- Các loại giản đồ năng lượng và áp dụng thuyết MO để giải thích liên kết hoá học trong hệ A2 và một số phân tử hợp chất ABn và các ion.. - Dùng thuyết MO giải thích sự hình thành liên k
Trang 1CHƯƠNG X: MỘT SỐ VẤN ĐỀ CỦA THUYẾT OBITAN PHÂN TỬ
( THUYẾT MO )
7 tiết ( 4 lí thuyết, 3 bài tập )
Ngày soạn: 02/11/2010
Ngày giảng: 27/12/2010 – 31/12/2010
I Mục tiêu giờ dạy
1 Kiến thức
- Luận điểm cơ sở của thuyết MO
- Các loại giản đồ năng lượng và áp dụng thuyết MO để giải thích liên kết hoá học trong hệ
A2 và một số phân tử hợp chất ABn và các ion
- Nội dung và áp dụng phương pháp gần đúng MO Hucken
2 Kĩ năng
- Xác định đúng dạng giản đồ , viết cấu hình e của các phân tử A2, ABn và các ion
- Giải thích được sự tồn tại phân tử va ion, các tính thuận từ, nghịch từ
- Dùng thuyết MO giải thích sự hình thành liên kết trong các phân tử
- Áp dụng phương pháp MO Hucken cho các hệ liên hợp mạch thẳng, mạch vòng
3 Thái độ tình cảm
- Tin tưởng vào khoa học, chân lí khoa học
- Tinh thần làm việc nghiêm túc, sáng tạo
- Đức tính cần cù, tỉ mỉ, chịu khó
- Lòng ham mê khoa học, yêu thích bộ môn hoá học
II Chuẩn bị
- GV: Giáo án, giáo trình, bảng HTTH
- SV: bài chuẩn bị, giáo trình
III Phương pháp giảng dạy
- Phương pháp dạy học nêu vấn đề
- Phương pháp đàm thoại gợi mở
- Phương pháp thuyết trình, kèm theo giải thích minh hoạ
- Phương pháp luyện tập
Trang 2IV Nội dung bài giảng
Hoạt động của GV và SV Nội dung bài dạy
GV: thuyết MO dựa trên một số
luận điểm cớ sở nào?
SV nghiên cứu tài liệu rồi trình
bày
GV: Lời giải phơng trình
Srodinger cho hệ ion phân tử
hiđro, H2+?
SV: trình bày các nội dung cơ bản
BàI 1: CáC LUậN ĐIểM CƠ Sở
1 Phân tử gồm một số có hạn các hạt nhân nguyên tử
và các e chuyển động không ngừng, liên kết với nhau thành một thể thống nhất trong đó các e đợc phân bố trên các obitan chung của toàn bộ phân tử – là các obitan phân tử (MO)
2 Một cách gần đúng, các MO đợc xây dựng nh sau:
MO chung của toàn phân tử là tổ hợp tuyến tính các
MO chỉ chứa 1e, đợc lấy gần đúng nh sau: khi 1e chuyển động gần hạt nhân hơn so với các hạt nhân khác của phân tử thì AO của e đó đợc coi là MO 1e của e này Nh vậy MO chung của toàn bộ phân tử là tổ hợp tuyến tính các AO
Biểu thức cụ thể là:ϕr
1
r
C
=
=∑
Trong đó: ψ là MO của phân tử, ϕrlà AO thứ r, cr là hệ
số tổ hợp hàm sóng
3 Các MO của 1 phân tử đợc xếp theo thứ tự năng l-ợng từ thấp đến cao thành giản đồ năng ll-ợng MO; MO ứng với năng lợng thấp đợc gọi là MO liên kết, MO ứng với năng lợng cao đợc gọi là MO phản liên kết, số lợng 2 loại MO này bằng nhau
Các e đợc điền vào MO trên cơ sở của nguyên lí năng lợng cực tiểu, nguyên lí Pauli và qui tắc Hund, kết quả ta có cấu hình e của phân tử
