Cơ sở lý luận Trong phần đề tài này tôi đề cặp đến cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học, về kiến thức của hai phần này cũng có khá nhiều trong các sách ở chương trình đại học và sau đạ
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐỒNG NAI
TRƯỜNG THPT NGÔ QUYỀN
Mã số: (Do HĐKH Sở GD&ĐT ghi)
HỆ THỐNG LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ
VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC TRONG
Có đính kèm: Các sản phẩm không thề hiện trong bản in SKKN
Mô hình Phần mềm Phim ảnh Hiện vật khác
Năm học: 2012-2013
Trang 2SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC
I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN
1 Họ và tên: Võ Thị Mai Hoàng
2 Ngày tháng năm sinh: 3/11/1981
8 Đơn vị công tác: Trường THPT Ngô Quyền
II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO
- Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất:Thạc sĩ
- Năm nhận bằng: 2009
- Chuyên ngành đào tạo: Hóa Hữu Cơ
III KINH NGHIỆM KHOA HỌC
- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm:giảng dạy môn hoá
Số năm có kinh nghiệm:4 năm
- Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây:
1.Hướng dẫn học viên ôn tập phần hóa hữu cơ đề thi tốt nghiệp năm 2010-2011
Trang 3Tên SKKN : HỆ THỐNG LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP VỀ CẤU TẠO NGUYÊN TỬ VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC TRONG CHƯƠNG
TRÌNH THPT
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Theo xu hướng gần đây, ngành giáo dục nước ta có các chính sách giảm tải cho các chương trình học phổ thông của nhiều môn nói chung và môn hóa nói riêng Vì vậy, kiến thức của học sinh cũng không chuyên sâu và không có tính mạch lạc, đặc biệt đối với học sinh yêu thích hóa
Trong phần hóa phổ thông của chương trình hóa 10 chương nguyên tử và liên kết hóa học là phần kiến thức nền tảng và rất quan trọng của cấu tạo chất Tuy nhiên trong phân này sách giáo khoa trình bày chỉ là kiến thức cơ bản cho các học sinh không chuyên sâu Và nếu đối với học sinh giỏi vẫn chưa đầy đủ kiến thức của hai chương nà, vì vậy để đáp ứng nhu cầu này cho các học sinh 10, hay học sinh giỏi trong các kỳ thi lớn, tôi đã soạn đề tài sáng kiến kinh nghiệm “ Hệ thống lý thuyết
và bài tập về cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học trong chương trình THPT” để giúp ít phần nào vào kho kiến thức của học sinh cũng như tư liệu cho giáo viên giảng dạy
Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi sai sót, mong đọc giả góp ý để phần
đề tài này tốt hơn Xin chân thành cảm ơn
Trang 4I.TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
1 Cơ sở lý luận
Trong phần đề tài này tôi đề cặp đến cấu tạo nguyên tử và liên kết hóa học,
về kiến thức của hai phần này cũng có khá nhiều trong các sách ở chương trình đại học và sau đại học học sinh có thể tìm đọc, tuy nhiên những cuốn sách ấy hay những tư liệu ấy quá chuyên sâu không thích hợp với học sinh phổ thông lĩnh hội được (như Hóa đại cương của N.L.Glinka hay Hóa lượng tử - Lê Khắc Tích, …)
Nội dung phần đề tài này tôi hệ thống lý thuyết và bài tập về cấu tạo nguyên
tử và liên kết hóa học theo từng phần một và bám sát với tư duy của học sinh phổ
thông và nội dung gồm các phần sau:
Phần 1 Cấu tạo nguyên tử
1.5.2 Những cơ sở để viết cấu hình electron
1.5.2.1 Nguyên lý vững bền hay nguyên lý năng lượng cực tiểu
Phần 2 Tổng năng lượng nguyên tử
2.1 Tổng năng lượng các electron trong nguyên tử
2.2 Năng lượng ion hóa
3.1.2.1 Thuyết lại hóa VB
3.1.2.2 Lai hóa obitan
3.1.2.2.1 Điều kiện xảy ra lai hóa
3.1.2.2.2 Các dạng lai hóa
3.1.2.2.2.1 Lai hóa sp
Trang 53.1.2.8 Liên kết kim loại
3.2 Tinh thể nguyên tử và phân tử
3.2.1 Tinh thể nguyên tử
3.2.2 Tinh thể phân tử
3.3 Liên kết hidro
3.4 Bài tập
Trang 62 Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài
Phần 1 CẤU TẠO NGUYÊN TỬ 1.1 Thành phần nguyên tử
Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương nằm ở tâm nguyên tử, có kích thước rất nhỏ so với kích thước của nguyên tử Các electron chuyển động tạo ra lớp vỏ nguyên tử
Hạt nhân gồm các hạt proton và nơtron Như vậy nguyên tử được cấu tạo bởi các hạt cơ bản là: electron và nơtron
- Đặc điểm về điện tích và khối lượng của hạt proton, electron, nơtron: Hạt nơtron không mang điện tích, hạt electron mang điện tích âm (-1), hạt proton mang điện tíchdương (+1).Khối l ượng của h ạt proton và nơtron xấp xỉ nhau và gần bằng 1u (đvC), khối l ượng của hạt electron không đáng kể so với hạt
p, n Như vậy, khối lượng của nguyên tử tập trung phần lớn ở hạt nhân nguyên tử, khối lượng của các hạt electron không đáng kể (hạt nhân là hạt có khối lượngriêng rất lớn)
1.2 Lớp và phân lớp
Tong nguyên tử, các electron được sắp xếp thành từng lớp Các electron trên cùng một lớp có năng lượng gần bằng nhau Những electron ở lớp bên trong liên kết với hạt nhận bền chặt hơn ở lớp bên ngoài Do đó năng lượng của electron ở lớp trong thấp hơn ở lớp ngoài Vì vậy năng lượng của electron chủ yếu phụ thuộc vào số thứ tự của lớp
- Thứ tự các lớp electron đượcghi bằng số nguyên tử n = 1, 2, 3, … 7 ứng với tên lớp K, L, M, … Q
