LIÊN KẾT HÓA HỌC GV: TS. Lê Tiến Khoa CHƯƠNG 2 Khái quát liên kết hóa học Tại sao phải có liên kết Trạng thái tồn tại của vật chất: Phần lớn các cá thể đều có khuynh hướng tạo liên kết → an toàn hơn, hạnh phúc hơn Khái quát liên kết hóa học Lực gắn kết các nguyên tử lại với nhau Khái niệm Hình thành do nguyên tử muốn đạt trạng thái bền có năng lượng thấp hơn Khái quát liên kết hóa học Lực hút tĩnh điện Một cách gần đúng: chỉ có các ehóa trị trong orbitalhóa trị tham gia tạo LK Bản chất của liên kết hóa học Cần xem xét cấu hình điện tử → ehóa trị và vân đạo hóa trị Khi tạo LK, các e sẽ phân bố lại trong không gian tạo LK Các thông số của liên kết Khoảng cách d (Å) cân bằng giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử liên kết với nhau Độ dài liên kết d càng ngắn, liên kết càng bền Góc tạo bởi hai đoạn thẳng tưởng tượng đi qua hạt nhân của nguyên tử đang xét với hai nguyên tửliên kết với nó Góc liên kết Các thông số của liên kết Năng lượng E (kJmol, kcalmol) cần thiết để cắt đứt liên kết Năng lượng liên kết E càng lớn, liên kết càng bền Số lượng liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử đang xét Độ bội liên kết Độ bội càng lớn, liên kết càng ngắn, năng lượng liên kết càng lớn và liên kết càng bền Phân loại liên kết Liên kết hóa học bao gồm 3 loại Phân loại • LK ion: Cho electron → ion dương (cation) Nhận electron → ion âm (anion) Đạt lớp vỏ giống khí hiếm • LK cộng hóa trị: góp chung electrong Đạt lớp vỏ giống khí hiếm • LK kim loại Năng lượng liên kết: vài trăm kJmol LK mạnh Phân loại liên kết Dựa vào sự chênh lệch độ âm điện của các nguyên tử tham gia liên kết Điều kiện hình thành liên kết • LK ion: chênh lệch độ âm điện lớn (∆Χ > 2,2) • LK cộng hóa trị: chênh lệch độ âm điện không lớn Không có ranh giới rõ ràng Phân loại liên kết Dựa vào sự chênh lệch độ âm điện của các nguyên tử tham gia liên kết Điều kiện hình thành liên kết • LK cộng hóa trị thuần túy: không có sự chênh lệch độ âm điện • LK cộng hóa trị phân cực: chênh lệch độ âm điện không lớn Phân loại liên kết Dựa vào thành phần nguyên tử tham gia liên kết Điều kiện hình thành liên kết • LK ion: kim loại (số oxh 1, phụ thuộc vào cấu hình điện tử của ion Mô hình liên kết ion Năng lượng LK ion được tính cho cả mạng lưới → Năng lượng mạng lưới Cường độ của liên kết ion Độ bền của LK ion càng lớn khi: • Điện tích ion q+ và q càng lớn (yếu tố quan trọng hơn) • Bán kính q+ và q càng nhỏ Sự phân cực Sự phân cực: sự chuyển dịch đám mây đtử đối với hạt nhân của 1 ion dưới tác dụng điện trường của 1 ion khác Khái niệm • Ion bị phân cực: đám mây điện tử bị biến dạng • Ion phân cực: tạo ra điện trường gây biến dạng Cation có bk nhỏ → ít bị phân cực Anion có bk lớn → dễ bị phân cực Cation càng có tính phân cực, anion càng bị phân cực: tính cộng hóa trị của LK càng tăng Sự phân cực Cation có tác dụng phân cực càng mạnh khi: Tác dụng phân cực của cation • Điện tích