1. Các đặc trƣng cơ bản của liên kết hóa học 1.1. Khái niệm về liên kết 1.2. Năng lƣợng liên kết 1.3. Độ dài liên kết 1.4. Góc hóa trị 1.5. Bậc liên kết 2. Liên kết ion 2.1. Sự tạo thành liên kết ion 2.2. Tính chất của liên kết ion 2.3. Tính cộng hóa trị của liên kết ion 3. Liên kết cộng hóa trị 3.1. Liên kết cộng hóa trị theo Lewis và quy tắc bát tử (tham khảo) 3.2. Thuyết liên kết hóa trị (Thuyết VB). 3.2.1. Phân tử hydro theo Heitler London 3.2.2. Kiểu xen phủ của các orbital nguyên tử 3.2.3. Sự lai hóa của các orbital nguyên tử 3.2.4. Thuyết đẩy đôi điện tử tầng hóa trị (VSEPR) 3.2.5. Liên kết đa 3.2.6. Liên kết cho nhận 3.3. Thuyết orbital phân tử (thuyết MO) 3.3.1. Cơ sở thuyết MO 3.3.2. Sự tổ hợp các AO tạo thành MO 3.3.3. Cấu hình electron của phân tử 4. Các mối liên kết yếu 4.1. Liên kết Van der Waals 4.2. Liên kết Hydro
HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử CHƢƠNG 2: LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ CHUẨN ĐẦU RA G1.1 Trình bày số kiến thức nguyên tử phân tử (chủ yếu thuyết VB), mối liên quan cấu tạo tính chất G2.4 Có khả chủ động tự tìm kiếm tài liệu, tự nghiên cứu trình bày nội dung liên quan đến mơn học G3 Có khả giao tiếp văn viết G4 Vận dụng lý thuyết học để giải thích vấn đề thực tế liên quan MỤC TIÊU CỤ THỂ Dự đốn kiểu lai hóa cấu trúc phân tử Viết cấu hình điện tử phân tử (MO) NỘI DUNG Các đặc trƣng liên kết hóa học 1.1 Khái niệm liên kết 1.2 Năng lƣợng liên kết 1.3 Độ dài liên kết 1.4 Góc hóa trị 1.5 Bậc liên kết Liên kết ion 2.1 Sự tạo thành liên kết ion 2.2 Tính chất liên kết ion 2.3 Tính cộng hóa trị liên kết ion Tham khảo Liên kết cộng hóa trị 3.1 Liên kết cộng hóa trị theo Lewis quy tắc bát tử (tham khảo) 3.2 Thuyết liên kết hóa trị (Thuyết VB) 3.2.1 Phân tử hydro theo Heitler London 3.2.2 Kiểu xen phủ orbital nguyên tử 3.2.3 Sự lai hóa orbital ngun tử 3.2.4 Thuyết đẩy đơi điện tử tầng hóa trị (VSEPR) 3.2.5 Liên kết đa 3.2.6 Liên kết cho nhận 3.3 Thuyết orbital phân tử (thuyết MO) 3.3.1 Cơ sở thuyết MO 3.3.2 Sự tổ hợp AO tạo thành MO 3.3.3 Cấu hình electron phân tử Các mối liên kết yếu 4.1 Liên kết Van der Waals 4.2 Liên kết Hydro Tham khảo Đọc sách HÓA HỌC ĐẠI CƢƠNG (Nguyễn Đức Chung) Chƣơng 3: LIÊN KẾT HÓA HỌC từ trang 86-136 Chƣơng 4: TRẠNG THÁI TẬP HỢP VẬT CHẤT từ trang 137-170 Đọc sách CHEMISTRY (Zumdahl) từ trang 328-423 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử ??? Câu hỏi lý thuyết: Độ dài liên kết góc hóa trị ? Hãy cho biết nội dung lý thuyết liên kết hóa trị Cho biết kiểu xen phủ orbital nguyên tử xảy hình thành liên kết cộng hóa trị Thế lai hóa orbital nguyên tử ? Cho biết kiểu lai hóa orbital nguyên tử thường gặp? Cho biết sở lý thuyết orbital phân tử (thuyết MO) Cho biết giản đồ mức lượng orbital phân tử ??? Câu hỏi thực tế: 1.Tại carbon nhƣng kim cƣơng cứng đƣợc sử dụng làm mũi khoan khai thác dầu khí nhƣng than chì lại mềm dùng làm viết chì (tham khảo sách Hóa đại cƣơng – Nguyễn Đức Chung - trang 165) Tại đá viên nƣớc ? (tham khảo sách Hóa đại cƣơng – Nguyễn Đức Chung trang 167) Các loại vật liệu kỹ thuật y sinh (tham khảo sách CHEMISTRY FOR ENGINEERING STUDENTS - Lawrence S Brown - trang 201-202) Kỹ thuật mức độ phân tử vận chuyển thuốc (tham khảo sách CHEMISTRY FOR ENGINEERING STUDENTS - Lawrence S Brown - trang 