Bài giảng hóa đại cương chương 2 cấu tạo chất

Lớp học phần VNUA-Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 9/26/2015 CHƢƠNG II CẤU TẠO CHẤT I- CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1- Một số mẫu nguyên tử cổ điển 1.1- Mẫu Rutherford (Rơzơfo- Anh) 1911 1.2- Mô hình nguyên tử Bohr (Bo- Đan mạch) 1913 2- Những tiền đề học lƣợng tử 2.1- Thuyết lƣợng tử Planck (Plăng- Đức).1900 2.2- Thuyết sóng- hạt hạt vi mô 2.3- Nguyên lí bất định Heisenberg (Haixenbec-Đức).1927 3- Khái niệm học lƣợng tử 3.1- Hàm sóng - Phƣơng trình sóng 3.2- Ý nghĩa số lƣợng tử (Số lƣợng tử n; Số lƣợng tử phụ l; Số lƣợng tử từ m; Số lƣợng tử Spin ms ) 3.3- Khái niệm Obitan nguyên tử 4- Quy luật phân bố electron nguyên tử a - Nguyên lý loại trừ Pauli b - Nguyên lý vững bền c - Quy tắc Hund d- Giới thiệu quy tắc bão hoà bán bão hoà biên soạn: Nguyễn Kiên Quan hệ cấu trúc lớp vỏ điện tử nguyên tử với vị trí nguyên tố bảng HTTH II – LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ 1.CÁC ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN CỦA LIÊN KẾT HOÁ HỌC CÁC DẠNG LIÊN KẾT HOÁ HỌC (Liên kết ion; Liên kết cộng hoá trị; Liên kết kim loại; Liên kết hyđrô ) THUYẾT LIÊN KẾT HÓA TRỊ (VIẾT TẮT VB: Valence bond ) 3.2- Những luận điểm thuyết VB 3.3- Sự định hƣớng liên kết Liên kết  (xích ma) liên kết  (pi) SỰ LAI HÓA CÁC ORBITAL LIÊN KẾT 4.1- Điều kiện đời thuyết lai hóa - Khái niệm lai hóa 4.2- Một số kiểu lai hóa - Lai hóa sp - Lai hóa sp2 - Lai hóa sp3 4.3- Dự đoán kiểu lai hóa cấu trúc hình học phân tử biên soạn: Nguyễn Kiên 9/26/2015 THUYẾT ORBITAL PHÂN TỬ (MO- MOLECULAR ORBITAL (Muliken, Hund – Đức) 1927 CẤU TẠO PHÂN TỬ 6.1 Đặc điểm phân tử Phân tử phân cực phân tử không phân cực Mômen lưỡng cực Lực tương tác phân tử biên soạn: Nguyễn Kiên I- CẤU TẠO NGUYÊN TỬ - Khái niệm ngtử nhà triết học cổ Hylap đưa cách hai ngàn năm ( mang tên Hylap “ oo” nghĩa phân chia) - Năm 1807 Dalton, sở định luật hóa học đưa giả thuyết ngtử, thừa nhận ngtử hạt nhỏ cấu tạo nên chất, phân chia nhỏ phản ứng hóa học - Năm 1811 Avôgađrô sở thuyết ngtử Dalton đưa giả thuyết phân tử thừa nhận phân tử tạo thành từ ngtử, hạt nhỏ chất, mang đầy đủ tính chất chất - Năm 1861 thuyết ngtử, phân tử thức thừa nhận hội nghị hóa học giới họp Thụy sĩ - Đến cuối kỉ 19 đầu kỉ 20 với thành tựu vật lí, thành phần ngtử pháp biên soạn: Nguyễn Kiên 9/26/2015 1- Một số mẫu nguyên tử cổ điển 1.1- Mẫu Rutherford (Rơzơfo- Anh) 1911 biên soạn: Nguyễn Kiên Bằng thí nghiệm cho dòng  bắn qua vàng mỏng, năm 1911 nhà bác học Anh Rutherford đưa giả thuyết ngtử: - Trong nguyên tử có hạt nhân electron quay xung quanh giống hành tinh quay xung quanh mặt trời - Hạt nhân mạng điện tích dương, có kích thước nhỏ so với kích thước ngtử lại tập trung toàn khối lượng ngtử Mẫu hành tinh ngtử Rutherford giải thích kết thí nghiệm cho phép hình dung cách đơn giản cấu tạo ngtử Tuy nhiên không giải thích tồn ngtử tượng phát xạ quang phổ vạch ngtử biên soạn: Nguyễn Kiên 9/26/2015 1.2- Mô hình nguyên tử Bohr (Bo- Đan mạch) 1913 Dựa thuyết lượng tử Planck (Plăng) Bohr đưa hai định đề: - Trong nguyên tử electron chuyển động quỹ đạo xác định gọi quỹ đạo lượng tử Ứng với quỹ đạo có mức lượng xác định Mô men động lượng quỹ đạo lượng tử phải thỏa mãn điều kiện sau: mvr  n h 2π h – số Planck (6,62.10-27 erg.s= 6,62.10-34 j.s m – khối lượng electron v- vận tốc chuyển động