BàI 2: THUYếT MO Về MộT Số PHÂN Tử
ĐƠN CHấT
1 Sơ lợc về bài toán ion phân tử hiđro, H2+
a Các nội dung
- Mô hình của hệ: hệ gồm 2 hạt nhân của 2 nguyên tử
H (kí hiệu là a,b) và 1e
Trang 3- Toán tử Hamintơn
Trong hệ đvn ta có: à 1 2 1 1 1
H
= − ∇ − − +
- Hàm sóng: từ 2 hàm không gian 1s, kí hiệu ϕa, ϕb ta
có thể có các tổ hợp:
ψ+ = = σ c+( ϕ ϕa+ b); ψ−= σ * =c−( ϕ ϕa − b)
Các hàm ψ+, ψ−cần kết hợp với hàm spin để đợc hàm sóng toàn phần phản đối xứng mô tả trạng thái của hệ
1 1
E
S E
S
α β
α β
+
−
+
= +
−
=
−
- Phơng trình Srodinger và cách giải
àHψ± =E± ±ψ
Thay biểu thức của àH, ψ+, ψ− vào phơng trình trên và giải ta thu đợc kết quả sau:
- Kết quả: ứng với hàm ψ+ hay σ ta có:
1
E
S
α β
+
+
= +
ứng với hàm ψ− hay σ * ta có:
1
E
S
α β
−
−
=
−
b Giải thích liên kết trong H2+theo thuyết MO
2 Phân tử A 2
a Sự tạo thành các MO
- Xét một cách đầy đủ, ở mỗi nguyên tử A có 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz Nếu chú ý AO hóa trị thì AO-1s đợc ghép vào phần lõi nguyên tử cùng với hạt nhân
- Các MO của A2
+ 2AO-1s tạo ra 2MOσ1s: σ1s và σ1s* + 2AO-2s tạo ra 2MOσ2s: σ2s và σ2s* + 2AO-2pz tạo ra 2MOσz: σz và σz* + 2AO-2px, 2AO-2py tạo ra 4MOπ: πx, πy và πx*,
y
π *
Trang 4GV yêu cầu SV viết giản đồ năng
lợng của N2 và O2 theo các kiên
thức ở trên
Hoạt động 1: Thuyết MO về một
số phân tử 2 nguyên tử AB
- GV: Ví dụ hợp chất, ion nào có
cùng số e với phân tử A2?
- SV: BF, CO, NO+
- GV: Có gì khác khi dùng giản đồ
MO?
- SV: Sự khác biệt các mức năng
l-ợng
- VD: Viết cấu hình e và vẽ giản
đồ MO của phân tử CO?
- GV: Hợp chất HF có bao nhiêu
b Giản đồ năng lợng các MO
- Xét một cách chặt chẽ, các MO trên đợc xếp theo thứ tự năng lợng theo 2 giản đồ sau đây:
+ Giản đồ 1: thứ tự bình thờng + Giản đồ 2: thứ tự bất thờng
- Nếu qui ớc chiều từ dới lên trên hay là chiều tăng dần năng lợng MO thì ta có thể viết 2 giản đồ đó nh sau:
+ Giản đồ 1:
+ Giản đồ 2:
c áp dụng Xét 2 trờng hợp điển hình
- N 2
+ Từ cấu hình e của N: 1s22s22p3 suy ra mỗi nguyên tử
N có 4 AO hóa trị, 5e hóa trị
+ Với N2: có 10AO (8AO hóa trị), 14e hóa trị (10e hóa trị)
+ Điền e vào MO, ta đợc cấu hình e của N2 là:
1s 1s 2s 2s x y, z
σ σ σ σ π σ
+ Tính Nlk=1(6 0) 3
- O 2
+ Từ cấu hình e của O: 1s22s22p4 suy ra mỗi nguyên tử
N có 4AO hóa trị, 6e hóa trị
+ Với O2: có 12AO (8AO hóa trị), 16e hóa trị (10e hóa trị)
+ Điền e vào MO, ta đợc cấu hình e của O2 là:
1s 1s 2s 2s z x y, x y
σ σ σ σ σ π π π
+ Tính Nlk=1(6 2) 2
Bài 3: LIÊN kết xichma, liên kết pi Thuyết Mo về một số phân tử hợp
chất Mô hình liên kết theo thuyết mo
Trang 5- SV: 10
- GV: Vậy công thức e của HF có
giống B2?
