CHƯƠNG 3 LIÊN KẾT HÓA HỌC

GV Lê Thị Xuân Hương CHƯƠNG 3: LIÊN KẾT HÓA HỌC 3.1 Liên kết ion theo Kossel (Côtxen) - Là lực hút tĩnh điện ion trái dấu ( thường hình thành kim loại điển hình với phi kim điển hình) + Giải thích: Phân tử hợp chất hóa học tạo nên nhờ chuyển electron hóa trị từ nguyên tử sang nguyên tử  Nguyên tử electron biến thành ion dương ( Gọi cation)  Nguyên tử thu electron biến thành ion âm (Gọi anion) Sau ion mang điện tích ngược dấu hút lại gần nhau, đến gần ion xuất lực đẩy sinh tương tác vỏ electron ion Lực đẩy tăng lên ion gần nhau, đến lúc lực đẩy lực hút, ion dừng lại cách khoảng định, liên kết ion hình thành VD: Q trình hình thành phân tử NaCl + Nguyên tử Na (Z=11): [Ne]3s1 + Nguyên tử Cl ( Z = 17): [Ne]3s23p5 + Na – 1e- → Na+ (Cation) + Cl + 1e- → Cl- (Anion) Na Na 1e - Cl- Na+ Cl- Cl Sau Na electron biến thành Na + bán kính nhỏ cịn Cl nhận electron biến thành Cl- bán kính lớn so với trạng thái nguyên tử trung hòa Hai ion Na+ Cl- hút lực hút tĩnh điện, chúng tiếp xúc khoảng cách tổng bán kính hai ion - Hạn chế: Trang: GV Lê Thị Xn Hương Khơng giải thích tạo thành số lớn phân tử tạo nên nguyên tử nguyên tố Cl2, H2…hoặc nguyên tố gần giống SO2, CO2… 3.2 Liên kết cộng hóa trị theo Lewis (Liuyt) - Là liên kết cặp electron chung Giải thích: Các ngun tử đưa electron hóa trị tạo thành 1,2 hay cặp electron chung hai nguyên tử để nguyên tử đạt cấu hình electron bền khí ns hay ns2np6 VD: Công thức electron Công thức cấu tạo Cl + Cl Cl Cl ( Cl- Cl ) N + N N ( N N) Cl H Cl H + N ( H - Cl) Nếu thay cặp electron chung vạch nối ta có cơng thức cấu tạo - Có hai loại liên kết cộng hóa trị: * Liên kết cộng hóa trị khơng cực: Cặp electron chung hai nguyên tạo nên liên kết thuộc hai nguyên tử với mức độ VD: H2, Cl2 (H-H) * Liên kết cộng hóa trị có cực: Cặp electron chung lệch phía ngun tử ngun tố có độ âm điện lớn VD: Trong phân tử HCl cặp electron chung lệch phía Clo ⇒Liên kết cộng hóa trị khơng phân cực liên kết ion hai trường hợp giới hạn liên kết cộng hóa trị có cực - Hạn chế: Khơng giải thích được:  Cấu trúc phân tử không tuân theo quy tắc “bát tử” BeCl 2, BeCl3…  Góc hai nguyên tử tạo liên kết  Sự diện phân tử có số electron lẻ VD: BeCl3  Liên kết phối trí (Liên kết cho - nhận) - Là liên kết cộng hóa trị cặp electron chung nguyên tử đóng góp ( thường dùng mũi tên→ để liên kết cho - nhận) VD: Trang: GV Lê Thị Xuân Hương H H N + H + H+ H H N (NH4+) H H + + H O + H+ H H O H H hay H O H (H3O+) H ⇒ Điện tích dương trở thành điện tích chung ion H 3O+ ion NH4+ không thuộc nguyên tử Hyđro  So sánh hai loại liên kết Liên kết ion - Liên kết lực hút tĩnh điện - Thường liên kết ion hình thành hai ngun tử ngun có độ âm điện khác nhiều VD: Giữa kim loại điển hình phi kim điển NaCl - Có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi cao - Khơng có hướng Liên kết cộng hóa trị - Liên kết cặp electron chung - Liên kết thường hình thành hai ngun tử ngun tố có độ âm điện giống khác không nhiều VD: H2, HCl - Có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi thấp - Có hướng 3.3 Phương pháp liên kết hóa trị (VB) (Valence – bond) Thuyết tĩnh điện Côtxen thuyết cặp