chương 4 liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

Liên kết hóa học hình thành tương ứng với các nguyên tử phải sắp xếp lại cấu trúc e các phân lớp ngoài cùng sao cho đạt tổng năng lượng chung của hệ phải nhỏ thì liên kết mới bền, nghĩa

LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ

CẤU TẠO PHÂN TỬ

Chương 4:

Sự hình thành các liên kết hóa học

Khi các ng.tử ở thật xa nhau tiến đến gần nhau tương tác đầu tiên xuất hiện là lực hút, đến một khoảng cách nhất định bắt đầu xuất hiện tương tác đẩy, khi có sự cân bằng giữa hai lực thì liên kết hóa học hình thành

Liên kết hóa học hình thành tương ứng với các nguyên tử phải sắp xếp lại cấu trúc e các phân lớp ngoài cùng sao cho đạt tổng năng lượng chung của hệ phải nhỏ thì liên kết mới bền, nghĩa là khi có sự tạo thành liên kết thì quá trình

Liên kết cộng hóa trị

Đường cong thế năng của nguyên tử Hydro

Sự hình thành các liên kết hóa học

Bản chất liên kết: lực tương tác giữa các hạt

nhân (ΔH < 0)+) và electron (ΔH < 0)-)

Electron thực hiện liên kết hóa học là những

electron ở phân lớp ngoài cùng: ns, np, (ΔH < 0)n-1)d, (ΔH < 0)n-2)f

Sự hình thành các liên kết hóa học

Theo cơ học lượng tử, nghiên cứu liên kết là nghiên cứu sự phân bố mật độ e trong trường hạt nhân của các nguyên tử tạo nên hợp chất

Những thông số chính đặc trưng cho phân tử và cho liên kết:

 Độ dài liên kết

 Góc hóa trị

 Năng lượng liên kết.

Độ dài liên kết

• Độ dài liên kết: khoảng cách giữa 2 hạt nhân

của các nguyên tử tương tác với nhau

Công thức gần đúng: dA-B=rA+rB

Nếu A, B có độ âm điện khác nhau:

dA-B=rA+rB-0.09A-B

Góc hóa trị

• Góc hóa trị: là góc tạo thành bởi hai đoạn thẳng

nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên tử liên kết

• Góc hóa trị thay đổi có qui luật và phụ thuộc vào:

– Bản chất nguyên tử

– Kiểu liên kết

– Dạng hình học phân tử

– Tương tác đẩy giữa các đôi electron liên kết

và không liên kết trong phân tử

Góc hóa trị

Góc hóa trị

Góc hóa trị

Góc hóa trị

Năng lượng liên kết

Năng lượng liên kết: là năng lượng cần tiêu

tốn để phá hủy liên kết (ΔH < 0)hay là năng lượng giải

phóng ra khi tạo thành liên kết)

Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền liên

kết

Năng lượng liên kết phụ thuộc vào độ dài liên

kết, độ bội liên kết, độ bền liên kết

A-B(ΔH < 0)k) +EA-B  A(ΔH < 0)k) + B(ΔH < 0)k), EA-B=EphânlyA-B

ElkTB O-H =1/2Epl H2O = 919.6/2 = 459.8kj/mol

Năng lượng liên kết

Các khái niệm cơ bản

• Độ bội liên kết: là số liên kết được hình thành

giữa hai nguyên tử trong liên kết

– Ví dụ: C – C độ bội 1, C C độ bội 3

Độ bội liên kết

Các loại liên kết hóa học

Liên kết cộng hóa trị -Covalent bond: là kết

quả của việc chia ghép electron giữa các nguyên tử, thường gặp giữa các phi kim

Liên kết ion-Ionic bond: là kết quả của việc

chuyển electron từ kim loại sang phi kim

Liên kết kim loại-Metalic bond: là lực hút giữa

các nguyên tử kim loại tinh khiết với nhau

Liên kết hydro-Hydrogen bond: Là lực tương

tác đăc biệt tồn tại giữa 1 nguyên tố có độ âm điện lớn và hydro

Liên kết cộng hóa trị

Phương pháp Heitler-London (ΔH < 0)Phương pháp

VB) Còn gọi là phương pháp cặp electron.

