Chương 3 - Liên kết Hóa học và cấu tạo phân tử

Chương III LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ  Các liên kết hóa học Đầu tiên, xem xét theo quan điểm truyền thống Lewis- Kossel: Trừ khí phân tử gồm nguyên tử, nguyên tử nguyên tố khác có khuynh hướng kết hợp với để đạt cấu hình tương tự khí (ns2 np6 hay 1s2) bền cấu hình nguyên tử riêng rẽ Tiếp PP hơn: PP liên kết – hóa trị  PP orbitan phân tử III.1 Những khái niệm liên kết hóa học: A Bản chất liên kết: Liên kết hóa học có chất điện, sở tồn liên kết hóa học lực hút hạt tích điện  Electron thực liên kết hóa học trường hợp chủ yếu electron phân lớp : ns, np , (n-1)d, (n-2)f, gọi electron hóa trị  Sự phân bố mật độ electron khác trường hạt nhân nguyên tử đưa đến xuất kiểu liên kết khác nhau, chủ yếu có kiểu liên kết: cộng hóa trị ion B Vài đặc trưng liên kết hóa học: Đo ä d a ø i khoảng cách (đơn vị A0) hai hạt lie ânhânácủa nguyên tử tương tác với n ke t Phân tử Đo ä d a ø i lie â n ke t Phân tử Ño ä d a ø i lie â n ke t H2 0,7414 HF 0,9168 F2 1,4119 HCl 1,2746 Cl2 1,988 HBr 1,4144 Br2 2,2811 HI 1,6092 I2 2,666 N2 1,0977 C2H6(C – C) 1,54 O2 1,2075 C2H4(C= C) 1,35 CO 1,2832 C2H2(C≡ C) 1,21 lượng cần tiêu tốn để phá Năng lượng liên vỡ liên kết lượng giải phóng tạo kết thành liên kết  Liên kết bền lượng liên kết lớn Quy tắc: "Hiệu ứng nhiệt phản ứng tổng lượng liên kết có chất ban đầu trừ tổng lượng liên kết có sản phẩm“ (có kể đến hệ số hợp thức phương trình hóa học) ∆ H0 = Σ∆ Hlk0 (tác chất) - Σ∆ Hlk0 (sản phẩm) Đ/v phân tử nguyên tử AB lượng phân li lượng liên kết A-B VD: EH-H = EplH2 = 431,4 kJ/mol Đ/v phân tử nguyên tử ABn NL phân li xác định NL liên kết trung bình lk A-B (= 1/n NL phân li ABn) EplH2O 916,6 VD: EO-H =  =  = 459,8 kJ/mol   2 Có thể xác định gần độ dài liên kết dựa bán kính ngun tử theo cơng thức:  Khi ngun tử A, B có độ âm điện gần nhau: dA-B = rA + rB Khi nguyên tử A, B có độ âm điện khác nhiều: dA-B = rA + rB - 0,09 |χ A - χ B|  Góc hóa góc tạo thành hai đoạn thẳng trị tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên tử liên kết H O H 104,50 109 28’ H C H H H III LIÊN KẾT HÓA Phươ III TRÒ ng pháp lie â n k e t c o ä n g h o ù Notäròd u VB) b a û n : a i ( ng c Kh niệm liên kết cộng hóa trị (LKCHT)  LKCHT sở cặp electron góp chung nguyên tử tương tác đóng góp  liên kết electron – tâm  LKCHT h ìn h t h a ø n h la ø d o s ö ï c h e p h ủ n h a u g i ữa AO chứa electron góp chung nguyên tử tham gia tạo liên kết VD: che phủ cặp đôi orbitan nguyên tử s hai orbitan nguyên tử p s s p p  Độ bền LKCHT phụ thuộc vào độ che phủ AO, nghiã phụ thuộc vào kích thước, hình dạng AO, hướng che phủ ⇔ độ che phủ lớn liên kết bền liên kết tạo thành độ che phủ đạt cực đại  LKCHT công