234-235) HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA LIÊN KẾT HÓA HỌC (tham khảo) 1.1 Khái niệm liên kết Liên kết hóa học kết hợp nguyên tử tạo thành phân tử hay tinh thể bền vững Khi có chuyển nguyên tử riêng rẽ thành phân tử hay tinh thể tức có liên kết hóa học ngun tử có xu hướng đạt tới cấu hình electron bền vững khí Theo quan điểm đại, liên kết hóa học có chất điện sở tồn liên kết lực hút hạt tích điện, suy cho electron hạt nhân Electron thực liên kết hóa học trường hợp chủ yếu electron phân lớp cùng: ns, np, (n-1)d (n-2)f Các electron gọi electron hóa trị Sự khác phân bố mật độ electron trường hạt nhân nguyên tử đưa đến xuất kiểu liên kết khác nhau, có kiểu liên kết chủ yếu liên kết ion liên kết cộng hóa trị 1.2 Năng lƣợng liên kết Năng lượng liên kết lƣợng cần tiêu tốn để phá vỡ liên kết có mol phân tử trạng thái khí Năng lƣợng liên kết lớn liên kết bền 1.3 Độ dài liên kết Độ dài liên kết khoảng cách hai hạt nhân nguyên tử tạo liên kết Độ dài liên kết lớn liên kết bền 1.4 Góc hóa trị Góc hóa trị góc tạo thành hai đoạn thẳng tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên tử liên kết 1.5 Bậc liên kết (Độ bội liên kết) Bậc liên kết số liên kết hình thành hai nguyên tử Bậc liên kết lớn, độ dài liên kết nhỏ, liên kết bền Ví dụ: CH3CH3 có bậc liên kết CH2=CH2 có bậc liên kết CHCH có bậc liên kết LIÊN KẾT ION (tham khảo) Liên kết ion theo Kossel: Liên kết ion lọai liên kết nhờ lực hút tĩnh điện ion trái dấu 2.1 Sự tạo thành liên kết ion gồm hai trình: Quá trình hình thành ion ngược dấu trình tương tác tĩnh điện chúng Quá trình hình thành ion ngược dấu: nguyên tử chuyển electron hóa trị cho nhau: Nguyên tử kim loại mạnh nhường electron tạo thành ion dương Nguyên tử phi kim mạnh nhận electron tạo thành ion âm Quá trình tương tác tĩnh điện: ban đầu ion ngược dấu hút nhau, đến gần chúng xuất lực đẩy vỏ electron lực đẩy tăng ion tiến đến gần hơn, lực đẩy lực hút ion dừng lại cách khoảng định – hình thành hợp chất ion HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Ví dụ: 2.2 Tính chất liên kết ion Liên kết ion có hai tính chất đặc trưng ngược hẳn với liên kết cộng hóa trị tính khơng định hƣớng tính khơng bão hịa Các ion xem cầu mang điện tạo điện trường phân bố đồng theo hướng khơng gian Vì liên kết ion có tính khơng định hƣớng Tương tác tĩnh điện ion ngược dấu không dẫn đến triệt tiêu hồn tồn điện trường nhau, ion sau liên kết với ion thứ hai ngược dấu với cịn có khả liên kết với ion ngược dấu khác phương khác Đó tính khơng bão hịa Do hai tính chất này, hình thành tập hợp bền gồm nhiều ion ngược dấu liên kết với liên kết ion, xếp theo trật tự xác định tạo nên tinh thể hợp chất ion Ví dụ: tinh thể NaCl, ion Na+ bao chung quanh sáu ion Cl- ngược lại, ion Na+ bao chung quanh sáu ion Cl- Như vậy, khái niệm phân tử hợp chất ion gồm hai ion đơn giản kiểu NaCl khơng cịn ý nghĩa, mà phải xem tinh thể ion phân tử khổng lồ gồm nhiều ion Na+nCl-n Tinh thể muối ăn- NaCl Mơ hình phân tử NaCl 2.3 Tính cộng hóa trị liên kết ion Liên kết ion khơng phải hoàn toàn lý tưởng, nghĩa hợp chất ion này, electron khơng chuyển hồn tồn từ nguyên tử sang nguyên tử khác Do tượng phân cực lẫn ion ngược dấu chúng đến gần Dưới tác dụng điện trường electron hạt nhân ion chuyển dịch theo hướng ngược Sự chuyển dịch xảy mạnh electron