Phương pháp này dựa trên cơ sở nghiên cứu

sự hình thành H2

Thuyết orbital phân tử (ΔH < 0)MO : molecule orbital)

(ΔH < 0)Mulliken):

•Khi 2 ng tử ở gần nhau xuất hiện

• các tương tác (ΔH < 0)Ha-e2, Hb-e1):

Liên kết cộng hóa trị VB

-Hàm  s: Tương ứng với 2 e trao đổi có spin

ngược dấu nhau nên hút nhau làm mật độ e trong

vùng không gian giữa hai hạt nhân tăng lên → lực

hút gia tăng nên liên kết được hình thành

-Hàm  A: Tương ứng với 2 e trao đổi có spin cùng

dấu nhau nên đẩy nhau làm mật độ e trong vùng

không gian giữa hai hạt nhân triệt tiêu → nên liên kết không hình thành

Liên kết cộng hóa trị VB

Một số điểm cơ bản của phương pháp VB:

- LK CHT hình thành trên cơ sở cặp electron ghép đôi , spin ngược nhau và thuộc về đồng thời cả hai

ng tử tương tác  LKCHT còn gọi là LK 2 tâm.

- LK CHT hình thành do sự che phủ lẫn nhau giữa các orbital hóa trị.

- LK CHT càng bền khi độ che phủ càng lớn Độ che phủ phụ thuộc vào kích thước, hình dạng các orbital

và hướng che phủ.

Số liên kết giữa 2 nguyên tử gọi là bậc liên kết

Liên kết cộng hóa trị VB

LK CHT có thể biểu diễn bằng dấu “:” hoặc dấu

“-”

Ví dụ: °°Cl

Cl °°+ °°Cl Cl°° °°Cl Cl °°

C H H

H

H

Liên kết cộng hóa trị VB

N H

H 3H + N °° °° °°

Cơ chế tạo liên kết CHT:

 Cơ chế ghép đôi (góp chung)

 Cơ chế cho nhận

Liên kết cộng hóa trị VB

Liên kết cộng hóa trị VB

Liên kết cộng hóa trị VB

Cơ chế cho nhận:

Là sự hình thành cặp electron ghép đôi của LK CHT chỉ do 1 trong 2 ng tử tương tác đưa ra, còn ng tử kia nhận lấy Ng tử thứ nhất là chất cho, ng tử thứ 2 là chất nhận

Bản chất và đặc trưng liên kết của cơ chế cho nhận không khác so với LK CHT kiểu góp chung

Liên kết cộng hóa trị VB

Liên kết cộng hóa trị VB

N H

H H

°

H H

H+

+

Chất cho Chất nhận

ĐK để tạo liên kết cho nhận: Ng tử cho phải có

AO hóa trị chứa cặp e- ghép đôi, ng tử nhận phải

có AO hóa trị trống

Khả năng tạo LK CHT của một nguyên tử (ΔH < 0)theo cả hai cơ

chế) được quyết định bởi số AO hóa trị (ΔH < 0)AO trống, AO chứa electron độc thân và AO chứa cặp electron ghép đôi) chứ không phải phụ thuộc vào số e hóa trị.

Ng.tử của AO hóa trị Số AO hóa trị Số LK CHT tối đa

Điều kiện để tạo LK CHT:

 Năng lượng của các AO tham gia xen phủ phải xấp

xỉ nhau.

 Các AO tham gia xen phủ phải có mật độ e - đủ lớn

 Các AO tham gia xen phủ phải cùng tính định hướng.

Liên kết cộng hóa trị VB

CÁC LOẠI LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ VB

Tùy thuộc cách che phủ và tính đối xứng, có các kiểu liên kết khác nhau

Liên kết  (ΔH < 0)Sigma)

Liên kết  (ΔH < 0)pi)

Liên kết  (ΔH < 0)delta)

Liên kết : tạo thành do sự che phủ giữa các

AO xảy ra theo trục nối hai hạt nhân nguyên tử

Liên kết  là liên kết bền

Các kiếu che phủ : s-s, s-p, p-p, s-d, p-d

LIÊN KẾT 

+ +

+

-+ -+

LIÊN KẾT 

Liên kết đơn luôn luôn là liên kết σ

LIÊN KẾT 

Liên kết : có vùng xen phủ của các AO nằm

ở hai bên trục nối hai hạt nhân nguyên tử

Do mật độ xen phủ nhỏ hơn nên liên kết  kém bền hơn LK 

Các kiếu che phủ : p-p, p-d, d-d

LK  chỉ hình thành sau khi 2 ng tử đã có LK 

+ +

các e-  không cố định ở các nguyên tử ban đầu, chúng xoay quanh trên một số hạt nhân