thức biểu diễn chấm hay gạch nối VD: liên kết phân tử hydro: H : H hay H H  Khả tạo LKCHT nguyên tố tính bão hịa LKCHT  Cơ chế khả tạo LKCHT nguyên tố: cặp electron góp chung sở LKCHT  Cơ chế ghép đôi:được tạo thành nguyên tử tương tác đóng góp Các electron electron hóa trị độc thân Liên kết hình thành che phủ lẫn AO hóa trị chứa electron độc thân VD: H• + H• → H ⋅ • + • → ⋅ H • • Cl + Cl → Cl2 Cl + Cl → Cl Cl  Liêân kết cộng hóa trị hình thành nguyên tử giống hay không khác nhiều độ âm điện  Trường hợp cặp electron chung phân bố cho hai nguyên tử, ta bảo liên kết cộng hóa trị không phân cực H H, Cl Cl  Cặp electron chung phân bố lệch nguyên tử có độ âm điện lớn hơn, ta bảo liên kết cộng hóa trị bị phân cực + δ δ HCl  khả tạo LKCHT định số electron hóa trị độc thân nguyên tử nguyên tố  Hóa trị nguyên tố số electron độc thân nguyên tử (ở trạng thái hay kích thích) VD: cấu hình electron C ở:  trạng thái bình thường C : 1s2 2s2 2p2 (2px1 2py1 2pz0) VD: CO  trạng thái kích thích C*: 1s2 2s1 2p3 (2px1 2py1 2pz1).VD: CH4, CO2 Ở trạng thái kích thích C* có electron độc thân có thêm electron tách từ AO 2s chuyển lên AO 2pz tự  Cơ chế cho nhận: Lieân keâát phối trí loại liên kết cộng hoá trị đó: + cặp electron chung nguyên tử đóng góp (chất cho)  cặp electron hóa trị tự + chất nhận cần có AO hóa trị khơng chứa electron  AO hóa trị tự  Liên kết trường hợp hình thành che phủ giữa:  AO chứa cặp electron hóa trị tự nguyên tử cho  AO hóa trị tự ngun tử nhận VD: •• NH3 H H + H chất cho chất nhận NH4 ⇔ H N: + H+ H H N + H H  khả tạo LKCHT định AO hóa trị electron AO hóa trị tự 10  Lưỡng cực momen lưỡng cực: ⇒ Phân tử có cực lưỡng cực điện, hệ thống gồm điện tích ngược dấu (δ+ δ-) cách khoảng cách l (độ dài lưỡng cực) ⇒ Tích số độ dài lưỡng cực l với điện tích δ đại lượng đặc trưng cho độ có cực lk & phân tử gọi momen lưỡng cực µ =lxδ  Momen lưỡng cực đại lượng vectơ có chiều qui ước từ cực dương đến cực âm VD: + δ → δH Cl  Momen lưỡng cực phân tử phụ thuộc vào momen lưỡng cực liên kết cặp electron hóa trị tự do, vào cấu tạo phân tử  Tính momen lưỡng cực liên kết phân tử đơn giản 54 Momen lưõng cực phân tử hai nguyên tử Phân tử Độ dài lk (A0) Momen lưỡng cực (D) Độ ion (%) H2 0,75 0 CO 1,13 0,11 NO 1,15 0,16 HI 1,62 0,45 HBr 1,42 0,83 12 HCl 1,28 1,11 18 HF 0,93 1,83 41 NaCl 2,37 9,00 79 1,93 8,16 88 NaF (CGS): D = 10 đơn vị tĩnh điện x cm -18 55 III.3 Liên kết ion:  Thuyết tónh điện đại liên kết ion: Sự tạo thành liên kết ion bao gồm giai đoạn:  Tạo thành ion dương âm nguyên tử chuyển electron cho  Các ion ngược dấu hút tiến đến gần lực hút lực đẩy chúng ion dừng lại, liên kết ion (phân tử ion) hình thành Ví dụ: Na + Cl → Na+ + Cl- → NaCl 1s22s22p63s1 1s22s22p63s23p5 