Tiểu luận hoá lượng tử độ âm điện của nguyên tố và vai trò của độ âm điện trong hóa học

Độ âm điện được sử dụng rộng rãi ở cả chương trình phổ thông và đại học để giải thích và dự đoán một số vấn đề như: độ bền liên kết, độ phân cực của liên kết, phân loại liên kết hay dự đ

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Hóa học là bộ môn khoa học thực nghiệm, do đó hệ thống lý thuyết hóa học phải giải thích và dự doán được thực nghiệm Có rất nhiều hệ thống lý thuyết dùng để giải thích thực nghiệm, trong đó độ âm điện là một đại lượng quan trọng và được sử dụng rất nhiều Vậy độ âm điện của các nguyên tố là gì? Vai trò cuả độ âm điện đối với hóa học ra sao? Là những vấn đề mà một giáo viên hóa học cần phải nắm rõ

Độ âm điện được sử dụng rộng rãi ở cả chương trình phổ thông và đại học để giải thích và dự đoán một số vấn đề như: độ bền liên kết, độ phân cực của liên kết, phân loại liên kết hay dự đoán khả năng phản ứng của các nhóm thế Tuy nhiên, việc vận dụng độ âm điện để giải thích trong những trường hợp cụ thể không phải lúc nào cũng thuận lợi, vì vậy hy vọng với tiểu luận này sẽ giúp các thầy cô nắm được các khái niệm cơ bản liên quan đến độ âm điện, các phương pháp xác định độ âm điện và giải thích cũng như dự đoán một số vấn đề thường gặp

Ngoài ra, bản thân tôi cũng muốn đi sâu tìm hiểu về những vấn đề có liên quan đến độ âm điện để vốn kiến thức về hóa học được vững chắc hơn nữa

II Nhiệm vụ nghiên cứu

Làm rõ các khái niệm về độ âm điện và các phương pháp xác định độ âm điện Vai trò của độ âm điện trong hóa hóa học

III Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu như: nghiên cứu các sách tham khảo, các bài báo, sách giáo khoa …

PHẦN 2: NỘI DUNG

CHƯƠNG I: ĐỘ ÂM ĐIỆN

I Độ âm điện là gì?

Để xét đoán sự phân bố mật độ điện tử trong phân tử cũng như để đặc trưng cho

độ có cực của liên kết người ta đưa ra khái niệm độ âm điện

Độ âm điện của một nguyên tố là khả năng của nguyên tử nguyên tố đó ở trong phân tử hút electron về phía mình (theo Pauling – năm 1932).

Như vậy:

+ Độ âm điện của nguyên tử càng lớn thì tính phi kim càng mạnh và ngược lại

độ âm điện càng nhỏ thì tính kim loại càng mạnh

+ Độ âm điện là tính chất của nguyên tử trong phân tử chứ không phải của nguyên tử tự do, nên việc xác định độ âm điện khó khăn hơn nhiều so với việc xác định năng lượng ion hóa và ái lực electron

II Các phương pháp xác định độ âm điện

1 Phương pháp Mulliken (1934): Độ âm điện của nguyên tố là nửa tổng năng lượng

Công thức tính:

Trong đó : Xi : độ âm điện nguyên tố i

Ei : ái lực electron của nguyên tố i

Ii : thế ion hóa của nguyên tố i

Độ âm điện của Mulliken có đơn vị là đơn vị của năng lượng, thang độ âm điện của Mulliken là thang độ âm điện tuyệt đối

Nhược điểm: phương pháp này tuy dựa vào một cơ sở lí thuyết vững vàng nhưng có nhược điểm chính là không xác định được đầy đủ độ âm điện của các nguyên tố vì không biết đầy đủ ái lực electron của cá nguyên tố

2 Phương pháp Pauling (1932): Độ âm điện được xác định dựa vào năng lượng liên

kết của các liên kết tương ứng

Công thức tính: XA – XB = 0,208

Với = [EA-B – [ EA-A EB-B ] 1/2] 1/2

Trong đó: EA-A, EB-B, EA-B là năng lượng liên kết của A-A, B-B, A-B (Kj/ mol) Các giá trị này được xác định từ nhiệt đông lực học

Để xác định độ âm điện của các nguyên tố, người ta quy ước độ âm điện của nguyên tố H là 2,1 Do đó thang âm điện của Paulling là thang tương đối

