Lý thuyết liên kết hóa trị

Lý thuyết liên kết hóa trị 31 ngơn ngữ       Bài viết Thảo luận Đọc Sửa đổi Sửa mã nguồn Xem lịch sử Thêm  Bách khoa tồn thư mở Wikipedia Trong hóa học lý thuyết liên kết hóa trị (tiếng Anh: VB, Valence Bond) hai lý thuyết bản, với lý thuyết quỹ đạo phân tử (MO, Molecular Orbital) phát triển để sử dụng phương pháp học lượng tử vào giải thích liên kết hóa học Nó tập trung vào làm quỹ đạo nguyên tử nguyên tử phân rã tổ hợp liên kết hóa học cụ thể phân tử hình thành [1] Ngược lại, theo lý thuyết quỹ đạo phân tử quỹ đạo bao phủ toàn phân tử [2] Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn] Năm 1916, Gilbert N Lewis đề xuất liên kết hóa học hình thành tương tác hai điện tử liên kết góp chung, với biểu diễn phân tử cấu trúc Lewis Năm 1927 lý thuyết Heitler–London xây dựng lần cho phép tính tính chất liên kết phân tử H sở quan niệm học lượng tử Cụ thể Walter Heitler xác định làm để sử dụng phương trình sóng Schrưdinger (1926) để hai hàm sóng nguyên tử hydro với việc cộng, trừ trao đổi thành phần để hình thành liên kết cộng hố trị Sau ơng báo cho đồng nghiệp Fritz London họ hoàn thiện chi tiết lý thuyết [3] Sau đó, Linus Pauling sử dụng ý tưởng liên kết cặp đôi Lewis với lý thuyết Heitler-London để phát triển hai khái niệm quan trọng khác "lý thuyết liên kết hóa trị": cộng hưởng (1928) liên kết quỹ đạo (1930) Theo Charles Coulson, tác giả sách Valence lưu ý năm 1952, giai đoạn đánh dấu bắt đầu "lý thuyết liên kết hóa trị đại", trái ngược với lý thuyết liên kết hóa trị cổ điển, chủ yếu dựa lý thuyết điện tử hóa trị vạch thành phần trước học-sóng (pre-wave-mechanical terms) Lý thuyết cộng hưởng bị nhà hóa học Liên Xơ năm 1950 trích khơng hồn hảo [4] Lý thuyết[sửa | sửa mã nguồn] Luận điểm phương pháp VB liên kết cộng hóa trị: Luận điểm 1: Liên kết cộng hóa trị hình thành sở cặp e ghép đơi có spin ngược dấu thuộc đồng thời hai nguyên tử tương tác Vì vậy, liên kết cộng hóa trị cịn gọi liên kết hai tâm – hai e Luận điểm 2: Liên kết cộng hóa trị hình thành xen phủ AO hóa trị nguyên tử tương tác (overlap: xen phủ) Luận điểm 3: Liên kết cộng hóa trị bền mật độ e vùng xen phủ AO lớn Độ xen phủ phụ thuộc vào kích thước, hình dạng hướng xen phủ AO hóa trị Liên kết cộng hóa trị 85 ngôn ngữ       Bài viết Thảo luận Đọc Sửa đổi Sửa mã nguồn Xem lịch sử Thêm  Bách khoa toàn thư mở Wikipedia "Cộng hóa trị" đổi hướng tới Đối với định nghĩa khác, xem Cộng hóa trị (định hướng) Một liên kết cộng hóa trị H2 hình thành (bên phải) nơi mà hai nguyên tử hydro chia sẻ hai electron Liên kết cộng hóa trị, cịn gọi liên kết phân tử liên kết hóa học hình thành việc dùng chung hay nhiều cặp electron nguyên tử Những cặp electron gọi cặp electron dùng chung, cân lực hút lực đẩy nguyên tử chia sẻ electron gọi liên kết cộng hóa trị.[1][cần nguồn tốt hơn] Với nhiều phân tử, việc dùng chung electron cho phép nguyên tử đạt cấu hình electron bền vững Liên kết cộng hóa trị bao gồm nhiều loại liên kết, có liên kết σ, liên kết π, liên kết kim loại, liên kết agostic, liên kết cong, liên kết tam nhị.