1s22s22p6 1s22s22p63s23p6 56  Năng lượng liên kết Xét lượng liên kết ion phân tử ion AB (k) ion: tạo thành từ nguyên tử A(k) B(k) (đều hóa trị 1): A(k) = A+(K) + e + IA (1) B(k) + e = B-(k) + FB (2) A+(k) + B- = AB (k) + E (3) Cộng phương trình (1), (2), (3) được: A+(k) + B- = AB (k) + IA + FB + E Đặt EAB = IA + FB + E EAB lượng tạo thành phân tử ion AB (k) giá trị lượng liên kết ion A-B: N0e2 EAB = - EAB = - (IA+ FB + E) =   (1 -  - IA - FB  ) 4πε 0r0 n N0: số Avogadro; e: điện tích electron; 57 π, ε: số π điện môi; n: hệ số đẩy Born Khả tạo liên kết ion nguyên tố: nguyên tố có tính kim loại phi kim loại mạnh dễ tạo liên kết ion với VD: kim loại kiềm halogen  Tính chất liên kết liên kết ion có tính chất ngược ion: liên kết cộng hóa trị không bão hòa không định hướng  Sự phân cực • ion: chuyển dịch đám mây electron hạt nhân ion tác dụng điện trường ion khác  Ion có đám mây electron bị biến dạng gọi ion bị phân cực, đặc trưng độ bị phân cực, ion có điện trường tác dụng gọi ion phân cực, đặc trưng độ phân cực + Sự biến dạng đám mây electron anion tác dụng phân cực 58  Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bị phân cực độ phân cực ion: điện tích, kích thước, cấu hình electron  Khi điện tích cấu hình electron độ bị phân cực ion tăng theo chiều tăng kích thước ion Khi điện tích kích thước gần độ bị phân cực  nhỏ ion có cấu hình khí trơ s2p6,  lớn ion có cấu hình s2p6d10  Khi trung gian ionelectron độ phân cực điện tích cấu hình kim loại chuyển tiếp giảm xuống theo chiều tăng kích thước ion  Khi điện tích tăng độ phân cực ion tăng lên  Khi ion ngược dấu tác dụng với nhau: anion bị phân cực, cation gây phân cực  Sự phân cực ion có ảnh hưởng lớn đến nhiều tính chất 59 III.4 Liên kết kim loại:  Thuyết miền lượng liên kết kim loại: Đặc điểm cấu tạo khối kim loại mạng tinh thể tạo thành ion dương nút mạng electron tự (là electron hóa trị bị bứt khỏi nguyên tử) chuyển động hỗn loạn toàn tinh thể kim loại  Chính electron tự tạo nên kiểu liên kết đặc biệt kim loại: liên kết nhiều tâm Thuyết miền lượng nghiên cứu chuyển động electron tự này, mà thực chất áp dụng phương pháp MO vào nghiên cứu hệ tương tác chứa số nguyên tử khổng lồ ⇒ Theo thuyết nguyên tử tinh thể kim loại tương tác với AO chúng che phủ tạo nên miền lượng chứa orbital miền lượng (tương tự AO, MO): 60 Miền dẫn 3p{ 3s{ Miền hóa trị 2p0 Miền lượng 3s ∆E 2p 3p0 3p1 2p6 r r0 Miền dẫn Miền cấm 3s0 2p6 Miền hóa trị 61 • Tương ứng với trạng thái lượng s, p, d, f,…của nguyên tử tinh thể kim loại có miền lượng s, p, d, f,… Các miền lượng là: * miền hóa trị (chứa electron hóa trị), * miền dẫn (miền tự nằm miền hóa trị) Đối với kim loại miền che phủ nhau, chất rắn nói chung che phủ không * Trong trường hợp