Những hệ có liên kết π không định chỗ thường

có bậc liên kết không nguyên

Bậc LK C-C (ΔH < 0)của C6H6)= 1.5 (ΔH < 0)=1/2(ΔH < 0)18/6))

LIÊN KẾT 

BẬC LIÊN KẾT

Bậc liên kết: là số chỉ ra số cặp e- chung giữa

2 ng tử tạo thành liên kết cộng hóa trị

NO2 =(ΔH < 0)1+1/2)=1,5 CO32- = 1/2(ΔH < 0)4x2/3)=1,33

Tính bão hòa:

Vì mỗi nguyên tố hóa học chỉ có một số giới hạn

AO hóa trị nên số LK CHT có thể tạo được cũng

có giới hạn Đó là tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị

Tính chất của LK CHT

Tính có cực:

 Đôi điện tử trong liên kết cộng hóa trị có thể

bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớnhơn, đó là sự phân cực của liên kết cộng hóa trị

 Đám mây e- lệch về phía nguyên tử có độ

âm điện lớn hơn làm nguyên tử này tích điện

âm -, nguyên tử kia tích điện dương +

Tính chất của LK CHT

 Sự phân cực làm xuất hiện lưỡng cực điện gồm hai tâm có điện tích trái dấu (ΔH < 0)+,

- ) , nằm cách nhau một khoảng l (ΔH < 0)gọi là

độ dài lưỡng cực = độ dài liên kết)

vectơ momen lưỡng cực 

 Moment lưỡng cực : là đại lượng vectơ

có chiều quy ước từ cực dương đến cực

Tính chất của LK CHT

 Tính có cực của phân tử CHT: được tính bằng

phép tổng các vectơ momen lưỡng cực của tất

cả các liên kết và của các đôi không liên kết trong phân tử

 Các phân tử CHT không cực như H2, O2, N2,… hoặc các phân tử có tính đối xứng trong không gian (ΔH < 0)CO2, BeCl2, BF3, CH4, CCl4, SiF4, NH4+,

C2H2, C2H4, C2H6, C6H6 ) có  = 0

 Các phân tử CHT có cực thường là các phân tử

Tính chất của LK CHT

Tính có cực của phân tử cộng hóa trị ảnh

hưởng đến khả năng hòa tan và hóa lỏng của

chúng:

Hòa tan: Các chất có cực thì tan tốt trong dung môi có

cực (ΔH < 0)H2O, C2H5OH, CH3COOH, CHCl3, (ΔH < 0)C2H5)2O…); các chất không cực tan tốt trong dung môi không cực (ΔH < 0)CCl4,

CS2, C6H6, n-C6H14, xylen…)

Hóa lỏng: Các chất có cực (ΔH < 0)NH3, CH3Cl…)dễ hóa lỏng hơn các chất không cực

Tính chất của LK CHT

Phân tử cộng hóa trị thường có giá trị  = 0  4 D,  càng lớn phân tử càng phân cực mạnh.

Tính chất của LK CHT

 Tính định hướng:

Để tạo LK CHT bền, mật độ e- vùng xen phủ phải lớn, vì thế các AO khi xen phủ phải theo hướng sao cho mức độ che phủ các AO tương tác cực đại.

Điều này quyết định tính định hướng của

LK CHT: góc liên kết và hình dạng phân

tử

Tính chất của LK CHT

Liên kết cộng hóa trị

Theo lý thuyết, LK nếu tạo thành từ các AO s,

p, d đơn thuần thì góc LK là: 90o hoặc 180o

Ví dụ: Xét phân tử H2O

O: 1s2 2s2 2p4, nếu AO dùng 2 AO p chứa 1 e

-độc thân (ΔH < 0)giả sử px, pz) để che phủ tạo LK với 2

AO 1s1 của H thì góc LK là 90o

THUYẾT LAI HÓA AO

 Các nguyên tử khi tương tác với nhau có thể

không dùng những AO thuần khiết s, p, d…mà có

thể sử dụng các AO trộn lẫn để xen phủ với các

AO khác.

 Để tăng mật độ xen phủ, các nguyên tử

(ΔH < 0)thường là nguyên tử trung tâm trong các phân tử

có từ 3 nguyên tử trở lên) dùng các orbital lai hóa

(ΔH < 0)AOLH) thay thế cho các AO thuần túy s, p, d, f

để tạo liên kết.