- Mỗi lớp electron phân chia thành các lớp, được ký hiệu bằng các chữ cái viết thường: s, p, d, f Các electron trên cùng một phân lớp có năng lượng bằng nhau Số phân lớp trên mỗi lớp bằng số thứ tự của lớp đó (lớp thứ n có n phân lớp) Tuy nhiên, trên tựhc tế với hơn 110 nguyêntố chỉ có electron điền vào 4 phân lớp là s, p, d, f Các electron thuộc phân lớp s được gọi là electron s, phân lớp p được gọi là electron p,…
1.3 Obitan nguyên tử
1.3.1 Khái niệm: Obitan nguyên tử là khu vực không gian xung quanh hạt nhân
mà tại đó xác suất có mặt electron khỏng 90%
1.3.2 Hình dạng các obitan
Số obitan trong một phân lớp: phân lớp s có 1 AO, phân lớp p có 3 AO, phân lớp d
có 5AO, phân lớp f có 7 AO
Hình dạng Obitan:
Trang 71.4 Ký hiệu nguyên tử
Để biết được các cấu tử chính, bền, có trong một nguyên tử, nguời ta dùng ký hiệu sau đây để biểu thị nguyên tử:
X: Ký hiệu nguyên tử của nguyên tố hóa học (nhưNa, H, Fe, Cl)
Z: số thứ tự nguyên tử (atomic number), bậc số nguyên tử, sốhiệu nguyên tử, số điện tích hạt nhân Có Z proton trong nhân nguyên tử Có Z điện tử ở ngoài nhân (nếu không là một ion) Nguyên tố X ở ô thứ Z trong bảng phân loại tuần hoàn A: Số khối (Số khối lượng, mass number), có A proton và neutron trong nhân nguyên tử Có (A - Z) neutron trong nhân
Do hiện nay người ta sắp xếp các nguyên tố hóa học theo thứ tự tăng dần của Z, vì thế Z được gọi là số thứ tự nguyên tử hay bậc số nguyên tử Các nguyên tửcủa cùng một nguyên tố thì có cùng số thứ tự nguyên tử Z, căn cứ vào Z ta biết đó là nguyên tửcủa nguyên tố nào, nên Z còn được gọi là số hiệu (số nhãn hiệu, đặc hiệu) Điện tích của một proton là điện tích nhỏ nhất được biết hiện nay, nên Z còn được gọi là điện tích hạt nhân
1.5 Cấu hình electron
1.5.1 Khái niệm
Cấu hình electron của nguyên tử nói chung là sơ đồ biểu thị sự phân bố các electron theo số lượng tử chính và số lượng tử phụ (n và l) hay theo lớp và phân lớp electron Một số cấu hình electron tiêu biểu như sau:
O: 1s2 2s2 2p4 hay [He] 2s2 2p4
Na : 1s2 2s2 2p6 3s1 hay [Ne] 3s1
Sự sắp xếp các electron vào nguyên tử là một trong những vấn đề quan trọng khi xét nguyên tử có nhiều electron Kết quả của sự sắp xếp đó được biểu diễn một cách khái quát bằng cấu hình electron và cơ sở để viết cấu hình electron của nguyên tử nhiều electron
1.5.2 Những cơ sở để viết cấu hình electron
1.5.2.1 Nguyên lý vững bền hay nguyên lý năng lượng cực tiểu
Trạng thái hệ lượng tửcó năng lượng thấp nhất hay cực tiểu là trạng thái cơ bản,
đó cũng là trạng thái bền vững nhất của hệ Nguyên lý trên thểhiện một quy luật của thế giới tự nhiên là luôn luôn có xu hướng đạt tới sự bền vững nhất Sự sắp xếp
Trang 8các electron vào các AO trong nguyên tửcũng không nằm ngoài qui luật này Theo
ñó, trong nguyên tử, electron chiếm mức năng lượng thấp trước, tiếp ñến các mức năng lượng cao hơn Trạng thái hệ có năng lượng thấp nhất là trạng thái cơbản
1.5.2.2 Quy tắc Klechkovxki
Việc xuất hiện tương tác giữa các electron trong nguyên tử nhiều electron cũng như tương tác giữa hạt nhân và các electron ñã làm cho năng lượng của các obitan nguyên tửkiểu hidro không còn như trong nguyên tử hidro nữa Một qui tắc kinh nghiệm đơn giản nhất mô tả sự thay đổi này chính là qui tắc Klechkovxki Nội dung của qui tắc này như sau:
Năng lượng của phân mức εn,l tăng dần theo sự tăng của tổng trịsố(n + l), nếu hai phân mức có cùng trị của tổng (n + l) thì εn,l tăng theo sự tăng của n
Với n là số lượng tử chính, l là số lượng tử phụ, có thể diễn đạt nội dung của quy tắc đó bằng sơ đồ sau:
Trang 9Nếu giả thiết rằng ở lớp K có thêm một electron thứ 3 thì nó sẽ có giá trị bốn số lượng tử trùng với một trong hai electron đã có, như vậy mâu thuẫn với nguyên lý pauli
Dựa vào nguyên lý pauli có thể tính được số electron tối đa trên một obitan
nguyên tử, trong một phân lớp và trong một lớp electron, cụ thể:
- Mỗi AO có thể chứa tối đa hai electron có spin khác nhau
- Số electron tối đa có thểcó ở các phân lớp: phụ thuộc vào số lượng tử obitan l và được xác định bằng công thức 2(2l + 1)
- Số electron nhiều nhất ởcác lớp: phụ thuộc vào số lượng tử n và được xác định bằng công thức 2n2 (đúng đối với n ≤4) [Lớp thứn có n2 AO nên trong mối lớp có tối đa 2n2
electron]
Ví dụ 2: Tính số electron nhiều nhất ở phân lớp np, ở đây n có giá trị bất kỳ, chẳng hạn n = 2, còn p ứng với l = 1 Từ đó ta có: n = 2 l = 1 m = -1 ms=+1/2
ms= -1/2 ứng với AO 2py có nhiều nhất 2 electron
Vậy phân lớp p có nhiều nhất 6 electron
Bằng cách tương tự ta tính được sốelectron tối đa ở các phân lớp d = 10, f = 14
Ví dụ 3: Khi n = 2, thì số electron tối đa là: 2.22
= 8 (e)
1.5.2.4 Qui tắc Hund
Qui tắc Hund 1(qui tắc tổng spin cực đại)
Trong nguyên tử ở dạng trạng thái cơ bản, các electron thuộc cùng một phân lớp sẽ được phân bố đều vào các ô lượng tửsao cho tổng spin S của chúng là cực đại (tổng sốelectron độc thân là cực đại)
1.6.1 Số lượng tử chính (hay số lớp) – ký hiệu n
Số lượng tử chính là mô tả mức năng lượng trong nguyên tử hay còn gọi là số lớp Giá trị của các mức năng lượng từ 1 đến 7 Giá trị mức năng lượng càng lớn thì năng lượng càng cao