electron r- bán kích quỹ đạo n- số lượng tử n = 1,2,3,4,5,…… Tích mvr gọi mômen động lượng biên soạn: Nguyễn Kiên - Khi electron chuyển động từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác xảy hấp thụ hay giải phóng lượng, lượng hấp thụ hay giải phóng hiệu mức lượng:  = h = En’ – En Thuyết Bohr cho phép giải thích cấu tạo quang phổ vạch nguyên tử hidro: Năng lượng e quỹ đạo n tính công thức; m – Khối lượng hạt e; m =9,109.10-31kg e – Điện tích hạt e; e = -1,602.10-19C ε0 – Hằng số điện môi chân không; ε0 = 8,854.10-12 S.I h – Hằng số Planck; h=6,625.10-34J.s biên soạn: Nguyễn Kiên 9/26/2015 Nếu tính theo đơn vị eV (1eV = 1,602.10-19 J) lượng e: Đối với ion electron (He+ Li2+ …) lượng e: Z – số hạt proton Khi e nhảy từ trạng thái lượng En’ trạng thái lượng En xảy phát xạ tia sáng có tần số  = En’ - En = h  Lyman (UV) Barman (VIS) 4.000A0 Paschen (IR) 8.000A0 n=6 n=5 n=4 n=3 n=2 Paschen (IR) Barman (VIS) n=1 Lyman (UV) biên soạn: Nguyễn Kiên Tuy nhiên thuyết Bohr có nhiều hạn chế như: - Không giải thích cấu tạo nguyên tử phức tạp, - Không giải thích tách vạch quang phổ tác dụng điện trường, từ trường Việc giải thích cấu tạo nguyên tử cách quán phải nhờ đến thuyết học lượng tử biên soạn: Nguyễn Kiên 9/26/2015 2- Những tiền đề học lƣợng tử 2.1- Thuyết lƣợng tử Planck (Plăng- Đức).1900 - Ánh sáng hay xạ nói chung liên tục mà gồm lượng nhỏ riêng biệt gọi lượng tử - Mỗi lượng tử mang lượng tính biểu thức: E  hν  - Là tần số xạ (2.2) 2.2- Thuyết sóng- hạt hạt vi mô Năm 1924 nhà vật lý học Pháp L.de Broglie (Đơ Brơi) sở thuyết sóng hạt ánh sáng đề giả thuyết: hạt vật chất chuyển động coi trình sóng đặc trưng bước sóng  tính theo hệ thức: λ h mv (2.3) m: Khối lượng hạt v: tốc độ chuyển động hạt h: số Planck (6,62.10-27 erg.s= 6,62.10-34 j.s biên soạn: Nguyễn Kiên Năm 1924 người ta xác định khối lượng electron, nghĩa thừa nhận electron có chất hạt Năm 1927 Davisson Germer thực nghiệm cho thấy tượng nhiễu xạ chùm electron Như chất sóng electron thừa nhận Như vậy: electron vừa có chất sóng vừa có chất hạt Đối với vật thể vĩ mô (m có giá trị lớn) nên bước sóng  có giá trị nhỏ nên ta bỏ qua chất sóng biên soạn: Nguyễn Kiên 9/26/2015 ví dụ 1: Electron khối lượng 9,1.10-28g chuyển động với vận tốc xấp xỉ 108m/s sinh sóng tính theo biểu thức (2.3) λ 6,62.1027  7.108 m 9,1.1028.108 ví dụ 2: Một ôtô khối lượng 1000kg chuyển động với vận tốc 72km/h sinh sóng tính theo biểu thức (2.3) λ 6,62.1027  3,3.1036 m 106.2.103 biên soạn: Nguyễn Kiên 2.3- Nguyên lí bất định Heisenberg (Haixenbec-Đức).1927 Đối với hạt vi mô xác định xác đồng thời tốc độ vị trí x: độ bất định vị trí h v : độ bất định tốc độ Δx.Δv  (2.4) 2πm m: khối lượng hạt Theo hệ thức việc xác định tọa độ xác việc xác định tốc độ xác nhiêu ví dụ: Nếu lấy độ bất định phép đo vị trí electron ngtửx 10-10m (ngtử có đường kính cỡ 10-8m) độ bất định phép đo tốc độ là: Δv  6,62.1027  1010 m/s 6,28.9,1.1028.1010 Nghĩa mắc phải sai số xấp xỉ vận tốc ánh sáng biên soạn: Nguyễn Kiên 9/26/2015 3- Khái niệm học lƣợng tử 3.1- Hàm sóng – phƣơng trình sóng Schrodinger Trạng thái hệ vĩ mô hoàn toàn xác định biết quỹ đạo vận tốc chuyển động Trong hệ vi mô, chất sóng – hạt nguyên lí bất định, khái niệm quỹ đạo không ý nghĩa Trong học lượng tử trạng thái electron quanh nhân nguyên tử mô tả hàm xác định gọi hàm sóng hay hàm trạng thái (x,y,z) (đọc là: Pơxi) Hàm sóng  nhận giải phương trình sóng Schrodinger ( Là phương trình mô tả trạng thái chuyển động hạt vi mô không gian Đó phương trình sóng nhà bác học Áo Schrodinger đưa năm 1926) Phương trình có dạng sau:       8 m    ( E  U )  (2.5) x y z h U: Thế hạt E: Năng lượng toàn phần hạt m: Khối lượng hạt biên soạn: Nguyễn Kiên Giải phương trình sóng Schrodinger tọa độ cầu ta hàm (r,,) , từ ta thấy hàm  phụ thuộc vào đại lượng: - Năng lượng toàn phần E; - Mô men động lượng M, - Hình chiếu mô men động lượng Mz electron Trong biểu thức tính đại lượng xuất số nguyên tương ứng gọi số lượng tử biên soạn: Nguyễn Kiên 9/26/2015 3.2 - Ý nghĩa số lƣợng tử Như nói số lượng tử xuất trình giải phương trình Schrodinger để tìm số đại lượng đặc trưng cho hàm sóng  Từ ta rút ra: hàm sóng  đặc trưng tham số: n, l, m, ms gọi số lượng tử a- Số lượng tử n - Số lượng tử chinh n xác định lượng electron ngtử theo biểu thức: En   Trong đó: -m khối lượng điện tử, m = 9,108.10-28 (g) - e điện tích điện tử , e = -1,6.10-19C - h số Planck, h = 6,62.10-27erg.s 2π mZ 2e (erg ) n 2h biên soạn: Nguyễn Kiên Nếu lượng tính jun (J) có dạng: En   2π Z2 me k n 2h k-hằng số cân điện tích k=9.109 J.m/c2 Nếu lượng tính electron vol (eV) với nguyên tử 1e (Z=1), biểu thức viết gọn dạng đơn giản: En   13,6 [ev] n2 (1eV = 1,6.10-19 J ) Như vậy, lượng electron phụ thuộc vào số lượng tử n - Số lượng tử n nhận giá trị từ 1,2,3,…,n - Các  có n có mức lượng n Kí hiệu lớp K Mức lượng E1 5…… L M N O…… E2 E3 E4 E5… n En biên soạn: Nguyễn Kiên Lớp học phần VNUA-Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 9/26/2015 https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ Giá trị n lớn lượng cao nên lelectron lớp lượng xa hạt nhân (càng bền) Như vậy: - Đối với ngtử hiđro hay ion electron: n đặc trưng cho mức lượng E electron ngtử hay ion - Đối với ngtử nhiều electron, tương tác electron với hạt nhân tương tác với electron với nhau, nên nặng lượng electron lúc phụ thuộc vào số lượng tử số lượng tử n số lượng tử phụ l Vì vậy, trường hợp giá trị n đặc trưng cho mức lượng trung bình electron lớp biên soạn: Nguyễn Kiên b- Số lượng tử phụ l Số lượng tử phụ l xác định mômen động lượng electron biểu thức: M  (  1) h 2π (2.10) Như vậy: - l xác định momen động lượng obital electron Chính hình dạng obitan nguyên tử - số lượng tử phụ l nhận giá trị 0,1,2 , n-1 Do vậy, số lượng tử phụ l xác định phân mức lượng phân lớp điện tử lớp n Để tiện sử dụng người ta dùng chữ thường để kí hiệu phân lớp e nguyên tử Thí dụ: Khi l = ký hiệu phân lớp e : s Khi l = ký hiệu phân lớp e : p Khi l = ký hiệu phân lớp e : d Khi l = ký hiệu phân lớp e : f Để phân biệt phân lớp tên lớp khác nhau, người ta đặt trước chữ số lượng tử biên soạn: Nguyễn Kiên 10 Lớp học phần VNUA-Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 9/26/2015 https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 3.3- Sự định hƣớng liên kết Liên kết  (xích ma) liên kết  (pi) Tùy theo cách thức xen phủ AO, Người ta phân biệt: LK  LK  - Liên kết : Là liên kết cộng hoá trị hình thành xen phủ lẫn orbitan dọc theo trục nối tâm nguyên tử s-s  s-p  p-p Một số dạng liên kết  - Liên kết : Là liên kết cộng hoá trị hình thành xen phủ orbitan dọc theo phương vuông góc với trục nối tâm nguyên tử tham gia liên kết p-p d-p d-d Một số dạng liên kết  biên soạn: Nguyễn Kiên SỰ LAI HÓA CÁC ORBITAL LIÊN KẾT 4.1- Điều kiện đời thuyết lai hóa - Khái niệm lai hóa Khi nghiên cứu tạo thành liên kết phân tử CH4, nhà hóa học Sleiter Pauling (Mỹ) đưa thuyết lai hoá Ta biết phân tử CH4 có liên kết C-H tạo thành orbital hoá trị cácbon 2s1, 2p3 với orbital 1s nguyên tử H Như phân tử CH4 phải có lk s-s lk s-p Nhưng thực nghiệm cho thấy lk CH4 giống định hướng theo hình tứ diện (tâm nguyên tử C, đỉnh nguyên tử H) Thuyết lai hoá cho tham gia liên kêt,1 orbital 2s orbital 2p C tổ hợp với để tạo orbital q lai hoá giống hệt hình dáng lượng Thuyết lai hoá phát biểu sau: ”Sự tổ hợp orbitan khác để tạo thành orbitan đồng hình dạng lượng tham gia liên kết gọi lai hoá orbitan liên kết” biên soạn: Nguyễn Kiên 20 9/26/2015 4.2-Một số kiểu lai hoá a Lai hoá sp3 Một AO-s tổ hợp với AO- p để tạo thành AO lai hoá có hình dạng, kích thước lượng hoàn toàn giống định hướng từ tâm tới đỉnh tứ diện gọi lai hoá sp3(lai hóa tứ diện) Trục AO-q tạo với góc 109028’ Trong Thí dụ CH4 ta vừa xét lai hoá sp3 Nguyên tử C CH4 có orbital lai hoá q giống hệt liên kết với nguyên tử H đỉnh tứ diện (tâm tứ diện nguyên tử C), tạo liên kết  Góc hoá trị HCH 109028’ Các orbitan s, px, py,pztrong ngtử C (Trước lai hoá) Các orbitan lai hóa ( Sau lai hoá sp3) Cấu trúc phân tử CH4 biên soạn: Nguyễn Kiên biên soạn: Nguyễn Kiên 21 9/26/2015 Các orbital lai hoá tham gia tạo liên kết , thường gặp nguyên tử O, N, C phân tử H2O; NH3; NH4+; CH4 ankan (CnH2n+2) nguyên tử bon có liên kết đơn biên soạn: Nguyễn Kiên b Lai hoá sp2 Một AO-s tổ hợp với AO- p để tạo thành AO lai hoá có hình dạng, kích thước lượng hoàn toàn giống định hướng từ tâm tới đỉnh tam giác gọi lai hoá sp2(lai hóa tam giác) Trục AO lai hóa tạo với góc 1200 1200 Các orbitan s, px, py ngtử trước lai hoá Các AO lai hóa sp2 Sự lai hoá Sp2 thường gặp hợp chất hyđrô bon có nối đôi dạng CnH2n: C2H4 ,C3H6 ,…, BH3, BF3 biên soạn: Nguyễn Kiên 22 9/26/2015 Chẳng hạn: Trong C2H4 (êtilen), nguyên tử C có lai hoá Sp2 tạo AO lai hóa : Mỗi nguyên tử C liên kết với AO lai hóa hình thành nên liên kết Hai AO lai hóa lại, liên kết với AO-1s nguyên tử hiđrô Như nguyên tử C lại AO- 2pz chưa bị lai hoá Các AO- 2pz nguyên tử C liên kết với để tạo liên kết  2p z 2pz H  1200 1200 120  H  Các AO 2s, 2px, 2py , 2pz ngtử C trước lai hoá AO lai hóa sp2 AO-2pz chưa lai hóa ngtử C  H C H H C H H   H  Các AO lai hóa sp2 AO-2pz tham gia liên kết phân tử C2H4 Như toàn phân tử C2H4 có liên kết và liên kết  Sơ đồ cấu trúc phân tử C2H4 biên soạn: Nguyễn Kiên c Lai hoá sp Một AO-s tổ hợp với 1AO-p, tạo AO lai hoá có hình dạng, kích thước lượng hoàn toàn giống gọi lai hoá sp Trục AO lai hóa tạo với góc 180 (nhiều lai hóa sp gọi lai hóa đường thẳng) Các orbitan s px trước lai hoá Các AO lai hóa sp Sự lai hoá sp thường gặp nguyên tử C có LK liên kết đôi liên hợp Như phân tử C2H2,CO2… Chẳng hạn phân tử C2H2: Mỗi nguyên tử C có lai hoá sp Giữa nguyên tử C có liên kết  tạo AO lai hoá Orbitan lai hoá lại liên kết với AO-1s nguyên tử Hyđrô tạo lk  Mỗi nguyên tử C AO 2py 2pz Trục chúng vuông góc với vuông góc với trục AO lai hoá xen phủ với tạo lk  Như phân tử C2H2 có liên kết  liên kết  biên soạn: Nguyễn Kiên 23 9/26/2015      Sơ đồ cấu trúc phân tử C2H2 biên soạn: Nguyễn Kiên Ngoài kiểu lai hoá có kiểu lai hoá liên quan đến AO-d, hay gặp kim loại d phức chất nêu bảng sau: Bảng: Các kiểu lai hoá hình dạng phân tử Kiểu phân tử AB2 AB3 AB4 AB4 AB5 AB6 Kiểu lai hoá A Hình dáng phân tử sp sp2 sp3 dsp2 sp3d sp3d2 đường thẳng tam giác tứ diện vuông lưỡng chóp bát diện Góc hoá trị 1800 1200 109028’ 900 900và1200 900 Thí dụ ZnCl2, CO2, BeCl2 SO3,BF3,AlCl3 NH4+,CH4,CCl4 [PtCl4]2,[Cu(NH3)4]2+ PCl5 SF6, SiF62- biên soạn: Nguyễn Kiên 24 9/26/2015 NH3 NH3 NH3 NH3 NH3 CN- CN- CN- CN- NH3 Các AO lai hóa d2sp3của Cr3+ tạo thành ion phức [Cr(NH3)6]3+ Các AO lai hóa dsp2 Ni2+ tạo thành ion phức [Ni(CN-)4]2- biên soạn: Nguyễn Kiên 4.3- Dự đoán kiểu lai hoá cấu trúc hình học ptử Dựa vào mô hình đẩy cặp e hóa trị: “ cặp e hóa trị liên kết không liên kết phân bổ xung quanh ngtử A phân tử cho lực đẩy chúng nhỏ nhất” Như vậy, kí hiệu số cặp e hóa trị lk không lk xquanh A phân tử n ( ta hạn chế xét số cặp e n = 2, 3, 4), ta có: n Hình học n cặp e A A Cấu trúc thẳng Cấu trúc tam giác A Cấu trúc tứ diện biên soạn: Nguyễn Kiên 25 9/26/2015 Trường hợp có lk đôi, lk ba coi lk đơn để tính giá trị n Trường hợp e chưa tham gia lk coi giống 1cặp e chưa lk Dựa vào mô hình ta dự đoán kiểu lai hóa AO hóa trị ngtử A phân tử cách tính tổng số n sau: n = tổng số ngtử lk trực tiếp với ngtử A + Số cặp e (đôi e) hóa trị A chưa tham gia lk Nếu: n = : có lai hóa sp3 n = 3: có lai hóa sp2 n = : có lai hóa sp Ví dụ: BeH2 có lai hóa sp, cấu trúc thẳng BF3 có lai hóa sp2, cấu trúc tam giác SO2 có lai hóa sp2, cấu trúc tam giác NH3 , H2O có lai hóa sp3, cấu trúc tứ diện biên soạn: Nguyễn Kiên THUYẾT ORBITAL PHÂN TỬ (MO- MOLECULAR ORBITAL) (Muliken, Hund – Đức) 1927 5.1 – Luận điểm thuyết MO - Phân tử coi hạt thống nhất, e liên kết chuyển động (tương tự nguyên tử), điện trường gây hạt nhân e lại - Trong phân tử, trạng thái e mô tả MO (trong ngtử, trạng thái e mô tả AO) - Khi ngtử vào liên kết, AO chúng tổ hợp (xen phủ) với tạo MO Cứ tổ hợp AO MO Điều kiện để có tổ hợp là: + Năng lượng AO xấp xỉ + Các AO có đối xứng giống so với trục liên kết + Sự xen phủ phải đạt mức độ rõ rệt - Trong phân tử e phân bố dần vào MO: ( , *, , *, , ) theo số quy tắc định: nglí Pauli, nglí vững bền, quy tắc Hund giống ngtử biên soạn: Nguyễn Kiên 26 9/26/2015 5.2 – Khái niệm MO liên kết MO phản liên kết Các MO tổ hợp tuyến tính AO: MO= C1 A+ C2 B+ … Thí dụ: Đối với phân tử H2 MO tổ hợp từ hai AO A B hai ngtử hiđro Ha Hb MO= C1 A+ C2 B C1, C2 hệ số cho biết đóng góp AO vào MO Trong trường hợp phân tử đồng hạch ( phân tử tạo từ ngtử ngtố), phtử H2 C12 = C22  C1 = ± C2 Như vậy, tổ hợp AO A B ngtử H ta thu MO:  + = C  A + C2  B - = C1 A - C2 B Khi trạng thái e phân tử mô tả + xác suất có mặt e tập trung vùng hạt nhân ngtử lớn, tạo hút hai hạt nhân với lk hình thành MO mô tả hàm + gọi MO liên kết(MOlk) Ngược lại, hàm - xác suất có mặt e hạt nhân 0, lk không hình thành Vì MO mô tả hàm - gọi MO phản liên kết (MO*) biên soạn: Nguyễn Kiên 5.3 – Cấu hình electron phân tử a- Các MO tổ hợp từ AO-s *1s E  +-  MO*(*) 1s 1s 1s  ++  - 1s MOlk(lk) AO MO 1s AO Các MO liên kết, phản liên kết giản đồ lượng phân tử tổ hợp AO-1s Về mặt lượng MO 1s < *1s Chú ý: Khi tổ hợp AO-2s; 3s… ta thu 2s < *2s… Như vậy,về mặt lượng ta có: 1s < *1s< 2s < *2s… biên soạn: Nguyễn Kiên 27 9/26/2015 b- Các MO tổ hợp từ AO-pZ MO*(*z ) *z E  +-  - pz pz pz pz  ++  - MO (z) AO MO z AO Các MO liên kết, phản liên kết giản đồ lượng phân tử tổ hợp AO-pz biên soạn: Nguyễn Kiên c- Các MO tổ hợp từ AO-px hay py MO*(*x ) *z E  +-  - px px *x= *y px py pz  ++  - x = y pz py px z MO (x) AO MO AO Các MO liên kết, phản liên kết giản đồ lượng phân tử tổ hợp AO-px py Dựa vào giản đồ lượng, ta biết trật tự lượng Đối với phân tử tạo thành từ ngtử cuối chu kì O2; F2… Trật tự lượng sau: 1s < *1s< 2s < *2s< z < x= y< *x= *y< *z Đối với phân tử tạo thành từ ngtử đầu chu kì N2 Trật tự lượng sau: 1s < *1s< 2s < *2s< x= y< z < *x= *y< *z biên soạn: Nguyễn Kiên 28 9/26/2015 CẤU TẠO PHÂN TỬ 6.1 Đặc điểm phân tử Trong phân tử, hạt nhân nguyên tử mang điện tích dương, electron mang điện tích âm Giữa hạt điện tích dương âm có điểm gọi trọng tâm điện tích dương âm Nếu trọng tâm điện tích trái dấu trùng ta có phân tử không phân cực Trong trường hợp ngược lại, trọng tâm điện tích dương âm không trùng ta có phân tử phân cực (Phân tử không phân cực) (Phân tử phân cực) (Phân tử Ion) biên soạn: Nguyễn Kiên Mômen lưỡng cực Khoảng cách trọng tâm điện tích dương âm phân tử gọi độ dài lưỡng cực(ký hiệu: l) Tích số l điện tích q e gọi Mô men lưỡng cực( )  = q l Đơn vị  Debye (D) 1D = 3,33.10-30C.m Như phân tử không phân cực  = (vì l= 0) Phân tử phân cực    lớn phân tử phân cực Mômen lưỡng cực liên quan chặt trẽ đến cấu trúc hình học nguyên tử phân tử + - - - HCl + + - C2H2Cl2 biên soạn: Nguyễn Kiên 29 Lớp học phần VNUA-Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 9/26/2015 biên soạn: Nguyễn Kiên   Đối với phân tử nguyên tử (AB): ví dụ HCl, HBr, HI… Mômen lưỡng cực  phân tử mômen liên kết liên kết gữa nguyên tử AB Đối với phân tử nguyên tử (ABC): ví dụ H2O… Giá trị  tính theo sơ đồ cộng vectơ B 2 1 2  α μ  μ  μ  2μ μ cosα A 2 C Như vậy,đối với phân tử có cấu trúc thẳng có  =0 CO2…… O C O Còn phân tử có cấu trúc không thẳng  ≠ H2O… Nhờ giá trị  tính toán so sánh với giá trị  xác định thực nghiệm cho phép ta thiết lập cấu trúc hình học phân tử biên soạn: Nguyễn Kiên 30 9/26/2015 Lực tương tác phân tử 6.3.1 Lực tƣơng tác Van der Waals a-Lực định hướng(Uđh) (2 kJ/mol) Là lực phát sinh phân tử phân cực với + HCl - r Giá trị lực định hướng tính theo công thức U đh   2μ 3r kT Trong đó: r- khoảng cách tâm phân tử µ - mômen lưỡng cực T – Nhiệt độ tuyệt đối k- số Boltzmann (1,3805.10-23 J.K-1) biên soạn: Nguyễn Kiên b Lực cảm ứng (Uc) (2 kJ/mol) Đó lực tương tác phân tử phân cực với phân tử không phân cực Khi phân tử không phân cực tiếp xúc với phân tử phân cực Do tượng cảm ứng phân tử không phân cực xuất lưỡng cực cảm ứng tức thời trở thành phân tử phân cực r Uc   2.α  r6 : hệ số phân cực hóa biên soạn: Nguyễn Kiên 31 9/26/2015 c Lực khuếch tán(Ukt) (2 kJ/mol) Do chuyển động e orbitan gây thăng giáng mật độ điện tích âm quanh hạt nhân nguyên tử Mặt khác, hạt nhân nguyên tử dao động quanh vị trí cân chúng Do đó, chúng xuất mô men lưỡng cực thời r U kt   ν ν h α1 α 2 r6 ν1  ν h số plăng 1 ,2 độ phân cực phân tử 1, 2 tần số dao động dao động phân tử Nếu phân tử loại 1 = 2, 1 = 2 thì: U kt   hν α r6 biên soạn: Nguyễn Kiên Ví dụ: tương tác nguyên tử He He e- e2+ e- 2+ e- - + - + biên soạn: Nguyễn Kiên 32 9/26/2015 6.3.2 Lực liên kết hiđro (20 kJ/mol) N-H+ + O-H F-H+ + - + - -N-OF- biên soạn: Nguyễn Kiên Liên kết hiđrô giải thích được: - Điểm sôi bất thường hợp chất H2O, NH3, HF… Hợp chất M Ts (0C) Hợp chất M Ts (0C) Hợp chất M Ts (0C) NH3 17 -32,5 H2O 18 100 HF 20 10,5 PH3 34 -87,0 H2S 34 -60 HCl 36,5 -84,0 AsH3 78 -54,5 H2Se 81 -42,5 HBr 81 -66,0 SbH3 131 -17,0 H2Te 130 -2,5 HI 128 -35,0 - Liên kết hiđrô có tính định hướng: vậy, làm ảnh hưởng đến trình kết tinh cấu trúc kết tinh Ví dụ hình thành tinh thể nước đá Nguyên tử oxi bao quanh nguyên tử hiđrô làm cho cấu trúc nước đá xốp, suốt - Liên kết hiđrô ảnh hưởng lớn đến trình hòa tan lẫn chất lỏng: Ví dụ, rượu etylic nước hòa tan vào theo tỷ lệ biên soạn: Nguyễn Kiên 33 Lớp học phần VNUA-Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ BÀI TẬP (cấu tạo chất) 9/26/2015 B.soạn: TKiên Bài Phát biểu định đề Bohr Hãy nêu ưu điểm hạn chế thuyết Bohr cấu tạo ngtử Bài Nội dung biểu thức nguyên lí bất định Heisenberg Áp dụng biểu thức Heisenberg tính x v trường hợp sau đưa nhận xét a Quả bóng bàn bay, biết m=10g, x = 0,01mm b.Electron ngtử, biết v = 106m/s Bài 3.Nội dung thuyết sóng vật chất hệ thức De broglie Tính bước sóng  sinh của: a Chuyển động ôtô, khối lượng m = tấn, tốc độ v=100km/h b Chuyển động electron ngtử với tốc độ v = 106m/s Bài 4.Tại người ta nói phương trình Schrodinger phương trình học lượng tử.Hãy cho biết khái niệm hàm sóng  ý nghĩa vật lí 2 Bài 5.Viết phương trình Schrodinger ngtử hiđrô Giải thích kí tự phương trình Orbital nguyên tử gì? Bài 6.Viết biểu thức toán học hàm sóng mô tả trạng thái electron ngtử hyđrô Từ hàm suy phân bố mật độ xác suất có mặt electron nào? Thế mây electron? biên soạn: Nguyễn Kiên Bài 7.Hãy viết biểu thức tính lượng, mômen động lượng, hình chiếu mômen động lượng electron ngtử hyđro cho biết ý nghĩa số lượng tử Bài 8.Tính lượng mà ngtử hyđro hấp thụ electron chuyển từ trạng thái n=1 đến trạng thái n=2 Bài 9.Cho orbital nguyên tử 1s; 2s; 2px; 2py; 2pz Hãy viết kí hiệu orbital tương ứng với số lượng tử n.l,m Bài 10.Xét AO sau ngtử hyđro: 1.0,0; 2.1,1; 3.2,0 Hãy vẽ hình dạng AO Bài 11.Tính số electron tối đa có phân lớp có l=1; l=3 lớp thứ 3; 4; Bài 12.a Tính độ dài liên kết phân tử HCl Biết mômen lưỡng cực 3,43.10 -30C.m; e=1,6.10-19C b Phân tử nước có độ dài lưỡng cực 0,38.10-10m Hãy tính mômen lưỡng cực phân tử đơn vị đơbai (D) Biết 1D=3,3.10-30 C.m biên soạn: Nguyễn Kiên 34 [...]... (đôi khi chỉ 1 e) hóa trị A chưa tham gia lk Nếu: n = 4 : có lai hóa sp3 n = 3: có lai hóa sp2 n = 2 : có lai hóa sp Ví dụ: BeH2 có lai hóa sp, cấu trúc thẳng BF3 có lai hóa sp2, cấu trúc tam giác đều SO2 có lai hóa sp2, cấu trúc tam giác đều NH3 , H2O có lai hóa sp3, cấu trúc tứ diện đều biên soạn: Nguyễn Kiên 5 THUYẾT ORBITAL PHÂN TỬ (MO- MOLECULAR ORBITAL) (Muliken, Hund – Đức) 1 927 5.1 – Luận điểm... 2pz H  120 0 0 120 0 120  H  Các AO 2s, 2px, 2py , 2pz trong ngtử C trước khi lai hoá 3 AO lai hóa sp2 và AO-2pz chưa lai hóa trong ngtử C  H C H H C H H   H  Các AO lai hóa sp2 và AO-2pz đã tham gia liên kết trong phân tử C2H4 Như vậy toàn bộ phân tử C2H4 có 5 liên kết và 1 liên kết  Sơ đồ cấu trúc phân tử C2H4 biên soạn: Nguyễn Kiên c Lai hoá sp Một AO-s tổ hợp với 1AO-p, tạo ra 2 AO lai hoá... Kiên 22 9 /26 /20 15 Chẳng hạn: Trong C2H4 (êtilen), mỗi nguyên tử C đều có lai hoá Sp2 tạo ra 3 AO lai hóa : Mỗi nguyên tử C liên kết với nhau bằng một AO lai hóa hình thành nên 1 liên kết Hai AO lai hóa còn lại, liên kết với 2 AO-1s của 2 nguyên tử hiđrô Như vậy mỗi nguyên tử C chỉ còn lại 1 AO- 2pz chưa bị lai hoá Các AO- 2pz của 2 nguyên tử C sẽ liên kết với nhau để tạo ra liên kết  2p z 2pz H  120 0... phức chất nêu ở bảng sau: Bảng: Các kiểu lai hoá và hình dạng phân tử Kiểu phân tử AB2 AB3 AB4 AB4 AB5 AB6 Kiểu lai hoá ở A Hình dáng phân tử sp sp2 sp3 dsp2 sp3d sp3d2 đường thẳng tam giác tứ diện vuông lưỡng chóp bát diện Góc hoá trị 1800 120 0 109 028 ’ 900 900và 120 0 900 Thí dụ ZnCl2, CO2, BeCl2 SO3,BF3,AlCl3 NH4+,CH4,CCl4 [PtCl4 ]2, [Cu(NH3)4 ]2+ PCl5 SF6, SiF 62- biên soạn: Nguyễn Kiên 24 9 /26 /20 15 NH3... sp2 Một AO-s tổ hợp với 2 AO- p để tạo thành 3 AO lai hoá có hình dạng, kích thước và năng lượng hoàn toàn giống nhau định hướng từ tâm tới 3 đỉnh tam giác đều gọi là lai hoá sp2(lai hóa tam giác) Trục các AO lai hóa tạo với nhau 1 góc 120 0 120 0 Các orbitan s, px, py trong ngtử trước khi lai hoá Các AO lai hóa sp2 Sự lai hoá Sp2 thường gặp trong các hợp chất hyđrô các bon có 1 nối đôi dạng CnH2n: C2H4... như H2O… Giá trị  được tính theo sơ đồ cộng vectơ B 2 2 2 1 1 2 1 2  α μ  μ  μ  2 μ cosα A 2 C Như vậy,đối với phân tử có cấu trúc thẳng có  =0 như CO2…… O C O Còn đối với phân tử có cấu trúc không thẳng thì  ≠ 0 như H2O… Nhờ các giá trị  tính toán được so sánh với giá trị  xác định bằng thực nghiệm cho phép ta thiết lập được cấu trúc hình học của phân tử biên soạn: Nguyễn Kiên 30 9 /26 /20 15... được: - Điểm sôi bất thường của các hợp chất như H2O, NH3, HF… Hợp chất M Ts (0C) Hợp chất M Ts (0C) Hợp chất M Ts (0C) NH3 17 - 32, 5 H2O 18 100 HF 20 10,5 PH3 34 -87,0 H2S 34 -60 HCl 36,5 -84,0 AsH3 78 -54,5 H2Se 81 - 42, 5 HBr 81 -66,0 SbH3 131 -17,0 H2Te 130 -2, 5 HI 128 -35,0 - Liên kết hiđrô có tính định hướng: vì vậy, nó làm ảnh hưởng đến quá trình kết tinh và cấu trúc kết tinh Ví dụ sự hình thành... lai hoá sp Trục của 2 AO lai hóa tạo với nhau một góc 180 0 (nhiều khi lai hóa sp gọi là lai hóa đường thẳng) Các orbitan s và px trước khi lai hoá Các AO lai hóa sp Sự lai hoá sp thường gặp ở các nguyên tử C có LK 3 hoặc liên kết đôi liên hợp Như trong phân tử C2H2,CO2… Chẳng hạn trong phân tử C2H2: Mỗi nguyên tử C có sự lai hoá sp Giữa 2 nguyên tử C có 1 liên kết  được tạo bởi 2 AO lai hoá Orbitan... Orbitan lai hoá còn lại sẽ liên kết với AO-1s của nguyên tử Hyđrô tạo lk  Mỗi nguyên tử C còn 2 AO 2py và 2pz Trục của chúng vuông góc với nhau và vuông góc với trục của các AO lai hoá và sẽ xen phủ với nhau tạo lk  Như vậy trong phân tử C2H2 có 3 liên kết  và 2 liên kết  biên soạn: Nguyễn Kiên 23 9 /26 /20 15      Sơ đồ cấu trúc phân tử C2H2 biên soạn: Nguyễn Kiên Ngoài các kiểu lai hoá trên còn có... 1 2 2 r6 ν1  ν 2 h là hằng số plăng 1 , 2 là độ phân cực của các phân tử 1, 2 là tần số dao động của các dao động trong phân tử Nếu 2 phân tử cùng loại 1 = 2, 1 = 2 thì: U kt   3 hν 2 α 4 r6 biên soạn: Nguyễn Kiên Ví dụ: sự tương tác giữa các nguyên tử He He e- e2+ e- 2+ e- - + - + biên soạn: Nguyễn Kiên 32 9 /26 /20 15 6.3 .2 Lực liên kết hiđro (20 kJ/mol) N-H+ + O-H F-H+ + - + - ... tương tác nguyên tử He He e- e2+ e- 2+ e- - + - + biên soạn: Nguyễn Kiên 32 9/26/2015 6.3.2 Lực liên kết hiđro (20 kJ/mol) N-H+ + O-H F-H+ + - + - -N-OF - biên soạn: Nguyễn Kiên Liên... SiF6 2- biên soạn: Nguyễn Kiên 24 9/26/2015 NH3 NH3 NH3 NH3 NH3 CN- CN- CN- CN- NH3 Các AO lai hóa d2sp3của Cr3+ tạo thành ion phức [Cr(NH3)6]3+ Các AO lai hóa dsp2 Ni2+ tạo thành ion phức [Ni(CN-)4] 2-. .. được: - Điểm sôi bất thường hợp chất H2O, NH3, HF… Hợp chất M Ts (0C) Hợp chất M Ts (0C) Hợp chất M Ts (0C) NH3 17 -3 2,5 H2O 18 100 HF 20 10,5 PH3 34 -8 7,0 H2S 34 -6 0 HCl 36,5 -8 4,0 AsH3 78 -5 4,5