của cation càng lớn • Bán kính cation càng nhỏ • Cấu hình: d10 > d19 > khí hiếm (tác dụng phân cực ngược) Tác dụng phân cực của: Si4+ > Al3+ > Mg2+ > Na+ Sự phân cực Anion bị phân cực càng mạnh khi: Tác dụng phân cực của anion • Điện tích của anion càng lớn • Bán kính anion càng lớn Mức độ bị phân cực của: I > Br > Cl > F TS. Lê Tiến Khoa LK CỘNG HÓA TRỊ Khái quát liên kết cộng hóa trị Liên kết CHT được hình thành giữa những nguyên tử cùng một ngtố hay của hai ngtố có sự chênh lệnh nhỏ về độ âm điện Sự hình thành liên kết CHT • Đôi điện tử hóa trị của hai ngtử liên kết tập trung vào khu vực giữa hai hạt nhân Liên kết cộng hóa trị mang bản chất điện do điện tích âm của điện tử liên kết kéo 2 hạt nhân lại gần nhau Khái quát liên kết cộng hóa trị Các nguyên tử sử dụng các orbital hóa trị để lai hóa → dùng các orbital lai hóa để xen phủ Quá trình hình thành liên kết CHT theo thuyết VB • Mức năng lượng của hai vân đạo liên kết gần nhau • Các vân đạo liên kết định hướng để xen phủ hiệu quả • Mật độ điện tử trong vùng xen phủ đủ lớn Khi các orbital xen phủ, electron độc thân được ghép cặp → hình thành liên kết CHT • Liên kết σ: xen phủ trục • Liên kết π : xen phủ bên Liên kết σ bền hơn liên kết π vì mức độ xen phủ lớn hơn Khái quát liên kết cộng hóa trị Hai tính chất đặc trưng: Các tính chất của liên kết CHT • Tính định hướng → tạo thành góc liên kết xác định đối với mỗi phân tử • Tính bão hòa → các nguyên tử thường có số phối trí thấp: 6, 4 và 3 Độ bền của LK cộng hóa trị Độ bền của LK cộng hóa trị càng lớn khi • Hai vân đạo LK có năng lượng gần nha (đồng năng) • Độ xen phủ giữa hai vân đạo càng lớn • Mật độ điện tử trong vùng xen phủ càng lớn (mật độ) Quan trọng nhất LIÊN KẾT KIM LOẠI GV: TS. LÊ Tiến Khoa Mô hình liên kết kim loại cổ điển Liên kết kim loại được thực hiện bằng các điện tử hóa trị được phóng thích từ các nguyên tử kim loại di chuyển tự do trong toàn khối kim loại tạo thành một đám mây điện tử liên kết các cation kim loại với nhau Khái niệm Liên kết có cường độ mạnh Tính bất định hướng Tính bất bão hòa Tính chất Rõ ràng, dễ hiểu Giải thích được tính dẫn điện, nhiệt, tính dẻo, tính dễ kéo dài của KL Không giải thích được tính bán dẫn, ánh kim… của KL Mô hình liên theo cơ học lượng tử Liên kết trong kim loại là các liên kết cộng hóa trị đa tâm đa điện tử xuất hiện trong toàn hạt tinh thể kim loại n vân đạo hóa trị của n nguyên tử kim loại AO trong hạt tinh thể sẽ tổ hợp lại với nhau tạo thành n2 MO liên kết và n2 MO phản liên kết Luận điểm Mô hình liên theo cơ học lượng tử Sự tổ hợp này tạo thành các vùng năng lượng Lý thuyết vùng của kim loại Các MO liên kết trong toàn hạt tinh thể tạo thành vùng dẫn cho phép các điện tử di chuyển tự do khiến cho các kim loại dẫn điện, dẫn nhiệt… Chênh lệch E giữa các MOliên kết và MOphản liên kết giải thích được tính bán dẫn Mô hình liên theo cơ học lượng tử Cơ học cổ điển: bản chất của liên kết kim loại là liên kết cộng hóa trị → liên kết kim loại phải có hai tính chất chính là định hướng và bão hòa Tuy nhiên, do sự xen phủ của một lượng rất lớn các vân đạo hóa trị của các nguyên tử trong tinh thể khiến cho các điện tử hóa trị có thể di chuyển một cách tự do trong toàn tinh thể kim loại Tính chất của liên kết kim loại Liên kết kim loại theo lý thuyết cơ học lượng tử lại có tính bất định hướng và bất bão hòa