Trang 10Số electron cực đại có thể điền vào lớp n là 2n2
1.6.2 Số lượng tử xung lượng (phân lớp)- ký hiệu l
Số lượng tử xung lượng mô tả các lớp phụ trong n hay còn gọi là phân lớp
Các phân lớp của các ngyên tố đã biết là s-p-d-f
Các giá trị của l = 0 là phân lớp s, l =2 là phân lớp p, l = 0 là phân lớp d, l = 3 là phân lớp f
Giá trị l lớn hơn thì biểu thị năng lượng lớn hơn một chút
1.6.5 Các qui luật chi phối sự kết hợp các số lượng tử từ
Ba số lượng tử n, l và m đều là số nguyên
Số lượng tử chính (n) không thể là zero
Số lượng tử góc (l) có thể có các số nguyên nằm giữa 0 và n-1
Số lượng tử từ (m) có thể là bất kỳ số nguyên nào nằm giữa –l và +l
Số lượng tử spin (s) nhận giá trị -1/2 và +1/2
Chú ý rằng số lượng tử chính và số lượng tử góc xung lượng mới
có ảnh hưởng về mặt năng lượng, nếu khoảng cách của các n là lớn hơn thì khoảng cách giữa các l sẽ nhỏ hơn Tuy nhiên nhiều bước nhỏ sẽ trở thành một bước lớn Một iu luật rất hữu dụng là nếu
Trang 11tổng n+ l lớn hơn thì năng lượng sẽ lớn hơn N61u 2 giá trị của tổng n + l bằng nhau thì electron nào cĩ n nhỏ hơn thì năng lượng
sẽ nhỏ hơn Năng lượng nhỉ hơn sẽ bền hơn, Năng lượng thấp nhất
Năng lượng thấp nhất cĩ tổng n+l thấp nhất Các electron C và E cĩ cùng giá trị 5
mà E cĩ n thấp hơn sẹ cĩ năng lượng thấp hơn Các electron H và F cũng cĩ cùng giá trị thổng n +l và H cĩ năng lượng thấp hơn Các electron A và G cĩ cùng giá trị
n và l do vậy chúng cĩ cùng năng lượng
Năng lương: B<A=G<H<F<E<C<D
1 Nguyên tố A: n = 2 ; lớp 2 ; l = 1 : phân lớp p ; m= -1 obitan px ; s
= -1/2 electron cuối ở px
Vậy A có cấu hình electron 1s2 2s2 2p4; nguyên tố A có số thứ tự 8 chu kì 2; nhóm VIA
A là Oxi
Bài 2: (Olympic 2011 tỉnh Đồng Nai)
Cĩ 3 nguyên tố R, X, và Y trong bảng tuần hồn cĩ số thứ tự tăng dần Cả 3
nguyên tố đều thuộc nhĩm A và khơng cùng chu kỳ trong bảng tuần hồn Electron cuối cùng điền vào cấu hình electron của 3 nguyên tử R,X.Y cĩ đặc điểm: tổng số lượng tử chính (n) bằng 6, tổng số lượng tử obitan (l) bằng 2 tổng số lượng tử từ
Trang 12(ml) bằng -2, tổng số lượng tử spin (ms) bằng -1/2, trong đó số lượng tử spin của electron cuối cùng của R là +1/2 Cho biết tên của 3 nguyên tố trên
Ba nguyên tố đều thuộc chu kì nhỏ Nguyên tố R thuộc chu kì 1 n6n electron của
nó có lR = 0, ml(R)=0 Mà Ms(R) =+1/2 nguyên tố R là nguyên tố hidro
- Ta có lR + lx + lY = 2 Vì lR=0 nên lx + lY = 2 Vì X, Y thuộc chu kì nhỏ nên không thể có giá trị l = 2 lx = lY =1 Vậy electron cuối cùng của X và Y thuộc phân lớp 2p và 3p
-(3) có ml(R) + ml(x) + ml(Y) = -2 Vì ml(R) =0 nên ml(x) + ml(Y) = -2 Mà lx = ly = 1 nên ml có các giá trị : -1, 0, +1 ml(x) = ml(Y) = -1
-ms(R) + msl(x) + msl(Y) = -1/2 (4) Vì ms(R) = +1/2 nên msl(x) + msl(Y) = -1 mà ms chỉ
có giá trị là -1/2 hoặc +1/2 ml(x) = ml(Y) = -1/2
Vậy electron cuối cùng điền vào cấu hình electron của nguyên tử có bộ số lượng tử sau:
R : n = 1, l = 0, ml = 0, ms =+1/2 1s1 (hidro)
X : n = 2, l = 1, ml = -1, ms =-1/2 1s22s22p4 (oxi)
Y : n = 3, l = 1, ml = -1, ms =-1/2 1s22s22p63s23p4 (lưu huỳnh)
Bài 3 : (Olympic 2009 tỉnh Tây Ninh)
a) Nguyên tố X có elctron cuối cùng ứng với 4 ố lượng tử đại số bằng 2,5.Xác định nguyên tố X, viết cấu hình electron và cho biết vị trí của X trong bảng tuần hoàn b) Xác định nguyên tử mà electron cuối cùng điền vào đó có bộ bốn số lượng tử thỏa mãn điều kiện : n + l = 3, và ml + ms = +1/2
Giải a) Tho đề: n + l + ml + ms = 2,5 X phải khác H, He n>=2
Xét trường hợp 1: n = 2, ms=+1/2 l + ml = 0 Khi đó có 2 khả năng:
b) Từ điều kiện: n + l = 3, và ml + ms = +1/2 ta có 3 trường hợp sau:
Trường hợp 1: n = 1 và l = 2: phân lớp 2d (loại)
Trường hợp 2: n = 2 và l = 1 : phân lớp 2p (nhận)
Xét điều kiện: ml + ms = +1/2 ta có:
Trang 13+ Nếu ms = +1/2 và ml = 0 2p2 Cấu hình electron đầy đủ là : 1s2
2s22p2 (Z=6, C) + Nếu ms = -1/2 và ml = 1 2p4 Cấu hình electron đầy đủ là : 1s2
2s22p4(Z=8, O) Trường hợp 3: n = 3 và l =0 : phân lớp 3s (nhận)
Xét điều kiện: ml + ms = +1/2 Vì l = 0 nên ta có một khả năng ml
= 0, ms = +1/2 3s1 Cấu hình electron đầy đủ là : 1s22s22p43s1 (Z = 11, Na)
Bài 4: A, B, C là ba kim loại kế tiếp nhau trong cùng một chu kì (theo thứ tự từ trái sang phải trong chu kì) có tổng số khối trong các nguyên tử chúng là 74.Xác định
A, B, C
Giải Gọi Z1 là số electron của nguyên tử A
Số electron của nguyên tử B, C lần lượt là Z1+1, Z1+2
Gọi N1, N2, N3, lần lượt là số nơtron của nguyên tử A, B, C
Vì tổng số khối của các nguyên tử A, B, C là 74 nên ta có phương trình:
Mà A, B, C là các kim loại Z1 = 11 (Na)
Vậy A, B, C lần lượt là các kim loại Natri (Na); Magie (Mg); Nhôm (Al)
Bài 5:Nguyên tử của nguyên tố X có tổng số hạt các loại là 60, số hạt mang điện trong hạt nhân bằng số hạt không mang điện Nguyên tử của nguyên tố Y có 11 electron p Nguyên tử nguyên tố Z có 4 lớp electron và 6 electron độc thân
a Dựa trên cấu hình electron, cho biết vị trí của các nguyên tố trên trong bảng hệ thống tuần hoàn
b So sánh (có giải thích) bán kính của các nguyên tử và ion X, X2+
và Y- Giải
a) Xác định vị trí dựa vào cấu hình electron:
2ZX NX 60 ; ZX NX ZX 20,
X là canxi (Ca), cấu hình electron của 20Ca : [Ar] 4s2
Cấu hình của Y là 1s2
2s22p63s23p5 hay [Ne] 3s2 3p5 Y là Cl Theo giả thiết thì Z chính là crom, cấu hình electron của 24Cr : [Ar] 3d5 4s1
STT Chu kỳ nguyên tố Nhóm nguyên tố
Trang 14b) Trật tự tăng dần bán kính nguyên tử: RCa2 RCl RCa
Bán kính nguyên tử tỉ lệ với thuận với số lớp electron và tỉ lệ nghịch với số đơn
vị điện tích hạt nhân của nguyên tử đó
Bán kính ion Ca2+ nhỏ hơn Cl- do có cùng số lớp electron (n = 3), nhưng điện tích hạt nhân Ca2+ (Z = 20) lớn hơn Cl- (Z = 17) Bán kính nguyên tử Ca lớn nhất do có số lớp electron lớn nhất (n = 4)
Bài 6: Hợp chất (A) được tạo thành từ ion X+ và ion Y2- Mỗi ion đều do 5 nguyên
tử của 2 nguyên tố tạo nên Tổng số proton trong ion X+
là 11, tổng số electron trong ion Y2- là 50
Xác định công thức phân tử, gọi tên (A), biết 2 nguyên tố trong ion Y
thuộc cùng một phân nhóm và thuộc 2 chu kỳ liên tiếp trong bảng hệ thống tuần hoàn
Giải Gọi là số proton trung bình trong 1 nguyên tử có trong cation X+
= 11/5 = 2,2
Trong X phải có H (Z = 1) hoặc He (Z = 2)
Vì He là khí hiếm nên trong X+
= (50 – 2) : 5 = 9,6
Trong Y2- phải có 1 nguyên tố có Z 9
Nguyên tố trên phải thuộc chu kỳ 2
Nguyên tố còn lại phải thuộc chu kỳ 3
Gọi công thức tổng quát của Y
là AxBy
Theo đề bài, ta có: x + y = 5 (3)
Bài 7: Cấu hình electron ngoài cùng của nguyên tử của nguyên tố X là 5p5 Tỉ số nơtron và điện tích hạt nhân bằng 1,3962 Số nơtron của X bằng 3,7 lần số nơtron của nguyên tử thuộc nguyên tố Y Khi cho 4,29 gam Y tác dụng với lượng dư X thu được 18,26 gam sản phẩm có công thức XY Xác định điện tích hạt nhân của
X, Y và viết cấu hình electron của Y
Giải Cấu hình đầy đủ của X là
Trang 15 39 = pY + 20 pY = 19 hay ZY = 19
Cấu hình electron của Y là [18Ar] 4s1
Bài 8:Mỗi phân tử XY2 cĩ tổng các hạt proton, nơtron, electron bằng 178; trong
đĩ, số hạt mang điện nhiều hơn số hạt khơng mang điện là 54, số hạt mang điện của X ít hơn số hạt mang điện của Y là 12
a, Hãy xác định kí hiệu hố học của X,Y và cơng thức phân tử XY2
b, Viết cấu hình electron của nguyên tử X,Y và xác định các số lượng tử của electron cuối cùng được điền vào
b, Cấu hình electron: Fe : 1s2
2s2 2p6 3s2 3p63d64s2 ;
S : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4
Bộ 4 số lượng tử cuối của X: n = 3; l = 2; ml =-2; ms= -1/2
Bộ 4 số lượng tử cuối của X: n = 3; l = 1; ml =-1; ms= -1/2
Bài 9 : 1 Hợp chất A được tạo thành từ các ion đều có cấu hình electron của khí hiếm Argon Trong 1 phân tử A có tổng số hạt proton, nơtron, electron là 164
a Xác định CTPT của A, biết A tác dụng với 1 nguyên tố (đơn chất) có trong A theo tỷ lệ mol 1:1 tạo thành chất B Viết CT Lewis, CTCT của A và B
b Cho A và B tác dụng với một lượng vừa đủ brôm đều thu được chất rắn X Mặt khác, cho m gam Y (chỉ có hoá trị n) tác dụng hết với oxi thu được a gam oxit, nếu cho m gam kim loại Y tác dụng hết với X thu được b gam muối Biết a = 0,68b Hỏi Y là kim loại gì?
Giải
Trang 161 a Số electron của mỗi ion là 18 Giả sử phân tử A gồm a ion
Vì phân tử A là trung hòa nên:
- Nếu A gồm 2 cation 1+ và 1 anion 2- A là K2S
- Nếu A gồm 1 cation 2+ và 2 anion 1- A là CaCl2
A tác dụng với 1 nguyên tố có trong A theo tỷ lệ 1:1 tạo
thành chất B nên A là K2S
Vậy kim lọai Y là Al
Bài 10 : Xác định 2 nguyên tử mà electron cuối cùng cĩ các số lượng tử
- Tổng số (n + l) bằng nhau , trong đĩ số lượng tử chính của A lớn hơn số lượng tử chính của B
- Tổng đại số của 4 số lượng tử của electron cuối cùng trên B là 4,5
a Hãy xác định bộ 4 số lượng tử của electron cuối cùng trên A , B và xác định nguyên tố A , B
b Hợp chất X tạo bởi A , Cl , O cĩ thành phần trăm theo khối lượng lần lượt là 31,83% ; 28,98% ; 39,18% Xác định CTPT của X Biết rằng các electron chiếm obitan từ giá trị nhỏ nhất của số lượng tử ml Bài 12: Xác định nguyên tử mà eletron cuối cùng cĩ 4 số lượng tử thỏa mãn điều kiện :
Trang 17Có tồn tại cấu hình này hay không ? Giải thích tại sao ?
Bài 14: Tổ hợp các obitan nào sau đây là đúng ? Tổ hợp nào không đúng ? Vì sao
(1) n = 3 , l = 3 , ml = 0 (2) n = 2 , l = 1 , ml = 0 (3) n = 6 , l = 5 , ml = -1 (4) n = 4 , l = 3 , ml = -4 Bài 15: Cho nguyên tử của 2 nguyên tố A và B có electron ngoài cùng có 4 số lượng tử
Bài 16:Electron cuối cùng phân bố vào các nguyên tử của các nguyên tố A , B lần lượt
đặc trưng bởi 4 số lượng tử
b Cho biết loại liên kết và công thức cấu tạo của phân tử AB3
Bài 17: Cho các electron các số lượng tử (n, l, m, ms) sau:
A(2, 1, 1, +1/2)
B (1, 0, 0, -1/2) C(4,1,-1,+1/2)
a/ Electron nào có spin khác hướng với các electron còn lại ?
b/ Electron nào xếp trong trong obitan hình cầu?
c/ Electron nào xếp trong trong obitan p?
Trang 18d/ Electron nào xếp trong trong obitan d?
e/ Electron nào nằm xa hạt nhân nguyên tử nhất?
f/ 2 electron nào xếp trong cùng 1 obitan?
g/ 2 electron nào xếp khác hướng?
h/ 2 electron nào không thể nằm cùng trong một nguyên tử?
i/ Các electron nào có cùng năng lượng?
j/ Electron nào xếp vào obitan f?
k/ Sắp xếp các electron trên theo thứ tự mức năng lượng cao nhất đến mức năng lượng thấp nhất
Bài 18: Điều gì không ổn với các số lượng tử (n, l, m, ms) của các electron sau?
Bài 19: Nguyên tử của một nguyên tố X có tổng số hạt cơ bản (p,n,e) là 82, trong
đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 22 Xác định số hiệu nguyên tử, số khối và tên nguyên tố viết cấu hình electron của nguyên tử X và của các ion tạo thành từ X
Bài 20: Tổng số hạt proton, nơtron, electron trong hai nguyên tử kim loại A,B là
142, trong đó tổng số hạt mang điện nhiều hơn tổng số hạt không mang điện là 42
số hạt mang điện của nguyên tử B nhiều hơn của A là 12 Xác định hai kim loại A,B
Bài 21: Một hợp chất ion cấu tạo từ M+ và ion X2- Trong phân tử M2X có tổng số hạt (p,n,e) là 140 hạt, trong đó hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là
2-b xác định vị trí của M và X trong hệ thống tuần hoàn
Bài 22: Hợp chất A có công thức MXx trong đó M chiếm 46.67% về khối lượng M
là kim loại, X là phi kim ở chu kì 3 trong hạt nhân của M có n – p = 4 còn trong X
có n, = p, tổng số proton trong MXx là 58 Xác định tên, số khối của M, tên, số thứ
tự của X trong BTH Víêt cấu hình e của X
Bài 23: Một hợp chất X có dạng AB3, tổng số hạt proton trong phân tử là 40 trong thành phần hạt nhân của A cũng như của B đều có số hạt proton bằng số hạt nơtron A thuộc chu kì 3 của BTH
a xác định tên gọi của A,B
b xác định các loại liên kết có trong có thể có trong phân tử AB3
Bài 24: Hợp chất Z được tạo bởi hai nguyên tố M, R có công thức MaRb trong đó R chiếm 6.667% khối lượng trong hạt nhân nguyên tử M có n=p +4, còn trong hạt nhân của R có n,
= p, biết rằng tổng số hạt proton trong phân tử Z bằng 84 và a + b
= 4 tìm công thức phân tử của Z
Bài 25:
a A và B là hai nguyên tố ở cùng một phân nhóm thuộc hai chu kì liên tiếp trong BTH Tổng số proton trong hạt nhân hai nguyên tử là 32 Viết cấu hình electron của A và B và của ion mà A, B tạo thành
Trang 19b Tổng số electron trong anion AB32-+
là 42 trong hạt nhân của A cũng như của B
có số proton bằng số nơ tron
Bài 26: Nguyên tử X có tổng số hạt là 60, trong đó số hạt n bằng số hạt p Xác định nguyên tố X
Bài 27: Oxit B có công thức là X2O Tổng số hạt cơ bản p, n, e trong B là 92, trong
đó số hạt mang điên nhiều hơn số hạt không mang điện là 28 Xác định B
Bài 28: Hợp chất Y có công thức M4X3 Biết
-Tổng số hạt trong phân tử Y là 214 hạt
-Ion M3+ có số e bằng số e của ion X
4 Tổng số hạt p, n, e của nguyên tử nguyên tố M nhiều hơn tổng số hạt của nguyên tử nguyên tố X trong Y là 106 Xác định hợp chất Y
Bài 29: Một hợp chất B được tạo bởi một kim loại hóa trị 2 và một phi kim hóa trị
1 Tổng số hạt trong phân tử B là 290 Tổng số hạt không mang điện là 110, hiệu
số hạt không mang điện giữa phi kim và kim loại trong B là 70 Tỉ lệ số hạt mang điện của kim loại so với phi kim trong B là 2: 7 Tìm A, Z của kim loại và phi kim trên
Bài 30: Một hợp chất ion cấu tạo từ ion M2+ và ion X- Tổng số gạt p, n, e trong phân tử MX2 là 186 hạt, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 54 hạt Số khối của ion M2+
nhiều hơn nhiều hơn trong X- là 21 hạt Tổng
số hạt p, n, e trong M2+ nhiều hơn trong X
là 27 hạt Xác định vị trí của M, X trong bảng tuần hoàn,
Bài 31: Một hợp chất ion cấu tạo từ ion M+ và ion X2-.Trong phân tử M2X có tổng
số hạt là 140 hạt, trong đó hạt mang điện nhiều hơn hạt không mang điện là 44 hạt
Số khối của ion M+
nhiều hơn ion X2- là 23 Tổng số hạt trong M+ nhiều hơn trong
X2- là 31
a Viết cấu hình e của X
và M+
b Xác định vị trí của M và X trong bảng HTTH
Bài 32: Tổng số p, n, e trong nguyên tử của 2 nguyên tố M và X lần lượt là 82 và
52 M và X tạo thành hợp chất Mxa, trong phân tử của hợp chất đó tổng số proton của các nguyên tử bằng 77 Hãy viết cấu hình e của M và X từ đó xác định vị trí của chúng trong bảng HTTH CTPT của Mxa
Bài 33: X, Y, R, A, B theo thứ tự là 5 nguyên tố liên tiếp trong HTTH có tổng số điện tích hạt nhân là 90 ( X có điện tích hạt nhân nhỏ nhất )
a Xác định số điện tích hạt nhân của X, Y, R, A, B, gọi tên các nguyên tố đó
b Viết cấu hình e của X
2-, Y-, R, A+, B2+ So sánh bán kính của chúng Bài 34: Phân tử X có công thức abc Tổng số hạt mang điện và không mang điện trong phân tử X là 82 Trong dod số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 22, hiệu số khối giữa b và c gấp 10 lần số khối của a, tổng số khối giữa b và
c gấp 27 lần số khối của a Tìm CTPT đúng của X
Bài 35: Một hợp chất được tạo thành từ các ion M+ và 2
2
X Trong phân tử M2X2 có tổng số hạt p, n, e bằng 164, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 52 Số khối của M nhiều hơn số khối của X là 23 Tổng số hạt p, n, e trong ion M+ nhiều hơn trong ion 2
2
X là 7 hạt
a Xác định các nguyên tố M, X và công thức phân tử M2X2
b Cho hợp chất M2X2 tác dụng với nước Viết phương trình phản ứng xảy ra
và trình bày phương pháp hóa học để nhận biết sản phẩm
Trang 20Bài 36: Cho tổng số hạt p, n, e trong phân tử MX2 là 178 hạt, trong hạy nhân của
M số nowtron nhiều hơn số proton 4 hạt, còn trong hạt nhân của X số nowtron bằng số proton Số proton trong hạt nhân của M nhiều hơn số proton trong hạt nhân của X là 10 hạt Xác định công thức của MX2
Bài 37: Hợp chất M2X có tổng số các hạt trong phân tử là 116, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 36 Khối lượng nguyên tử X nhiều hơn M là Bài 38:
Tổng số hạt p, n, e trong X2- nhiều hơn trong M+ là 17 hạt Xác định số khối của
M và X
Bài 39: Tổng số hạt p, n, e trong phân tử MX3 là 196, trong đó số hạt mang điện nhiều hơn số hạt không mang điện là 60 Khối lượng nguyên tử của X lớn hơn của
M là 8 Tổng số hạt p, n, e trong X- nhiều hơn trong M3+ là 16 Xác định M và X
Phần 2 Tổng năng lượng nguyên tử 2.1 Tổng năng lượng các electron trong nguyên tử
Trang 21Mỗi electron nằm bên trong nhóm AO đang xét:
Ở lớp n có trị số nhỏ hơn lớp đang xét 1 ñơn vị, ñóng góp 0.85
Ở lớp n có trị số nhỏ hơn lớp đang xét từ 2 ñơn vị trở lên, ñóng góp 1 Nếu nhóm AO đang xét là AO-d hoặc AO-f thì mỗi electron ở AO trong góp 1
Thí dụ: Tính tổng năng lượng của Ni
Bước 1: Cấu hình electron của nguyên tử Ni:
Trang 222.2 Năng lượng ion hóa
Khái niệm: Năng lượng ion hóa là năng lượng tối thiểu để tách electron ra khỏi lớp
Trang 232.3 Bài tập
Bài 1: (Olympic 2007 tỉnh Thừa Thiên Huế)
X thuộc chu kỳ 4, Y thuộc chu kỳ 2 của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học Ii
là năng lượng ion hóa thứ I của một số nguyên tử Thực nghiệm cho biết tỉ số
Ik+1/Ik của X, Y như sau:
Bài 2: (Olympic 2007 tỉnh Quảng Nam)
Nguyên tử của các nguyên tố X, Y, Z có electron cuối cùng ứng với bộ bốn số lượng tử sau:
-1/2 1/2 -1/2 a) Xác định X,Y,Z
b) So sánh năng lượng ion hóa thứ nhất của X,Y, Z ? Giải thích ?
Giải : a) Cấu hình electron ở phân lớp ngoài cùng :
X : 3p4 X là S
Y : 2p3 Y là N
Z : 2p4 Z là O b) Năng lương ion hóa thứ nhất của oxi > lưu huỳnh vì trong cùng một nhóm năng lương ion hóa giảm dần
Oxi và Nito trong cùng, cấu hình electron phân lớp nhoài cùng của N là 2p3
trạng thái bán bão hòa nên bền hơn oxi (2p4) Mặt khác do lực đẩy giữa các cặp electron trong một obitan của oxi làm cho electron ở đây dễ bị tách ra khỏi nguyên tử hơn nito nên ion hóa thứ nhất của nito > oxi
Trang 24 I1 = E*He+ - E*He = (-54,4) – (-78,6) = 24,2 eV
Bài 4: Năng lượng ion hóa thứ nhất (I1 - kJ/mol) của các nguyên tố chu kỳ 2 có giá trị (không theo trật tự) 1402, 1314, 520, 899, 2081, 801, 1086, 1681 Gán các giá trị này cho các nguyên tố tương ứng Giải thích
Giải :
Giá trị năng lượng ion hóa tương ứng với các nguyên tố:
IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA
Có hai biến thiên bất thường xảy ra ở đây là:
- Từ IIA qua IIIA, năng lượng I1 giảm do có sự chuyển từ cấu hình bền ns 2 qua
cấu hình kém bền hơn ns 2 np 1(electron p chịu ảnh hưởng chắn của các electron s nên liên kết với hạt nhân kém bền chặt hơn)
- Từ VA qua VIA, năng lượng I1 giảm do có sự chuyển từ cấu hình bền ns 2 np 3 qua
cấu hình kém bền hơn ns 2 np 4 (trong p3 chỉ có các electron độc thân, p4 có một cặp
ghép đôi, xuất hiện lực đẩy giữa các electron)
Bài 5: Cho bảng sau:
đầy một nửa, electron thứ hai bị tách nằm trong cấu hình electron bền vững này cho nên sự tách nó đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng hơn nên I2 của nguyên tố này cao hơn nhiều so với V Cũng chính vì vậy mà khi chuyển sang Mn, 2 electron bị tách nằm ở phân lớp 4s, giá trị I2 của nó chỉ lớn hơn của V vừa phải, thậm chí còn nhỏ hơn giá trị tương ứng của Cr
Bài 6: Có thể viết cấu hình electron của Ni2+ là:
Trang 25Cách 1 : Ni2+ [1s22s22p63s23p63d8] Cách 2 : Ni2+ [1s22s22p63s23p63d64s2]
Áp dụng phương pháp gần đúng Slater, tính năng lượng electron của ion Ni2+
với mỗi cách viết trên (theo đơn vị eV) Cách viết nào phù hợp với thực tế tại sao?
Nhận xét: E1 thấp hơn E2, do đó cách viết 1 ứng với trạng thái bền hơn
Kết quả thu được phù hợp với thực tế là trạng thái cơ bản ion Ni2+ có cấu hình electron [Ar] 3d8+.
Bài 7: Biết Nn = -13.6.Z2/n2 (n: số lượng tử chính, Z: số đơn vị điện tích hạt
nhân.)
a/ Tính năng lượng 1 e trong trường lực 1 hạt nhân của hệ N6+
, C5+, O7+ b/ Qui luật liên hệ giữa En với Z tính được ở trên phản ánh mối uan hệ nào giữa hạt nhân với các electron trong các hệ đó?
c/ TrÞ sè n¨ng l-îng tÝnh ®-îc cã quan hÖ víi n¨ng l-îng ion ho¸ cña mçi hÖ trªn hay kh«ng? Tính năng lượng ion hóa của mỗi hệ Tính En, theo đầu bài, n phải bằng l tính E1
Trang 26b) Quy luật liên hệ E1với Z: Z càng tăng E1càng âm (càng thấy)
Qui luật này phản ánh tác dụng lực hút hạt nhân tới e
đ-ợc xét: Z càng lớn lực hút càng mạnh năng l-ợng càng thấp hệ càng bền, bền nhất là O7+
c) Trị năng l-ợng đó có liên hệ với năng l-ợng ion
hoá, cụ thể:
C5+ : I6 = (E1, C5+) = + 489, 6 eV
N6+ : I7 = (E1, N6+) = + 666, 4 eV
O7+ : I8 = (E1, O7+) = + 870,4 eV
Bài 8: Tớnh năng lượng ion húa thứ 1 của nguyờn tử cacbon
Bài 9: Tớnh năng lượng ion húa thứ 1, 2 của nguyờn tử oxi
Trang 27Phần 3 Cấu trúc phân tử 3.1 Liên kết hóa học
3.1.1 Liên kết ion
Liên kết ion là liên kết được hình thành do lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu
Liên kết ion là liên kết được hình thành từ hai nguyên tử của hai nguyên tốcó
độ âm điện rất khác nhau, một bên là kim loại điển hình có độ âm điện rất bé, một bên là phi kim điển hình có độ âm điện rất lớn, như trường hợp giữa các kim loại kiềm hoặc kim loại kiềm thổ và halogen hoặc oxi Khi đó xẩy ra sự chuyển dịch electron từ một nguyên tửcó tính dương điện mạnh sang một nguyên tửcó tính âm điện mạnh để tạo thành cation và anion, các ion ngược dấu hút nhau bằng lực hút tĩnh điện Vậy bản chất của liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu
Ví dụ: phân tử NaCl, electron được chuyển từ Na sang Cl để tạo thành Na+
-Nhưvậy, sựhình thành trong liên kết ion, là do sựphân bốlại các ion một cách
đều đặn trên các nút mạng lưới tinh thểvà giữa chúng tồn tại lực tương tác tĩnh điện về
mọi phía
Điều kiện tạo thành liên kết ion
Độâm điện của 2 nguyên tửtham gia liên kết phải khác nhau nhiều (hiệu số độ
âm điện ≥2)
Đặc điểm của liên kết ion
- Mỗi ion tạo ra điện trường xung quanh nó, nên liên kết ion xảy ra theo mọi hướng hay thường nói liên kết ion là liên kết không có hướng
- Không bảo hoà, nghĩa là mỗi ion có thểliên kết được nhiều ion xung quanh nó
- Liên kết rất bền
Do hai tính chất này mà các phân tửhợp chất ion có khuynh hướng tựkết hợp lại mạnh mẽ, các phân tửion riêng lẻchỉtồn tại ởnhiệt độcao Còn ởnhiệt độthường mọi hợp chất ion đều tồn tại ởtrạng thái rắn, có cấu trúc tinh thểvà toàn bộtinh thể được xem nhưmột phân tửkhổng lồ
3.1.2 Liên kết cộng hóa trị
3.1.2.1 Thuyết liên kết hoá trịcủa VB (Valence Bond)
Thuyết VB dùng sự xen phủ của các orbital nguyên tử(AO) để mô tả sự tạo
thành các liên kết Tuy theo tính đối xứng của vùng xen phủ giữa các AO tham gia liên kết đối với trục liên kết (trục với tâm 2 hạt nhân), người ta phân biệt liên kết xích ma (σ), liên kết (π), và liên kết (δ)
* Liên kết σ: Được hình thành khi các obitan nguyên tử(AO ) tham gia liên kết xen
phủdọc theo trục liên kết (theo trục nối giữa hai hạt nhân nguyên tử)
Liên kết σ giữa hai nguyên tử
Trang 28Liên kết σbền hơn liên kết π
Liên kết πlàm thành mặt phẳng đối xứng với trục liên kết
Chú ý: Giữa 2 nguyên tửliên kết với nhau trong phân tửbao giờcũng chỉtồn tại một liên kết σ, còn sốliên kết πcó thểbằng 0, 1, 2
Sự xen phủ xich ma và pi của các obitan nguyên tử
♦Liên kết δ
Liên kết này ít gặp, đó là liên kết suất hiện do sựxen phủcủa các orbital d
Luận điểm cơ bản của thuyết VB:
- Trong phân tử các electron vẫn chuyển động trên các AO
- Mỗi liên kết cộng hoá trị được tạo thành do sự ghép đôi 2 electron độc thân có spin trái dấu của 2 nguyên tử khác nhau tương tác với nhau, cặp electron này được xem nhưchung cho cả2 nguyên tử
- Khi đó xảy ra sự xen phủ giữa 2 đám mây electron liên kết, sự xen phủ càng mạnh thì liên kết càng bền
Ví dụ: Sự hình thành liên kết trong phân tử H2
Những đường lượn sóng trên sơ đồ biểu thị sự tạo thành liên kết cộng hoá trị
- Liên kết được phân bố theo phương mà tại đó sự xen phủ lẫn nhau giữa các AO tham gia liên kết là lớn nhất, và như vậy sẽ có những phương được ưu tiên trong không gian phù hợp với cấu hình không gian của phân tửvì vậy liên kết cộng hoá trịcó tính định hướng
Trang 29- Liên kết cộng hoá trị có tính bão hòa, nghĩa là mỗi liên kết chỉ đảm bảo bởi 2 electron và ở một nguyên tử tham gia liên kết chỉcó một số giới hạn các liên kết hoá trị
Ví dụ: N kết hợp với H tạo NH3, không tạo ra các phân tử NH4, NH5
S liên kết với H tạo H2S, không tạo ra các phân tửH3S, H4S
3.1.2.2 Lai hóa obitan
3.1.2.2.1 Điều kiện xảy ra lai hóa
- Muốn cho sự lai hóa xảy ra thì các orbital nguyên tử tham gia lai hóa phải có mức năng lượng gần bằng nhau.Mức năng lượng càng xa nhau sự lai hóa càng kém bền
- Điều kiện thứ hai để sự lai hóa xảy ra là mật độ electron phải lớn.Có thể thấy nếu trong cùng một chu kỳ khi đi từ trái sang phải thì mật độ eclectron tăng dần còn ngược lại nếu trong một nhóm khi đi từ trên xuống thì mật độ eclectron tăng dần và khả năng lai hóa cũng tăng và giảm xuống
- Trạng thái lai hóa càng bền khi mức độ che phủ của các orbital nguyên tử càng lớn
- Nếu các điều kiện trên không được thỏa mãn thì sự lai hóa không thể xảy ra hoặc xảy ra không hoàn toàn
3.1.2.2.2 Các dạng lai hóa
3.1.2.2.2.1 Lai hóa sp
Được tạo thành do sự tổ hợp một orbital s với một orbital p ( của cùng một nguyên tử) cho ra hai orbital lai hóa sp phân bố đối xứng với hai trục nằm trên cùng một cùng đường thẳng
2p1.Nhưng không phải Be dùng trực tiếp hai orbital hóa trị 1 để liên kết với các orbital hóa trị của H Trong trường hợp này, trước khi tham gia tạo liên kết , trong nội bộ nguyên tử Be đã xảy ra sự lai hóa sp giữa các orbital 2s và 2p
Hai eclectron hóa trị của nguyên tử Be sẽ phân bố trên các orbital lai hóa sp tạo thành Sau đó chính các orbital lai hóa sp chứa một eclectron này mới che phủ hai orbital hóa trị 1s của nguyên tử H để tạo thành hai liên kết Be –H
Trang 30Do các liên kết Be – H phân bố dưới các góc 180o nên phân tử BeH2 phải có dạng đường thẳng và HBeH = 180o
[1]
3.1.2.2.2.2 Lai hóa sp 2 ( lai hóa tam giác )
Được tạo thành do sự tổ hợp một orbital 1s và hai orbital 2p ( của cùng một nguyên tử ) Kết quả tạo thành ba orbital lai hóa sp2
phân bố đối xứng dưới góc
120o.Do đó liên kết tạo thành với sự tham gia của các orbital lai hóa sp2
cũng sẽ phân bố dưới góc như vậy
Ví dụ : Xét phân tử BCl3 có dạng tam giác đều với góc hóa trị ClBCl = 120o
Nguyên tử B bị kích thích có cấu hình electron lớp ngoài cùng 2s12p2 và khi tham gia tạo liên kết với các nguyên tử Cl nó ở trạng thái lai hóa sp2, tương ứng với sự tự che phủ lẫn nhau giữa orbital 2s và orbital 2p ,ví dụ 2px và 2py của nguyên tử B
Trang 31Tuy nhiên, cần lưu ý rằng liên kết B – Cl không phải là liên kết đơn Liên kết này có bậc lớn hơn một do có sự che phủ bổ sung giữa orbital hóa trị tự do của B
và orbital chứa cặp electron hóa trị tự do của Cl Do đó chúng tạo nên liên kết π giữa B và Cl , nhưng liên kết π này không nằm có định mà thay đổi liên tục giữa ba liên kết B – Cl.[1]
Trang 32Theo thuyết lai hóa thì ứng với một kiểu lai hóa thì sẽ có một cấu hình không gian
và góc lai hóa nhất định.Chẳng hạn, sp =180o, sp2 = 120o, sp3 = 109o28’ Tuy nhiên trong thực tế không phải bao giờ các phân tử các phân tử cũng đều có góc hóa trị như trên, trái lại thực tế cho thấy đối với nhiều hợp chất góc hóa trị đặc trưng cho chúng lại có giá trị sai lệch ít nhiều.Ví dụ : phân tử H2O có góc hóa trị là 104o5’, phân tử NH3 có góc hhóa trị là 107o3’ ,nghĩa là gần với giá trị 109o28’.Phân tử ClO2- có góc hóa trị là 118o gần với giá trị 120o
Độ mạnh của lực đẩy giảm dần theo thứ tự
Cặp electron hóa trị tự do - cặp electron hóa trị tự do > Cặp electron hóa trị tự do – cặp electron liên kết > cặp electron liên kết - cặp electron liên kết
Đối với các phân tử phân tử loại ABn không có chứa cặp electron hóa trị tự do thì phân tử có cấu hình không gian lý tưởng phụ thuộc vào số cặp electron liên kết
σ
Trong trường hợp phân tử ABn có chứa cặp electron hóa trị tự do thì do lực đẩy mạnh hơn của các cặp electron hóa trị tự do đối với các electron liên kết mà góc
Trang 33hóa trị giảm xuống và cấu hình phân tử thay đổi phụ thuộc vào số cặp electron hóa trị tự do
Trong trường hợp nguyên tử trung tâm của phân tử có electron hóa trị độc thân thì dự đoán trạng thái lai hóa cũng như cấu hình của phân tử , người ta xem electron độc thân như một cặp electron hóa trị tự do, nhưng trong trường hợp này ảnh hưởng của nó đối với góc liên kết sẽ khác đi : lực đẩy của electron hóa trị độc thân yếu hơn cặp electron liên kết nên góc hóa trị sẽ tăng
Để hiểu rõ hơn về lý thuyết này ta xét các ví dụ sau :
Ví dụ 1 :Xét các phân tử CH4, NH3,H2O
Góc hóa trị của chúng là 109o28’, 107o3’, 104o5’ bằng hoặc gần bằng với
109o28’ nên có thể nói các nguyên tử trung tâm C,N,O đều ở trạng thái lai hóa sp3
và chúng sử dụng các orbital lai hóa sp3
để che phủ với các orbital 1s của nguyên
tử H.Do đó chúng có cấu hình không gian như trên
Trong phân tử CH4 không có cặp electron hóa trị tự do nào ở nguyên tử trung tâm C,các cặp electron đều liên kết nên lực đẩy giữa chúng là như nhau do đó sự phân electron hoàn toàn đối xứng
Trong phân tử NH3 , nguyên tử N trung tâm có một cặp electron hóa trị tự do,cặp này phân bố trên một orbital lai hóa sp3.Do tác dụng đẩy của nó với các cặp electron liên kết N – H nên góc hóa trị HNH nhỏ hơn 109o28’ một ít
Trong phân tử H2O nguyên tử O trung tâm có đến hai cặp electron hóa trị tự do chiếm hai orbital lai hóa sp3
nến tác dụng đẩy của chúng đối với liên kết O – H lớn hơn trong phân tử NH3 và do đó góc hóa trị HOH càng nhỏ hơn so với 109o28’ Ngoài ra,sự có mặt của các cặp electron hóa trị tự do này cũng làm thay đổi cấu hình không gian phân tử các ,hợp chất Chẳng hạn,đối với ba phân tử nêu trên,CH4
có cấu hình tứ diện đều,NH3 có dạng khối tháp,H2O có dạng góc mặc dù các nguyên tử trung tâm C,N,O đều có lai hóa giống nhau
Ví dụ 2 : Xét phân tử NO2 có dạng góc với góc hóa trị ONO = 135o Đặc điểm này có thể giải thích như sau : trong phân tử NO2, số liên kết σ là 2, số electron tự
do của N bằng 17 -16 = 1; nhưng do một electron này được xem là một cặp electron hóa trị tự nên tổng số liên kết σ và số cặp electron hóa trị tự do bằng 3 và như vậy nguyên tử N phải ở trạng thái lai hóa sp2,phân tử NO2 ở dạng góc.Tuy nhiên do electron hóa trị độc thân của N đẩy yếu hơn các cặp electron liên kết nên góc hóa trị phải lớn hơn 120o
và bằng 135o.
Tóm lại,để dự đoán cấu hình không gian,góc hóa trị của phân tử cần phải tính số cặp electron liên kết σ ( hay số nguyên tử biên liên kết với nguyên tử trung tâm của phân tử) và số cặp electron hóa trị tự do của nguyên tử trung tâm rồi dựa vào mối quan hệ giữa cấu hình phân tử và số cặp electron liên kết , số cặp electron hóa trị tự
do, cũng như các yếu tố có ảnh hưởng đến sự phân bố của các cặp electron để suy
ra góc hóa trị và cấu hình không gian của phân tử
3.1.2.3 Thuyết lai hóa Mo
Trang 34Phương pháp tổ hợp tuyến tính (MO – LCAO)
(Molecular Orbital Linear Combination of Atomic Orbital)
Trong phân tử, khi một electron chuyển động gần một hạt nhân nguyên tửnào
đó, thì lúc đó electron này sẽchịu tác dụng chủyếu của điện trường hạt nhân đó, còn tương tác giữa electron khảo sát đối với electron và hạt nhân còn lại là không đáng kể Khi đó một cách gần đúng vềmặt toán học, ta có:
φ1, φ2,… là hàm sóng AO mô tả trạng thái chuyển động của từng electron;
C1, C2,…là hệ sốcủa hàm AO hay phần đóng góp của từng electron vào quá trình hình thành liên kết
* Điều kiện tổhợp có hiệu quảcác AO
- Các AO phải có cùng tính chất đối xứng
- Năng lượng các AO phải xấp xỉnhau
- Các AO phải xen phủnhau rõ rệt
Vềmặt định tính, để biết được các AO có cùng tính chất đối xứng hay không, có thểdựa vào sự xen phủdương, âm hoặc bằng không của các AO (hình dưới)
Chỉcó sựxen phủdương mới có thểtạo liên kết và trong trường hợp này các AO mới có cùng tính chất đối xứng, nghĩa là chúng mới tổhợp được với nhau Tuy nhiên việc tổhợp có hiệu quảhay không còn phụthuộc vào hai điều kiện còn lại
Sựxen phủcủa các obitan
* Các đặc trưng của liên kết cộng hoá trịtrong phương pháp MO:
- Chỉ sốliên kết hay độ bội liên kết (N)
n - sốelectron nằm ởMO liên kết; n* - sốelectron nằm ở MO phản liên kết
- Độ dài liên kết bằng khoảng cách giữa tâm của hai hạt nhân, độ dài liên kết
càng nhỏ khi chỉ số liên kết càng lớn
- Năng lượng liên kết càng lớn khi liên kết càng bền
Thuyết MO cho phân tử hai nguyên tử đồng hạch thuộc chu kỳ2
Trang 35Bao gồm: Li2, Be2, B2, C2, N2, O2, F2, Ne2
* Nguyên tắc chung
- MO được thiết lập là do sự tổ hợp tuyến tính các AO hoá trị (các electron phân lớpngoài cùng) Sự tổ hợp của n AO sẽ tạo thành n MO
- Các AO xen phủ lẫn nhau theo các điều kiện:
+ Có mức năng lượng xấp xỉ nhau;
+ Có khảnăng xen phủ nhau ởmột mức độ đáng kể;
+ Có cùng tính đối xứng với trục liên kết;
- Tùy theo hướng xen phủ các AO, ta sẽcó:
+ Nếu 2AO xen phủ dọc trục liên kết, ta có các MO-σ;
+ Nếu 2AO xen phủ hai bên sườn liên kết, ta có các MO-π
- Sự hình thành MO liên kết, MO phản liên kết phụthuộc vào dấu của các AO tham gia tổ hợp tuyến tính
Trang 36- Giản đồa) là của các phân tửcuối chu kỳ: O2, F2 và Ne2 Trong trường hợp này, hiệu ứng năng lượng Enp– Ens ởcác nguyên tửlớn nên không có sự ương tác σs- σz Cấu hình electron của các phân tử O2, F2, Ne2có dạng:
- Giản đồ b) là của các phân tử đầu chu kỳ: Li2 , Be2, B2, C2, N2 Trong trường hợp này, hiệu ứng năng lượng Enp– Ens tương đối nhỏnên khi tạo thành phân tử A2có sự tương tác σs- σz làm cho mức năng lượng các MO σz và πx, πy thay đổi so với giản
- Phân tử Be2 có 8e, Cấu hình electron Be2: σs2σs*2
( N = 0, nên phân tử không tồn tại )
- Phân tử B2có 10e, Cấu hình electron B2: σs2σs*2πx1= πy1
N = 1, nên phân tửbền
l = 1,59 A0
E = - 287 kj/mol
Phân tử có 2e độc thân nên có tính chất thuận từ
- Phân tử N2có 14e, Cấu hình electron N2: σs2σs*2πx2= πy2σz2
Phân tửcó 2e độc thân nên có tính chất thuận từ
- Phân tử F2có 18e, Cấu hình electron F2: σs2σs*2σs2πx2= πy2 πx*2= πy*2
N = 1,
l = 1,42 A0
E = -155 kj/mol
- Phân tử Ne2: không tồn tại
Thuyết MO cho phân tửcó hai hạt nhân khác nhau AB
Về nguyên tắc các xây dựng các MO đối với các phân tửdạng AB hoàn toàn
giống với phân tử dạng A2
Do trong phân tửAB, các AO có tính đối xứng khác nhau, nên phần xen phủ