Thuyết MO với việc giải thích liên kết trong một số phân tử

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC - BÙI KIM DU THUYẾT MO VỚI VIỆC GIẢI THÍCH LIÊN KẾT TRONG MỘT SỐ PHÂN TỬ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Hóa vô – Đại cương Ngƣời hƣớng dẫn khoa học ĐĂNG THỊ THU HUYỀN HÀ NỘI, 2010 BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 LỜI CẢM ƠN! Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới cô Đăng Thị Thu Huyền thầy cô khoa Hóa học, trường ĐHSP Hà Nội 2, tạo điều kiện giúp đỡ trình nghiên cứu thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn tới bạn đồng môn cổ vũ, động viên, giúp đỡ thực đề tài Mặc dù, cố gắng trình nghiên cứu thực đề tài tránh khỏi thiếu xót Tôi xin chân thành cảm ơn tới bạn đọc chỗ trình bày chưa rõ đề tài Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2010 Người thực Bùi Kim Du BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, đề tài “Thuyết MO với việc giải thích liên kết số phân tử” riêng tôi, thực Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm thắc mắc đề tài Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2010 Người thực Bùi Kim Du BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài 1.1 Lí khách quan Tính cần thiết: Hóa học khoa học có tính ứng dụng thực tiễn quan trọng bậc Thông qua: nghiên cứu chất, hóa học tạo nên bước chuyển mang tính đột phá phát triển nhân loại Để làm điều đó, khoa học khác, hóa học xây dựng cho thuyết (cơ sở lí luận) mang tính đặc thù, có thuyết MO hay thuyết orbital phân tử Với mục đích giải thích, mô tả cấu trúc phân tử chất dự đoán khả biến đổi chất biến thiên tác động bên ngoài: thuyết MO góp phần tạo nên thành công lớn hóa học Chính thế: nghiên cứu thuyết MO việc cần thiết Tính đại: Trong phát triển hóa học, nghiên cứu phân tử, ứng với giai đoạn phát triển, hóa học có lí luận mang tính đặc thù Trước có học lượng tử (trước năm 1926), hóa học kinh điển nhìn nhận phân tử có thuyết điện hóa liên kết (Berzenlius, 1812), thuyết điện tử hóa trị (Lewis, Kossel, Langmuir, 1916 - 1926)… Sau có học lượng tử, hóa học thời kì gọi hóa học đại với đời hai thuyết: thuyết liên kết cộng hóa trị hay thuyết VB (Heitler – London, năm 1927) thuyết orbital phân tử hay thuyết MO (Hund, Mulliken, Lenard – Jones, 1927) Hiện nay, song tồn với phát triển khoa học, thuyết MO không ngừng mở rộng hoàn thiện thuyết VB “trững lại” phát triển Vì vậy: lựa chọn thuyết MO hướng Tính ưu việt: Song song với phát triển học lượng tử, việc nghiên cứu chất, nói, hóa học đại xây dựng cho thuyết VB thuyết MO Trong phát triển, thuyết VB tỏ thành công BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 việc giải thích tồn tại, tính chất, mô tả cấu trúc dự đoán khả biến đổi nhiều chất Song vấp phải khó khăn giải thích tồn phân tử ion , tính bất bình thường việc bền hóa ion so với phân tử O2; từ tính, tính chất phổ hầu hết chất… Những khó khăn mà thuyết VB gặp phải lại giải thích dễ dàng theo thuyết MO Điều chứng tỏ thuyết MO triệt để (ưu việt) thuyết VB 1.2 Lí chủ quan Do việc nhận thức tầm quan trọng thuyết MO việc nghiên cứu phân tử chất cộng với đam mê hóa học mà lựa chọn đề tài “Thuyết MO với việc giải thích liên kết số phân tử” Nội