CHƯƠNG LIÊN KẾT HÓA HỌC GV: TS Lê Tiến Khoa Khái quát liên kết hóa học Tại phải có liên kết Phần Trạng lớn tháicác tồncá tạithể củađều vật có chất: khuynh hướng tạo liên kết → an toàn hơn, hạnh phúc Khái quát liên kết hóa học Khái niệm Lực gắn kết nguyên tử lại với Hình thành nguyên tử muốn đạt trạng thái bền có lượng thấp Khái quát liên kết hóa học Bản chất liên kết hóa học Lực hút tĩnh điện Một cách gần đúng: có ehóa trị orbitalhóa trị tham gia tạo LK Cần xem xét cấu hình điện tử → ehóa trị vân đạo hóa trị Khi tạo LK, e phân bố lại không gian tạo LK Các thông số liên kết Độ dài liên kết Khoảng cách d (Å) cân hai hạt nhân hai nguyên tử liên kết với d ngắn, liên kết bền Góc liên kết Góc tạo hai đoạn thẳng tưởng tượng qua hạt nhân nguyên tử xét với hai ngun tửliên kết với Các thơng số liên kết Năng lượng liên kết Năng lượng E (kJ/mol, kcal/mol) cần thiết để cắt đứt liên kết E lớn, liên kết bền Độ bội liên kết Số lượng liên kết hình thành hai nguyên tử xét Độ bội lớn, liên kết ngắn, lượng liên kết lớn liên kết bền Phân loại liên kết Phân loại Liên kết hóa học bao gồm loại • LK ion: Cho electron → ion dương (cation) Nhận electron → ion âm (anion) • LK cộng hóa trị: góp chung electrong • LK kim loại Năng lượng liên kết: vài trăm kJ/mol Đạt lớp vỏ giống khí Đạt lớp vỏ giống khí LK mạnh Phân loại liên kết Điều kiện hình thành liên kết Dựa vào chênh lệch độ âm điện nguyên tử tham gia liên kết • LK ion: chênh lệch độ âm điện lớn (∆Χ > 2,2) • LK cộng hóa trị: chênh lệch độ âm điện khơng lớn Khơng có ranh giới rõ ràng Phân loại liên kết Điều kiện hình thành liên kết Dựa vào chênh lệch độ âm điện nguyên tử tham gia liên kết • LK cộng hóa trị túy: khơng có chênh lệch độ âm điện • LK cộng hóa trị phân cực: chênh lệch độ âm điện không lớn Phân loại liên kết Điều kiện hình thành liên kết Dựa vào thành phần nguyên tử tham gia liên kết • LK ion: kim loại (số oxh 1, phụ thuộc vào cấu hình điện tử ion Mơ hình liên kết ion Cường độ liên kết ion Năng lượng LK ion tính cho mạng lưới → Năng lượng mạng lưới Độ bền LK ion lớn khi: • Điện tích ion q+ q- lớn (yếu tố quan trọng hơn) • Bán kính q+ q- nhỏ Sự phân cực Khái niệm Sự phân cực: chuyển dịch đám mây đtử hạt nhân ion tác dụng điện trường ion khác • Ion bị phân cực: đám mây điện tử bị biến dạng • Ion phân cực: tạo điện trường gây biến dạng Cation có bk nhỏ → bị phân cực Anion có bk lớn → dễ bị phân cực Cation có tính phân cực, anion bị phân cực: tính cộng hóa trị LK tăng Sự phân cực Tác dụng