Đang tải... (xem toàn văn)
Nối tiếp phần 1, phần 2 của tài liệu Lý thuyết và ứng dụng hóa học đại cương (Tập 1) tiếp tục trình bày các nội dung chính sau: Cấu tạo phân tử và liên kết hóa học; Các hệ ngưng tụ: Liên kết và cấu trúc; Phương pháp nhiễu xạ tia X. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.
Chuơng II CẤU TẠO PHÂN TỬ VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC 11.1 KHÁI QUÁT VỀ PHÂN TỬ VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN 11.1.1 KHÁI NIỆM PHÂN TỬ Khái niệm phân tử Avogađro, nhà bác học Ỷ đưa năm 1811 Trong định luật gọi định luật Avogadro, khái niệm phân tử sử dụng để chì hạt nhỏ chất khí có khả tổn độc lập, chứa nguyên tử^*) Theo lí thuyết cấu tạo kinh điển "phân tử gồm số có giới hạn nguyên tử kết hợp với liên kết hóa học" hÕ Hình 11.1 Sự hình thành phân tử H từ nguyên tử H Để cố quan niệm xác phân tử, ta xét hình thành phân tử H từ hai nguyên tử H Khi nguyên tử hiđro tiến lại gần tương tác hạt dẫn đến hình thành cáu trúc tức phân tử H2 (H.II.l) có lượng cực tiểu, thấp tổng náng lượng nguyên tử hiđro riêng rẽ Ha Hb (*) Trừ khí trơ tồn dạng nguyên từ (khi dó chưa biết) 121 http://tieulun.hopto.org Trong phân tử H hai điện tử chuyển động riêng rẽ trường lực proton mà chuyển động trường lực hai hạt nhân không gian chung phân tử Ta dễ dàng nhận thấy rằng, phân tử khơng cịn tổn với cấu trúc ban đầu liên kết đơn giản nối kết nguyên tử cách xác nguyên tử xuất phát phân tử với nguyên tử khác Theo quan niệm : Phăn tử gơm số có giới hạn hạt nhăn ngun tử điện tử tương tác vói phân bố cách xác định không gian tạo thành m ột cáu trúc vững bên Hiểu theo nghĩa rộng, khái niệm phân tử chi bao gồm phân tử trung hòa (H2, CO) mà bao gổm nh ữ ng ion phân tử (NO , H j, .), n h ữ n g ion ([F e (C N )6] 4_, ) nh ữ ng gốc tự (.O H , phức CH3) Trong tinh thể (ví dụ : tinh thể natri, tinh thể cacbon, tinh thể muối ăn), số nguyên tử hay số ion vô hạn định, chúng không tạo thành phân tử độc lập Những phân tử riêng lẻ (Na2, C2, NaCl) tổn nhiệt độ cao Giữa phân tử co' tương tác yếu gọi tương tác Van der Waals (Van đec Van) Vì vậy, tùy theo điểu kiện nhiệt độ áp suất, phân tử không tổn trạng thái khí, phân tán mà cịn tồn trạng thái ngưngytụ (lỏng; rắn) 11.1.2 THUYẾT ĐIỆN TỬ VÉ HÓA TRỊ (1916) Thuyết điện tử hóa trị xuất sau có mơ hlnh ngun tử Bohr (1913) trước cổ CHLT (1926) Vì thuyết coi thuyết kinh điển hay thuyết phi 122 http://tieulun.hopto.org học lượng tử Kết hợp với liệu quang phổ nghiệm, thuyết Bohr cho phép xác định số điện tử lớp phân lớp quỹ đạo Xét mật cấu trúc, ta biết, trừ nguyên tử hêli có điện tử lớp thứ (bão hịa) cịn ngun tử khí trơ khác có điện tử lớp (s2p6) Xét vể mặt tính chất, khí trơ hoạt động hóa học : nguyên tử chúng không liên kết với tạo thành phân tử, chúng tổn tự nhiên dạng nguyên tử tự riêng rẽ Vì vậy, cấu trúc với điện tử lớp cấu trúc đặc biệt vững bền Theo quy tấc bát tử (Octet) nguyên tử nguyên tố có khuynh hướng liên kết vói nguyên tử khác dể dạt dược cáu trúc diện tử vững bền khí trơ với (hoặc dối vói hêli 2) diện tử ỏ lớp ngồi Tùy theo tương quan tính chất nguyên tử tham gia liên kết, co' cách đạt cấu hình vững khí trơ : - Sự chuyển điện tử từ nguyên tử sang nguyên tử khác - Sự góp chung điện tử Từ đo' xuất hai loại liên kết liên kết ion liên kết cộng hóa trị Quy tấc bát tử giả thuyết hình thành liên kết cộng ho'a trị liên kết ion Lewis (Liuyt) Kossel (Côtxen) Langmuir (Lăngmuya) phát