Nhược điểm: nhiều dữ kiện về năng lượng liên kết không xác định trực tiếp được

3 Thang độ âm điện theo I Kobski (1960): Độ âm điện được tính bằng đạo hàm bậc

nhất của năng lượng theo điện tích

hay X = a + bq

dE

X = dq

Trong đó: a là độ âm điện vốn có của nguyên tử và b là hệ số điên tích, cho biết ảnh hưởng của điện tích đến độ âm điện

Về sau dựa vào những tính chất khác nhau của các chất, người ta còn đưa ra nhiều thang độ âm điện khác nữa cho hầu hết nguyên tố Nói chung các kết quả thu được khá phù hợp với nhau.Trong các phương pháp này thì phương pháp Paulling được sử dụng rộng rãi nhất

4 Chú ý

Khi dùng độ âm điện để chỉ khả năng của nguyên tử hút electron về phía mình, không nên gán cho nó một độ âm điện không đổi Thật ra khả năng hút electron của một nguyên tử trong phân tử phụ thuộc vào một số yếu tố như kiểu liên kết hóa học, trạng thái hóa trị, bản chất của nguyên tử liên kết với nó Chẳng hạn:

+ Đối với một nguyên tố có nhiều số oxi hóa, khi số oxi hóa tăng thì độ âm điện cũng tăng Ví dụ: độ âm điện của Fe đối với Fe+2 là 1,8 còn đối với Fe+3 là 1,9 ; đối với

Cu+1 là 1,9 còn Cu+2 là 2,0 ; đối với Sn+2 là 1,8 còn Sn+4 là 1,9 …

+ Nguyên tử C ở các trạng thái lai hóa khác nhau thì có độ âm điện khác nhau

Ví dụ: Độ âm điện của Csp > Csp2 > Csp3 Nguyên nhân là do từ trạng thái lai hóa sp3

đến sp2 rồi đến sp thì tỉ lệ s trong trạng thái lai hóa tăng lên, tức lớp vỏ s gần hạt nhân hơn nên làm tăng khả năng hút electron

+ Nguyên tử H trong các phân tử H2, H2O, HCl không có tính chất như nhau Bởi vậy, không nên nói độ âm điện của một nguyên tố nói chung, mà cần nói độ

âm điện của nguyên tố tạo nên liên kết hóa học cụ thể nào, trong hợp chất nào và ở trạng thái hóa trị nào Do đó trong tương lai, sự thành lập các thang âm điện mới cần

có sự chú ý đến các yếu tố trên bằng cách đưa thêm vào những gia số hay những số hiệu chính khác nhau Tuy vậy, việc đưa khái niệm độ âm điện của các nguyên tố là rất cần thiết để hiểu rõ, giải thích cũng như dự đoán nhiều tính chất có liên quan đến liên kết hóa học

III Độ âm điện nhóm và cách xác định độ âm điện nhóm

1 Khái niệm độ âm điện nhóm

a Nhóm: là một phần của phân tử thu được khi cắt đoạn nhiệt một liên kết hóa

học tương ứng Sự cắt đoạn nhiệt là một quá trình phân li 1 liên kết mà không kèm theo sự sắp xếp lại electron cũng như không kèm theo hiệu ứng nhiệt Đây chỉ là sự giả thiết

b Độ âm điện nhóm: Là độ âm điện của nguyên tử trung tâm trong sự có mặt

của các nguyên tử khác của nhóm được coi là độ âm điện nhóm

Ví dụ : CH3 : C lai hóa sp3 với sự có mặt của 3 nguyên tử H

2 Cách xác định độ âm điện nhóm

Có nhiều phương pháp khác nhau để xác định độ âm điện nhóm, trong đó phương pháp của Huhi thường được dùng Theo phương pháp này;

X = a + bq Trong đó:

X : độ âm điện nhóm

a : độ âm điện vốn có của nhóm

b : hệ số điện tích của nhóm xác định bằng thực nghiệm với từng nguyên tử

ở từng trạng thái hóa trị

q : điện tích của nhóm

Ngoài ra, ta cũng có thể áp dụng nguyên lí san bằng độ âm điện do Sanderson nêu ra, giải các phương trình thích hợp sẽ tính được độ âm điện nhóm sau đó đổi ra thang Pauling