THUYẾT LAI HÓA AO

 Các AO trộn lẫn được hình thành do sự tự che

phủ nhau giữa các AO trong 1 ng tử Hiện tượng

này gọi là sự lai hóa các AO.

THUYẾT LAI HÓA

Khi tổ hợp (ΔH < 0)trộn lẫn) các AO s, p, d tạo thành những AO lai hoá, thì các AO này có năng lượng, hình dạng, kích thước giống nhau

Có bao nhiêu AO tham gia vào lai hoá thì có bấy nhiêu AO lai hoá tạo thành và bố trí đối xứng nhau trong không gian

Các kiểu lai hoá phổ biến là sp, sp2, sp3, sp3d,

sp3d2

THUYẾT LAI HÓA

 Các orbital tham gia lai hoá phải có năng lượng

LAI HÓA sp

• Tổ hợp của 1 orbital s và 1 orbital p tạo thành 2 lai hóa sp đối xứng nhau 180o.

2 orbital lai hĩa sp của

Be che phủ với 2 orbital 1s

1s 2s 2p 3s 3p

(Be s û dụng 1ON s, 1ON p ửû dụng 1ON s, 1ON p (chứa e) để lai hoá tạo 2

ON lai hóa sp).

(có 1 ON p chứa e độc thân, nên

Cl sử dụng ON này để che phủ tạo liên kết )

LAI HÓA sp3

• Xảy ra giữa 1 orbital s và 3 orbital p tạo thành 4 lai hóa sp3 đối xứng nhau trong không gian theo hướng đến 4 đỉnh của tứ diện đều; (ΔH < 0) 109o28’ ).

SAI LỆCH GÓC HÓA TRỊ

Góc hóa trị của phân tử H2O là 104o5 (ΔH < 0)<109o28’), của NH3 là 107o3

Sự sai lệch xảy ra khi ng tử trung tâm của phân

tử có mặt electron hóa trị tự do, tạo nên hiệu ứng đẩy giữa chúng với các cặp electron liên kết

SAI LỆCH GÓC HÓA TRỊ

DỰ ĐOÁN TRẠNG THÁI LAI HÓA

Trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm có thể dự đoán dựa vào:

 Có thể thay thế 1 ng.tử trong một phân tử đã biết cấu hình không gian bằng 1 ng.tử khác cùng phân nhóm với nó thì cấu hình cũng gần tương tự nhau

 Đối với nguyên tử trung tâm chỉ nên cách nhau 1 chu kỳ, đặc biệt đối với nguyên tử biên

có thể thay thế H bằng các nguyên tử halogen X

và ngược lại)

DỰ ĐOÁN TRẠNG THÁI LAI HÓA

DỰ ĐOÁN TRẠNG THÁI LAI HÓA

 Trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm có thể

dự đoán dựa vào:

DỰ ĐOÁN TRẠNG THÁI LAI HÓA

Đám mây electron LK phân bố đối xứng gọi là

LK đồng cực

Đám mây electron LK phân bố không đối xứng và dịch chuyển về phía ng tử có độ âm điện lớn hơn gọi là LK có cực

SỰ PHÂN CỰC CỦA LK CHT

•Hiện tượng phân li:

Là sự phá vỡ liên kết CHT, electron chung bị tách làm đôi và mỗi ng tử 1 electron

H Cl°° °° H ° + °Cl°°

2 LIÊN KẾT ION

Hợp chất hoá học được tạo thành nhờ sự chuyển

electron hoá trị từ nguyên tử này sang nguyên tử

khác

Nguyên tử mất electron: ion dương (cation)

Nguyên tử nhận electron: ion âm (anion)

Liên kết ion là loại liên kết được tạo thành nhờ

KHẢ NĂNG TẠO LIÊN KẾT ION

•

Dựa vào đại lượng momen lưỡng cực & độ

âm điện để đánh giá độ liên kết ion.