dung nghiên cứu Trên sở thuyết MO, kết thực nghiệm giới hạn đề tài, giải thích tồn tại, liên kết số phân tử như: phân tử đồng hạch chu kì (H2, ), phân tử đồng hạch chu kì (N2, O2, ), số phân tử dị hạch AB (CO, LiH, HF), số phân tử nhiều nguyên tử (BeH2, H2O, NH3, CH4) BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các luận điểm thuyết MO Thuyết MO xây dựng nhà hóa học Hund, Mulliken, Lenard – Jones, năm 1927 dựa luận điểm sau: Luận điểm 1: Theo học lượng tử trạng thái điện tử nguyên tử mô tả tổng hợp orbital điện tử nguyên tử (các đám mây điện tử nguyên tử); orbital đặc trưng tổ hợp xác định số lượng tử nguyên tử Trên sở đó, thuyết MO cho trạng thái điện tử phân tử mô tả tổng hợp orbital điện tử phân tử (các đám mây điện tử phân tử); orbital phân tử (Molecular Orbitals) tương ứng với xác định số lượng tử Như vậy, phân tử tính cá thể (độc lập) nguyên tử không tồn tại, điện tử phân bố orbital chung phân tử (các orbital phân tử hay MO) Luận điểm 2: Trên sở mô hình hạt độc lập, thuyết MO cho rằng: điện tử phân tử coi chuyển động độc lập với điện tử khác trường trung bình tạo hạt nhân (được coi đứng im) điện tử khác Khi ấy, phương trình Schrödinger mô tả tính chất điện tử trường trung bình trên: không giải xác Vì vậy: MO xác định phương pháp gần Trong phương pháp gần đúng, phương pháp thường áp dụng phương pháp LCAO (Linear Combination of Atomic Orbitals): orbital phân tử (các MO) xác định từ việc tổ hợp tuyến tính orbital BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 nguyên tử Các MO, xác định phương pháp gọi LCAO – MO (Molecular Orbitals are the Linear Combination of Atomic Orbitals)  Cơ sở phương pháp LCAO - Cơ sở 1: Trong phân tử, điện tử chuyển động gần hạt nhân nguyên tử tương tác điện tử hạt nhân khác coi không đáng kể, trường lực tác dụng vào điện tử coi từ trường lực nguyên tử tương ứng đó, cách gần coi orbital phân tử orbital nguyên tử tương tác - Cơ sở 2: Nếu hệ lượng tử trạng thái mô tả hàm sóng ψ1, ψ2,…, ψn, trạng thái biểu diễn hàm sóng viết dạng tổ hợp tuyến tính hàm - nguyên lý chồng chất trạng thái ψ = c1ψ1 + c2ψ2 + … + cnψn = ψi Khi ấy, gọi υi orbital nguyên tử nguyên tử thứ i ψMO orbital phân tử ta có:  ψMO = υi Trong đó: ci (hằng số) gọi hệ số tổ hợp hàm sóng với ý nghĩa tỉ lệ (hay trọng số) đóng góp hàm sóng υ i tương ứng vào hàm sóng ψMO Khi chuẩn hóa hàm ψMO ta được: ∫ | ψMO |2dτ = ∫ | ψi |2dτ =  Số lượng orbital phân tử thu tổng số orbital nguyên tử tham gia vào tổ hợp Trong việc xác định MO, hàm sóng thu tốt số orbital nguyên tử sử dụng tổ hợp lớn; nhiên, điều có nghĩa yêu cầu tính toán nhiều Trên thực tế, ta sử BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP dụng số có giới hạn orbital nguyên tử, tức ψMO = 2010 υi Những orbital nguyên tử coi tương tác với khi: - Có lượng xấp xỉ - Có tính đối xứng giống trục liên kết có mức độ xen phủ rõ rệt Tổng số orbital nguyên tử tham gia vào tổ hợp tạo nên orbital phân tử gọi hàm sở Luận điểm 3: Trong phân tử, phân bố điện tử orbital phân tử tuân theo nguyên lí vững bền, nguyên lí Pauli quy tắc Hund, từ cho cấu hình phân tử Luận điểm 4: Trên sở học lượng tử, thuyết MO cho phân tử điện tử khu trú orbital phân tử liên kết, orbital phân tử phản liên kết trường hợp chung, thuyết MO coi hình thành liên kết hóa học chuyển điện tử từ orbital nguyên tử nguyên tử tương tác orbital liên kết chung cho toàn phân tử Số liên kết thuyết MO xác định biểu thức: Số liên kết = Số điện tử liên kết – số điện tử phản liên kết Trong phân tử, phân bố đám mây điện tử diễn theo ba hướng: Hướng thứ nhất: Đám mây điện tử phân tử tập trung gần hạt nhân thành phần phân tử: điện tử thực tế thuộc nguyên tử không tham gia liên kết BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 Hướng thứ hai: Trong trường hợp khác, phần lớn đám mây điện tử phân tử nằm miền không gian gần với hai hạt nhân nguyên tử: điều tương ứng với tạo thành liên kết hóa học hai tâm Hướng thứ ba: Trong trường hợp chung, đám mây điện tử phân tử thuộc số hạt nhân nguyên tử tham gia tạo thành liên kết hóa học nhiều tâm 1.2 Bài toán sở thuyết MO – Bài toán phân tử ion H +2 Phân tử ion tìm thấy tia dương cực, xuất ion hóa phân tử H2, có hai hạt nhân điện tử Trên sở gần Born – Oppenheimer ta thừa nhận proton a b hai nguyên tử H, có vị trí xác e định đứng cách khoảng r, cách điện tử rb r a khoảng rb tương ứng Phương trình Schr dinger cho phân tử ion b có dạng: ψ = Eψ Trong toán tử lượng Hamilton, ψ hàm orbital phân tử mô tả trạng thái đơn điện tử trường hai proton a b Ta có: = + (r) – Toán tử động – xác định: Trong đó, ћ = =- – số Planck rút gọn (h = 6.625.10-34 J.s) - Toán tử Laplace: =∆= + + (r) – Toán tử – xác định: BÙI KIM DU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 (r) = U(r) = e2 ( - - ) Khi ấy, ta được: + e2 ( =- - - ) 1.2.1 Xác định MO Trong phân tử ion , điện tử chuyển động e a không gian bao quanh hai hạt nhân Tuy b nhiên, điện tử chuyển động gần proton a, trường lực tác dụng vào điện tử coi trường lực proton a trạng thái điện tử mô tả hàm orbital nguyên tử 1sa = Ngược lại, điện tử chuyển động gần proton b, trường lực tác dụng vào điện tử e a b coi trường lực proton b trạng thái điện tử mô tả hàm orbital nguyên tử 1sb = Như vậy, trường hợp giới hạn nói trên, trạng thái điện tử mô tả hàm 1sa hàm 1sb Vì hàm 1sa, 1sb coi nghiệm phương trình Schrödinger nên tổ hợp tuyến tính chúng nghiệm phương trình sóng Khi ấy, hàm ψMO mô tả trạng thái điện tử trường lực hai proton có dạng: ψMO = c1.1sa + c2.1sb Trong đó: c1, c2 hệ số tổ hợp cần xác định Ta có phân tử ion đồng hạch, hàm 1sa, 1sb đồng nên chúng có phần đóng góp vào phân bố mật độ điện tử phân tử Mặt khác, bình phương hàm sóng biểu thị phân bố mật độ điện tử, BÙI KIM DU 10 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 Với độ tổ hợp: + - O Gọi S(1s, 2pσ) độ tổ hợp trực tiếp orbital 2p orbital 1s + H S(1s, 2pσ) Khi ta có S(σx) = ∫ 2px (1sa + 1sb) [S(1s, 2pσ)cos52.250 + S(1s, 2pσ)cos52.250] = = 0.866 S(1s, 2pσ) Do đó, ta gọi σx “orbital hầu liên kết” Với tính phản xứng mình, orbital 2pz nguyên tử O tổ hợp với tổ hợp trừ (1sa – 1sb) hai nguyên tử H, tạo nên hai orbital: σz liên kết phản liên kết σz = c6.2pz + c7 (1sa – 1sb) = c8.2px – c9.(1sa – 1sb) σxy - σxy + O - + Ha Hb MO – σz + z - O - + Ha Hb x x Sự tạo thành MO – σz z MO – Với độ tổ hợp: S(σz) = = (1sa – 1sb) [S(1s, 2pσ)cos37.750 + S(1s, 2pσ)cos37.750] = 1.118 S(1s, 2pσ) BÙI KIM DU 45 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 b Sự hình thành liên kết phân tử Tương ứng, với chênh lệch lượng orbital 2s 2p chênh lệch lượng orbital σs σz, σx, Năng lượng orbital 2s nhỏ lượng orbital 2p nên lượng orbital σs nhỏ lượng orbital σz, σx Với tính chất “hầu không liên kết” mà orbital σx: có lượng cao orbital σz liên kết, lại nhỏ orbital không liên kết Giản đồ lượng MO H2O: trình bày hình 3.36 E 1sa 1sb 2p σx σz 2s σs AO-O MO-H2O AO-H Hình 3.36: Giản đồ lượng MO phân tử H2O Sự khu trú điện MO trạng thái bản, cho cấu hình điện tử phân tử H2O là: (σs)2 (σz)2 (σx)2 BÙI KIM DU 46 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 Số liên kết N = Trong phân tử H2O có hai liên kết σ, dO – H = 0.985 A0 Với độ âm điện lớn nên điện tử orbital liên kết, phần lớn thời gian gần hạt nhân nguyên tử O: phân tử H2O có phân bố điện tích Hδ+O2δ-Hδ+ Phân tử H2O, với góc liên kết = 104.50 nên có momen vĩnh cửu (μ = 1.84 D) c Vận dụng thuyết MO vào giải thích trị góc liên kết = 104.50 Ta nhận thấy, tổ hợp cộng (1sa + 1sb) hai nguyên tử H tổ hợp đồng thời với orbital 2s orbital 2px O tạo nên ba MO: σs, σx Sự tổ hợp làm cho: liên kết O – H mang “một tính chất 2s” Nếu liên kết O – H: xuất phát từ tổ hợp riêng tổ hợp cộng (1sa + 1sb) hai nguyên tử H với orbital 2px O, có “tính chất túy 2p”, góc liên kết phù hợp tốt 900 Ngược lại, liên kết O – H: xuất phát từ tổ hợp riêng tổ hợp cộng (1sa + 1sb) hai nguyên tử H với orbital 2s O, có “tính chất túy 2s”, góc liên kết phù hợp tốt 1800 Như vậy, với “một tính chất 2s” liên kết O – H thì: góc liên kết có giá trị phù hợp 104.50 3.2.3 Phân tử NH3 a Sự hình thành MO phân tử Phân tử NH3 tạo nên bốn hạt nhân nguyên tử: N, Ha, Hb, Hc 10 điện tử (8 điện tử hóa trị) Phân tử NH3: có cấu trúc tháp tam giác, góc liên kết = 1070 Hệ tọa độ phân tử NH3: quy định hình 3.37 Ba nguyên tử H: chọn nằm σxy, có trục (trục z) qua nguyên tử trung tâm N BÙI KIM DU 47 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 Hình chiếu liên kết N – Ha trùng với hình chiếu trục x mặt phẳng đáy N y Chọn hàm hóa trị làm hàm sở: ấy, MO tạo Hb Hc nên tổ hợp orbital 2s, 2p nguyên tử N với orbital 1s x Ha nguyên H z Với cấu trúc tháp tam giác, Hình 3.37: Hệ tọa độ phân tử phân tử NH3: tồn yếu tố NH3 đối xứng Đối với yếu tố này, giống phân tử dạng AB2: hàm orbital phân tử NH3 phải hàm đối xứng hay phản xứng Khi đó, MO: phải lập nên từ tổ hợp orbital có tính đối xứng hay tính phản xứng Theo hệ tọa độ hình 3.37, tìm hai yếu tố đối xứng phân tử: mặt đối xứng σzx, trục quay z - H y N b + + + Hb Hc H c H + x N xa Ha z Tổ hợp orbital 2s, 2pz N với orbital 1s nguyên tử H BÙI KIM DU 48 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 Đối với trục quay z: orbital 2s orbital 2pz N tổ hợp orbital 1s (1sa + 1sb + 1sc), có tính đối xứng Tổ hợp chúng cho: orbital liên kết σs, orbital phản liên kết orbital hầu không liên kết σz σs = c1.2s + c2.(1sa + 1sb + 1sc) với c2 « c1 σz = c3.2pz + c4.(1sa + 1sb + 1sc) với c3 < c4 = c5.2pz – c6.(1sa + 1sb + 1sc) với c6 < c5 Đối với mặt phẳng σzx: orbital 2py không tính đối xứng với orbital 1sa có tính phản xứng với tổ hợp (1sb – 1sc) Do đó, orbital 2py không tổ hợp với orbital 1sa tổ hợp với tổ hợp (1sb – 1sc) tạo nên hai MO: σy liên kết phản liên kết σy = c7.2py + c8.(1sb – 1sc) với c7 < c8 = c9.2py – c10.(1sb – 1sc) + với c10 < c9 - + N y Hb - + y + - N N Hc - Hc Hb Ha x Ha x z Sự xen phủ orbital 2py N orbital 1sb, 1sc Hb, Hc Orbital 2px N: có tính phản xứng với tổ hợp [1sa – 1 (1sb) – (1sc)] 2 nguyên tử H (đối với trục quay z) Do đó, chúng tổ hợp với cho orbital: σx BÙI KIM DU 49 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP σx = c11.2px + c12 [1sa – 1 (1sb) – (1sc)] 2 = c13.2px – c14 [1sa – 1 (1sb) – (1sc)] 2 2010 - - Hệ số , xuất hình chiếu Hc Hb N y liên kết N – Ha hình chiếu trục + x mặt phẳng đáy trùng nhau, + hình chiếu liên kết N – Hb, Ha N – Hc tạo với hình chiếu trục x x góc 600, nên mức độ tổ hợp orbital 1sb Sự xen phủ obitan 2px N orbital 1sc với orbital 2px obitan 1s nguyên 1 (cos600 = ) mức độ tổ hợp 2 tử H orbital 2px với orbital 1sa Mức độ tổ hợp AO hình thành MO Gọi S(1s, 2pσ) độ tổ hợp trực tiếp orbital 1s orbital 2p Khi ấy, ta có: S(σz) = ∫ 2pz = (1sa + 1sb + 1sc)dτ - + + N H S(1s, 2pσ) S(1s, 2pσ)cosθ + S(1s, 2pσ)cosθ + S(1s, 2pσ)cosθ] = S(1s, 2pσ).cosθ S(σy) = ∫ 2py = = BÙI KIM DU (1sb - 1sc) dτ [S(1s, 2pσ)cos300.sinθ + S(1s, 2pσ)cos300.sinθ] 3 S(1s, 2pσ).sinθ 50 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP S(σx) = ∫ 2px = 2010 1 [1sa – (1sb) – (1sc)]dτ 2 [S(1s, 2pσ)sinθ + S(1s, 2pσ)cos600.sinθ + = S(1s, 2pσ)cos600.sinθ] S(1s, 2pσ).sinθ b Sự hình thành liên kết phân tử So với orbital phân tử: orbital σs lập nên từ tổ hợp orbital 2s nên có lượng nhỏ Hai orbital σx σy, có trọng lượng tổ hợp(S(σx) = S(σy)) nên có chung mức lượng σx = σy Orbital σz, với tính chất hầu không liên kết: có lượng lớn orbital liên kết σx, σy E 1sa 1sb 1sc 2p σz σx σy 2s AO-N σs MO-NH3 AO-H Hình 3.42: Giản đồ lượng MO phân tử NH3 BÙI KIM DU 51 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 Giản đồ lượng MO NH3: biểu diễn hình 3.42 Sự khu trú điện tử MO trạng thái bản, cho ta cấu hình phân tử: (σs)2 (σx, σy)4 (σz)2 Số liên kết N = Phân tử NH3: có ba liên kết σ, dN – H = 1.014 A0 Trong phân tử NH3: độ âm điện N lớn H, nên liên kết N – H phân cực âm N, phân cực dương H Phân tử NH3: có momen vĩnh cửu (μ = 1.46D) = 1070 c Vận dụng thuyết MO vào giải thích trị góc liên kết Giống trường hợp phân tử H2O, phân tử NH3: orbital σx sinh có tham gia orbital 2s, nên liên kết N – H mang “một tính chất 2s”, góc liên kết có giá trị phù hợp 1070 3.2.4 Phân tử CH4 a Sự hình thành MO phân tử Phân tử CH4 tạo nên hệ gồm: nguyên tử C, Ha, Hb, Hc, Hd 10 điện tử (8 điện tử hóa trị) z Phân tử CH4: có cấu trúc tứ diện đều, góc liên kết Hb = 1090 Hệ tọa độ phân tử CH4: quy Ha C định hình 3.43 Bốn nguyên tử H chọn: nằm bốn đỉnh tứ Hd diện đều; nguyên tử C trung tâm nằm tứ diện (tâm tứ diện) Tương tự phân tử NH3, với cấu trúc tứ diện, phân tử CH4: tồn y Hc x Hình 3.43: Hệ tọa độ phân tử CH4 yếu tố đối xứng Khi đó, MO phải lập nên từ tổ hợp orbital có chung tính đối xứng phản xứng, mặt đối xứng BÙI KIM DU 52 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 Chọn hàm hóa trị làm hàm sở, MO thành lập nên từ tổ hợp orbital 2s, 2p nguyên tử C với orbital 1s nguyên tử H z + Hb Orbital 2s C: tổ hợp với tổ hợp cộng orbital + 1s Ha (1sa + 1sb + 1sc + 1sd) H, cho orbital σs liên kết orbital + C phản liên kết y + σs = c1.2s + c2.(1sa + 1sb + 1sc + 1sd) Hd + = c3.2s – c4.(1sa + 1sb + 1sc + 1sd) Hc x Orbital 2pz C, tổ hợp với tổ hợp phản xứng (1sa + 1sb – 1sc – 1sd) tương ứng, hình thành nên hai orbital: σz liên kết phản liên kết z σz = c5.2pz + c6.(1sa + 1sb – 1sc – 1sd) + Hb + + = c7.2pz – c8.(1sa + 1sb – 1sc – 1sd) Ha C Tương tự, orbital 2px C, tổ hợp với tổ hợp phản xứng (1sa + 1sc – 1sb – 1sd) - tương ứng, cho hai orbital: σx liên kết phản liên kết; orbital 2py C, tổ hợp với y - Hc x Hd - MO – σz tổ hợp phản xứng (1sa + 1sd – 1sb – 1sc) tương ứng, cho hai orbital: σy liên kết phản liên kết σx = c9.2px + c10.(1sa + 1sc – 1sb – 1sd) σy = c11.2py + c12.(1sa + 1sd – 1sb – 1sc) = c13.2px – c14.(1sa + 1sc – 1sb – 1sd) BÙI KIM DU 53 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 = c15.2py – c16.(1sa + 1sd – 1sb – 1sc) z z -Hb -Hb + + Ha - Ha + C + - Hc x C y + Hd MO – σx - y - Hd + Hc x MO – σy Sự tạo thành MO: σx, σy b Sự hình thành liên kết phân tử Orbital σs sinh tổ hợp orbital 2s C với orbital 1s H nên có lượng nhỏ orbital σz, σx, σy sinh tổ hợp orbital 2p với orbital 1s H orbital σz, σx, σy có chung chất nên có chung mức lượng Giản đồ đồ lượng MO CH4: biểu diễn hình 3.48 Sự khu trú điện tử MO trạng thái cho ta cấu hình phân tử: (σs)2 (σx, σy, σz)6 Số liên kết N = Trong phân tử CH4: có bốn liên kết σ, độ dài liên kết: dC – H = 1.093 A0 BÙI KIM DU 54 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 σx* σy* σz* E σs* 1sa 1sb 1sc 1sd 2p 2s σx σy σz σs AO - C MO - CH4 AO - H Hình 3.48: Giản đồ lượng MO phân tử CH4 BÙI KIM DU 55 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 KẾT LUẬN Như vừa khảo sát, ta nhận thấy rằng: gần mình, thuyết MO (thuyết orbital phân tử) thành công không dừng lại với việc giải thích liên kết thực cặp điện tử đối song phân tử có số điện tử chẵn thuyết VB (như phân tử H2, BeH2, H2O, N2, O2, NH2, CH4…), mà thành công với việc giải thích liên kết không thực cặp điện tử đối song phân tử có số điện tử lẻ (như phân tử , …) Trên sở phương pháp MO – LCAO, cách tổ hợp tuyến tính orbital nguyên tử xác định orbital phân tử, lập nên giản đồ lượng MO điền điện tử MO giản đồ ta dễ dàng xác định số liên kết, loại liên kết, tính chất có cực hay cực liên kết phân tử Tuy nhiên, phân tử dị hạch, xác định số liên kết từ giản đồ lượng MO không ý nghĩa tồn orbital phân tử có tính chất không rõ ràng orbital liên kết hay orbital phản liên kết Việc xây dựng giản đồ lượng MO điền điện tử MO, thành công việc giải thích liên kết mà cho ta thông tin từ tính, tính chất phổ phân tử Điều này: hẳn thuyết VB (thuyết VB không giải thích tính thuận từ phân tử O2) Vì vây: việc nghiên cứu thuyết MO cho ta cách nhìn tổng quát hơn, đầy đủ phân tử BÙI KIM DU 56 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đào Đình Thức Hóa lí I, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội, 2002 Đào Đình Thức Cấu tạo nguyên tử liên kết hóa học, tập II, Nhà xuất Giáo Dục, Hà Nội, 2006 Trần Thành Huế Hóa đại cương 1, Nhà xuất Đại học Sư phạm, Hà Nội, 2007 Lâm Ngọc Thiềm, Phạm Văn Nhiêu, Lê Kim Long Cơ sở Hóa học lượng tử, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật, Hà Nội, 2008 N.L.GlinKa Hóa học đại cương (bản dịch tiếng Việt), tập 1, Nhà xuất Đại học Trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1988 Nguyễn Đình Huề, Nguyễn Đức Chuy Thuyết lượng tử nguyên tử phân tử, tập 1; tập 2, Nhà xuất Giáo Dục Lâm Ngọc Thiềm Cơ sở lí thuyết hóa học, Nhà xuất giáo dục, 2008 Lâm Ngọc Thiềm Cấu tạo chất đại cương, Nhà xuất Đại học Quốc gia, Hà Nội, 2001 Vidal Hóa học lượng tử từ nguyên tử đến thuyết Hückel (tiếng Pháp), Pari, 1993 10 Yves Jean, François Volatron Mở đầu orbital phân tử (tiếng Anh), New York, 1993 BÙI KIM DU 57 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài 1.1 Lí khách quan 1.2 Lí chủ quan Nội dung nghiên cứu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các luận điểm thuyết MO 1.2 Bài toán sở thuyết MO – Bài toán phân tử ion H +2 1.2.1 Xác định MO 10 1.2.2 Tính E 12 1.2.3 Phân tích kết 13 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 2.1 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 18 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 18 2.3 Phương pháp nghiên cứu 18 2.4 Ý nghĩa việc nghiên cứu 18 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 19 3.1 Thuyết MO với việc giải thích liên kết cho phân tử hai nguyên tử 19 3.1.1 Phân tử đồng hạch A2 thuộc chu kì 19 3.1.2 Phân tử đồng hạch A2 thuộc chu kì 20 3.1.3 Phân tử dị hạch AB 30 3.2 Thuyết MO với việc giải thích liên kết cho phân tử nhiều nguyên tử 3.2.1 Phân tử BeH2 39 3.2.2 Phân tử H2O 40 3.2.3 Phân tử NH3 47 BÙI KIM DU 58 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 3.2.4 Phân tử CH4 52 KẾT LUẬN 56 BÙI KIM DU 59 [...]... của điện tử trên các MO ở trạng thái cơ bản cho ta cấu hình phân tử: (σs)2 ( )2 (πx, πy)4 (σz)2 Số liên kết N = 3 Giống với phân tử N2, phân tử CO cũng tồn tại ba liên kết: hai liên kết π và một liên kết σ Độ dài liên kết: dC – C = 1.128 A0 (dN – N = 1.1A0) Tuy nhiên, khác với phân tử N2, các điện tử trên orbital liên kết của CO phần lớn thời gian ở gần nguyên tử O nên các liên kết trong CO phân cực... của các phân tử phức tạp hơn và tạo tiền đề cho việc chọn hướng học tập, nghiên cứu về chất BÙI KIM DU 18 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Trên cơ sở của thuyết MO, vận dụng vào nghiên cứu liên kết cho một số phân tử hai nguyên tử, phân tử nhiều nguyên tử ta thu được kết quả: 3.1 Thuyết MO với việc giải thích liên kết cho phân tử hai nguyên tử 3.1.1 Phân tử đồng hạch... trong phân tử F2 3.1.3 Phân tử dị hạch AB a Phân tử dị hạch đẳng điện tử với phân tử A2 chu kì 2  Phân tử CO y y Sự hình thành các MO trong phân tử Phân tử CO đẳng điện tử với phân C tử N2: dị hạch, hình thành bởi sự tương tác của hạt nhân nguyên tử C, hạt nhân nguyên tử O với 14 điện tử (10 điện tử O z z x x Hình 3.13: Hệ tọa độ phân tử CO hóa trị) lớp 1 và lớp 2 Hệ tọa độ phân tử CO: được chọn như... lượng của các MO (loại II): được biểu diễn như hình 3.7 Sự khu trú của các điện tử trên các MO ở trạng thái cơ bản cho ta cấu hình của phân tử N2: (σs)2 ( )2 (πx, πy)4 (σz)2 Số liên kết N = 3 Phân tử N2 tồn tại ba liên kết: trong đó có một liên kết σ và hai liên kết π Bằng tính toán thực nghiệm cho biết độ dài liên kết: dN – N = 1.1A0 b Phân tử O2 Sự hình thành MO trong phân tử ya yb Phân tử O2 đồng hạch:... các MO trong phân tử O2 (loại I) Số liên kết N = 2 Phân tử O2 tồn tại hai liên kết: một liên kết σ và một liên kết π không định chỗ Bằng tính toán thực nghiệm cho biết độ dài liên kết: dO – O = 1.21A0 c Các phân tử A2 chu kì 2 khác Giống như phân tử N2, O2, các phân tử A2 còn lại thuộc chu kì 2 (Li2, Be2, B2, C2, F2) cũng được tạo nên bởi ya sự tương tác của hai hạt nhân nguyên yb tử A và các điện tử. .. hình phân tử - Với Li2 (2 điện tử hóa trị): (σs)2 Số liên kết N = 1, phân tử Li2 tồn tại một liên kết σ, dLi – Li = 2.67 A0 - Với Be2 (4 điện tử hóa trị): (σs)2 ( )2 Số liên kết N = 0, phân tử Be2 thực chất không tồn tại BÙI KIM DU 28 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 E 2p 2p σz πy πx 2s 2s σs AO – A MO – A2 AO - A Hình 3.11: Giản đồ năng lượng của các MO trong phân tử Li2, Be2, B2, C2 - Với B2 (6 điện tử hóa... của liên kết (độ dài, momen lưỡng cực, sự sắp xếp các liên kết – góc liên kết) trong một số phân tử thông qua sự phân bố điện tử trên các orbital phân tử và các kết quả thực nghiệm 2.2 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng mà đề tài đi nghiên cứu đó chính là các liên kết trong phân tử của các phân tử: H2, , Nz, O2, CO, LiH, HF, BeH2, H2O, NH3, CH4 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu Trên cơ sở của việc tìm... πy)2 Số liên kết N = 1, dB – B = 1.59 A0 - Với C2 (8 điện tử hóa trị): (σs)2 ( )2 (πx, πy)4 Số liên kết N = 2, dC – C = 1.31 A0 - Với F2 (12 điện tử hóa trị): (σs)2 ( )2 (σz)2 (πx, πy)4 ( , )4 Số liên kết N = 1, phân tử F2 tồn tại một liên kết σ, dF – F = 1.42 A0 BÙI KIM DU 29 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 E 2p 2p πy πx σz 2s 2s σs AO – F MO – F2 AO - F Hình 3.12: Giản đồ năng lượng của các MO trong phân tử. .. phân tử ion Số liên kết N = : (σs)1 Vì vậy, phân tử ion : chỉ tồn tại một liên kết σ định cư hai tâm duy nhất Bằng tính toán thực nghiệm: ta có độ dài liên kết H – H có trị bằng 1.06 A0 BÙI KIM DU 17 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 2010 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu Giải thích sự hình thành liên kết, xác định số liên kết, loại liên kết, các thuộc tính của liên. .. lượng của các MO: hình 3.2 1sb 1sa Sự phân bố các điện tử vào các orbital phân tử ở trạng thái cơ bản cho 2 ta cấu hình của phân tử Số liên kết N = phân tử σs 1 : (σs) ( ) AO – He+ AO – He MO – Hình 3.2: Giản đồ năng lượng Do vậy, trong của các MO cũng chỉ tồn tại duy nhất một liên kết σ định cư hai tâm Bằng các phép tính thực nghiệm cho biết độ dài liên kết: dHe – He = 1.08 A0 3.1.2 Phân tử đồng hạch ... điện tử từ orbital nguyên tử nguyên tử tương tác orbital liên kết chung cho toàn phân tử Số liên kết thuyết MO xác định biểu thức: Số liên kết = Số điện tử liên kết – số điện tử phản liên kết Trong. .. tài Thuyết MO với việc giải thích liên kết số phân tử Nội dung nghiên cứu Trên sở thuyết MO, kết thực nghiệm giới hạn đề tài, giải thích tồn tại, liên kết số phân tử như: phân tử đồng hạch... cứu Giải thích hình thành liên kết, xác định số liên kết, loại liên kết, thuộc tính liên kết (độ dài, momen lưỡng cực, xếp liên kết – góc liên kết) số phân tử thông qua phân bố điện tử orbital phân