tiểu luận liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LIÊN KẾT HÓA HỌC1.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 tươ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

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 vềcác 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 phântử” 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

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

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 kếttrạng 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 táckiểu 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

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

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 đanhân Các e chuyển động quanh các nhạt nhân

Phương pháp MO tìm cách mô tả sự chuyển động của từng e riêngbiệt

ii Nội dung của phương pháp MO

Theo thuyết MO thì phân tử phải được xem là một hạt thống nhất baogồm các hạt nhân và các e của các nguyên tử tương tác Trong đó mỗielectron sẽ chuyển động trong điện trường do các hạt nhân và cácelectron 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

AO trong nguyêntử

Các MO khác nhau bởi sự phân bố mật độ electron tương đối so vớitrục liên nhân:

a  - dọc theo trục nối hạt nhân

b  - 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 liênkết (, …) có năng lượng nhỏ hơn năng lượng của các AO thamgia tổ hợp

 Sự tổ hợp trừ các AO sẽ tạo thành các MO phản liên kết (* ,*

…) có năng lượng lớn hơn năng lượng của các AO tham gia tổ hợp

 MO không liên kết (0, 0 …) do các AO chuyển nguyên vẹn màthành Các MO này không ảnh hưởng tới liên kết Năng lượng của

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 nănglượng

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, tuântheo 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 MOliên kết) mà không bị triệt tiêu

Cứ một cặp e liên kết bị triệt tiêu bởi một cặp e phản liên kết tươngứng

 Một bậc liên kết ứng với một cặp e liên kết không bị triệt tiêuCho liên kết 2 tâm:

 Bước 1: Xét sự tạo thành MO từ các AO

 Bước 2: Sắp xếp các MO tạo thành theo thứ tự năng lượng tăngdần

 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

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 cùngloại chu kỳ II:

- Khi cả hai nguyên tử là nguyên tố cuối chu kỳ: tạo giản đồ cuốichu 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 MOphản liên kết

- AO của nguyên tử âm điện hơn sẽ góp chủ yếu vào MO liên kết

Khi thêm e trên các MO liên kết sẽ làm bậc liên kết tăng  liên kết sẽbền hơn

Khi thêm e vào các MO phản liên kết sẽ làm bậc liên kết giảm  liênkết sẽ kém bền hơn

Khi thêm e vào MO không liên kết, bậc liên kết không thay đổi

Ưu điểm của phương pháp MO

 Giải thích được sự tồn tại của 

2

H và sự không tồn tại của Be2, Ne2

 Giải thích được tính thuận từ của O2 (Các phân tử chứa e độc thânthì thuận từ, các phân tử không có chứa e độc thân thì nghịch từ)

 Giải thích được mầu sắc của các chất: là do sự hấp thu có chọn lọccủa chất với các tia vùng quang phổ ánh sáng thấy được Chính sựhấp thu có chọn lọc khi bị kích thích này của các phân tử làm chocác chất có mầu sắc (là tổ hợp của các tia sáng còn lại không bịhấp thụ) khác nhau

Nhược điểm của phương pháp MO: khó

b Phương pháp liên kết hóa trị (VB – valence bond)

i Quan niệm về liên kết cộng hóa trị theo phương pháp VB

2 2

2 2

m z

y x



Vị trí tương đối củacác electron và hạt nhân trong phân tử hydro

ra1

rb2

2 1

- Thế năng V:

2

2 1

2 2

2 1

2 12

2 2

b b a a

e r

e r

e r

e r

e r

e

- Để xác định hàm sóng Ψ, Heitler và London lý luận:

1.Khi hai nguyên tử ở xa nhau vô cùng, thực tế chỉ cần chú ý tới tương tácgiữa e và hạt nhân của từng nguyên tử Lúc đó sự chuyển động của e được

mô tả bằng hàm sóng của nguyên tử H: 1 1

2.Khi hai nguyên tử H tiến lại gần nhau: e1 gần hạt nhân b, e2 gần hạt nhân a

→ hàm sóng được bổ sung thêm đại lượng:

1 2

ΨA - ứng với trường hợp 2e của H2 có spin cùng dấu: mật độ e giảmxuống = 0 trong vùng không gian giữa hai hạt nhân → lực đẩy xuất 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:

Liên kết cộng hóa trị cơ sở trên cặp e ghép đôi có spin ngược dấu vàthuộc 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 của các nguyên tử tương tác (sự tổ hợp tuyến tính các hàmsóng nguyên tử)

