Bài giảng hóa đại cương (Phần 2) doc

Độ âm điện: Cho biết khả năng một nguyên tử của một nguyên tố hút mật độ electron về phía mình khi tạo liên kết với nguyên tử của một nguyên tố khác.. Số oxy hóa: Là điện tích dương ha

+ Chu kỳ 4, 5 có 18 nguyên tố (8 nguyên tố phân nhóm chính, 10 nguyên tố phân nhóm phụ hay nguyên tố chuyển tiếp)

+ Chu kỳ 6 có 32 nguyên tố (8 nguyên tố phân nhóm chính, 10 nguyên tố phân nhóm phụ và 14 nguyên tố họ lantanit

+ Chu kỳ 7 về lý thuyết cũng có 32 nguyên tố nhưng chỉ mới phát hiện 19 (2 chính, 3 chuyển tiếp và 14 actinit) gọi là chu kỳ dở dang

- Số thứ tự ô trùng với số điện tích hạt nhân Z

- Số thứ tự chu kỳ trùng với số n (số lớp electron)

- Nguyên tố s (họ s) là các nguyên tố có electron cuối cùng điền vào phân mức s ngoài cùng

1

ns (kiềm), ns (kiềm thổ), có hai nguyên tố s ớ đầu chu kỳ 2

- Nguyên tố p (họ p) có electron cuối cùng điền vào phân mức p ngoài cùng, đó là 6 nguyên tố cuối chu kỳ: ns2np1  6

- Giữa chu kỳ là 10 nguyên tố d có electron vào ON (n ‟ 1)d sau nguyên tố d thứ nhất là

14 nguyên tố f (n ‟ 2)f

2.2 Nhóm:

Là dãy dọc các nguyên tố có tổng số electron lớp ngoài cùng (n) bằng nhau và bằng số thứ tự của nhóm hay phân nhóm Riêng các nguyên tố như: Co, Ni Tuy có số electron ở phân lớp ngoài cùng lớn hơn 8 vẫn được đặt vào nhóm VIII Ngoài ra các nguyên tố lantanit và actinit có cấu tạo đặc biệt được xếp vào nhóm III (sách giáo khoa trang 83)

Có phân nhóm chính và phân nhóm phụ

a Phân nhóm chính: (A) Gồm các nguyên tố s hoặc p có công thức electron ở lớp

ngoài cùng tương đương với ns hoặc x 2

2npx ns

Ví dụ: Chu kỳ III, phân nhóm IA: 3s 1

b Phân nhóm phụ: (B) gồm các nguyên tố d có công thức electron lớp ngoài cùng

1d ns

n x , mỗi phân nhóm có 3,4 nguyên tố, đặc biệt nhóm VIII có 9 nguyên tố B

- Số thứ tự phân nhóm phụ bằng số electron phân mức ngoài cùng

+ Các ngoại lệ:

B

BvàII

I : Thay vì n dx 2ns2 n d10nsx

1

B

VIII : x > 8 (Co, Ni….)

- Các trường hợp gần cấu trúc bão hòa hoặc bán bảo hòa đều chuyển về đó

Ví dụ: Nếu có 2  4

1d n

ns  thì 1  5

1d n

ns 



2  9

1d n

ns  1  10

1d n

ns 



    

2.3 Ô:

Là vị trí cụ thể của mỗi nguyên tố trong bảng, là số thứ tự nguyên tố trùng số Z, cũng là số electron trong nguyên tử

Về nguyên tắc, khi biết nguyên tố nằm ở ô nào là xác định được cấu trúc electron nguyên tử

3 Cấu trúc electron, nguyên tử và sự thay đổi tính chất của các nguyên tố trong hệ thống tuần hoàn:

3.1 Bán kính nguyên tử và ion: (r)

- Trong cùng chu kỳ: Trái sang phải bán kính nguyên tử giảm, do Z tăng và n không đổi Ở các chu kỳ lớn không rõ ràng, do hiệu ứng chắn

- Trong nhóm chính: Trên xuống bán kính nguyên tử tăng do n tăng và hiệu ứng chắn chiếm ưu thế so với Z tăng

- Phân nhóm phụ: Nguyên tố 1 đến nguyên tố 2 bán kính nguyên tử tăng, sau đó hầu như không tăng