- SV: Không…
- GV: sự khác biệt giữa hai trờng
hợp?
- SV: do độ âm điện khác nhau…
- GV: Vì 2 nguyên tố thuộc 2 chu
kì khác nhau, các mức năng lợng
AO khác nhau, do đó không có sự
tổ hợp các AO tạo thành MO nh
giản đồ 1, 2 Phải tổ hợp lại
Hoạt động 2: Một số phân tử có
từ 3 nguyên tử trở lên
GV: phức tạp hơn nhiều
GV: giới thiệu sự hình thành phân
tử CH4, CO2
Hoạt động: Liên kết xich ma, pi.
Mô hình liên kết theo MO
- Giải thích liên kết trong phân tử
CH4, N2, H2O?
I Thuyết MO về một số phân tử các hợp chất
1 Phân tử 2 nguyên tử AB
a Các phân tử đẳng e với các phân tử A 2
- Sự phân bố các e vào MO giống A2
- Có thể dùng giản đồ 1 hoặc 2 đều đợc
- Giản đồ AB khác A2 ở chỗ: đối với phân tử AB thì A
và B khác độ âm điện vì vậy giản đồ AO của nguyên tử nào có độ âm điện lớn hơn sẽ ở vị trí thấp hơn so với
AO tơng ứng của nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn
b Một số phân tử AB khác
- Có AO tham gia tổ hợp hình thành MO liên kết và
MO phản liên kết
- Có AO không tham gia tổ hợp sẽ hình thành nên những MO không liên kết
- Còn lại các AO khác hình thành nên lõi phân tử VD: Trình bày cấu hình e của phân tử HF
2 Một số phân tử có từ 3 nguyên tử trở lên (AB n )
- Các yếu tố đối xứng của phân tử ( tâm, trục )
- Sự tổ hợp của các AO trong nguyên tử B để tạo thành các tổ hợp cộng và tổ hợp trừ Từ đó hình thành MO liên kết và MO phản liên kết
- Những AO không tổ hợp hình thành MO không liên kết
VD: Cấu hình e của CH4
II Liên kết xich ma, liên kết pi Sơ lợc về mô hình liên kết theo MO
1 Liên kết xich ma, liên kết pi
- Liên kết xich ma là liên kết đợc tạo thành do e phân
tử đợc điền vào MO xich ma liên kết
Trang 6Hoạt động: Sự gần đúng Hucken
- áp dụng sự gần đúng
MO-Hucken cho gốc allyl C3H5?
Hoạt động: nghiên cứu giản đồ pi
GV: áp dụng tính mật độ e trân các
nguyên tử cacbon trong gốc allyl?
- Liên kết pi là liên kết đợc tạo thành do e phân tử
điền vào MO pi liên kết
2 Sơ lợc về mô hình liên kết theo MO
- Nguyên tắc: theo MO liên kết hoá học giải toả (không định c )
Bài 4: PHƯƠNG PHÁP MO HUCKEN
I Sự gần đúng Hucken
- áp dụng cho hệ có liên kết pi liên hợp
- Ngời ta coi hệ các liên kết σ là cứng nhắc, cố định nên chỉ xét hệ các e -π tạo liên kết π, đó là sự gần
đúng e -π
- Các sự gần đúng:
+ Tất cả tích phân Culong Hrr đều bằng nhau, kí hiệu
là α
+ Các tích phân trao đổi: Hrs
Nếu r, s cạnh nhau thì Hrs kí hiệu là β
Nếu r ,s không cạnh nhau thì =0 + Tất cả các tích phân xen phủ Srs
Nếu r = s thì Srs = 1 Nếu r khác s thì Srs=0
- Lu ý: α<0, β<0
II Kết quả lời giải phơng trình Srođingơ cho hệ
e-π
- Hai kết quả là năng lợng Ei và hàm sóng ψi
i
ψ Chú ý đầy đủ các chỉ số AO và MO, ta có:
r
C
- Hàm sóng ψrlà MO của các e-π đợc xây dựng bằng cách tổ hợp tuyến tính n AO π
- áp dụng nguyên lí biến phân và cực tiểu hoá năng l-ợng ta đợc:
Trang 7q 1= n1.c112 + n2.c122 + n3.c132
thay n1 =2, n2 = 1, n3 = 0
ta đợc q1 = q2 = q3 =1
- GV: Tính bậc liên kết pi giữa các
nguyên tử C trong gốc allyl?
