Chuyên đề 3 cấu tạo phân tử và liên kết hóa học

CHUYÊN ĐỀ CẤU TẠO PHÂN TỬ VÀ LIÊN KẾT HỐ HỌC A LÍ THUYẾT CƠ BẢN VÀ NÂNG CAO I KHÁI QUÁT VỀ PHÂN TỬ VÀ LIÊN KẾT Khái niệm Phân tử gồm số có giới hạn nguyên tử electron tương tác với phân bố cách xác định không gian tạo thành cấu trú thống bền vững Giữa phân tử có tương tác chủ yếu gọi tương tác Vandevan, tuỷ nhiệt độ ánh sáng phân tử tồn trạng thái khí phân tán mà cịn tồn trạng thái ngưng tụ: rắn, lỏng Liên kết hoá học kết hợp nguyên tử tạo thành phân tử hay tinh thê bền vững Quy tắc (8 electron) Nguyên tử nguyên tố có khuynh hướng liên kết với nguyên tử khác để đạt cấu hình electron vững bền khí hiểm với electron (hoặc heli) lớp Với quy tắc bát tử, người ta giải thích cách định tính hình thành loại liên kết phân tử, đặc biệt cách viết công thức cấu tạo hợp chất thơng thường Vì phân tử hệ phức tạp nên nhiều trường hợp quy tắc bát tử tỏ khơng đầy đủ Ví dụ: PCl5 ,BeH ,LiCl, NO, NO , II LIÊN KẾT ION Sự hình thành ion a) lon Ngun tử trung hồ điện số proton số electron Trong phản ứng hoá học, nguyên tử bớt thu thêm electron, trở thành phần tử mang điện tích dương âm Nguyên thư nhóm nguyên tử mang điện gọi ion • Ion dương (hay cation): Ion mang điện tích dương gọi ion dương hay cation Thí dụ: Na � Na   le Mg � Mg 2  2e Al � Al3  3e Người ta gọi tên cation kim loại cách đặt trước tên kim loại từ cation Thí dụ: Li  : cation liti; Mg 2 : cation magie, Al3 : cation nhôm; Cu  : cation đồng I; Cu 2 : cation dòng II; • Ion âm (hay anion): Ion mang điện tích âm gọi ion âm hay anion Thí dụ: C1  1e � Cl  O  2e � O 2 S  2e � S2 Người ta thường gọi tên anion tên gốc axit tương ứng Thí dụ: F :ion florua ; Cl : ion clorua ; S2 : ion sunfua Ion O 2 gọi ion oxit b) Ion đơn nguyên tử ion đa nguyên tử Ion đơn nguyên tử ion tạo nên từ nguyên tử Thí dụ: Li  , Al3 ,Ca 2 ,Br  , Ion đa nguyên tử ion tạo nên từ nhiều nguyên tử liên kết với để thành nhóm nguyên Trang  2 tử mang điện tích dương hay âm Thí dụ, ion amoni (NH4), ion nitrat ( NO3 ), ion sunfat ( SO ), ion  đihiđro photphat ( H PO ), Liên kết ion Là liên kết tạo thành lực hút tĩnh điện ion mang điện tích trái dấu - Trong phân tử cặp electron chung bị lệch hẳn phía ngun tử ta có liên kết ion - Liên kết ion thường hình thành kim loại điển hình phi kim điển hình - Liên kết A - B liên kết ion � Hiệu độ âm điện (    A   H  1, Khi A nhường electron hóa trị cho B để trở thành ion t Thí dụ: Liên kết Na  Cl liên kết ion trình hình thành liên kết Na nhường electron hóa trị cho Cl để trở thành ion Na  Cl � Na + Cl Na  1s 2s 2p 3s1 1s 2s 2p 3s 3p5 1s 2s2 2p6 + Cl 1s 2s 2p 3s 3p Hai ion tạo thành mang điện tích trái dấu hút lực hút tĩnh điện, tạo nên phân tử NaCl Na   Cl � NaCl Tinh thể mạng tinh thể ion a) Khái niệm tinh thể Tinh thể cấu tạo từ nguyên tử, ion, phân tử Các hạt xếp cách đặn, tuần hoàn theo trật tự định không gian tạo thành mạng tinh thể Các tinh thể thường có hình dạng khơng gian xác định b) Mạng tinh thể ion Xét mạng tinh thể NaCl: Mạng tinh thể NaCl có cấu trúc hình lập phương Các ion Na  Cl nằm nút mạng tinh thể cách luân phiên Trong tinh thể NaCl, ion Na  bao quanh ion Cl Ngược lại, ion Cl bao quanh ion Na  Mơ hình mạng tinh thể NaCl Tinh thể NaCl tạo nhiều ion Na  Cl , khơng có phân tử NaCl riêng biệt Tuy vậy, để đơn giản người ta viết NaCl Tương tự hợp chất ion khác như: KCl, MgCl2 , c) Tính chất chung hợp chất ion Ở điều kiện thường, hợp chất ion thường tồn dạng tinh thể, có tính bền vững, thường có nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ sơi cao Các hợp chất ion tồn dạng phân tử riêng rẽ chúng trạng thái Các hợp chất ion thường tan nhiều nước Khi nóng chảy hoà tan nước chúng dẫn điện, cịn trạng thái rắn khơng dẫn điện III LIÊN KẾT CỘNG HĨA TRỊ Liên kết cộng hố trị Trang Liên kết cộng hoá trị liên kết hình thành hay nhiều cặp electron chung Mỗi cặp electron chung tạo nên liên kết cộng hóa trị - Liên kết