lớp cùng, dẫn đến lớp vỏ electron bị biến dạng ion phân cực Dưới tác dụng phân cực cation, đám mây electron anion bị chuyển dịch sang vị trí phía cation Điều làm cho đám mây electron cation anion khơng hồn toàn tách rời mà xen phủ với phần, liên kết tạo thành hai ion mang phần tính cộng hóa trị HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Một liên kết ion có tính cộng hóa trị nhiều cation có điện tích lớn, bán kính nhỏ, cịn anion có bán kính lớn Sự phân cực ảnh hưởng rõ rệt đến tính chất hợp chất ion Hợp chất ion mang tính cộng hóa trị có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi giảm, tan dung mơi hữu Ví dụ: LiI NaCl o Nhiệt độ nóng chảy ( C) 446 801 o Nhiệt độ sơi ( C) 1190 1413 o Độ tan alcol (25 C, g/100g alcol) 251 Ít tan Do : rLi+ < rNa+ rI- > rClLiI có tính cộng hóa trị NaCl, dẫn đến có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sôi thấp hơn, dễ tan dung môi hữu LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ 3.1 Liên kết cộng hóa trị theo Lewis quy tắc bát tử (tham khảo) Liên kết cộng hóa trị theo Lewis: loại liên kết cặp electron dùng chung (hay gọi cặp electron liên kết) Các electron hóa trị không tham gia tạo liên kết gọi electron không liên kết Ví dụ: Cặp electron khơng liên kết Cặp electron liên kết Cách biểu diễn phân tử với đầy đủ electron hóa trị gọi sơ đồ điện tử Lewis Người ta thường thay cặp electron chung vạch nối Quy tắc bát tử: Một nguyên tử khác với hydro có khuynh hướng tạo thành liên kết đạt electron lớp Quy tắc với nguyên tố thuộc chu kỳ Cần lƣu ý ngọai lệ Cách viết cấu trúc Lewis: Bƣớc Tính tổng số electron hóa trị ngun tử • Đối với ion có điện tích n- : cộng thêm n electron hóa trị • Đối với ion có điện tích n+ : trừ n electron hóa trị HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Bƣớc Phân bố nguyên tử quanh nguyên tử trung tâm (NTTT nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn, trừ H) Bƣớc Vẽ liên kết đơn từ nguyên tử trung tâm đến nguyên tử khác Bƣớc Hoàn thành „bát tử” cho ngun tử ngồi Bƣớc Đặt electron hóa trị dư vào nguyên tử trung tâm Bƣớc Nếu nguyên tử trung tâm chưa đạt “bát tử”, tạo liên kết đa nguyên tử trung tâm với ngun tử ngồi Ví dụ: Viết cấu trúc Lewis hợp chất NF3 B1 Viết cấu hình electron N 1s22s22p3, số electron hóa trị Viết cấu hình electron F 1s22s22p5, số electron hóa trị Tổng số electron hóa trị + 3x7 =26 B2 Phân bố nguyên tử F xung quanh nguyên tử trung tâm N (N có độ âm điện nhỏ F) B3 Vẽ liên kết đơn từ nguyên tử trung tâm N đến nguyên tử F B4 Hoàn thành „bát tử” cho nguyên tử F B5 Đặt electron hóa trị cịn dư vào ngun tử trung tâm N (26-3x2-3x6=2) Ví dụ: Viết cấu thức Lewis CO2: Cách tính điện tích nguyên tử: • Điện tích = số electron hóa trị - (số electron khơng liên kết + ½ số electron liên kết) Ví dụ: N2O Lưu ý chọn dạng cộng hưởng thích hợp: Đối với hợp chất vẽ nhiều cấu trúc Lewis chọn dạng cộng hưởng thích hợp theo tiêu chí sau: • Có điện tích nhỏ • Khơng có điện tích dấu hai ngun tử kế cận • Điện tích âm nằm nguyên tử có độ âm điện cao Ví dụ: N2O Ngọai lệ quy tắc bát tử: phân tử có số lẻ electron hóa trị ngun tử trung tâm có electron hóa trị nguyên tử trung tâm nhiều electron hóa trị Ví dụ 1: phân tử có số lẻ electron hóa trị: phân tử có số lẻ electron hóa trị nên khơng thể có đủ cặp electron HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Ví dụ 2: ngun tử trung tâm có electron lớp ngồi BF3 Ví dụ 3: ngun tử trung tâm nhiều electron hóa trị: nguyên tố từ chu kỳ trở đi, sử dụng electron phân lớp (n-1)d để tạo liên kết SF6, XeF4 3.2 Thuyết liên kết hóa trị (Thuyết VB) Thuyết liên kết hóa trị dựa kết học lượng tử để giải thích tạo thành liên kết xen phủ orbital nguyên tử 3.2.1 Phân tử hydro theo Heitler London Heitler London vận dụng học lượng tử để khảo sát tạo thành liên kết H-H từ hai ngun tử H lập Tóm tắt kết toán sau: Khi hai nguyên tử hydro Ha Hb có electron với spin trái dấu tiến đến gần chúng hút lƣợng hệ giảm xuống Đến đạt khoảng cách định, hệ trở nên bền vững với cực tiểu Khi mật độ điện tử cao hai nguyên tử bị hút hai hạt nhân lại gần chúng liên kết lại với nhau hình thành liên kết cộng hóa trị phân tử H2 Hai electron trở thành chung cho hai hạt nhân nguyên tử H, chúng chuyển động gần hai hạt nhân HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Trường hợp hai nguyên tử hydro có electron với spin dấu tiến lại gần chúng đẩy nhau, lượng hệ phân tử cao lượng hệ gồm hai nguyên tử nên không tạo thành liên kết (1s1) )1s1( (1s1) Vùng xen phủ Tạo liên kết (1s1) )1s1( ủhp nex gnùV (1s1) Vùng xen phủ Không tạo liên kết Các tiên đề thuyết VB (Valence Bond): Từ việc phân tích hình thành liên kết cộng hóa trị phân tử H2 rút nội dung quan niệm thuyết VB liên kết cộng hóa trị sau : Liên kết cộng hóa trị hình thành kết đơi hai electron độc thân có spin trái dấu, hay cịn gọi xen phủ hai orbital nguyên tử Sự xen phủ hai orbital nguyên tử lớn liên kết bền Liên kết cộng hóa trị hình thành theo phương xen phủ lẫn orbital nguyên tử liên kết lớn Về phương diện toán học, che phủ orbital nguyên tử tổ hợp tuyến tính hàm sóng ngun tử Mức độ kết che phủ phụ thuộc vào dấu hàm sóng nguyên tử tham gia tổ hợp (đặc trưng đại lượng tích phân che phủ S) Nếu vùng che phủ, hàm sóng có dấu giống che phủ gọi che phủ dƣơng dẫn đến tạo thành liên kết, ứng với S>0 Ngược lại, vùng che phủ hàm sóng có dấu khác che phủ gọi che phủ âm, khơng hình thành liên kết, ứng với S tạo thành liên kết S < không tạo thành liên kết HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Dấu orbital quan trọng việc giải thích liên kết hóa học Một liên kết hóa học hình thành phần orbital nguyên tử dấu xen phủ lên Dấu đặt orbital dấu hàm sóng vùng đấy: với orbital s xác xuất diện electron theo khắp hướng khơng gian nhau, có dấu + Với orbital p hay d nguyên tắc hướng orbital nở rộng (+) hướng tương ứng với xác suất diện electron cực đại 3.2.2 Các kiểu xen phủ orbital nguyên tử • Điều kiện xen phủ: – Hai orbital, orbital chứa electron độc thân – Một orbital chứa electron hóa trị tự orbital trống (liên kết cho nhận hay liên kết phối trí) • Kiểu xen phủ: – xen phủ dọc theo trục nối tâm hai nguyên tử tạo liên kết – xen phủ hai phía trục nối (xen phủ bên) p-p, p-d d-d tạo liên kết • Liên kết hình thành từ xen phủ orbital khiết orbital lai hóa • Liên kết hình thành từ xen phủ orbital khiết • Liên kết có mức độ xen phủ lớn liên kết nên bền liên kết Một số ví dụ hình thành liên kết cộng hóa trị: Ví dụ 1: Sự hình thành phân tử H2S: H – 1s1 S – [Ne] 3s23p4 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Ví dụ 2: Sự hình thành phân tử NH3: H – 1s1 N – 