[2][3] Thuật ngữ liên kết cộng hóa trị bắt đầu sử dụng vào năm 1939 [4] Tiền tố co- nghĩa nhau, liên kết hành động, ….; vậy, chất "liên kết hóa trị" nguyên tử chia sẻ "hóa trị", thảo luận thuyết liên kết hóa trị Trong phân tử H [5] Sự cộng 2, nguyên tử hydro dùng chung hai electron thơng qua liên kết cộng hóa trị hóa trị mạnh nguyên tử có độ âm điện tương đương Do đó, liên kết cộng hóa trị khơng thiết phải xảy hai nguyên tử nguyên tố, cần độ âm điện chúng so sánh Liên kết cộng hóa trị mà yêu cầu dùng chung electron với nhiều hai nguyên tử cho bị bất định xứ Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn] Thuật ngữ covalence đề cập tới liên kết sử dụng lần đầu vào năm 1919 Irving Langmuir viết Tạp chí Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, tựa "Sự xếp điện tử nguyên tử phân tử" Langmuir viết "chúng ta biểu thị thuật ngữ convalence số cặp electron mà nguyên tử thường chia sẻ với nguyên tử cạnh nó." (we shall denote by the term covalence the number of pairs of electrons that a given atom shares with its neighbors) Ý tưởng liên kết cộng hóa trị tìm từ vài năm trước Vào năm 1916, Gilbert N Lewis mô tả dùng chung cặp electron ngun tử [6] Ơng giới thiệu kí hiệu Lewis dấu chấm electron hay cấu trúc chấm Lewis, electron hóa trị (ở lớp vỏ) biểu diễn dạng nốt chấm xung quanh kí hiệu nguyên tử Các cặp electron nằm nguyên tử đại diện cho liên kết cộng hóa trị Nhiều cặp electron đại diện cho nhiều liên kết, liên kết đôi liên kết ba Một cách biểu diễn thay thế, khơng trình diễn đây, biểu diễn cặp electron tạo thành liên kết dạng gạch thẳng Lewis đề xuất nguyên tử tạo đủ liên kết cộng hóa trị để lấp đầy (đóng kín) lớp vỏ ngồi Trong biểu đồ khí metan trình diễn đây, nguyên tử cacbon có hóa trị bốn, bao quanh tám electron (quy tắc bát tử), bốn electron nguyên tử cacbon bốn electron từ nguyên tử hydro liên kết với Mỗi hydro có hóa trị bao quanh hai electron (một quy tắc đôi) - electron cộng thêm electron từ ngun tử cacbon Số lượng electron tương ứng với số lượng dùng để lấp đầy lớp vỏ theo thuyết lượng tử nguyên tử; lớp nguyên tử cacbon n = 2, chứa tám electron, lớp (và nhất) nguyên tử hydro n = 1, chứa electron Trong ý tưởng cặp electron dùng chung cung cấp tranh định tính hiệu liên kết cộng hóa trị, cần phải có học lượng tử để hiểu chất liên kết dự đoán cấu trúc tính chất phân tử đơn giản Walter Heitler Fritz London ghi nhận người giải thích thành cơng liên kết hóa học (phân tử hydro) học lượng tử vào năm 1927.[7] Cơng trình họ dựa mơ hình liên kết hóa trị, giả định liên kết hóa học hình thành có chồng chéo tốt obitan nguyên tử nguyên tử tham gia Các loại liên kết cộng hóa trị[sửa | sửa mã nguồn] Các obitan nguyên tử (trừ obitan s) có tính chất định hướng đặc biệt dẫn tới loại liên kết khác Liên kết sigma (σ) liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ nhất, chồng chéo obitan hai nguyên tử khác Một liên kết đơn thường liên kết σ Liên kết pi (π) yếu chồng chéo obitan p (hoặc d) Một liên kết đôi hai nguyên tử gồm liên kết σ liên kết π, liên kết ba gồm liên kết σ hai liên kết π Liên kết cộng hóa trị cịn bị ảnh