3.2 Năng lượng ion hóa: (I)

- Là năng lượng cần thiết bứt electron ra khỏi nguyên tử không bị kích thích để tạo ion dương

e X I

X0    

Năng lượng ion hóa càng nhỏ thì càng dễ nhường electron, do đó tính kim loại và khử tăng

- Tách ion càng về sau càng khó

Ví dụ: Tách electron thứ hai cho ra X có 2  I2 I1

- Z tăng và hiệu ứng xâm nhập tăng dẫn đến I tăng

Hiệu ứng chắn tăng dẫn đến I giảm  Trong 1 chu kỳ từ trái sang phải I tăng, tính kim loại giảm (Z tăng)

Từ trên xuống, phân nhóm chính I giảm

Phân nhóm phụ I tăng (ít) do hiệu ứng xâm nhập tăng

3.3 Aùi lực electron (F)

Là năng lượng phát ra (hay thu vào) khi kết hợp một electron vào nguyên tử trung hòa, tạo ion âm

F X e

X0     Tính phi kim tăng ái lực electron (F) tăng

Trong chu kỳ: Trái sang phải F tăng

Phân nhóm chính: Từ trên xuống F giảm

3.4 Độ âm điện:

Cho biết khả năng một nguyên tử của một nguyên tố hút mật độ electron về phía mình khi tạo liên kết với nguyên tử của một nguyên tố khác

Độ âm điện theo Mulliken X1/2(F )

X lớn thì sự hút electron lớn

Theo Pauling  2

B A BB AA B

E

Với X và Etính bằng eV

- Trong chu kỳ: Trái sang phải X tăng

- Trong nhóm: Từ trên xuống X giảm

3.5 Số oxy hóa:

Là điện tích dương hay âm của nguyên tố trong hợp chất được tính với giả thiết rằng hợp chất được tạo thành từ các ion

Một số quy tắc xác định số oxy hóa của các nguyên tố:

- Số oxy hóa của nguyên tố tự do bằng 0

- Số oxy hóa của mỗi ion một nguyên tử bằng điện tích của ion đó

- Số oxy hóa của mỗi nguyên tố trong hợp chất cộng hóa trị bằng điện tích của nguyên tử đó khi xem cặp electron liện kết sẽ chuyển hẳn về nguyên tử có độ âm điện lớn hơn (Ví dụ NH ) 3

- Số oxy hóa của kim loại kiềm luôn bằng +1, kiềm thổ +2

- Số oxy hóa của Oxy bằng -2 (trừ 2 22 2 1

va OvaO

- Số oxy hóa Hydro bằng +1 (trừ các hợp chất Hidrua của kim loại hoạt động bằng -1)

“Tổng số oxy hóa trong phân tử trung hòa của các nguyên tố bằng 0”

Theo nguyên tắc này tính số oxy hóa của các nguyên tố

CHƯƠNG IV

LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ

1 Một số khái niệm cơ bản:

- Bản chất liên kết: Có bản chất điện giữa các hạt nhân tích điện dương và electron tích điện âm

- Các electron thực hiện liên kết hóa học chủ yếu là các electron những phân lớp ngoài cùng: ns, np, (n-1)d, (n-2)f, gọi là các electron hóa trị

- Độ dài liên kết: Khoảng cách giữa hai hạt nhân của các nguyên tử tương tác với nhau (thường tính bằng A ) 0

- Góc hóa trị là góc tạo thành bởi hai đoạn thẳng tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hạt nhân hai nguyên tử liên kết

Ví dụ: H2O

- Năng lượng liên kết: (kcal (KJ)/mol) là năng lượng cần tiêu tốn để phá hủy lên kết

- Độ bội liên kết: Là số mỗi liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử trong liên kết

Ví dụ: C ‟ C độ bội 1, CC độ bội 3

H+ 104.50 O

-2

H+

 Sau đây ta sẽ xét hai phương pháp khảo sát liên kết cộng hóa trị

2 Phương pháp liên kết hóa trị: (L – H)

Còn gọi là phương pháp cặp electron của Hâyle-London

Dựa trên cơ sở nghiên cứu sự hình thành phân tử H 2

Khi Ha,Hb ở xa nhau thì 1 2

b

a 



  (1)

 : Hàm số sóng phân tử mô tả sự chuyển động của hai electron

2 1 b

a ,

 : Hàm sóng nguyên tử (giữa a và 1, giữa b và 2)