1s22s22p3 3.2.3 Sự lai hóa orbital nguyên tử Thuyết lai hóa để giải thích khơng phù hợp suy luận thực nghiệm Để có lai hóa orbital nguyên tử tham gia lai hóa phải có lượng xấp xỉ (2s với 2p; 3s với 3p 3d) mật độ electron đủ lớn Nguyên tử trước tạo liên kết sử dụng orbital s, p hay d khiết để “trộn lẫn với nhau” thành orbital (orbital nguyên tử lai hóa) Có AO tham gia lai hóa tạo nhiêu orbital lai hóa Các orbital lai hóa có lượng, hình dạng kích thước giống phân bố đối xứng không gian Có kiểu lai hóa như: sp, sp2, sp3, sp3d, sp3d2, sp3d2f, … 3.2.3.1 Lai hóa sp (lai hóa đƣờng thẳng): orbital s + orbital p orbital lai hóa sp sp sp Đường thẳng 3.2.3.1 Lai hóa sp2 (lai hóa tam giác) orbital s + orbital p orbital lai hóa sp2 sp2 sp2 sp2 Tam giác phẳng 3.2.3.1 Lai hóa sp3 (lai hóa tứ diện) orbital s + orbital p orbital lai hóa sp3 sp3 sp3 sp3 sp3 Tứ diện 10 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Ví dụ: BeCl2 (trạng thái khí) lai hóa sp Ví dụ: BCl3 lai hóa sp2 Cl Lai hóa B s px py Cl B sp2 sp2 sp2 pz Cl Bàn thêm: liên kết B-Cl BCl3 liên kết đơn, mà có bậc 1,33 xen phủ bổ sung orbital hóa trị tự B orbital chứa cặp electron hóa trị tự Cl (tham khảo thêm sách Hóa đại cương – Nguyễn Đình Soa, trang 159) Ví dụ: CH4 lai hóa sp3 H H Lai hóa C s px py pz C H sp3 sp3 sp3 sp3 H H C H H H 11 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Dự đóan trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm: Trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm dự đốn dựa vào góc hóa trị cấu hình khơng gian phân tử Ví dụ 1: phân tử AB3 có góc hóa trị BAB xấp xỉ 109o28‟ dự đốn A lai hóa sp3 Ví dụ 2: phân tử AB3 có dạng tháp tam giác dự đốn A lai hóa sp3 Tổng qt, dựa vào tổng số T để dự đốn kiểu lai hóa nguyên tử trung tâm Với tổng số T = số cặp electron liên kết số cặp electron không liên kết nguyên tử trung tâm - Số cặp electron liên kết = số liên kết : có nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm có nhiêu liên kết - Số cặp electron không liên kết nguyên tử trung tâm = (X-Y)/2, với: X = tổng số electron hóa trị tất nguyên tử phân tử Y = số nguyên tử xung quanh x (riêng H 2) [số electron hóa trị bão hòa dành cho nguyên tử xung quanh liên kết với ngun tử trung tâm] Ví dụ : Dự đốn trạng thái lai hóa S phân tử SO2: Nguyên tử trung tâm S Số cặp electron liên kết = số liên kết nguyên tử trung tâm S nguyên tử O xung quanh = Số cặp electron không liên kết S trung tâm xác định sau: X=6+(2x6)=18 Y=2x8=16 X-Y=2 số cặp electron không liên kết Vậy T = số cặp electron liên kết số cặp electron không liên kết S = 2+1= Vậy S lai hóa sp2 Ví dụ : Dự đốn trạng thái lai hóa S ion SO32-: Nguyên tử trung tâm S Số cặp electron liên kết = số liên kết nguyên tử trung tâm S nguyên tử O xung quanh = Số cặp electron không liên kết S trung tâm xác định sau: X=6+(3x6) + 2=26 (do ion mang điện tích âm -2) Y=3x8=24 X-Y=2 số cặp electron không liên kết Vậy T = số cặp electron liên kết số cặp electron không liên kết S = 3+1= Vậy S lai hóa sp3 Mối liên hệ số cặp e lk , số cặp e không lk kiểu lai hóa nguyên tử trung tâm Số cặp electron Số cặp electron Tổng số Kiểu lai hóa Ví dụ khơng liên kết T liên kết 0 1 2 3 4 sp sp2 sp3 CO2, BO2-, NO2+ BF3, SO3, CO32SO2, O3, NO2CCl4, NH4+, SO42NH3, AsF3, SO32H2O, HOF, ClO212 