không che phủ, chúng xuất miền cấm (miền electron có mặt) • Sự xếp electron vào orbital miền lượng tuân theo qui luật biết Như số electron tối đa miền lượng sau: 2N miền s, 6N miền p, 10N miền d, 14N miền f… (N: số nguyên tử kim loại) 62  p dụng thuyết miền lượng giải thích cấu hình electron tính chất natri Từ cấu hình electron hóa trị 3s1 Na suy ra:  miền hóa trị có 1N electron nên điền đầy nửa (nghiã có nửa số orbital miền lượng điền điền đầy electron) Một nửa miền lại tự đóng vai trò miền dẫn Nhờ kích thích nhẹ, ví dụ tác dụng lên kim loại điện trường, electron hóa trị dễ dàng chuyển lên orbital tự theo hướng điện trường, thể tính dẫn điện 63 Miền dẫn Dải 2p trống Dải 3s lấp đầy nửa Dải 2p lấp đầy Các mức lượng MO phân tử Na2 Miền hóa trị đầy nửa Sơ đồ mức lượng kề sát tinh thể Na kim 64 loại III.5 Liên kết phân tử: Tự đọc từ trang 197 201 (TL1), để hiểu liên kết: * Van der Walls: chất, thành phần, lượng, ứng dụng thực tế * Hydro: chất, lượng, ứng dụng giải thích số tính chất  65 Liên kêát ion theo Kossel: loại liên kêát lực hút tónh điện ion trái dấu  Na Cl - 1e- + 1e+8 Na Cl Na+Cl- 8 Liên kết ion hình thành KL điển hình với PK điển hình 66 So sánh hai loại liên kết: a Liên kết ion loại liên kết lực hút tónh điện Liên kết cộng hóa trị loại liên kết cặp electron chung b Liên kết ion hình thành nguyên tử có độ âm điện khác nhiều (∆ χ 1,9÷ 3,2) Liên kết cộng hóa trị hình thành ngun tố giống hay khơng khác nhiều (∆ χ < 1,9) c Liên kết ion khơng có hướng khơng bão hịa Liên kết cộng hóa trị có hướng rõ rệt bão hịa VD: H O 105 H 109028’ H C H H H 67 d Hợp chất ion có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi cao Hợp chất cộng hóa trị có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sơi thấp Tuy nhiên khác biệt loại liên kết lúc rõ ràng.VD: Cl : Cl cặp electron chung phân bố đồng đều, liên kết cộng hóa trị khơng phân cực H : Cl cặp electron chung bị hút lệch phía Cl, liên kết cộng hóa trị phân cực Na :Cl cặp electron chung hồn tồn thuộc Cl, liên kết ion  liên kết cộng hóa trị không phân cực liên kết ion hai trường hợp giới hạn liên kết cộng hóa trị 68 phân cực ... khái niệm liên kết hóa học: A Bản chất liên kết: Liên kết hóa học có chất điện, sở tồn liên kết hóa học lực hút hạt tích điện  Electron thực liên kết hóa học trường hợp chủ yếu electron phân lớp... dài N-H: 101,4 pm Góc hóa trị H-N-H: 107o3 Phân amoniac(nguyên nitơ lai hóa 3) tử tử sp 20 H O H O H H Chiều dài O-H: 95,8 pm Góc hóa trị H-O-H: 104,5 o Phân nước tử (nguyên oxi lai hóa 3) tử sp... H H s H H sp3 sp3 C C sp3 s H sp3 H H s H Chiều dài C-H: 109 ,3 pm o Góc hóa trị H-C-H: 109 28'' Phân tử CH4 (nguyên tử C lai hóa sp3) 1AO2s + 3AO2p = 4AOsp3 109,5 Bốn orbital lai hóa sp ⇒ che