Khi Hb,Halại gần nhau thì ta có thêm lực hút giữa ae2,be1do đó cần bổ sung:

1 2 b

a

 

 hàm sóng gần đúng là tổ hợp của (1) và (2), dạng:

1 2 2 2 1 1

Giải phương trình sóng Sơrôđingơ, ta có: 







 2 1

2 1 C C

C C

 Có hai hàm sóng đặc trưng cho chuyển động của hai electron

 1 2 2 1

b a b a S

   Hàm số đối xứng

 1 2 2 1

b a b a A

   Hàm số bất đối xứng S

 ứng với trạng thái hai electron có spin ngược nhau

 Ý nghĩa của hàm sóng:

- Hàm STương ứng với trường hợp hai electron của Ha,Hbcó spin ngược nhau, đến gần nhau dẫn đến hút nhau tạo phân tử Hydro (có liên kết)

- Hàm Acó hai electron spin giống nhau, tiến gần nhau dẫn đến đẩy nhau, tức không tạo phân tử Hydro

- Đường cong thế năng của nguyên tử Hydro:

+

e2

Hb

Ha +

-

-

ra2 rb2

e1

Một số điểm cơ bản của phương pháp L ‟H về liên kết cộng hóa trị:

+ Liên kết cộng hóa trị là liên kết hai electron hai tâm

+ Liên kết cộng hóa trị hình thành do sự che phủ lẫn nhau giữa các ON hóa trị của các nguyên tử tương tác

+ Liên kết cộng hóa trị càng bền khi độ che phủ của các ON tương tác càng lớn Độ che phủ phụ thuộc kích thước, hình dạng các On và hướng che phủ của chúng

 Liên kết cộng hóa trị có tính định hướng, bão hòa và phân cực

Biểu diễn liên kết cộng hóa trị bằng hai chấm ( hay gạch ngang (-)

H:H hay H ‟ H có một liên kết cộng hóa trị

N:::N hay N N có ba liên kết cộng hóa trị 

Ví dụ: Khảo sát sự tạo thành H2Se

Lưu ý: ON s bao giờ cũng có dấu +

ON p có một đầu dương một đầu âm

Các kiểu liên kết cộng hóa trị:

- Liên kết cộng hóa trị  tạo thành do sự che phủ giữa các ON xảy ra theo trục nối hai hạt nhân nguyên tử s ‟ s, s ‟ p, p ‟ p, s ‟ d, …

Chú ý: Cùng dấu thì che phủ, khác dấu không che phủ

- Liên kết cộng hóa trị : Khi các ON tương tác che phủ với nhau về hai bên của trục nối hai hạt nhân: p ‟ p, p ‟ d, d ‟ d

- Liên kết cộng hóa trị  xuất hiện khi 20N d nằm trong hai mặt phẳng song song che phủ nhau theo cả 4 “cánh hoa”

-

Xét ví dụ: Tạo thành phân tử N 2

Phân tử có một liên kết  , hai liên kết 

Bậc liên kết:

Liên kết đơn bậc bằng 1, liên kết đôi bậc bằng 2, liên kết ba bậc bằng 3 Ngoài ra liên kết còn có thể có giá trị lẻ

Ví dụ: Bậc liên kết Cl ‟ Cl là 1,12, của C ‟ O trong 2 

2

CO là 1,33…

Giải thích:

Do Cl có 7 electron ngoài, trong đó ba electron tham gia tạo một liên kết, còn lại là

e 8 4

2  tạo một liên kết  bậc lẻ là 1 : 8 = 0.12

Liên kết  di động (không định chỗ) hai electron, đa tâm

Ví dụ: Liên kết F ‟ F , O = O , NN

Bậc liên kết 1 2 3

Độ dài liên kết  A 1.42 1.207 1.095 0

Năng lượng liên kết 151 493 940

(KJ/Kmol)

Bậc liên kết càng lớn thì độ dài liên kết càng giảm, E càng lớn

Bậc liên kết lẻ do có một liên kết  và một liên kết  di động

Ví dụ: 2 6 6

3 vàC H

CO 

Các tính chất liên kết cộng hóa trị:

a Tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị:

Liên kết cộng hóa trị được hình thành theo hai cơ chế:

+ Cơ chế ghép đôi:

Liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự góp chung hai electron hóa trị độc thân có spin ngược nhau của hai nguyên tử tương tác, trong đó mỗi nguyên tử đưa ra một cho đến số liên kết cộng hóa trị bằng số electron ghép đôi

+ Cơ chế cho – nhận:

Sự hình thành cặp electron ghép đôi của liên kết cộng hóa trị chỉ do một trong hai nguyên tử tương tác đưa ra, còn nguyên tử kia nhận lấy

Cặp electron có sẵn của nguyên tố cho được gọi là cặp electron hóa trị tự do

Ví dụ:

b Tính định hướng của liên kết cộng hóa trị:

Theo lý thuyết thì liên kết

Nhưng thực nghiệm thì cho thấy do đó chỉ đơn thuần xét sự che phủ của các ON tương tác mà kết luận cấu hình không gian là không chính xác Từ đó Paolinh và Xtâyle đã đưa

ra thuyết lai hóa

Thuyết lai hóa:

- Các nguyên tử tương tác với nhau có thể không dùng những ON s, p, d, … thuần túy mà dùng những ON “trộn lẫn” mới được tạo thành trong nội bộ nguyên tử để che phủ với những ON khác Hiện tượng này gọi là sự lai hóa các ON

Ví dụ: Lai hóa sp, sp2,sp3,sp3d,sp3d2

Sp: lai hóa ON s vớimột ON p

- Các ON lai hóa có hình dạng và năng lượng hoàn toàn giống nhau, trong đó có bao nhiêu ON tham gia lai hóa sẽ có bấy nhiêu ON lai hóa được tạo thành và phân bố đối xứng trong không gian

+ Điều kiện có lai hóa bền vững:

- Các ON tham gia lai hóa phải có năng lượng gần nhau

- Mật độ electron của các ON phải đủ lớn

- Mật độ che phủ của các ON càng tăng thì lai hóa càng bền

+ Một số lai hóa đơn giản:

1 Lai hóa sp: Do sự tổ hợp một ON s với một ON p (của cùng một nguyên tử) Tạo ra hai ON lai hóa sp phân bố đối xứng góc 0

180

2 Lai hóa sp : Xảy ra giữa một ON s và hai ON p (cùng một nguyên tử) tạo ba ON lai 2 hóa sp và góc là 2 0

120

3 Lai hóa sp : Xảy ra giữa một ON s và ba ON p tạo ra bốn ON lai hóa 3 sp phân phối 3 đối xứng nhau trong không gian theo hướng đến bốn đỉnh một tứ diện đều  góc là

' 28

1090 Ví dụ: CCl4,CH4 Ngoài ra còn các kiểu lai hóa khác phức tạp hơn

 Đặc biệt: Xuất hiện các giá trị góc 0 0 0 0

3 107 5

104 , , , (gần với 109028') hoặc 0

118 (gần 0

120 ) ở CCl2 là do có mặt cặp electron hóa trị tự do trong nguyên tử trung tâm tạo nên hiệu ứng đẩy

Ví dụ:

Liên kết cộng hóa trị có cực, không cực và sự phân cực:

- Sự phân cực là do cặp electron hóa trị chuyển (bị hút) về nguyên tố có độ âm điện cao hơn, làm cho nó bị phân cực âm, nguyên tố kia phân cực dương Dần dần tiến đến giới hạn liên kết ion, gọi là sự ion hóa (khi độ chênh lệch của độ âm điện giữa hai nguyên tố lớn)

Tóm lại:

- Ưu điểm của phương pháp L _ H là giải thích được khả năng tạo liên kết, các đặc trưng liên kết, giải trích được cấu trúc và tính chất của nhiều phân tử và nhất là có tính chất rõ ràng dể hình dung

- Nhược điểm: Chưa giải thích được hết các tính chất, như tính thuận từ, độ màu sắc, sự tạo thành ion H 

3 Phương pháp Ocbitan phân tử (OP)

- Phương pháp này do hai nhà bác học Hund và Mulliken đưa ra Khảo sát trường hợp ion 

2

H Thay vì phân tử H Trong trường hợp này hàm số sóng được xác định như 2 sau:

b a

2







Giải phương trình sóng Sơrôđingơ trêncũng cho hai lời giải

2

C  và C1 C2

Tức là ta có:

s

   là hàm sóng biểu diễn các Ocbitan phân tử liên kết

A

   Là hàm biểu diễn các OP phản liên kết

Đường biểu diễn các hàm số sóng A,S OP liên kết có năng lượng thấp hơn OP phản liên kết

 Một số luận điểm của phương pháp OP:

Phân tử là tổ hợp thống nhất của các hạt nhân nguyên tử và e, trong đó mỗi electron chuyển động trong trường các hạt nhân và những e còn lại Các hạt nhân và electron là của chung phân tử nên có thể xem là “nguyên tử phức tạp”

Trong phân tử trạng thái electron được đặc trưng bằng hàm số sóng phân tử  , tức là bằng OP

Các OP được tạo thành do sự tổ hợp tuyến tính (+ hoặc -) các ON (sự che phủ), số OP tạo thành bằng số ON tham gia che phủ

Sự tổ hợp tuyến tính + các ON  OP liên kết

Sự tổ hợp tuyến tính ‟ các ON  OP phản liên kết

plk E t Exuấtphá lk

Biểu diễn sự tạo thành các OP từ các ON

Một số ví dụ tạo thành các OP từ các ON

+

e

Hb

Ha

+

-

Rab

Điều kiện để các ON tổ hợp thành OP:

+ CaÙc ON phải gần nhau về năng lượng, phải che phủ nhau đáng kể và phải có đối xứng giống nhau đối với đường liên kết trong phân tử

+ Các electron trong phân tử sẽ phân bố trên các OP theo những quy luật giống như trên các ON: Theo trật tự tăng dần năng lượng, trên mỗi OP tối đachỉ có hai electron, xếp sao cho số electron độc thân nhiều nhất …

- Liên kết trong phân tử được xác định bằng số electron liên kết không bị triệt tiêu bởi electron phản liên kết (một electron phản liên kết triệt tiêu một electron liên kết)

2

plk

lk sốe sốe

ết Bậcliênk  

Và liên kết có tên gọi của OP chứa e không bị triệt tiêu lk

Khảo sát một số phân tử đơn giản bằng phương pháp OP:

1 Các phân tử cấu tạo từ hai nguyên tử cùng loại của chu kỳ I:

Các OP tạo thành từ các ON 1s trong đó có 1 OP plk

s 1

 có năng lượng cao hơn OP lk

s 1



2 Các phân tử cấu tạo từ hai nguyên tử cùng loại của những nguyên tố chu kỳ II:

Ngoài ON 1s còn có 4 ON 2s, 2Px,y,z

Do sự sai khác về năng lượng nên sự che phủ chỉ xảy ra giữa các ON s với nhau và P với nhau Tức là từ 10 ON tổ hợp tuyến tính 10 OP

+ Khi mức năng lượng 2s và 2p cách xa nhau (đối với các nguyên tố cuối chu kỳ) 10 OP phân bố theo chiều tăng dần năng lượng như sau

plk px

plk pz

plk py

lk pz

lk py

lk px

plk s

lk s

plk s

lk

+ Đối với các nguyên tố đầu chu kỳ, năng lượng 2s và 2p gần nhau:

plk px

plk pz

plk py

lk px

lk pz

lk py

plk s

lk s

plk s

lk

Giản đồ năng lượng của hai trường hợp trên trình bày như sau:

Cụ thể ở đây B2(6e)C2(8e)N2(10e)N2(9e)O2(11e)O2(12e)F2(14e)Ne2(16e) là các e hóa trị

 Nhận xét:

Tăng các electron hóa trị tăng bậc liên kết và năng lượng liên kết, giảm chiều dài liên kết trong dãy B2 C2 N2, nhưng ngược lại trong dãy N2O2F2Ne2là do sự tăng electron liên kết hay electron phản liên kết (dãy sau) Ơû phân tử khí trơ số electron liên kết bằng số electron phản liên kết nên các phân tử khí trơ không thể tồn tại ở điều kiện bình thường

Giải thích một số tính chất:

- Từ tính: Chất thuận từ khi phân tử có chứa electron độc thân (do từ trường electron tạo ra cùng chiều với từ trường ngoài nên bị nam châm hút)

Chất có hai electron ghép đôi thì hai electron sinh ra từ trường ngược nhau (do spin ngược nhau) dẫn đến triệt tiêu nhau và dẫn đến nghịch từ