: Đơn vị từ tớnh gọi là Magneton Bohr với
mc eh
B =2 à
(e : điện tích electron ; h : hằng số Planck ; m : khối lượng electron ; c : vận tốc ánh sáng).
Thớ dụ : với 1 electron cú : à 1) 1,73àB 2
(1 2
2 1 + =
=
Electron khi chuyển động trờn orbital sẽ gõy ra momen từ orbital àl.
Kết quả của 2 momen từ này gây ra từ tính của chất (có electron độc thân) và có
l s +à à
=
à . Nhưng thường àl <<às.
- Thuận từ : Khi một chất đã có momen từ vĩnh cửu dưới tác dụng của từ trường ngoài thì momen từ vĩnh cửu sẽ định hướng theo từ trường ngoài - Vì vậy nó bị hút bởi nam châm.
- Nghịch từ : Khi phân tử không có electron độc thân thì phân tử không có momen từ lúc không có từ trường ngoài. Khi có từ trường ngoài tác dụng lên phân tử, thì phân tử sẽ sinh ra một momen từ cảm ứng ngược chiều với từ trường ngoài. Momen từ cảm ứng này chỉ do momen từ orbital gây ra - nên momen cảm ứng rất nhỏ - còn momen spin thì không bị ảnh Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com
HOÁ ĐẠI CƯƠNG 1 54
hưởng do nó đã ghép cặp nên đã bù trừ lẫn nhau. Do momen từ cảm ứng ngược chiều với từ trường nên bị đẩy bởi từ trường ngoài - gọi là nghịch từ.