tiểu luận liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP NGUYỄN THÁI LỘC BÀI: LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ Ngành đào tạo: Sư phạm Hóa Trình độ đào tạo: Đại học NHỮNG VẤN ĐỀ HÓA LÝ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG ĐỒNG THÁP NĂM 2011 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP NGUYỄN THÁI LỘC BÀI: LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ Ngành đào tạo: Sư phạm Hóa Trình độ đào tạo: Đại học NHỮNG VẤN ĐỀ HÓA LÝ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC PHỔ THÔNG Giảng viên hướng dẫn:TRẦN QUỐC TRỊ 2 LỜI MỞ ĐẦU: Với đề tài tiểu luận của mình là “Liên Kết Hóa Học”, em hy vọng đã có thể chuyển tải những nội dung cơ bản và phù hợp với kiến thức phổ thông nâng cao về các mấu chốt, trọng tâm cơ bản của nội dung này. Xin được chia tiểu luận này làm 2 phần: Lí thuyết và bài tập Phần lí thuyết – bằng những kiến thức của mình cùng với việc tham khảo một số tài liệu, em muốn truyền tải phần nội dung của “Liên Kết Hóa Học và cấu tạo phân tử” một cách ngắn gọn, đầy đủ và dễ hiểu. Những phần kiến thức trong tiểu luận cũng có giới hạn trong chương trình chuyên lớp 10. Phần bài tập – Là những đề bài, những bài tập mà em đã thu thập và đóng góp, đi cùng đề bài là bài giải. Những bài tập này, theo em nhận xét là không phải dễ, nhưng cũng không quá khó nếu tìm hiểu lí thuyết kĩ càng. Em rất hân hạnh nhận được sự góp ý của thầy cô và bạn đọc để bổ sung những điểm khuyết hay sửa chữa những nhầm lẫn và sai sót. Xin cảm ơn quý thầy cô và các bạn đã dành thời gian theo dõi tiểu luận này. 3 MỤC LỤC Lời nói đầu 3 I.Những khái niệm cơ bản về liên kết hóa học 5 II. Liên kết cộng hóa trị 5 III. Liên kết ion 21 IV. Liên kim loại 24 V. Các liên kết yếu 27 VI. Liên kết hidro 29 E. Bài tập vận dụng 30 4 I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LIÊN KẾT HÓA HỌC 1.Bản chất liên kết: liên kết hóa học có bản chất điện vì cơ sở tạo thành liên kết là lực hút giữa các hạt mang điện (e, hạt nhân) - Trong các tương tác hóa học chỉ có các e của những phân lớp ngoài cùng: ns, np, (n - 1)d và (n - 2)f thực hiện liên kết: đó là các e hóa trị - 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 nguyên tử. 2.Các loại liên kết - Liên kết ion - Liên kết cộng hóa trị Liên kết nội phân tử - Liên kết kim loại - Liên kết hydro Liên kết liên phân tử - Liên kết Van Der Waals 3.Một số đặc trưng của liên kết a.Độ dài liên kết (d, Å): là khoảng cách giữa hai hạt nhân của các nguyên tử tương tác Độ dài liên kết thay đổi phụ thuộc vào: kiểu liên kết trạng thái hóa trị của các nguyên tố tương tác độ bền hợp chất … b.Góc hóa trị: là góc tạo bởi hai đoạn thẳng tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên tử liên kết Góc hóa trị phụ thuộc vào: bản chất nguyên tử tương tác kiểu hợp chất dạng hình học phân tử (cấu hình không gian của phân tử) c. Bậc liên kết: là số liên kết tạo thành giữa hai nguyên tử tương tác d.Năng lượng liên kết, đặc trưng cho độ bền liên kết: là năng lượng cần tiêu tốn để phá hủy liên kết Năng lượng liên kết phụ thuộc vào: độ dài độ bội độ bền liên kết I. LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ THEO CƠ HỌC LƯỢNG TỬ Vì việc giải chính xác phương trình sóng Schrodinger đối với hệ phân tử không thực hiện được nên để khảo sát liên kết cộng hóa trị người ta đưa ra 5 nhiều phương pháp giải gần đúng khác nhau, trong đó có hai phương pháp được phổ biến rộng rãi là phương pháp liên kết hóa trị (VB) của Heitler – London và phương pháp orbital phân tử (MO) của Mullinken – Hund. 1. Phương pháp orbital phân tử i. Quan niệm của phương pháp MO Thuyết MO quan niệm phân tử giống như một nguyên tử phức tạp đa nhân. Các e chuyển động quanh các nhạt nhân. Phương pháp MO tìm cách mô tả sự chuyển động của từng e riêng biệt ii. Nội dung của phương pháp MO Theo thuyết MO thì phân tử phải được xem là một hạt thống nhất bao gồm các hạt nhân và các e của các nguyên tử tương tác. Trong đó mỗi electron sẽ chuyển động trong điện trường do các hạt nhân và các electron còn lại gây ra. Tương tự như trong nguyên tử, trạng thái của electron trong phân tử được xác định bằng các OM. Mỗi một MO cũng được xác định bằng tổ hợp các số lượng tử n, l, m l l 0 1 2 3 AO trong nguyên tử s p d f MO trong phân tử σ π δ ϕ Các MO khác nhau bởi sự phân bố mật độ electron tương đối so với trục liên nhân: a. σ - dọc theo trục nối hạt nhân b. π - nằm về hai phía trục nối hạt nhân Các MO được hình thành do sự tổ hợp tuyến tính (cộng hay trừ) các AO (tức là sự xen phủ)  Sự tổ hợp cộng (tổ hợp cùng dấu) các AO sẽ tạo thành các MO liên kết (σ, π…) có năng lượng nhỏ hơn năng lượng của các AO tham gia tổ hợp  Sự tổ hợp trừ các AO sẽ tạo thành các MO phản liên kết (σ* ,π* …) có năng lượng lớn hơn năng lượng của các AO tham gia tổ hợp  MO không liên kết (σ 0 , π 0 …) do các AO chuyển nguyên vẹn mà thành. Các MO này không ảnh hưởng tới liên kết. Năng lượng của các MO không liên kết bằng năng lượng của các AO tạo thành nó. 6 Số MO tạo thành bằng tổng số AO tham gia tổ hợp Sự tạo thành các MO từ các AO có thể biểu diễn bằng giản đồ năng lượng Điều kiện tổ hợp: các AO tham gia tổ hợp phải:  gần nhau về năng lượng  có mật độ electron đáng kể  có tính đối xứng đối với trục nối hạt nhân giống nhau Sự phân bố e trên các MO cũng tương tự như trong nguyên tử, tuân theo các nguyên lý ngoại trừ, vững bền của Paouli và quy tắc Hund Các đặc trưng liên kết:  Liên kết được quyết định bởi các e liên kết (e nằm trên các MO liên kết) mà không bị triệt tiêu. Cứ một cặp e liên kết bị triệt tiêu bởi một cặp e phản liên kết tương ứng  Một bậc liên kết ứng với một cặp e liên kết không bị triệt tiêu Cho liên kết 2 tâm: 2 ∑∑ ∗ − = ee BLK lk Bậc liên kết tăng thì năng lượng liên kết tăng còn độ dài liên kết giảm  Tên của liên kết được gọi bằng tên của cặp e liên kết không bị triệt tiêu Tóm lại: việc mô tả cấu trúc phân tử gồm các bước: 7  Bước 1: Xét sự tạo thành MO từ các AO  Bước 2: Sắp xếp các MO tạo thành theo thứ tự năng lượng tăng dần  Bước 3: Xếp các e vào các MO  Bước 4: Xét các đặc trưng liên kết iii. Áp dụng phương pháp MO cho các phân tử bậc hai Các phân tử hai nguyên tử cùng loại của các nguyên tố đầu chu kỳ II Phân tử, ion Li 2 Be 2 B 2 C 2 N 2 + 2 N Tổng số e hóa trị 2 4 6 8 10 11 ∗ X σ       ∗∗ ZY ππ ,             8 Giản đồ đầu chu kỳ X σ     ↓ ZY ππ ,     ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ∗ S σ  ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ S σ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Bậc liên kết 1 0 1 2 3 2,5 Độ dài liên kết (Å) 2,67 – 1,59 1,24 1,10 1,12 Năng lượng lk (kJ/mol) 105 – 289 599 940 828 Từ tính nghịch từ – thuận từ nghịch từ nghịch từ thuận từ Các phân tử hai nguyên tử cùng loại của những nguyên tố cuối chu kỳ II Phân tử, ion + 2 O 2 O − 2 O 2 F − 2 F 2 Ne Tổng số e hóa trị 11 12 13 14 15 16 Giản đồ cuối chu kỳ ∗ x σ     ↓ ∗∗ zy ππ ,  ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ zy ππ , ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ x σ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ∗ s σ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ s σ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Bậc liên kết 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Độ dài liên kết (Å) 1,12 1,21 1,26 1,41 – 9 Năng lượng lk (kJ/mol) 629 494 328 154 – Từ tính thuận từ thuận từ thuận từ nghịch từ thuận từ – Các phân tử hai nguyên tử khác loại của những nguyên tố chu kỳ II  Các MO tạo thành tương tự trường hợp phân tử 2 nguyên tử cùng loại chu kỳ II: - Khi cả hai nguyên tử là nguyên tố cuối chu kỳ: tạo giản đồ cuối chu kỳ - Trong các trường hợp còn lại: tạo giản đồ đầu chu kỳ  Do các nguyên tử tương tác khác nhau về độ âm điện nên: - AO của nguyên tử dương điện hơn sẽ góp chủ yếu vào MO phản liên kết - AO của nguyên tử âm điện hơn sẽ góp chủ yếu vào MO liên kết - 10 [...]... của phân tử  Giải thích được màu sắc và quang phổ của phân tử Nhược điểm của MO: khó d Các phân tử cộng hóa trị và lưỡng cực i Phân tử cộng hóa trị có cực và không cực  Phân tử cộng hóa trị có cực là do sự phân bố mật độ e trong phân tử gần với nguyên tử âm điện hơn, làm cho nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ phân cực âm và nguyên tử kia phân cực dương  Phân tử cộng hóa trị không cực là phân tử tạo. .. Cl2 bậc liên kết = 1,13 C6H6 bậc liên kết = 1,5 iv Các tính chất của liên kết cộng hóa trị Khả năng tạo liên kết và tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị Dựa vào cơ chế tạo liên kết ta có thể biết được khả năng tạo liên kết cộng hóa trị của một nguyên tố Có 2 cơ chế tạo liên kết: a Cơ chế ghép đôi: liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự xen phủ của 2 AO hóa trị chứa e độc thân của 2 nguyên tử tương... điện tử → có thể xem chúng tích điện âm (Xδ-) • Liên kết hydro là liên kết đặc biệt của các nguyên tử H linh động với các nguồn giàu điện tử của phân tử khác (liên kết hydro liên phân tử) hay nguyên tử khác trong chính phân tử đó (liên kết hydro nội phân tử) • Liên kết hydro vừa có bản chất điện vừa có bản chất cho - nhận 2 Đặc điểm: • • Liên kết hydro là loại liên kết yếu, yếu hơn nhiều so với liên kết. .. Biểu diễm liên kết cộng hóa trị: H : H hoặc H – H iii Các loại liên kết cộng hóa trị và bậc liên kết Các loại liên kết cộng hóa trị: tùy thuộc vào cách xen phủ của các AO, tính đối xứng tương đối so với đường nối các hạt nhân mà người ta chia ra các kiểu liên kết σ, π, δ 14 Bậc liên kết: liên kết đơn: bậc 1 liên kết đôi: bậc 2 liên kết ba: bậc 3 Bậc liên kết