hưởng độ âm điện nguyên tử tham gia liên kết, định phân cực hóa học liên kết Hai nguyên tử có độ âm điện tương đương tạo nên liên kết cộng hóa trị khơng phân cực, ví dụ H-H Một liên kết khơng cân tạo nên lên kết hóa trị phân cực, ví dụ H-Cl Tuy nhiên phân cực cịn u cầu bất đối xứng hình học, lưỡng cực khác bị hủy bỏ tạo nên phân tử khơng phân cực Cấu trúc cộng hóa trị[sửa | sửa mã nguồn] Có vài loại cấu trúc liên kết cộng hóa trị, bao gồm cấu trúc đơn phân tử, cấu trúc phân tử, cấu trúc đại phân tử cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ (giant covalent structures) Đơn phân tử có liên kết mạnh mẽ giữ cho nguyên tử cạnh nhau, có lực hút khơng đáng kể phân tử Những chất cộng hóa trị thường dạng khí, ví dụ HCl, SO 2, CO2, CH4 Trong cấu trúc phân tử có lực hút yếu Các chất cộng hóa trị có nhiệt độ sơi thấp (như ethanol), nhiệt dộ nóng cháy thấp (như Iod CO2 rắn) Cấu trúc đại phân tử chứa lượng lớn nguyên tử liên kết với liên kết cộng hóa trị mạch, bao gồm polyme tổng hợp polyethylene nylon, polyme sinh học protein tinh bột Cấu trúc mạng lưới cộng hóa trị (hay cấu trúc cộng hóa trị khổng lồ) chứa lượng lớn nguyên tử liên kết theo lớp (như than chì), cấu trúc ba chiều (như kim cương thạch anh) Những chất có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi cao, thường giịn có điện trở suất cao Các nguyên tố có độ âm điện lớn, có khả hình thành hay bốn liên kết đôi, thường tạo thành từ cấu trúc đại phân tử [8] Các liên kết ba electron[sửa | sửa mã nguồn] Các liên kết có ba electron tìm thấy loại gốc tự do, với số lượng electron bất thường Ví dụ đơn giản cho liên kết có electron liên kết hình thành cation hydro, H+ Các liên kết electron thường có lượng nửa liên kết electron, gọi "nửa liên kết" Tuy nhiên có ngoại lệ: trường hợp dilithium, liên kết electron Li+ lại mạnh liên kết hai electron Li Trường hợp ngoại lệ giải thích thuật ngữ lai hóa hiệu ứng lớp vỏ [9] So sánh cấu trúc electron liên kết electron liên kết cộng hóa trị [10] Ví dụ đơn giản cho liên kết ba electron liên kết hình thành cation helium dimer, He+ Đây coi "nửa liên kết" chia sẻ electron (thay hai); thuật ngữ orbital phân tử, electron thứ ba orbital phản liên kết, hủy bỏ nửa liên kết hình thành hai electron Một ví dụ khác cho phân tử chứa liên kết ba electron, thêm vào liên kết hai electron, Nitơ monoxit, NO Phân tử oxi, O2 coi có hai liên kết ba electron hai electron, giải thích cho tính thuận từ trật tự liên kết hai [11] Clo dioxide, brom dioxide iod dioxide chứa liên kết ba electron Các phân tử có liên kết với số electron bất thường thường có tính phản ứng cao Các loại liên kết trì ổn định nguyên tố có độ âm điện tương đương nhau.