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Hình dạng kiểu lai hóa thường gặp Tổng số T Hình dạng Kiểu lai hóa Góc S? v?trí Cách x?p S? v?trí Cách x?p Đường AB2 Thẳ ng hà ng ABS? trí thẳng v? Thẳ ng hà ng Cách x?p AB2 AB3 AB3 AB3 AB4 AB4 AB4 180 Thẳ nggiác hà ng Tam Tam giác Tam giác phẳng Tứdiệ n Tứdiệ n 4 120 120 120 109.5 109.5 Tam giác 109.5 Tứ diện 90 90 Tứdiệ n Lưỡ ng thá p Lưỡ n g thá tam giá cp tam giá c Lưỡ n g thá p AB5 c Một số trƣờng hợp biến dạng: tam giaù AB5 AB5 180 180 5 Xét hình học AB phân tử H2O CH4, NH Bá t3 diệ n AB6 Bá t diệ n NH3 CH4 H AB6 H C H H 120 120 90 120 90 90 90 90 90 H2O 90 Bá t diệ n 109,5o H N H H 107o O H H 104,5o Nhận xét: Cả trường hợp có nguyên tử trung tâm lai hóa sp3 góc liên kết khác 3.2.4 Thuyết đẩy đơi điện tử tầng hóa trị (VSEPR) Mục đích : giải thích, dự đốn hình học phân tử ion đơn giản Quy tắc: Các cặp electron hóa trị phải phân bố xa để có lực đẩy nhỏ chúng để phân tử bền Cặp electron không liên kết (cặp electron hóa trị tự do) chiếm khỏang không gian lớn so với cặp electron liên kết Lực đẩy cặp electron không liên kết với cặp electron không liên kết > Lực đẩy cặp electron không liên kết với cặp electron liên kết > Lực đẩy cặp electron liên kết với cặp electron liên kết 13 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Dự đóan hình học phân tử: Xác định trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm Phân bố cặp electron liên kết không liên kết xa khơng gian theo trạng thái lai hóa ngun tử trung tâm Xét hình học phân tử theo nguyên tắc: + Đối với phân tử ABn chứa cặp electron khơng liên kết ngun tử trung tâm A phân tử có cấu hình khơng gian lý tưởng phụ thuộc vào số cặp electron liên kếtbằng với số liên kết = số nguyên tử xung quanh, n + Đối với phân tử ABnEm có chứa m cặp electron khơng liên kết (E) nguyên tử trung tâm A áp dụng thuyết đẩy đơi điện tử tầng hóa trị Lƣu ý: Hình học phân tử mơ tả xếp nguyên tử phân tử, liên quan đến cặp electron liên kết Ví dụ: Dự đốn hình học góc liên kết phân tử NH3 Dự đốn trạng thái lai hóa N phân tử NH3: Nguyên tử trung tâm N Số cặp electron liên kết = số liên kết nguyên tử trung tâm N nguyên tử H xung quanh = Số cặp electron không liên kết N trung tâm xác định sau: X=5+(3x1)=8 Y=3x2=6 X-Y=2 số cặp electron không liên kết Vậy T = số cặp electron liên kết số cặp electron không liên kết N = 3+1= Vậy N lai hóa sp3 Trong phân tử NH3 ba cặp electron liên kết cặp electron khơng liên kết bố trí dạng tứ diện khơng gian Tuy nhiên, hình học phân tử phân bố cặp electron liên kết nên phân tử có dạng hình học tháp tam giác Với cặp electron liên kết và cặp electron khơng liên kết bố trí dạng tứ diện góc liên kết lẽ phải 109o28‟ Tuy nhiên, cặp electron không liên kết chiếm vùng không gian rộng hơn, gây đẩy cặp electron liên kết làm góc liên kết nhỏ 109o28’ 14 HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử HÌNH HỌC CỦA CÁC CẶP ELECTRON VÀ HÌNH DẠNG PHÂN TỬ Tổng số cặp Hình học electron cặp electron Số cặp e lk Số cặp e Loại khơng lk phân tử Hình học phân tử AB2 Ví dụ Đường thẳng Đường thẳng AB3 Tam giác phẳng Tam giác phẳng AB2E Góc AB4 Tứ diện Tứ diện AB3E Tháp tam giác AB2E2 Góc AB5 Lưỡng tháp tam giác Lưỡng tháp 3.2.5 Liên kết đa tam giác Người ta dùng khái niệm bậc liên kết để diễn tả AB : 4E Liên kết đơn – bậc 1, liên kết Tứ diện