có thể là số lẻ khi có mặt liên kết π di... (D)  Moment lưỡng cực của phân tử là tổng vectơ moment lưỡng cực của các liên kết và các cặp electron hóa trị tự do → Các phân tử có cấu tạo  đối xứng đều có µ = 0  Phân tử cộng hóa trị: µ = 0 ÷ 4 D µ càng lớn phân tử càng phân cực mạnh III .Liên kết ion 1 Thuyết tĩnh điện về liên kết ion Tương tác hóa học xảy ra gồm hai giai đoạn: • • Na + Các nguyên tử trao đổi e cho nhau tạo thành ion Các ion trái... các phân tử → tương tác lưỡng cực nhất thời - lưỡng cực nhất thời ↑ khi moment lưỡng cực ↓ và khối lượng phân tử ↑ Phân tử có cực càng lớn và phân tử lượng càng lớn thì liên kết VDW càng lớn, càng dễ hóa lỏng, trạng thái tập hợp phân tử có độ đặc càng cao (mật độ phân tử càng cao) • SO2 có cực dễ hóa lỏng hơn CO2 • F2(k), Cl2(k), Br2(ℓ), I2(r): phân tử lượng tăng dần, liên kết VDW tăng dần VI LIÊN KẾT... của liên kết cộng hóa trị Tính định hướng và sự lai hóa các AO d Tính định hướng và cấu hình không gian của phân tử - Liên kết được phân bố theo phương tại đó sự xen phủ của các AO là lớn nhất - Liên kết sẽ bền nhất khi mật độ xen phủ các AO là lớn nhất → Các liên kết tạo thành có hướng nhất định → phân tử có cấu hình không gian xác định e Thuyết lai hóa các AO • Để tăng mật độ xen phủ, khi tạo liên kết. .. Trong phân tử H2O và NH3, nguyên tử trung tâm là O và N tương đương đều ở trạng thái lai hóa sp3 Ở phân tử NH3 có 3 obitan lai hóa sp3 được dùng để tạo ra 2 kiên kết ϭ (N─H) tương đương còn 1 obitan lai hóa có 2 e - Ở phân tử H2O có 2 obitan lai hóa sp3 được dùng để tạo ra 2 liên kết ϭ (O─H) tương đương, 2 obitan lai hóa còn lại đều có 2e - Phân tử NH3 có hình chóp tam giác với góc liên kết HNH = 107o Phân. .. 2 a) Liên kết hidro là liên kết yếu hình thành có các phân tử hút nhau, Trong đó H linh động của nguyên tử này liên kết với nguyên tử có độ âm điện lớn (F, O, N, Cl, ) và còn có cặp e chưa dùng đến của phân tử kia Liên kết hidro liên phân tử kí hiệu b) Chất dễ hóa lỏng là các phân tử khí dễ tạo liên kết H→NH 3 dễ hóa lỏng nhất Chất dễ tan nhất trong nước là chất nối liên kết H với H2O bền chặt nhất→NH3... hiện → liên kết không hình thành Liên kết giữa các nguyên tử H được tạo thành như trên gọi là liên kết cộng hóa trị ii Nội dung cơ bản của phương pháp VB về liên kết cộng hóa trị: 13 Liên kết cộng hóa trị cơ sở trên cặp e ghép đôi có spin ngược dấu và thuộc về đồng thời cả hai nguyên tử tương tác (liên kết 2e – 2 tâm) Liên kết cộng hóa trị được hình thành do sự xen phủ lẫn nhau giữa các AO hóa trị . các nguyên tử tạo nên nguyên tử. 2.Các loại liên kết - Liên kết ion - Liên kết cộng hóa trị Liên kết nội phân tử - Liên kết kim loại - Liên kết hydro Liên kết liên phân tử - Liên kết Van Der. 1,13 C 6 H 6 bậc liên kết = 1,5 iv. Các tính chất của liên kết cộng hóa trị Khả năng tạo liên kết và tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị Dựa vào cơ chế tạo liên kết ta có thể biết được khả năng tạo liên kết. DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐỒNG THÁP NGUYỄN THÁI LỘC BÀI: LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ Ngành đào tạo: Sư phạm Hóa Trình độ đào tạo: Đại học NHỮNG VẤN ĐỀ HÓA LÝ Ở TRƯỜNG TRUNG HỌC