triển thành thuyết diện tử hóa trị Langmuir phân biệt hai loại ho'a trị : Hóa trị ion ngun tơ số điện tử mà nguyên tử nguyên tố đo' đâ bỏ (ho'a trị dương) hay thu thêm (hđa trị âm) 123 http://tieulun.hopto.org Cộng hóa trị nguyên tố số cặp điện tử chung mà nguyên tử tương ứng có chung với nguyên tử khác 11.1.3 Sự PHÂN LOẠI CÁC LIÊN KỂT Ngoài liên kết ion liên kết cộng hđa trị, theo lí thuyết kinh điển loại liên kết thứ ba gọi liên kết kim loại cuối người ta kể đến loại liên kết yếu phân tử thường gọi tương tác phân tử Liên két ion Trên sở quy tắc bát tử, Kossel nhà bác học Đức cho loại liên kết hình thành : - Bằng chuyển điện tử từ nguyên tử sang nguyên tử khác - Bằng lực hút tĩnh điện ion tích điện trái dấu hình thành Sự hình thành liên kết ion phân tử NaCl tóm tắt sơ đổ sau : (+) (-) :Nai T.C1: -> :Nk: + : â• • : •• •• •I Sự hình thành liên kết ion phân tử nhiều nguyên tử MgCl2 tóm tắt sơ đồ : : C1 + : Mg: + : c i : (-) (++) (-) : c i : + :Mg: + : d : Lực hút tĩnh điện ion không định hướng, ion dương có tác dụng hút đối vổi nhiều ion âm ngược lại, hợp chất ion thường tổn dạng tinh thể Các phân tử ion riêng rẽ NaCl) Trên thực tế, 124 tổn nhiệt độ cao (1440°c liên kết ion điển hình hình http://tieulun.hopto.org thành tinh thể kim loại điển hình phi kim điển hình Hóa trị nguyên tố hợp chất ion gọi điện hóa trị hay hóa trị ion nguyên tố đo' Tương đương với định nghỉa Langmuir, người ta cịn định nghĩa : Hóa trị ion nguyên tố số diện tích ion dó Trong hợp chất MgCl2, magie co' hóa trị dương hai, clo co' hóa trị âm m ột^ Liên kẽt cộng hóa trị (liên kểt nguyên tủ) Cùng năm 1916, nhà khoa học Mỹ Lewis (Liuyt) nêu lên giả thuyết cho phân tử H2, Cl2, CH4 (các hợp chất phi ion), hình thành liên kết hai nguyên tử thực hay nhiểu cặp điện tử chung cho hai nguyên tử với hình thành cập điện tử chung, nguyên tử tương tác co' cấu hình diện tử vững bền khí trơ tương ứng Loại liên kết gọi liên kết cộng hóa trị hay liên kết ngun tử Sự hình thành liên kết cộng hđa trị phân tử hai nguyên tử H2, Cl-., HC1 mô tả sơ đổ sau : H ■D + -H • • 0e a + *cĩ: • h :h D• -» • • H + -C1: - > DO :d:ci p• D• • • H:CĨ Các cơng thức gọi công thức diện tử Đồi điện tử chung gọi đôi hay cặp diện tử liên kết Theo quy ước*2 (1) Vì hóa trị số (số điện tử số liên kết) nên viết hóa trị cùa magie + clo - khơng vi nhũng điện tích, ngược lại viết + hay ~1 khơng số đại so quy ước vể số oxi hoa 125 http://tieulun.hopto.org chung, cặp điện tử chung tính liên kết biểu diễn gạch (vạch) nối ký hiệu nguyên tử H - H, C1 - Cl, H - Cl Các công thức thường gọi công thức cáu tạo Xét công thức điện tử Cl2 HC1 ta thấy chung quanh nguyên tử cịn cập điện tử hóa trị khơng tham gia liên kết gọi cặp điện tử không liên kết, hay Gặp điện tử tự Người ta thường biểu diễn cặp điện tử tự vạch ngắn vẽ chung quanh ký hiệu nguyên tử tương ứng : ịã - ÕT| , H - U\ Công thức công thức cấu tạo nói thường gọi cơng thức vạch hóa trị hay sơ đồ Leivis Sự hình thành liên kết cộng hóa trị phân tử nhiều nguyên tử H 2S, HoO, CH4, NH3 mô tả Sơ đổ sau : H' + : s : + 'H H :S: H H + ■.