electron Liuyt chưa giải thích rõ đầy đủ độ bền liên kết hình học phân tử Hai thuyết gần sử dụng rộng rãi để giải thích chất liên kết cộng hóa trị nói riêng hay liên kết hóa học nói chung thuyết liên kết hóa trị ( viết tắt thuyết VB) thuyết oribitan phân tử ( viết tắt thuyết MO) 3.3.1 Một số luận điểm Thuyết VB xuất phát từ luận điểm sau: Luận điểm 1: Liên kết hình thành kết đơi hai electron spin trái dấu Ở có xen phủ hai orbitan nguyên tử hai nguyên tố, orbitan mang electron Vậy tạo thành phân tử nguyên tử giữ nguyên kiến trúc electron VD: Khi hai nguyên tử Hyđro có chứa electron spin trái dấu tiến gần đến chúng hút làm lượng hệ giảm xuống hệ trở thành vững bền Lúc liên kết hóa học xuất hai electron spin ngược dấu chuyển động gần hai hạt nhân, nói cách khác hai electron trở thành chung cho hai hạt nhân nguyên tử Hyđro ⇒ Liên kết cộng hóa trị gọi liên kết hai electron hai tâm Trang: GV Lê Thị Xuân Hương Luận điểm 2: Điều kiện để tạo liên kết hóa học hai nguyên tử chúng có electron độc thân để ghép đơi VD: Li : 1s22s1 ⇒ Vì có C: 1s22s22p2 Sau 2s 2p electron độc thân nên Li tạo liên kết nhận lượng C trạng thái kích thích 2s 2p C*1s22s12p3 ⇒Vì có electron độc thân nên Cacbon tạo liên kết 2p 2s 2 O: 1s 2s 2p ⇒ Vì có electron độc thân nên O tạo liên kết Luận điểm 3: Mức độ xen phủ orbitan lớn liên kết cộng hóa trị bền Mức độ phụ thuộc vào yếu tố sau: + Kích thước, hình dạng orbitan (s, p, d, f) + Hướng xen phủ theo trục hay song song + Kiểu xen phủ 3.3.2 Tính có hướng liên kết cộng hóa trị Mỗi liên kết cộng hóa trị phân tử phân bố theo phương cho xen phủ orbitan nguyên tử lớn VD1: Giải thích phân tử PH3 theo thuyết VB B1: Viết cấu trúc electron nguyên tử P(Z=15): [Ne]3s23p3 H(Z=1): 1s1 B2: Các orbitan chứa electron độc thân xen phủ với để tạo thành liên kết Trang: GV Lê Thị Xuân Hương Mỗi orbitan p P liên kết với orbitan 1s H ⇒ Tạo thành liên kết P-H z H HPH = 900 (góc lý thuyết theo VB) Góc H HPH = 93 (góc thực nghiệm) Thực tê góc x P Góc thực nghiệm lớn góc lý thuyết 30, đẩy H nguyên tử H đơi electron tham gia liên kết y VD2: Giải thích cấu trúc phân tử H2S theo thuyết VB S (Z=16) [Ne]3s23p4 z H (Z=1) 1s1 Tạo thành hai liên kết S-H H H x S y Theo thuyết VB, nguyên tử H tiến tới nguyên tố S theo phương Sx Sy, để có che phủ cực đại orbitan s nguyên tử H orbitan px, py ( chẳng hạn) nguyên tử S Theo thuyết VB: HSH = 900 thực tế gócHSH = 920 Thực tế góc *Ưu - Khuyết điểm thuyết VB: Thuyết VB giải thích góc liên kết, nhiên so với thực tế góc cịn chưa phù hợp Thuyết dùng đẩy đôi electron liên kết nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm Tuy nhiên cịn nhiều trường hợp so với thực tế cịn lệch xa Đối với phân tử hợp chất C, Si…thì vấn đề cịn khó khăn VD: Giải thích cấu trúc phân tử CH4 theo thuyết VB C (Z= 6) 1s22s22p2 H (Z= 1) 1s1 C*: 1s22s12p3 orbitan liên kết với orbitan s H tạo thành liên kết C-H HCH = 900 Theo thuyết VB liên kết C-H có góc Trang: GV Lê Thị Xuân Hương Và liên kết C-H xen phủ orbitan 1s nguyên tử H với orbitan 2s nguyên tử C, nên vị trí khơng xác định HCH Thực tế góc = 109 028’và liên kết C-H giống Nghĩa phân tử CH có cấu trúc khơng gian tứ diện đều, C