phân cực cation Cation có tác dụng phân cực mạnh khi: • Điện tích cation lớn • Bán kính cation nhỏ • Cấu hình: d10 > d1-9 > [khí hiếm] (tác dụng phân cực ngược) Tác dụng phân cực của: Si4+ > Al3+ > Mg2+ > Na+ Sự phân cực Tác dụng phân cực anion Anion bị phân cực mạnh khi: • Điện tích anion lớn • Bán kính anion lớn Mức độ bị phân cực của: I- > Br- > Cl- > F- TS Lê Tiến Khoa LK CỘNG HÓA TRỊ Khái quát liên kết cộng hóa trị Sự hình thành liên kết CHT Liên kết CHT hình thành nguyên tử ngtố hay hai ngtố có chênh lệnh nhỏ độ âm điện • Đơi điện tử hóa trị hai ngtử liên kết tập trung vào khu vực hai hạt nhân Liên kết cộng hóa trị mang chất điện điện tích âm điện tử liên kết kéo hạt nhân lại gần Khái quát liên kết cộng hóa trị Quá trình hình thành liên kết CHT theo thuyết VB Các nguyên tử sử dụng orbital hóa trị để lai hóa → dùng orbital lai hóa để xen phủ • Mức lượng hai vân đạo liên kết gần • Các vân đạo liên kết định hướng để xen phủ hiệu • Mật độ điện tử vùng xen phủ đủ lớn Khi orbital xen phủ, electron độc thân ghép cặp → hình thành liên kết CHT • Liên kết σ: xen phủ trục Liên kết σ bền liên kết π • Liên kết π : xen phủ bên mức độ xen phủ lớn Khái quát liên kết cộng hóa trị Các tính chất liên kết CHT Hai tính chất đặc trưng: • Tính định hướng → tạo thành góc liên kết xác định phân tử • Tính bão hịa → ngun tử thường có số phối trí thấp: 6, Độ bền LK cộng hóa trị Độ bền LK cộng hóa trị lớn • Hai vân đạo LK có lượng gần nha (đồng năng) • Độ xen phủ hai vân đạo lớn • Mật độ điện tử vùng xen phủ lớn (mật độ) Quan trọng LIÊN KẾT KIM LOẠI GV: TS LÊ Tiến Khoa Mơ hình liên kết kim loại cổ điển Khái niệm Liên kết kim loại thực điện tử hóa trị phóng thích từ ngun tử kim loại di chuyển tự toàn khối kim loại tạo thành đám mây điện tử liên kết cation kim loại với Tính chất Liên kết có cường độ mạnh Rõ ràng, dễ hiểu Tính bất định hướng Giải thích tính dẫn điện, nhiệt, tính dẻo, Tính bất bão hịa tính dễ kéo dài KL Khơng giải thích tính bán dẫn, ánh kim… KL Mơ hình liên theo học lượng tử Luận điểm Liên kết kim loại liên kết cộng hóa trị đa tâm đa điện tử xuất toàn hạt tinh thể kim loại n vân đạo hóa trị n nguyên tử kim loại AO hạt tinh thể tổ hợp lại với tạo thành n/2 MO liên kết n/2 MO phản liên kết Mơ hình liên theo học lượng tử Lý thuyết vùng kim loại Sự tổ hợp tạo thành vùng lượng Các MO liên kết toàn hạt tinh thể tạo thành vùng dẫn cho phép điện tử di chuyển tự khiến cho kim loại dẫn điện, dẫn nhiệt… Chênh lệch E MOliên kết MOphản liên kết giải thích tính bán dẫn Mơ hình liên theo học lượng tử Tính chất liên kết kim loại Cơ học cổ điển: chất liên kết kim loại liên kết cộng hóa trị → liên kết kim loại phải có hai tính chất định hướng bão hịa Tuy nhiên, xen phủ lượng lớn vân đạo hóa trị nguyên tử tinh thể khiến cho điện tử hóa trị di chuyển cách tự toàn tinh thể kim loại Liên kết kim loại theo lý thuyết học lượng tử lại có tính bất định hướng bất bão hòa