()■+ H ^H :Ĩ :H H 4H + • c • -» H : c : H H H 3H * + • N • —> H : N * H H - s - H H - s - H H - Õ - H H - O - H H H -C -H H H H H -ý * H H —N H Trong phân tử xét trên, nguyên tử liên kết với liên kết cộng hóa trị Các liên kết gọí liên kết dơn Trong phân tử khí C , nguyên tử c liên kết với nguyên tử o hai liên kết Đó liên kết đôi 126 http://tieulun.hopto.org :0: + |0 :C: + = c = :0: :C: :0: :0: 0| -* o = c = o Nguyen tử N có điện tử hóa trị, hình thành phân tử N , nguyên tử góp điện tử tạo thành liên kết Người ta gọi đổ liên kết ba :N: + :N: :N: ':N: |N = N I N = N Số liên kết hai nguyên tử gọi bậc liên kết Số liên kết cộng hóa trị xuất phát từ nguyên tử phân tử gọi s ố liên kết nguyên tử Tương đương với định nghĩa Langmuir người ta cịn co' thể định nghỉa : Hóa trị nguyên tố hợp chất cộng hóa trị la số liên kết hình thành nguyên tử nguyên tố dó vói nguyên tử khác phân tử Như s ố liên kết X U I phát từ nguyên tử cộng ho'a trị nguyên tử tương ứng Trong hợp chất CO-», NH3, HC1, clo hiđro co' ho'a trị một, ôxi co' ho'a trị hai, nitơ co' ho'a trị ba, cacbon co' ho'a trị bốn Ta biết, liên kết cộng hóa trị (bình thường) nguyên tử tham gia liên kết go'p điện tử tạo thành đôi điện tử chung hay liên kết A + B -* A : B A - B Trong trường hợp đặc biệt, cặp điện tử chung co' thể xuất phát từ nguyên tử Khi liên kết co' thể biểu diễn sơ đổ sau : -t A: + B —» A : B A B hay A - B 127 http://tieulun.hopto.org Trong sơ đổ trên, nguyên tử A góp hai điện tử gọi nguyên tử cho nguyên tử B không góp điện tử gọi nguyên tử nhận liên kết cộng hóa trị đặc biệt gọi liên kết cho nhận Liên -kết cho nhận thường biểu diễn mũi tên ngắn cổ chiều từ nguyên tử nguyên tử nhận, người ta cố thể hình dung trước nguyên từ A cho nguyên tử B điện tử để góp chung có thừa điện tích dương đđ ngun tử B có thừa điện tích âm Do liên kết cho nhận biểu diễn gạch nối bình thường ký hiệu nguyên tử A nguyên tử B có ghi thêm dấu + dấu + + A: + B -* A + B -» A - B - Ví dụ H+ + :NH3 — [H :C: + :Õ: |C ^ | NH3]+ H H :N: H H T+ l ẽ s 01 Liên két kim loại Liên kết nguyên tử kim loại trạng thái tinh thể trạng thái lỏng gọi liên kết kim loại Trong tinh thể kim loại, điểm nút mạng tinh thể ion dương Các điện tử hóa trị tách khỏi nguyên tử di động tương đối tự toàn khối kim loại Lực hút điện tử ion dương nguyên nhân liên kết kim loại Tương tác phân tử Lý thuyết kinh điển giải thích tương tác phân tử tương tác phân tử phân cực xuất, nhát từ phân cực liên kết 128 http://tieulun.hopto.org 11.1.4 HẠN CHÊ CỦA LÍ THUYẾT PHI c HỌC LƯỢNG TỬ VẾ LIÊN KẾT Với quy tác bát tử đơn giản, thuyết điện tử hóa trị cho phép xác định cơng thức cấu tạo nhiều hợp chất từ người ta co' thể giải thích định tính số tính chất phân tử Lí thuyết điện tử hóa trị đưa phân loại liên kết mà người ta sử dụng để xây dựng mơ hình gần khảo sát chất Tuy nhiên, vi thiếu sở lí thuyết vững chác hệ hạt vi mô nên thuyết điện tử vể hóa trị khơng phản ảnh đặc điểm vể phân tử, no' coi thuyết kinh điển hay phi CHLT co' nhiều hạn chế Theo lí thuyết kinh điển liên kết cộng hđa trị, liên kết chủ yếu tổn phân tử, hình thành cặp điện tử chung Tuy nhiên, với cặp điện tử chung, thuyết điện tử ho'a trị không giải thích vấn đề vể liên kết chát lực liên kết cộng hóa trị, tính định hướng hóa trị hóa trị nhiêu nguyên tố đo' không giải thích tính chất phân tử Thuyết điện tử vể hóa trị giải thích hình thành liên kết cộng ho'a trị cặp điện tử chung điều kiện "cặp" điện tử thực khơng phải diễu kiện cần thực tế co' phân tử hình thành với lẻ điện tử Ví dụ, phân tử H / , phân từ He-/ Hiện người ta sử dụng quy tắc bát tử để viết công thức cấu tạo nhiều hợp chất Tuy nhiên, ta cần lưu ý nhiều trường hợp, quy tác bát tử khơng nghiệm Ví dụ : 129 http://tieulun.hopto.org o II 0) o II (7e) B = NỊ (6e) (4e) F F F / \ F ( 10 e) F Ị F F