tâm nguyên tử đỉnh tứ diện Để khắc phục điều này, Pauling đưa thuyết lai hóa để giải thích cấu phân tử trường hợp đặc biệt 3.4 Thuyết lai hóa orbitan nguyên tử (Sử dụng electron độc thân) - Theo Pauling, tạo thành liên kết, electron hóa trị ngun tử khơng tham gia cách riêng rẻ mà orbitan chúng trộn lẫn hay nói cách tốn học, chúng tổ hợp với thành tổ hợp tốt để tạo thành liên kết bền Sự tổ hợp cho ta orbitan lai hóa tương đương VD: CH4 C* H ⇒ Các orbitan không tham gia riêng rẻ Mà C* Các orbitan lai hóa hồn tồn giống  Đặc điểm orbitan lai hóa: + Hình dạng giống nhau, lượng giống + Khác vị trí khơng gian - Sự lai hóa xảy nguyên tử phân tử, nguyên tử trung tâm  Các kiểu lai hóa * Lai hóa sp Có tổ hợp orbitan s với orbitan p tạo thành orbitan lai hóa sp ( ) 1800 z spa spb ⇒ Dùng để giải thích cấu trúc phân tử sau : CdX2, BeX2, ZnX2, HgX2 với X Halogen C2H2 VD : Giải thích cấu trúc phân tử BeCl2 2 Be (Z=4) : 1s 2s Be* 2s 2p Trang: GV Lê Thị Xuân Hương  orbitan s + orbitan p tạo thành orbitan lai hóa sp Mỗi orbitan lai hóa mang 1e- độc thân Cl (Z = 17) : [Ne]3s23p5 ⇒ Hai orbitan lai hóa sp, orbitan mang electron độc thân che phủ với orbitan p nguyên tử Clo ( Mỗi orbitan p mang electron độc thân) tạo thành hai liên kết: Be-Cl Cl Cl Be σ σ Cl Be Cl σ σ Phân tử BeCl2 có cấu trúc thẳng, góc liên kết = 1800 * Lai hóa sp2 orbitan s tổ hợp với orbitan p tạo thành orbitan lai hóa sp2 z x 1200 y Dùng để giải thích cấu trúc phân tử: BX3 với X Halogen C2H4 VD: Giải thích cấu trúc phân tử BCl3 2s 2 2p B(Z=5): 1s 2s 2p Cl Cl B* Dùng orbitan s tổ hợp với orbitan p tạo thành orbitan lai hóa sp2 Mỗi orbitan mang electron độc thân che phủ với orbitan p nguyên tử Cl tạo thành liên kết B-Cl B Cl B Cl Cl * Lai hóa sp3 orbitan s tổ hợp với orbitan p tạo thành orbitan lai hóa sp3 Trang: Cl GV Lê Thị Xuân Hương ⇒ Dùng để giải thích cấu trúc hợp chất MX4 với X Halogen M: C, Si CH4, SiCl4 VD : Giải thích cấu trúc phân tử CH4 theo thuyết lai hóa C (Z = 6) 1s22s22p2 2p 2s với orbitan p tạo thành orbitan lai hóa sp3 orbitan s tổ hợp C* H (Z= 1) 1s1 Mỗi orbitan lai hóa sp3 mang electron độc thân che phủ với orbitan 1s nguyên tử H tạo thành liên kết C-H Phân tử CH4 có cấu trúc tứ diện đều, góc liên kết là: 109028’  So sánh thuyết VB thuyết lai hóa: Thuyết VB Thuyết lai hóa Giống nhau: Sử dụng electron độc thân để tạo thành liên kết Trước tạo thành liên kết orbitan Khơng có lai hóa orbitan chứa electron độc thân tiến hành lai hóa với 3.5 Các kiểu xen phủ Orbitan nguyên tử * Liên kết σ - Hình thành xen phủ orbitan dọc theo trục liên kết nối tâm nguyên tử - Sự xen phủ mức độ cao nên liên kết tạo bền vững s s s p p p - Các orbitan lai hóa có khả tạo thành liên kết σ Liên kết π - Hình thành xen phủ bên orbitan - Xảy có xen phủ: p-p, p-d, d-d - Chỉ xảy orbitan khiết ( chưa tham gia lai hóa) Trang: GV Lê Thị Xuân Hương - Có mặt phẳng đối xứng - Kém bền liên kết σ p-p d-d p-d Chú ý: + Liên kết đơn σ liên kết σ gồm + Liên kết + Liên kết ba H H đôi gồm liên kết σ liên kết π σ H2C CH2 π π HC π gồm liên kết σ liên kết π CH 3.8 Vài nét đặc trưng liên kết 3.8.1 Độ dài liên kết góc hóa trị * Độ dài liên kết (đơn vị A ) - Là khoảng cách hai hạt nhân nguyên tử liên kết - Trong hợp chất khác nhau, độ dài liên kết thường biến đổi không đáng kể 0 VD: O-H (H2O)= 0,96 A O-H (CH3OH) = 0,96 A - Độ dài liên kết hai nguyên tử giảm xuống độ bội liên kết tăng lên VD: H2C CH2 HC CH Độ dài liên kết C-C H3C-CH3 1,54 A 1,34 1,2 * Góc hóa trị Là góc tạo thành hai đoạn thẳng tưởng tưởng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên tử liên kết O VD : H 104,50 H 3.8.2 Năng lượng liên kết (đơn vị KCal/mol hay KJ/mol) a/ Khái niệm - Là lượng cần tiêu tốn để phá vỡ (làm đứt liên kết) b/ Cách tính + Phân tử A2: ∆ H = +25 Kcal/mol Trang: GV Lê Thị Xuân Hương Li2 Li + Li Br2 Br + Br ∆ H = +192 Kcal/mol + Phân tử AB: H Cl H + Cl ∆ H = +103 Kcal/mol + Phân tử ABn: * Ta có giá trị lượng trung bình * Có cách tính: Cách 1: Năng lượng liên kết trung bình = ⋅ ∑ Năng lượng liên kết n VD: H3 C H ∆ H = +102 Kcal/mol H2 C H ∆ H = +87 Kcal/mol HC H ∆ H = +125 Kcal/mol C H ∆ H = +81 Kcal/mol ⇒ Năng lượng liên kết trung bình C-H: ∆ HC-H = (102 + 87 + 125 + 81) = 98,7 Kcal/mol Cách 2: Năng lượng liên kết trung bình = Năng lượng tạo thành phân tử từ nguyên n tử trạng thái khí (lấy giá trị tuyệt đối) VD: Năng lượng tạo thành trình C + 4H → CH4 - 394,8 Kcal/mol Năng lượng trung bình liên kết C-H CH4 394,8 = +98,7 (Kcal/mol)  CHÚ Ý (Năng lượng tạo thành liên kết (< 0) lượng phá vỡ liên kết (> 0) có giá trị ngược dấu) c/ Tính chất - Liên kết bền lượng liên kết lớn ( thước đo độ bền liên kết) - Năng lượng liên kết tăng độ bội liên kết tăng VD : ∆ H( C C ) = 145,8 Kcal/mol ∆ H( C C ) = 199,6(Kcal/mol) 3.8.3 Độ phân cực liên kết - Độ phân cực phân tử * Độ phân cực liên kết Trang: 10 GV Lê Thị Xuân Hương Khi hai nguyên tố A,B có độ âm điện khác liên kết với cho liên kết cộng hóa trị phân cực cặp electron chung lệch phía ngun tử có độ âm điện lớn (giả sử A) phía A có dư điện tích âm phía B có dư điện tích dương nghĩa hai đầu phân tử tích điện ngược dấu ( A- - B+) Khi xuất mơmen lưỡng cực với µ = q ⋅ d ( thường hướng từ dương sang âm) q : giá trị tuyệt đối điện tích q tâm điện tích d: khoảng cách tâm điện tích dương tâm điện tích âm Đơn vị momen lưỡng cực Debye (D) *Độ phân cực phân tử Trong phân tử đa nguyên tử, độ phân cực phân tử tính tổng vectơ độ phân cực liên kết + µ tổng = ⇒ Tâm điện tích dương trùng với tâm điện tích âm Phân tử khơng có cực VD: µµ O C+ Oq- 2q q + µ tổng ≠ ⇒ Tâm điện tích dương khác tâm điện tích âm Phân tử có cực VD: µ µ2 µ µ O µ2 H H µ = µ1 + µ µ1 = µ2 = 1,58D = µ của1,84D xác định thực nghiệm *Giá trị momen Trang: 11 ... lai hóa) Trang: GV Lê Thị Xuân Hương - Có mặt phẳng đối xứng - Kém bền liên kết σ p-p d-d p-d Chú ý: + Liên kết đơn σ liên kết σ gồm + Liên kết + Liên kết ba H H đôi gồm liên kết σ liên kết. .. π π HC π gồm liên kết σ liên kết π CH 3. 8 Vài nét đặc trưng liên kết 3. 8.1 Độ dài liên kết góc hóa trị * Độ dài liên kết (đơn vị A ) - Là khoảng cách hai hạt nhân nguyên tử liên kết - Trong hợp... để giải thích chất liên kết cộng hóa trị nói riêng hay liên kết hóa học nói chung thuyết liên kết hóa trị ( viết tắt thuyết VB) thuyết oribitan phân tử ( viết tắt thuyết MO) 3. 3.1 Một số luận điểm