Sự chênh lệch độ âm điện của các nguyên tố càng lớn tính ion của hợp chất càng cao

TÍNH CHẤT LIÊN KẾT ION

Do các ion được xem như các quả cầu tích điện có trường điện phân bố đồng đều về mọi hướng (số lk π ⁄ số lk σ) Ion có

thể hút các ion trái dấu theo bất kỳ hướng nào trong

không gian) nên có các tính chất là:

-Tính không bảo hòa

-Tính không định hướng

-Tính phân cực rất mạnh

SỰ PHÂN CỰC ION

Sự phân cực ion: Là sự chuyển dịch đám mây

electron đối với hạt nhân của 1 ion dưới tác dụng của

điện trường 1 ion khác.

-Ion có đám mây bị biến dạng gọi là ion bị phân

cực.

-Ion có điện trường tác dụng gọi là ion phân cực.

-Do sự phân cực ion nên các đám

mây của cation và anion không

hoàn toàn tách rời nhau mà che

phủ nhau một phần → Không có

Khi điện tích & cấu hình của ion là như nhau, độ

bị phân cực tăng theo chiều tăng kích thước ion; (Ion

có r càng lớn thì càng dễ bị phân cực)

độ bị phân cực sẽ nhỏ nhất ở các ion có cấu hình khí trơ 8e: ns2np6

SỰ PHÂN CỰC ION

 Kích thước tăng thì độ phân cực giảm (ΔH < 0)do tăng kích thước ion làm giảm tác dụng của điện trường).

SỰ PHÂN CỰC ION

trường của nó tạo ra càng mạnh (ΔH < 0) tác dụng phân cực chủ yếu xét đối với cation)

 Điện tích ion q tăng → mật độ điện tích tăng → độ phân cực tăng

 Kích thước ion tăng → mật độ điện tích giảm → độ phân cực giảm

SỰ PHÂN CỰC ION

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ PHÂN CỰC ĐẾN TÍNH

CHẤT CỦA CÁC HỢP CHẤT ION

•

Sự điện ly:

Sự phân cực ion dẫn đến xuất hiện độ cộng hóa trị

trong liên kết ion, làm giảm khả năng điện ly của hợp

chất ion trong dung dich thành các ion.

Ví dụ:

- Dung dịch HgCl 2 hầu như không điện ly.

- Dung dịch SrCl 2 phân ly hoàn toàn thành ion.

Nguyên nhân: Tác dụng phân cực của ion Hg 2+

mạnh hơn ion Sr gây ra.

Độ bền:

Sự phân cực giữa các ion làm tăng độ cộng hóa

trị của LK, làm giảm điện tích hiệu dụng của các

ion, giảm lực hút nên độ bền của tinh thể giảm

Do đó nhiệt độ phân ly, nhiệt độ nóng chảy của

hợp chất giảm xuống

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ PHÂN CỰC ĐẾN TÍNH

CHẤT CỦA CÁC HỢP CHẤT ION

• Độ tan:

Khả năng hòa tan của các hợp chất ion (ΔH < 0)các muối) phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng mạng tinh (ΔH < 0)U)

và năng lượng hydrat hóa của cation (ΔH < 0)Eh)

Nếu U>Eh thì muối khó tan

ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ PHÂN CỰC ĐẾN TÍNH

CHẤT CỦA CÁC HỢP CHẤT ION

LIÊN KẾT KIM LOẠI

• 1 Cấu tạo kim loại và liên kết kim loại

2 Thuyết miền năng lượng về cấu tạo kim

loại

3 Áp dụng thuyết miền năng lượng để giải

thích tính dẫn điện của chất rắn

LIÊN KẾT KIM LOẠI

Mạng tinh thể kim loại :

Các ion dương ở các nút mạng tinh thể

Các electron hóa trị tự do chuyển động hỗn loạn bên

trong mạng tinh thể.

 Liên kết kim loại có tính chất đặc biệt là “không

định chổ cao độ” hoặc LK rất nhiều tâm (ΔH < 0)vì khi e liên

kết đồng thời thuộc về toàn bộ các nguyên tố trong

tinh thể)

LIÊN KẾT KIM LOẠI

• Lý thuyết miền năng lượng:- Coi mỗi tinh thể kim loại là một đại phân tử có khoảng

10 23 tâm

- Giải phương trình sóng Schrodinger cho hệ 10 23 nguyên

tử theo phương pháp MO:

- Hai AO tổ hợp với nhau tạo thành hai MO có năng lượng khác nhau

-Từ n AO tổ hợp với nhau sẽ tạo thành n MO có các mức năng lượng khác nhau

- Các trạng thái trong miền năng lượng cách nhau 10

-22eV Miền năng lượng là giải năng lượng liên tục.