Mức độ và kết quả xen phủ phụ thuộc vào dấu của các AO:

 Xen phủ dương: nếu trong vùng xen phủ các hàm sóng có dấu

giống nhau  xuất hiện lực hút giữa các hạt nhân và các electron

 liên kết hình thành

 Xen phủ âm: nếu trong vùng xen phủ các hàm sóng có dấu

ngược nhau  xuất hiện lực dẩy giữa các hạt nhân  liên kếtkhông hình thành

 Xen phủ không: không xuất hiện cả lực hút cũng như lực đẩy 

liên kết không hình thànhLiên kết cộng hóa trị càng bền khi mật độ xen phủ của các AO cànglớn

Vì độ xen phủ phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của các AO vàhướng xen phủ của chúng → tính chất đặc trưng của liên kết cộng hóa trịlà: bão hòa, định hướng và phân cực

Điều kiện tạo liên kết cộng hóa trị:

 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

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 , , 

Bậc liên kết: liên kết đơn: bậc 1

liên kết đôi: bậc 2liên kết ba: bậc 3Bậc liên kết có thể là số lẻ khi có mặt liên kết  di động

Ví dụ: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 cộnghóa 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 AOhóa trị chứa e độc thân của 2 nguyên tử tương tác

 Khả năng tạo liên kết cộng hóa trị theo cơ chế ghép đôi được quyết địnhbởi số AO chứa e độc thân

Chú ý: số AO chứa e độc thân có thể tăng lên do kích thích:

Ví dụ:C 2s22p2

 C* 2s12p3

b. Cơ chế góp chung: liên kết

cộng hóa trị được hình thành do một nguyên tửtương tác đưa ra cặp e hóa trị tự do, còn nguyên tửkia nhận lấy

 Khả năng tạo liên kết cộng hóa trị theo cơ chế cho - nhận được quyết địnhbởi số AO trống và số AO chứa cặp electron ghép đôi

 Khả năng tạo liên kết cộng hóa trị nói chung (theo cả hai cơ chế góp chung vàcho - nhận) được quyết định bởi số AO nói chung (AO trống, AO chứa electronđộc thân và AO chứa cặp electron ghép đôi)

c. Tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị: Vì mỗi nguyên tố hóa học chỉ có một số

giới hạn AO hóa trị nên chỉ có khả năng tạo số giớihạn liên kết cộng hóa trị Đó là tính bão hòa củaliên 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 khônggian xác định

e Thuyết lai hóa các AO

• Để tăng mật độ xen phủ, khi tạo liên kết nguyên tử dùng các AOLH thaythế cho các AO thuần túy s, p, d, f

• Các AOLH tạo thành do sự xen phủ của các AO trong nội bộ nguyên tử

• Đặc điểm của các AOLH:

√ Số AOLH tạo thành = số AO tham gia LH

√ Năng lượng bằng nhau

√ Phân bố đối xứng trong không gian  phân tử bền hơn

√ Hình dạng: giống nhau: mật độ e dồn về một phía  mật độ xen phủ

 Điều kiện để lai hóa bền

√ Năng lượng của các AO tham gia lai hóa xấp xỉ nhau

√ Mật độ e của các AO tham gia lai hóa đủ lớn

• Các kiểu lai hóa thường gặp: sp, sp2, sp3

2

Chú ý: + trong công thức này coi B luôn nhận số OXH âm;

+ trong các hợp chất hữu cơ: C+4

f Số liên kết  tạo thành trong phân tử = số

h Dự đoán cấu hình không gian của phân tử

• Đối với các phân tử ABn không có chứa AOLH tự do: Góc lk = góc LH

• Đối với các phân tử ABn có AOLH tự do:

- Hiệu ứng đẩy của ↑↓ tự do > của ↓↑ LK > của ↑

- Nếu χA < χB: Đám mây e nằm lệch về phía B → góc dễ bị thu hẹp hơn

- Nếu χA > χB : Đám mây e nằm lệch về phía A → góc khó bị thu hẹp hơn

Kiểu lai hóa của

nguyên tử trung

tâm

Dạng phân tử Cấu hình không

gian của phân tử

Tính phân cực của liên kết cộng hóa trị

Đám mây e liên kết phân bố giữa 2 hạt nhân nguyên tử:

- Khi 2 nguyên tử tương tác giống nhau: đám mây e phân bố đối xứng giữa 2hạt nhân → liên kết không phân cực (đồng cực)