lệch Liên kết đôi – bậc 2, gồm liên kết liên kết Liên kết ba – bậc gồm liên kết hai liên kết AB 3E2 Chữ T Cơng thức tính bậc liên kết: AB2E3 Bậc liên kết = thẳng tổng số electron tham gia tạo liên Đường kết x số liên kết AB6 Bậc liên kết lớn liên kết ngắn bền Theo thuyết học lượng tử, bậc liên kết có giá trị lẻ,Bát thể diện loại liên kết không Bát diện định chỗ AB5E Tháp vng AB4E2 15 HĨA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử Ví dụ: C2H4 Trạng thái ==== Orbital lai hóa sp2 Bậc liên kết hai nguyên tử carbon = (2x2)/2 = Liên kết định chỗ Ví dụ: C2H2 Bậc liên kết hai nguyên tử carbon = (2x3)/2 = Liên kết định chỗ Ví dụ: C6H6 Bậc liên kết nguyên tử carbon = 2x9/(2x6) = 1,5 Liên kết không định chỗ - electron tâm Mỗi nguyên tử C sử dụng orbital lai hóa sp2 để xen phủ với orbital sp2 C orbital 1s 2H để tạo liên kết Các orbital lai hóa sp2 nằm mặt phẳng orbital py cịn lại hai C (thẳng góc với mặt phẳng) xen phủ bên với tạo liên kết Tạo liên kết đôi Mỗi nguyên tử C sử dụng orbital lai hóa sp để tạo liên kết với 1C 1H, dạng đường thẳng (theo trục pz) Mỗi nguyên tử C lại orbital px py xen phủ bên cặp với tạo liên kết định hướng vng góc với Tạo liên kết ba Cả 6C trạng thái lai hóa sp2 Mỗi C dùng orbital lai hóa sp2 để xen phủ với orbital lai hóa tương tự 2C bên cạnh 1H hình thành liên kết Mỗi C cịn lại orbital p, vng góc với mặt phẳng vòng orbital p khiết xen phủ đồng thời với tạo thành liên kết Các liên kết thực electron orbital p chúng đồng thời thuộc hạt nhân nguyên tử C Nói cách khác, liên kết khơng định chỗ liên kết sáu electron sáu tâm 16 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử 3.2.6 Liên kết cho nhận Ví dụ: Xét phân tử NH3 Thực nghiệm cho thấy NH3 dễ liên kết với ion H+ tạo thành ion ammonium :NH3 + H+ NH4+ Sự tạo thành liên kết ion ammonium giải thích nhờ cặp electron hóa trị tự nguyên tử N orbital 1s trống ion H+, biểu diễn sau: Mối liên kết hình thành gọi liên kết cho – nhận Sau tạo thành, bốn mối liên kết ion NH4+ giống hệt độ bền, độ dài cách định hướng Liên kết cho nhận hình thành đơi điện tử tự linh động nguyên tử với orbital trống nguyên tử khác ký hiệu mũi tên có hướng từ nguyên tử nguyên tử nhận 3.3 Thuyết orbital phân tử (thuyết MO) 3.3.1 Cơ sở thuyết MO Phân tử tổ hợp thống hạt nhân nguyên tử electron, electron chuyển động trường hạt nhân electron cịn lại Có thể hình dung phân tử nguyên tử phức tạp có nhiều hạt nhân, hạt nhân electron chung phân tử Cơ sở thuyết ortbital phân tử (MO) mở rộng khái niệm orbital nguyên tử (AO) (hệ hạt nhân nguyên tử) cho phân tử (hệ nhiều hạt nhân nguyên tử) Trong phân tử, electron miêu tả hàm sóng Trong orbital phân tử, electron đặc trưng số lượng tử Mỗi orbital phân tử ứng với mức lượng xác định Việc điền electron vào orbital phân tử (MO) tuân theo nguyên lý vững bền, nguyên lý ngoại từ Pauli, quy tắc Hund Từ AO nguyên tử tham gia tạo thành liên kết người ta suy MO phân tử tạo thành cách tổ hợp tuyến tính AO ban đầu Các AO tham gia tổ hợp tuyến tính phải thỏa mãn điều kiện sau: Có lượng gần Có mức độ xen phủ rõ rệt Có tính đối xứng giống trục nối tâm hai nguyên tử 3.3.2 Sự tổ hợp AO tạo thành MO Trong phần trước biết trạng thái electron mơ tả hàm sóng Sự kết hợp hàm sóng mơ tả orbital ngun tử (AO) nguyên tử riêng lẻ mô tả orbital phân tử (MO) Dấu