[11] Cộng hưởng[sửa | sửa mã nguồn] Bài chi tiết: Cộng hưởng (hóa học) Có trường hợp mà cấu trúc Lewis không đủ để giải thích cấu trúc electron phân tử, cần có chồng chất cấu trúc Các nguyên tử phân tử liên kết cách khác biệt cấu trúc khác biệt (liên kết đơn cái, liên kết đôi khác, khơng có cả), dẫn tới bậc liên kết khơng ngun Ion nitrat ví dụ với ba cấu trúc tương đương Liên kết nito oxi liên kết đôi cấu trúc liên kết đơn hai cấu trúc cịn lại, nên bậc liên kết trung bình tương tác N–O + + 1/3 = 4/3 Thơm[sửa | sửa mã nguồn] Bài chi tiết: Thơm Trong hóa học hữu cơ, phân tử với vòng phẳng tuân theo quy tắc Hückel, với số lượng electron π với công thức 4n + (n số nguyên), đạt tính ổn định tính đối xứng cao Trong benzen, hợp chất thơm đầu tiên, có electron liên kết π (n = 1, 4n + = 6) Chúng chiếm ba orbital phân tử bất định xứng (thuyết obitan phân tử) hình thành liên kết π hai cấu trúc cộng hưởng kết hợp tuyến tính (thuyết liên kết hóa trị), tạo hình lục giác thơng thường thể tính ổn định lớn giả thuyết 1,3,5-cyclohexatriene Trong trường hợp chất thơm dị vòng benzen thế, khác biệt độ âm điện phần vịng có thể chiếm ưu hoạt động hóa học liên kết vịng thơm, khơng tương đương Siêu hóa trị[sửa | sửa mã nguồn] Bài chi tiết: Phân tử siêu hóa trị Một vài phân tử định Xenon difluorua sulfide hexaflo có số phối trí cao số quy tắc cộng hóa trị chặt chẽ theo theo quy tắc bát tử Điều giải thích mơ hình liên kết ba tâm bốn điện tử ("3c–4e") giải thích hàm sóng phân tử in terms of non-bonding highest occupied molecular orbitals thuyết obitan phân tử and ionic-covalent cộng hưởng thuyết liên kết hóa trị Thiếu electron[sửa | sửa mã nguồn] Bài chi tiết: Thiếu electron Trong liên kết ba tâm hai điện tử ("3c–2e") ba nguyên tử chia sẻ hai electron nguyên kết Loại liên kết xảy hợp chất thiếu electron diborane Mỗi liên kết (2 phân tử dibonare) chứa cặp electron liên kết nguyên tử boron theo hình dạng trái chuối, với proton (hạt nhân nguyên tử hydro) liên kết, chia sẻ electron với hai nguyên tử boron Trong vài nhóm hóa học định, liên kết gọi bốn tâm hai điện tử đưa Liên kết cộng hóa trị gì? Liên kết cộng hóa trị (LKCHT) hiểu liên kết hai nguyên tử hay ion cặp electron (e) chia sẻ với Nó cịn gọi liên kết phân tử, hình thành hai ngun tử phi kim có giá trị độ âm điện tương tự tương đối gần Chúng tìm thấy nhiều hóa học, ví dụ gốc đại phân tử Thuật ngữ sử dụng lần vào năm 1939, từ năm 1919 Irving Langmuir đưa khái niệm “cộng hóa trị” để mơ tả sống lượng electron chia sẻ từ nguyên tử lân cận Các hợp chất có LKCHT trạng thái khí, lỏng rắn Mỗi cặp e chia sẻ hai nguyên tử gọi cặp liên kết, ngược lại không chia sẻ gọi cặp đơn độc Liên kết cộng hóa trị >>>XEM THÊM: Cơng thức hóa học giấm gì? Hướng dẫn cách làm đơn giản nhà Có loại liên kết cộng hóa trị? Liên kết cộng hóa trị có cực    Một liên kết tạo thành e dùng chung nguyên tử không chia sẻ Điều xảy trường hợp bên nguyên tử có độ âm điện cao bên mà chia sẻ (sẽ có lực hút mạnh so với điện từ) Chính vậy, dẫn đến việc chia sẻ electron không đồng Đặc điểm bật: phân tử nghiêng phía chứa ngun tử có độ âm điện thấp hơn, cịn phía âm chứa ngun tử có độ âm điện cao Kết liên kết hợp chất cộng hóa trị hình thành có tĩnh điện Liên kết hóa trị khơng cực  Nó tạo nên ngun tử chia sẻ electron Điều thường xảy với hai nguyên tử có lực tương tự điện từ Trong đó, giá trị lực điện tử chúng gần sức hút mạnh  Điều xảy phân tử khí hay cịn gọi diatomic Các hạt có độ âm điện cao hút e khỏi bên yếu Liên kết đơn phân