- Khi 2 nguyên tử tương tác khác nhau: đám mây e phân bố bất đối xứng giữa

2 hạt nhân → liên kết bị phân cực (dị cực):

+ Đám mây e lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn → nguyên tử

bị phân cực âm

+ Nguyên tử kia sẽ bị phân cực dương

 Có thể nói: liên kết cộng hóa trị có cực có một phần tính ion

 Khả năng tạo liên kết cộng hóa trị

 Các đặc trưng của liên kết

 Giải thích được cấu trúc và tính chất của nhiều phân tử

 Dễ hình dung

Nhược điểm của phương pháp VB: chưa được tổng quát, còn nhiềuhiện tượng thực nghiệm không thể giải thích được bằng phương phápnày:

VB: mô tả sự chuyển động đồng thời của cặp e

MO: mô tả sự chuyển động của từng e riêng biệt

Giống nhau ở liên kết 2 tâm:

 Cả 2 thuyết đều dẫn đến sự phân bố e trong phân tử giống nhau

 Để tạo thành liên kết cộng hóa trị phải có mật độ e giữa 2 hạt nhânnguyên tử

 Để tạo thành liên kết các AO phải che phủ nhau

 Cách phân biệt liên kết σ và π giống nhau

Ưu điểm của VB so với MO: mô tả phân tử một cách cụ thể:

 Cho phép dùng khái niệm hoá trị quen thuộc

 Biễu diễn phân tử bằng công thức cấu tạo

→ Thuyết VB tiện lợi khi trình bày lý thuyết

Nhược điểm của VB không giải thích được một số trường hợp

Ưu điểm của MO so với VB:

 Tổng quát hơn: mô tả được liên kết hóa học trong mọi phân tử (kể cảliên kết kim loại)

 Mô tả được trạng thái kích thích 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 tửgần với nguyên tử âm điện hơn, làm cho nguyên tử có độ âm điện lớnhơn sẽ phân cực âm và nguyên tử kia phân cực dương

 Phân tử cộng hóa trị không cực là phân tử tạo thành từ các nguyên tửcùng loại (N2, H2, O2…) hoặc phân tử có tính đối xứng trong khônggian (CO2, CH4, C6H6 …)

ii Lưỡng cực và moment lưỡng cực

 Phân tử có cực : xuất hiện lưỡng cực điện gồm hai tâm có điện tích

bằng nhau nhưng trái dấu (+, - ) , nằm cách nhau một khoảng l gọi

là độ dài lưỡng cực

 Moment lưỡng cực: là đại lượng vectơ có chiều quy ước từ cực dươngđến cực âm

 m = ql = el Thực tế m thường được đo bằng đơn vị debye (D)

 Moment lưỡng cực của phân tử là tổng vectơ moment lưỡng cực củacác liên kết và các cặp electron hóa trị tự do  Các phân tử có cấu tạođối xứng đều có m 0

 Phân tử cộng hóa trị: m = 0 ¸ 4 D m càng lớn phân tử càng phâncực mạnh

III.Liên kết ion

1 Thuyết tĩnh điện về liên kết ion

Tương tác hóa học xảy ra gồm hai giai đoạn:

 Các nguyên tử trao đổi e cho nhau tạo thành ion

 Các ion trái dấu hút nhau theo lực hút tĩnh điện

Na + Cl  Na+ + Cl–  NaCl1s22s22p63s1 1s22s22p63s23p5 1s22s22p6 1s22s22p63s23p6

Khả năng tạo liên kết ion của các nguyên tố:

 Khả năng tạo liên kết ion phụ thuộc vào khả năng tạo ion của các nguyên

tố:

o Các nguyên tố có năng lượng ion hóa càng nhỏ (kim loại kiềm, kiềm thổ)càng dễ tạo cation

o Các nguyên tố có ái lực e càng âm (halogen) càng dễ tạo anion

 Chênh lệch độ âm điện của các nguyên tử càng lớn liên kết tạo thành

3.Tính chất của liên kết ion: do các ion được xem như các quả cầu tích điện có

trường điện phân bố đồng đều về mọi hướng nên có các tính chất là:

 Không bão hòa

 Không định hướng

 Phân cực rất mạnh

4 Sự phân cực ion:

 Định nghĩa : Sự phân cực ion là sự chuyển dịch đám mây e ngoài cùng so

với hạt nhân của một ion dưới tác dụng của điện trường của ion khác

Hình 4.10 Sự phân cực ion