- Kết quả:
p12= 0,707= p23
- Tính bậc liên kết toàn phần trong
gốc allyl?
- Tính chỉ số hoá trị tự do trên các
nguyên tử C trong gốc allyl?
GV: Giải thích các thông số trong
giản đồ các phân tử sau:
- Hệ phơng trình có nghiệm C khác 0, không tầm th-ờng khi định thức của chúng bằng 0
= 0
III Giản đồ pi
1 Một số khái niệm
a Mật độ e-π của một nguyên tử đợc kí hiệu qr Biểu thức tính là:
r i ri2
i
q =∑n c
r: thứ tự nguyên tử đang xét i: chỉ thứ tự MO
ni: số e-π ở MO-π thứ i
- Định lí: Đối với các hợp chất hữu cơ liên hợp có số chẵn nguyên tử C hay góc trung hoà (điện) có số lẻ nguyên tử C, mật độ e-p trên mỗi nguyên tử C đều bằng 1
- Điện tích π thực trên nguyên tử r: kí hiệu là Qrs đợc xác định theo: Qr = Zr - qr
b Bậc liên kết π: bậc liên kết e-π giữa 2 nguyên tử
Cr, s cạnh nhau đợc kí hiệu là prs và đợc xác định theo biểu thức:
rs i ri
p =∑n c c
- Bậc liên kết cho biết mức độ liên kết giữa 2 nguyên
tử đang xét
- Mối liên hệ giữa bậc liên kết và độ dài liên kết
drs= 1,517 – 0,18 prs
- Bậc liên kết toàn phần giữa 2 nguyên tử Cr,s =1 + prs
c Chỉ số hoá trị tự do ở nguyên tử C thứ r, kí hiệu F
Trang 8Hoạt động: quy tắc tính thơm
- GV: Quy tắc về tính thơm?
Xác định hệ với k= 0, 1?
k=1 , hệ có 2 e-π là C2H4
k=1, hệ có 6 e-π là C6H6
đợc xác định theo biểu thức:
Fr = Nmax - Nr
Nr: cho biết số liên kết pi ở nguyên tử r:
Nr = rs
s
p
1s 1s 2s 2s x y, z
σ σ σ σ π σ
Nr: cho biết mức độ bão hoà của nguyên tử r Nr càng lớn, nguyên tử r càng bão hoà, Nr càng nhỏ, nguyên tử
r càng kém bão hoà, nghĩa là r càng có nhiều khả năng tạo liên kết
Nmax là trị số cực đại của Nr
Nmax= 1, 732
2 Giản đồ phân tử pi
a Khái niệm
Giản đồ phân tử pi là giản đồ phân tử ghi rõ:
- Chỉ số hoá trị tự do Fr ở đầu mũi tên xuất phát từ r
- Bậc liên kết prs ở trên giữa 2 nguyên tử r và s
- Mật độ điện tích qr hay điện tích thực Qr ở dới chân nguyên tử r
b ý nghĩa
- Giản đồ phân tử pi cho biết sự định lợng hệ các liên kết pi không định c của phân tử
c Một số thí dụ III Sơ lợc về quy tắc tính thơm của Hucken
1 Quy tắc về tính thơm
- Là các hệ phẳng 1 vòng chứa các nguyên tử C lai hoá sp2 có ( 4k+2) e-π ( với k ≥ 0, nguyên )
- Chẳng hạn: k=0→hệ có 2e-π là C2H4
k=1→hệ có 6e-π là C6H6,…
2 Năng lợng
Mỗi e-π trong hệ này có năng lợng đợc tính theo biểu thức:
2 22 2
8
l
l h E
mr
π
=
V Rút kinh nghiệm giờ dạy: