TRƯỜNG ĐẠI HỌC s PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC goCŨI0 NGÔ THI HƯƠNG GIANG CÂU HỎI YỀ CẤU TẠO PHÂN TỬ YÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC QUA CÁC ĐỀ THI CAO HỌC KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: H óa đại cương Người hướng dẫn khoa học ThS Đ Ă N G TH Ị THU H UYỀN HÀ N Ộ I-2 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy cô giáo khoa Hóa học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, thầy cô ttong tổ Hóa vô tạo điều kiện thuận lọi suốt thòi gian em theo học khoa thời gian em làm khóa luận tốt nghiệp Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo ThS Đăng Thị Thu Huyền - người trực tiếp hướng dẫn, tận tâm bảo định hướng, giúp đỡ em trình em làm khóa luận tốt nghiệp Em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, người động viên em trình em làm khóa luận tốt nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng, khóa luận không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đóng góp ý kiến thày cô, bạn bè để khóa luận hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Ngô Thị Hương Giang MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực 1.1.1 Công thức cấu tạo Lewis 1.1.2 Mô hình đẩy cặp electron vỏ hóa trị (thuyết VSEPR)5 1.1.3 Momen lưỡng cực 1.2.Thuyết liên kết hóa trị (thuyết VB) 10 1.2.1 Thuyết liên kết hóa trị 10 1.2.2 Thuyết lai hóa 11 1.3.Thuyết obitan phân tử (Thuyết MO) 14 1.3.1 Các luận điểm sở 14 1.3.2 Áp dụng thuyết MO giải thích liên kết hóa h ọ c 15 1.4 Phức chất 16 1.4.1 Một số vấn đề chung phức chất 16 1.4.2 Giải thích hên kết hóa học phức chất 17 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u 19 2.1 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 19 2.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 19 2.2.1 Đối tượng nghiên cứu 19 2.2.2 Phạm vi nghiên cứu 19 2.3 Phương pháp nghiên cứu 19 2.4 Ý nghĩa việc nghiên cứu 20 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Bài tập công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực 3.2 Bài tập thuyết VB 34 3.3 Bài tập thuyết MO 40 3.4 Bài tập phức chất 49 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hóa học môn khoa học có tính ứng dựng thực tiễn quan trọng bậc Một vấn đề lý thuyết hấp dẫn không khó khăn hóa học đại là: cấu tạo phân tử liên kết hóa học Theo thòi gian, với phát triển khoa học kỹ thuật nói chung, Hóa học nói riêng, vấn đề dàn sáng tỏ Thông qua phát triển thuyết cấu tạo phân tử liên kết hóa học, thấy qui luật phát triển nhận thức từ đơn giản đến phức tạp, xoáy trôn ốc phát triển thuyết Nói cách khác, học thuyết liên kết hóa học cấu tạo phân tử ừở thành vấn đề trung tâm hóa học ngày Khi tìm hiểu, nghiên cứu sơ lý thuyết cấu tạo phân tử liên kết hóa học hướng đến vận dụng lý thuyết để tìm hướng giải, phân loại tập có liên quan ừong đề thi cao học làm rõ ràng hơn, sâu sắc kiến thức bật như: + Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực + Thuyết liên kết hóa trị (thuyết VB) + Thuyết obital phân tử (thuyết MO) + Đại cương phức chất Từ điều đây, rõ ràng thấy tàm quan trọng kiến thức liên kết hóa học cấu tạo phân tử hóa học đại cương Cũng vĩ lẽ đó, chủ đề tìm hiểu câu hỏi lòi giải cấu tạo phân tử liên kết hóa học đề thi cao học thu hút ý, lựa chọn say mê tìm tòi thân em Phần tập, đề bài, tập mà em thu thập đề thi cao học đề phàn lời giải cụ thể Những tập này, theo em nhận xét dễ, không khó tìm hiểu lý thuyết kĩ Em mong nhận góp ý thầy cô bạn đọc để bổ sung khuyết điểm hay sửa chữa sai sót nhầm lẫn trình làm Nội dung nghiên cứu Tìm hiểu sở lý thuyết liên kết hóa học cấu tạo phân tử cách ngắn gọn, đầy đủ dễ hiểu Áp dụng lý thuyết để giải tập có chủ đề liên quan ữong đề thi cao học Cụ thể tập phần kiến thức liên quan đến: + Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực + Thuyết liên kết hóa trị thuyết (thuyết VB) + Thuyết obital phân tử thuyết (thuyết MO) + Phức chất CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực 1.1.1 Công thức cấu tạo Lewis Quy ước dùng dấu chấm (.) để biểu thị electron, hai dấu chấm : (hay ) vạch - (hay |,|_) để đôi elecừon ừong nguyên tử hay phân tử Công thức hóa học có dùng kí hiệu gọi công thức cấu tạo Lewis ( gọi tắt công thức Lewis) Ví dụ: Các cách viết công thức Lewis cho NH3 H NH,(1) I H H— Ỳ - 11 H :N: H INH,(2) (3) (4) Thông thường, viết công thức Lewis cho hợp chất người ta ý đến lệch đôi electron liên kết phía nguyên tử Trong cách viết trên, thực tế thường dùng công thức (3) Các bước để viầ công thúc Lewỉs Bước 1: Viết cấu tạo sơ công thức Để thực bước càn dựa vào hóa trị nguyên tử giả thiết ban đầu có liên kết đơn hình thành Nếu chưa biết thứ tự liên kết nguyên tử, dùng giả thiết để viết thứ tự Bước 2: Tìm tổng số electron hóa trị nguyên tử, quy ước dùng kí hiệu ni Nếu phân tử là: + lon âm : đơn vị điện tích âm cộng thêm le vào tổng + lon dương : đơn vị điện tích dương trừ e từ tổng Bước : Tìm công thức Lewis (gàn đúng) + Tìm tổng số electron tạo liên kết công thức đưa bước 1, ta kí hiệu n2 Tìm số electíon lại, kí hiệu n3 từ : n3 = n! - n2 + Lấy số electron từ n3 để tạo octet cho nguyên tử âm điện công thức sơ Tổng số electron tạo kí hiệu n4 Bước : Tìm công thức Lewis Tìm số e lại, kí hiệu n5 = n3 - ĨI4 + Nếu n5 = : Tính điện tích hình thức nguyên tử công thức vừa viết bước kết luận + Nếu n5 # : Dùng số electron tạo octet cho nguyên tử trung tâm Tính lại điện tích hình thức kết luận Chú ý : + Việc thực nguyên tử trung tâm nguyên tử nguyên tố thuộc chu kì trở Sau tính lại điện tích hình thức cho nguyên tử công thức vừa viết kết luận + Công thức cấu tạo Lewis điện tích hình thức nguyên tử phân tử trung hòa không tồn nguyên tử mang điện tích hình thức trái dấu ion phân tử Ví dụ: Viết công thức Lewis cho phân tử C Công thức giả định : o - c - o riị = + 6.2 = 16e n2 = 4e n3 = ni - n2 = e ĨI4 = e n5 = n3 - n4 = ^ lõ -c -õ l - Ta có công thức: — Điện tích hình thức :C = - (0 + 2) = +2 o = - (6 + ) = - Chuyển hai cặp electíon không liên kết từ hai nguyên tử o sang thành cặp electron liên kết với nguyên tử c Ta có công thức Lewis cho C 2: — ^ — (*) Tính lại điện tích hình thức :O = - (4 + ) = 0(có 20) C=4-(0+4)=0 Vậy (*) công thức Lewis cho C 1.1.2 Mô hình đẩy cặp electron vỏ hóa trị (thuyết VSEPR) Ở vỏ hóa trị nguyên tử (trong phân tử liên kết cộng hóa trị) có đôi elecừon liên kết đôi elecừon riêng Quy ước kí hiệu phân tử AXnEm Trong đó: - A nguyên tử trung tâm - X phối tử, n số phối tử X có phân tử - E kí hiệu cặp electron không liên kết, m số cặp electron không liên kết Mỗi cặp electron có tương ứng mây electron Người ta hình dung nguyên tử trung tâm A có hình dạng cầu Tâm cầu hạt nhân nguyên tử A, vỏ cầu lớp electron hay lớp electron hóa trị Mỗi mây electron cặp electron vỏ hóa trị chiếm khoảng không gian mặt cầu Hình dạng phân tử phụ thuộc chủ yếu vào phân bố cặp electron hay mây electron vỏ hóa trị nguyên tử A Nội dung mô hình VSEPR là: “Các cặp electron vỏ hóa trị phân bố cách tới mức xa để có lực đẩy nhỏ chúng” STT AXnEm Hình vẽ Dạng hình học Góc liên kết ax3 Phẳng tam giác a x 2e Chữ V, góc ax4 Tứ diện a x 3e Tháp tam giác < D a x 2E2 Chữ V, góc ( I ) © Thẳng 00 ax2 o 12 ° - Liên kết 71 là: liên kết tạo electron phân tử điền vào MO-7I liên kết Ví dụ: Trong N2 Có liên kết 71 ứng vói phàn có liên kết ứng với phần Ế Như vậy, ữong N2 có liên kết 3, gồm: liên kết liên kết 71 Ta biểu diễn kết luận công thức cấu tạo: N = N Giản đồ lượng MO N2, sử dụng giản đồ II E t A O -N M O -N : AO - N Cấu hình e theo giản đồ lượng MO N2: Dạng 2: Phân tử dị hạch dạng AB Chú ý: 45 * _2 _2 ^2s p nên electron mức eg dễ dàng chuyển mức thấp horn t2g Cấu hình electron ion trung tâm : t®ge° Phức nghịch từ phức spin thấp Vói (2): Ao < p nên electron tồn mức lượng cao eg Cấu hình electron ion trung tâm : t^efj Phức thuận từ phức spin cao Bài 3: Kết thu từ thuyết trường phối tử liên kết phức chất bát diện [Ti(H20 )6]3+ Cho Ti (Z = 22) Trong phức [Ti(H20 )6]3+, kích thích electron từ mức 71° (d) lên mức ổ 2Ổ 2( kí hiệu : ô* (d) ) đòi hỏi hấp thụ ánh sáng có bước sóng Ä = 4926 A Hãy tính số sóng xạ hấp thụ hiệu lượng hai mức KJ/mol Cho: h = 6,62.10'34Js; c = 3.108 ms'1 (ĐHQG - năm 2002) 52 B ài làm Theo thuyết trường phối tử : - Ti3+ có electron độc thân lớp d Khi ion tạo phức Ti3+ tự do, nghĩa chưa có tương tác phối tử bao quanh orbital d có mức lượng - Khi có mặt phối tử ion trung tâm phối tử có tương tác đẩy Sự tương tác dẫn đến tách thành hai mức lượng - Năng lượng electron orbital dZ2 d ỵ 2- ỵ gần phối tử tăng lên mức cao Ei, kí hiệu : eg - Năng lượng electron orbital dxy, dyz, dzx xa phối tử giảm xuống mức thấp E2, kí hiệu : t2g Sự tách mức biểu diễn sơ đồ sau: M _ _dj2_- y9 d?9 ~ệ dxỵ d yz Ei —H— Áo d zx —+6Dq q Ẽ2 = -ịA = -4Dq A0: thường xác định phương pháp quang phổ biểu thị số sóng (u) Theo thuyết lượng tử Plank ta có: 53 AE = A0= h v = hc T Hiệu lượng mức: h c _ , Q 343 Q Ầ 242,889 ( KJ/ mol ) -1 " “ SỐ sóng xạ hấp thụ: V 2,03.106cm_1 10 Bài 4: Trên AO - d ion Ti3+ thuộc phức chất bát diện [Ti(H20)6]3+ có electron Khi bị kích thích electron chuyển lên mức lượng cao làm xuất phổ hấp thụ với bước sóng Ẫ = 4926 A Dựa vào thuyết trường tinh thể lập giản đồ tách mức lượng phức kể Xác định lượng tách A0theo Kcal/mol hai mức lượng Cho: h = 6,62.10'34Js; c = 3.108 ms'1 (ĐHQG năm 1999) Bài làm T i : [Ar]3d24s2+ ĩ Ti3+: [ArPd > r Khi tạo phức phức ây tách theo giản đô sau: eg l 2g Năng lượng tách À0 mức lượng A = AE = — = , Ầ 10 02 102310-3 = 242 889/ K J ị m o l \ 1 54 ; = 58,l(Kcal/mol) Dạng 2: Bài tập phức chất theo thuyết VB - Bước 1: Viết cấu hình lớp nguyên tử trung tâm: dạng chữ dạng AO - Bước 2: Dựa vào chất phối tử, số phối trí để kết luận dạng lai hóa + Phối tử tương tác mạnh với ion trung tâm có dồn e AO-d Viết lại cấu hình AO-d + Phối tử tương tác yếu với ion trung tâm Không có dồn e phân lớp d +Từ số phối trí —>Số AO lai hóa cấu hình AO d —>dạng lai hóa -Bước 3: Kết luận + Phức thuận từ hay nghịch từ + Phức spin cao hay spin thấp + Lai hóa hay lai hóa Bài 1: Hãy cho biết giải thích liên kết phức chất theo thuyết VB Trên sở thuyết VB phức chất giải thích phức [Ni(CN)4]2' nghịch từ phức vuông phẳng, phức [NiCl4 Ỷ' thuận từ phức tứ diện Cho Ni (Z = 28) (ĐHQG - năm 2007) Bài làm Sự giải thích liên kết ưong phức chất theo thuyết VB : - Liên kết hóa học phức chất thực xen phủ AO có đôi electron riêng phối tử với AO lai hóa chưa bị chiếm có định hướng không gian thích hợp cuả hạt trung tâm 55 - Khi thực liên kết, phối tử cho đôi electron riêng hạt trung tâm có AO chưa bị chiếm nhận đôi electron Như vậy, thực chất liên kết hóa học phối tử hạt trung tâm phức chất liên kết cho nhận hay liên kết phối trí - Hạt trung tâm xét chủ yếu ion dương (+) nguyên tố kim loại chuyển tiếp Các AO trống ion trung tâm phải AO lai hóa tham gia liên kết phối trí để tạo phức vói phối tử *Phức [Ni(CN)4]2' A N i: [Ar]3d84s2 Do tương tác Ni2+ phối tử CN' mạnh nên 2electron độc thân AO - 3d ghép đôi (xuất ô trống AO - 3d) Ni2+: [Ar]3d ỉ\ V í\ ỉ > Xt /\ ế\ 1AO trống vói 1AO 4s 2AO-4p tổ họp tuyến tính để tạo 4AO lai hóa dsp2 trống hướng đỉnh hình vuông Các AO trống nhận cặp electron tự phối tử CN' để tạo phức t t í t CN" CN" CN" CN" Dạng hình học: Các electron ghép đôi nên phức nghịch từ có dạng vuông phang 56 * Phức [N1CI4]2' Do ion cr có bán kính lớn, tương tác vói ion trung tâm yếu nên 2electron độc thân AO - 3d giữ nguyên 1AO 4s AO 4p tổ hợp tuyến tính tạo AO lai hóa sp3 Các cặp electron tự phối tử Cl' chiếm AO trống AO lai hóa A /ị ^ t Cl' c:r cĩ' C1' Dạng hình học: CI Số electron độc thân giữ nguyên nên phức thuận từ có dạng tứ diện 57 KẾT LUẬN Em tìm hiểu sở lý thuyết “ Liên kết hóa học cấu tạo phân tử” cách ngắn gọn, đầy đủ dễ hiểu Em sưu tập nghiên cứu 32 đề thi cao học trường:Đại học Quốc gia Hà Nội, Đại học Sư phạm Hà Nội, tập liên quan đến phàn liên kết hóa học Khi tìm hiểu, nghiên cứu sơ lý thuyết cấu tạo phân tử liên kết hóa học hướng đến vận dụng lý thuyết để tìm hướng giải, phân loại tập có liên quan đề thi cao học làm rõ ràng hơn, sâu sắc kiến thức bật như: + Công thức cấu tạo Lewis, thuyết VSEPR, momen lưỡng cực + Thuyết liên kết hóa trị (thuyết VB) + Thuyết obital phân tử (thuyết MO) + Đại cương phức chất Các tập em hệ thống hóa, phân loại giải chi tiết chương 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO Các đề thi tuyển sinh sau đại học qua năm từ năm 1999 đến năm 2012 trường: ĐH Quốc Gia ĐHSP Hà Nội Trần Thành Huế (2007), Hóa học đại cương 1, Nhà xuất Đại học Sư phạm, Hà Nội Đào Đình Thức (2006), cẩu tạo nguyên tử liên kế hóa học tập II, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Đào Đình Thức (2008), Bài tập hóa học đại cương, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Đào Đình Thức (2002), Hóa lý 1, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Đình Huề - Nguyễn Đức Chuy (2003), Thuyết lượng tử nguyên tử phân tử - tập 2, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội Lâm Ngọc Thiềm, Phạm Văn Nhiêu, Lê Kim Long (2007), Cơ sở hóa học lượng tử, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Lâm Ngọc Thiềm, Bùi Duy Cam (2008), Hóa học đại cương, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội Lâm Ngọc Thiềm, Lê Kim Long (2006), Giáo trình nhập môn hóa lượng tử, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội 10 Lâm Ngọc Thiềm (2008), Cơ sở lý thuyết hóa học, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội 59 ... cú cỏc thi cao hc cú liờn quan v cỏc phn kin thc lý thuyt ú 2.3 Phng phỏp nghiờn cu Phng phỏp nghiờn cu c s dng ong ti: Nghiờn cu cỏc ti liu tham kho l cỏc thi tuyn sinh sau i hc qua cỏc nm,... cỏc kin thc tỡm hiu c , ỏp dng vo cỏc cõu hi v tỡm lũi gii, khỏi quỏt húa cho cỏc cõu hi cú liờn quan v cỏc phn kin thc ú ong cỏc thi cao hc 2.2 i tng v phm vi nghiờn cu 2.2.1 i tng nghiờn cu... cỏch ngn gn, y v d hiu p dng cỏc lý thuyt ú gii cỏc bi cú ch liờn quan ong cỏc thi cao hc C th l cỏc bi v phn kin thc liờn quan n: + Cụng thc cu to Lewis, thuyt VSEPR, momen lng cc + Thuyt liờn