tử  Nó xảy hai phân tử chia sẻ cặp electron Mặc dù dạng yếu mật độ nhỏ so với liên kết đơi ba bù lại lại ổn định có mức độ phản ứng thấp, đồng nghĩa với việc bị e bị ảnh hưởng Liên kết đôi phân tử  Được gọi cho tượng hai nguyên tử chia sẻ hai cặp e cho Nó mơ tả hai đường ngang hai nguyên tử phân tử Loại mạnh so với liên kết đơn ổn định Liên kết ba phân tử  Là loại ổn định số liên kết cộng hóa trị, xảy có ba cặp electron chia sẻ hai nguyên tử phân tử Tính chất chất có liên kết cộng hóa trị   Các chất mà phân tử có loại liên kết chất rắn đường, sắt, lưu huỳnh,… hay chất lỏng rượu, nước,… chất khí clo, cacbonic, hidro,… Các hợp chất có LKCHT thường có điểm nóng chảy điểm sơi tương đối thấp, có entanpi hóa nhiệt hạch thấp Ở chất có cực đường, ancol etylic,… tan nhiều dung mơi có cực nước Phần lớn chất không cực ion, tan dung môi khơng cực cacbon tetraclorua, benzen, Một số tính chất liên kết phân tử:  LKCHT không dẫn đến sử hình thành e mà trao đổi với  Là liên kết hóa học mạnh tồn nhiều nguyên tử  Thường chứa khoảng 80 kilocalories/ mol (kcal/mol) cho liên kết  Sau hình thành bị phá vỡ cách tự nhiên Các chất có liên kết cộng hóa trị có tính chất Phân biệt liên kết cộng hóa trị liên kết ion Liên kết hóa trị Liên kết ion Hình thành hai phi kim loại với độ Hình thành nguyên tố kim loại âm điện giống ngun tố phi kim Có hình dạng xác định Hình dạng khơng cố định Điểm nóng chảy điểm sơi thấp Điểm nóng chảy điểm sơi cao Độ phân cực thấp có tính dễ cháy Có độ phân cực cao khó cháy Trạng thái lỏng khí nhiệt độ phịng Ví dụ: axit clohidric (HCl), metan (CH4) Trạng thái rắn nhiệt độ phòng Ví dụ: acid sulfuric (H2SO4), natri clorua (NaCl) Sự khác liên kết hóa trị liên kết ion Một số tập vận dụng liên kết cộng hóa trị Lưu ý: Cách tìm loại liên kết  Xác định hiệu độ âm điện x  Sau đối chiếu: x < 0,4 => LKCHT không cực 0,4 ≤ x < 1,7 => LKCHT phân cực x ≥ 1,7 +> liên kết ion Một số tập liên quan đến liên kết phân tử Bài tập 1: Hợp chất sau đâu có liên kết cộng hóa trị có cực khơng phân cực? NH4Br H2O2 CH4 HF Lời giải: Đáp án đúng: B  Do H2O2 có độ âm điện O H 1,4 -> liên kết O-H có cực  Hiệu số độ âm điện O O -> liên kết O-O không phân cực Bài tập 2: Hợp chất vừa chứa liên kết cộng hóa trị vừa chứa liên kết ion? NaOH NaBr NaNC NaCN Lời giải: Đáp án: C  Liên kết cộng hóa trị nguyên tử N C liên kết ion Na+ + – NC Bài tập 3: Liên kết cộng hóa trị có chất là: Lực hút tĩnh điện ion trái dấu Cặp electron dùng chung nguyên tử Lực tương tác phân tử Lực tương tác nguyên tử Lời giải: Đáp án: B Bài tập 4: Cho độ âm điện oxi hidro 3,44 2,20 Vậy phân tử H2O có liên kết hóa học Ion Cộng hóa trị khơng phân cực Cộng hóa trị phân cực Tất các đáp án sai Lời giải:  Ta có hiệu độ âm điện là: 3,44 – 2,20 = 1,24  Do 0,4 < 1,24 < 1,27 => liên kết cộng hóa trị phân cực Đáp án đúng: C Bài tập 5: Độ âm điện nhôm 1,61, cịn lưu huỳnh 2,58 Vậy liên kết hóa học phân tử Al2S3 là: Liên kết ion LKCHT không phân cực LKCHT phân cực Không phải đáp án Lời giải:  Xét hiệu độ âm điện: 2,58 – 1,61 = 0,97  Ta thấy: 0,4 < 0,97 < 1,7 => Liên kết LKCHT phân cực Đáp án C