7 NF2 3,65 17 SF 3,17

Bảng 1: Độ âm điện của một số nhóm thường dùng (theo thang Pauling)

CHƯƠNG II: ĐỘ ÂM ĐIỆN CỦA CÁC NGUYÊN TỐ

I Độ âm điện của một số nguyên tố

Bảng 2: Độ âm điện của một số nguyên tố

II Sự biến đổi độ âm điện của các nguyên tố

Trong bảng tuần hoàn:

+ Các nguyên tố nhóm A có độ âm điện giảm dần theo chiều tăng của điện tích hạt nhân

+ Các nguyên tố trong cùng chu kì có độ âm điện tăng đần theo chiều tăng của điện tích hạt nhân

=> Điều này cho thấy rõ sự biến đổi của khả năng hút và giữ electron của nguyên tử các nguyên tố hóa học theo chu kì và nhóm

+ Các nguyên tố chuyển tiếp có độ âm điện cũng tăng lên một ít theo chiều tăng của điện tích hạt nhân phù hợp với sự giảm bán kính ion của các nguyên tố đó

Như vậy, trong bảng tuần hoàn thì flo là nguyên tố có độ âm điện lớn nhất và Xexi có độ âm điện nhỏ nhất (không xét các khí trơ)

CHƯƠNG III: VAI TRÒ CỦA ĐỘ ÂM ĐIỆN

TRONG HÓA HỌC

I Phân loại liên kết

Ta có thể sử dụng hiệu độ âm điện để dự đoán được bản chất của một liên kết hóa học là liên kết ion hay liên kết cộng hóa trị

Ta đặt: X = XA - XB với X là hiệu độ âm điện của 2 nguyên tố + Nếu X ≤ 0,4 : giữa A và B là liên kết cộng hóa trị không cực

+ Nếu 0,4 < X < 1,7 : giữa A và B là liên kết cộng hóa trị có cực

+ Nếu X ≥ 1,7 : giữa A và B là liên kết ion

Tuy nhiên, nếu theo sự phân chia này thì liên kết trong phân tử BF3 ( X = 2) phải là liên kết ion, nhưng thực tế đây lại là hợp chất cộng hóa trị điển hình trong chương trình phổ thông Vậy có mâu thuần gì ở đây?

Ta cần biết rằng sự phân loại một liên kết là cộng hóa trị hay ion chỉ mang tính tương đối, không có một liên kết nào có bản chất ion tuyệt đối hay cộng hóa trị tuyệt đối (trừ phân tử 2 nguyên tử đồng hạch) mà chỉ có liên kết có phần trăm ion nhiều hơn hay phần trăm cộng hóa trị nhiều hơn hay tất cả các liên kết hóa học đều có đặc tính ion

Ngay những hợp chất ion điển hình, liên kết cũng không phải là 100% ion Nguyên nhân là do bản chất sóng của electron nên xác suất có mặt của electron ở khoảng giữa các ion luôn luôn có giá trị khác không Người ta thường giải thích đặc điểm này bằng sự biến dạng ion xuất hiện chủ yếu do tác dụng hút của cation lên lớp

vỏ electron của anion Tác dụng này càng lớn nếu điện tích của cation càng lớn và bán kính càng nhỏ và sự biến dạng của anion càng lớn nếu lớp vỏ electron của anion càng kém bền chặt nghĩa là kích thước và điện tích của nó càng lớn Do sự chuyển electron không hoàn toàn nên liên kết trong phân tử ion còn mang một phần của liên kết cộng hóa trị Từ đó, người ta đưa ra biểu thức tính % đặc tính ion của một liên kết như sau:

% ion = 16 (XA – XB) + 3,5 (XA – XB)2

XA - XB % ion của liên kết A – B XA - XB % ion của liên kết A – B 0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 1 4 9 15 22 30 39 47

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2

55 63 70 76 82 86 89 92

Bảng 3: Mức độ ion của liên kết và độ âm điện

Vì vậy, ta chỉ nên sử dụng quy ước trên một cách tương đối, nghĩa là nếu

X ≥ 1,7 thì liên kết ion trội hơn còn nếu X < 1,7 thì liên kết cộng hóa trị trội hơn

Do đó ta vẫn có thể sử dụng hiệu độ âm điện để đánh giá loại liên kết một cách tương đối

II Xét độ phân cực và độ bền của liên kết

Dựa vào độ âm điện ta có thể biết được độ phân cực của một liên kết hay có thể xác định gần đúng độ bền của liên kết

1 Độ bền của liên kết

Nếu hiệu số độ âm điện giữa hai nguyên tố càng lớn thì liên kết giữa chúng càng bền và nói chung phản ứng tỏa nhiệt càng lớn, còn phản ứng giữa hai nguyên tử

có độ âm điện càng gần nhau thì càng ít tỏa nhiệt hoặc có khi thu nhiệt và liên kết giữa chúng càng kém bền

Ví dụ: H2 + F2  2HF + 128 kcal

H2 + Cl2  2HCl + 44 kcal

H2 + Br2  2 HBr + 25 kcal

H2 + I2  2HI - …

2 Độ phân cực của liên kết

Liên kết giữa các nguyên tử có độ âm điện khác xa nhau thì phân cực càng mạnh, còn liên kết giữa các nguyên tử có độ âm điện gần bằng nhau thì càng kém phân cực Người ta có thể dựa vào độ phân cực của liên kết để giải thích, dự đoán một số vấn đề sau:

a.Dự đoán độ tan của một số chất

Chất có chứa liên kết càng phân cực thì càng tan tốt trong dung môi phân cực

và ngược lại chất có chứa liên kết kém phân cực tan tốt trong dung môi kém phân cực

Ví dụ:

+ Các axit halogen hidric HX (X là F, Cl, Br, I) có liên kết H-X phân cực mạnh tan nhiều trong H2O là dung môi phân cực Và từ HF đến HI thì độ tan giảm dần nguyên nhân là vì từ F đến I độ âm điên giảm dần nên độ phân cực của liên kết giảm dần làm khả năng tan trong nước giàm, ngoài ra cũng vì độ âm điện giảm từ F đến I nên khả năng tạo thành liên kết hidro với H2O cũng giảm từ HF đến HI nên độ tan cũng giảm từ HF đến HI

+ Còn lưu huỳnh, đường, iot,… là những chất kém phân cực nên tan tốt trong những dung môi không phân cực như benzen, cacbon tetraclorua…

b.Giải thích sự biến đổi tính axit – bazơ của các hydrua (HX)

Trong một phân nhóm chính, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, tính axit của các hydrua tăng dần; Trong một chu kì, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, tính axit của các hydrua cũng tăng dần

Giải thích: Khi độ âm điện của nguyên tố tạo hydrua càng lớn thì độ phân cực của liên kết H – X càng tăng thì trong dung môi phân cực (cụ thể ở đây là H2O) liên kết càng dễ bị đứt, H+ càng dễ bị tách ra và tính axit càng mạnh Cụ thể:

+ Trong 1 chu kì, đối với dãy NH3, H2O, HF chẳng hạn, độ âm điện tăng dần từ N đến F nên độ phân cực của liên kết N – H, O – H, F – H cũng tăng dần nên tính axit tăng dần từ NH3 đến HF

+ Trong một phân nhóm chính, đối với trường hợp các halogenua hydro chẳng hạn, có sự giảm độ phân cực của liên kết H – X từ HF đến HI thì tính axit phải giảm từ

HF đến HI, nhưng thực tế tính axit lại tăng từ HF đến HI Để giải thích tính axit ở đây

ta không dựa vào độ phân cực của liên kết mà dựa vào độ bền của liên kết Từ F đến I bán kính tăng, số oxi hóa lại như nhau, nên mật độ điện tích âm giảm từ F đến I, độ bền của liên kết giảm dần từ HF đến HI, khả năng phân li ra H+ giảm nên tính axit giảm Trường hợp, tính axit biến đổi trong một chu kì, giải thích theo độ bền của liên kết vẫn phù hợp

III Xét sự biến đổi tính axit – bazơ của các hydroxyt R(OH)n

Trong dung môi phân cực (cụ thể ở đây là H2O), các hydroxyt R – O – H có thể phân li theo kiểu bazơ hoặc theo kiểu axit:

R – O – H R+ aq + OH - aq (phân li theo kiểu bazơ)

R – O – H RO - aq + H+.aq (phân li theo kiểu axit)

Sự phân li theo kiểu bazơ sẽ xảy ra ưu tiên nếu liên kết R – O trong phân tử hydroxyt phân cực hơn liên kết O – H Và ngược lại, nếu liên kết O – H phân cực hơn liên kết R – O thì sẽ ưu tiên phân li theo kiểu axit Còn nếu độ phân cực của liên kết

R – O và O – H xấp xỉ nhau thì hydroxyt sẽ có tính lưỡng tính Trong môi trường axit, hydroxyt lưỡng tính đối xử như 1 bazơ và trong môi trường kiềm, nó sẽ đối xử như một axit

R – O – H + H+ aq R+ aq + H2O

R – O – H + OH - aq RO- aq + H2O

Độ phân cực của liên kết R – O và O – H trước hết phụ thuộc vào quan hệ độ âm điện của nguyên tố O và nguyên tử trung tâm R và của nguyên tử O với H Hiệu độ âm điện của O và R càng lớn thì liên kết R – O càng phân cực Trong các phân tử hydroxyt, hiệu độ âm điện của O và H là như nhau

Ở phần trên ta đã có mối tương quan gần đúng giữa hiệu độ âm điện với độ phân cực của liên kết Bảng dưới đây ghi độ phân cực của liên kết R – O và O – H trong một số hợp chất

Liên kết Độ phân cực % ion Hợp chất Tính chất bazơ hay axit

O-2 – H+1

Na+1 – O – H

Be+2 – O – H

Ca+2 – O – H

Al+3 – O – H

N+3 – O –

Si+4 – O –

P+5 – O –

N+5 – O –

28 66 47 63 46 7 35 29 6

NaOH Be(OH)2

Ca(OH)2

Al(OH)3

HNO2

H2SiO3

H3PO4

HNO3

Bazơ Lưỡng tính Bazơ Lưỡng tính Axit Axit yếu Axit Axit mạnh

S+6 – O – 15 H2SO4 Axit mạnh

Bảng 4: Độ phân cực của liên kết R – O trong một số hợp chất

Qua bảng trên ta thấy: nếu độ phân cực của liên kết R – O vào khoảng 45% (ứng với hiệu số độ âm điện là khoảng 1,7) thì tạo thành hydroxyt lưỡng tính thể hiện cả tính axit lẫn bazơ yếu Nếu độ phân cực của liên kết R – O càng lớn hơn 45% thì tính bazơ của hydroxyt càng mạnh, và ngược lại, nếu độ phân cực của liên kết R – O càng nhỏ hơn 45% thì tính axit của hydroxyt càng mạnh

Tuy những trị số này chưa phải là sự phụ thuộc chặt chẽ giữa tính axit – bazơ vào độ phân cực của liên kết, nhưng cũng cho ta một ý niệm về quy luật biến đổi tính axit – bazơ của các hydroxyt

Như vây, khi độ âm điện của nguyên tố trung tâm càng lớn thì tính cộng hóa trị của liên kết R – O và tính ion của liên kết O – H càng tăng, do đó tính axit của hydroxyt càng tăng

Từ kết luận trên thì ta có thể rút ra quy luật biến đổi tính axit – bazơ của các hydroxyt theo chu kì và theo nhóm trong bảng tuần hoàn

+ Trong một chu kì, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân, độ âm điện của các nguyên

tố tăng dần, chẳng hạn chu kì 3 (từ Na đến Cl)

Nguyên tố Na Mg Al Si P S Cl O

Độ âm điện X 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,5 3,0 3,5 (XO – XR) 2,6 2,3 2,0 1,7 1,4 1,0 0,5

Hiệu số độ âm điện (XO – XR) giảm dần, độ phân cực của liên kết R – O ngày càng giảm dần, tính bazơ giảm dần, tính axit tăng dần

+ Trong một phân nhóm chính, theo chiều tăng của điện tích hạt nhân độ âm điện của các nguyên tố giảm dần, chẳng hạn ở phân nhóm IIA (từ Be đến Ba)

Nguyên tố Be Mg Ca Sr Ba O

Độ âm điện X 1,5 1,2 1,0 1,0 0,9 3,5

(XO – XR) 2,0 2,3 2,5 2,5 2,6