hàm sóng cho biết mật độ electron orbital, điều trở nên quan trọng kết hợp hai orbital Khi orbital xen phủ, chúng pha (+) ngược pha (-) Khi 17 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử xen phủ pha (tổ hợp cộng), mật độ electron hai hạt nhân tăng lên (đám mây electron tập trung hai hạt nhân) có tác dụng liên kết hình thành orbital liên kết Năng lượng MO liên kết thấp (bền hơn) lượng orbital nguyên tử Khi xen phủ ngược pha (tổ hợp trừ), mật độ electron hai hạt nhân giảm xuống (đám mây electron không tập trung hai hạt nhân) có tác dụng phản liên kết hình thành orbital phản liên kết Năng lượng MO phản liên kết cao (kém bền hơn) lượng orbital nguyên tử Tóm lại, tổ hợp (xen phủ) hai orbital nguyên tử (AO) luôn tạo thành hai orbital phân tử (MO): orbital liên kết có lượng thấp orbital phản liên kết (trên ký hiệu MO có thêm dấu *) có lượng cao + - +2 -2 Tổ hợp trừ Tổ hợp cộng Tổ hợp trừ 1s Tổ hợp cộng * 1s MO phản liên kết MO liên kết Các cách tổ hợp: Sự xen phủ dọc theo trục nối tâm hai nguyên tử hình thành orbital phân tử Sự xen phủ bên, vng góc với trục nối tâm hai nguyên tử hình thành orbital phân tử 18 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử 3.3.2.1 Tổ hợp tuyến tính hai AO s Sự tổ hợp tuyến tính hai AO 1s hai nguyên tử hydro dọc theo trục nối tâm hai nguyên tử hình thành hai MO : MO liên kết với ký hiệu 1s có mức lƣợng thấp MO phản liên kết với ký hiệu 1s* có mức lƣợng cao MO phản liên kết 1s* MO liên kết AO MO 1s 3.3.2.2 Tổ hợp tuyến tính hai AO p Có cách tổ hợp tuyến tính AO p: Tổ hợp dọc theo trục liên kết tạo MO Hai AO 2px tổ hợp dọc theo trục liên kết x nối liền tâm hai nguyên tử cho hai MO p (MO liên kết) 2* p (MO phản liên kết) x x MO phản liên kết, *2px MO liên kết, 2px AO MO Tổ hợp bên vng góc trục liên kết tạo MO Hai AO 2py tổ hợp bên, vng góc với trục x nối liền tâm hai nguyên tử cho hai MO p (MO liên kết) 2* p (MO phản liên kết) y y Tương tự, hai AO 2pz tổ hợp bên, vng góc với trục nối liền tâm hai nguyên tử cho hai MO pz (MO liên kết) 2* pz (MO phản liên kết) Từng cặp p y với pz , 2* p y với 2* pz có mức lượng, chúng khác hướng không gian MO phản liên kết, *2py *2pz MO liên kết, 2py 2pz AO MO 19 HÓA ĐẠI CƯƠNG Chương 2: Liên kết hóa học cấu tạo phân tử 3.3.3 Cấu hình electron phân tử (cơ cấu electron phân tử) Việc điền electron vào MO tuân theo nguyên lý vững bền, nguyên lý ngoại từ Pauli, quy tắc Hund Các electron (tổng số electron phân tử) xếp vào MO có mức lượng thấp trước, sau đến MO có lượng cao Mỗi MO chứa tối đa electron Đối với MO có mức lượng nhau, electron xếp cho tổng số spin chúng lớn Muốn vậy, phải xếp electron có ms = +1/2 vào trước, sau đến electron có ms = -1/2 Giản đồ lượng MO 2p 2px 2px 2py 2pz 2py 2pz 2px 2p 2p 2py 2pz 2py 2pz 2px 2s 2s 2s 2s 2s 2s 2s 2s 1s 1s 1s 1s 2p 1s 1s 1s 1s Từ O2 đến Ne2 Từ H2 đến N2 (chọn trục x trục liên kết) Từ O2 đến Ne2, (đây nguyên tố cuối chu kỳ) (các phân mức lượng 2s 2p cách xa nhau) trật tự phân bố orbital phân tử theo chiều tăng lượng (theo giản đồ b) sau: 1s 1*s s 2*s σ 2* py 2* pz σ* 2px 2px py pz Từ H2 đến N2 (nguyên tố đầu chu kỳ) (các phân mức lượng 2s 2p khác nhau), xuất lực đẩy orbital 2s 2p làm cho orbital 2py 2pz trở nên thuận lợi lượng so với orbital 2px, trật tự phân bố orbital phân tử (theo giản đồ a) sau: 20