cộng hóa trị thường hình thành từ hai ngun tử phi kim có độ âm điện chênh lệch không nhiều ( 0�  1, ) Dựa vào vị trí cặp electron liên kết mà người ta phân làm hai loại: • Liên kết cộng hố trị khơng cực Là liên kết xảy đơn chất H , O2 , Cl2 , N , Br2 , Cặp electron chung không bị lệch nguyên tử nguyên tố Do đó, liên kết phân tử khơng bị phân cực Đó liên kết cộng hóa trị khơng có cực Thí dụ: Sự hình thành liên kết cộng hóa trị khơng có cực phân tử Họ biểu diễn sau: � � H:H H-H H  gH Công thức electron Cơng thức cấu tạo • Liên kết cộng hố trị có cực Liên kết cộng hóa trị cặp electron chung bị lệch phía nguyên tử (có giá trị độ âm điện lớn hơn), liên kết cộng hóa trị có cực Thí dụ: Sự hình thành liên kết cộng hóa trị có cực phân tử HCl biểu diễn sau: H + gg Cl : gg � gg H : Cl : gg � H-Cl Công thức electron Công thức cấu tạo Quy ước: �  0.4 � liên kết cộng hóa trị khơng có cực 0, �  1, � liên kết cộng hóa trị có cực Liên kết cho - nhận (trường hợp đặc biệt liên kết cộng hóa trị) Trong số trường hợp cặp electron chung nguyên tử ngun tố đóng góp liên kết hai nguyên tử liên kết cho - nhận Thí dụ: Công thức electron công thức cấu tạo phân tử SO2, biểu diễn sau: Cơng thức electron Công thức cấu tạo Liên kết kim loại Liên kết kim loại liên kết hình thành nguyên tử ion kim loại mạng tinh thể tham gia electron tự Thí dụ: Trong tinh thể kim loại Na, ion Na + nguyên tử Na nằm nút của mạng tinh thể, Các electron hóa trị liên kết yếu với hạt nhân nên dễ tách khỏi nguyên tử chuyển động tự mạng tinh thể Lực hút gữa electron với ion Na+ tạo nên liên kết kim loại Liên kết sigma (8) Sự xen phủ trục obitan tham gia liên kết trùng với đường nối tâm hai nguyên tử liên kết gọi xen phủ trục Liên kết  hình thành xen phủ trục hai obitan Độ bền liên kết theo thứ tự:  ns ns  ns  np  np  np Trang Liên kết pi (  ) Sự xen phủ trục obitan tham gia liên kết song song với vng góc với đường nội tâm hai ngun tử liên kết gọi xen phủ bên Liên kết  hình thành xen phủ bên hai obitan Liên kết ba tâm Khi nghiên cứu hiđrua bo người ta dự đốn tồn dạng BH phân tử monome bình thường Song hợp chất không xuất hiện, mà xuất dạng polime, phổ biến dạng đime B 2H6 Nếu vẽ sơ đồ phân bố electron rõ ràng không đủ Số electron để tạo cặp electron hai nguyên tử tạo liên kết, tức hợp chất thiếu electron Cấu tạo boran B2H6 mô tả hình đây: Hiện chất liên kết hợp chất thiếu electron mô tả tốt phạm vi thuyết MO, tức liên kết cộng hoá trị tạo tổ hợp AO nguyên tử với nguyên tử khác để tạo MO liên kết phản liên kết Nếu nghiên cứu hợp chất nguyên tử, tổ hợp tạo MO gồm MOlk, MOplk MOklk Áp dụng cách lập luận phân tử B 2H6 biểu diễn thành hai nhóm BH2 tất nguyên tử nhóm nằm mặt phẳng mơ tả hình sau: Trong nhóm BH2 có liên kết electron electron độc thân Sau hai phần liên kết với nhờ hiđro Ở xuất thiếu hụt electron liên kết BHB xếp electron Có thể xây dựng hai liên kết tần, liên kết tạo cabitan phân tử hai nguyên tử bo nguyên tử H Đối với loại liên kết phải sử dụng tổ hợp AO lai hoá sp3 hai nguyên tử bo AOs nguyên tử H Kết xuất MO tâm với electron làm cho cấu trúc phân tử trở nên bền Ví dụ: a) Tại có phân tử BF3 , BCl3 , BBr3 , khơng có phân tử BH3? Trang b) Tại có phân tử Al Cl6 khơng có phân tử B2Cl6 ? Giải a) Sự có mặt liên kết  phân tử BF3 , BCl3 làm cho lớp vỏ hoá trị nguyên tử B lẫn nguyên tử halogen đạt quy tắc (bền vững) Khơng có liên kết  BH3, quanh B có 6e lớp vỏ ngồi nên phân tử B1%, khơng bền vững có khuynh hướng dime hố để có cấu trúc bền vững (sự có mặt liên kết xuất xen phủ obital lai hóa sp nguyên tử B obital 1s H làm cho ngun từ B bão hố phơi trí có cấu bền vững) b) Kích thước nguyên tử B nhỏ nên có mặt nguyên tử Cl tích tương đối lớn quanh gây tương tác lớn (hiệu ứng không gian hay yếu tố lập thể) làm cho phân tử bền vững Tính chất chất có liên kết cộng hố trị Các chất mà phân tử có liên kết cộng hố trị chất rắn đường, lưu huỳnh, iot, , chất lỏng như: nước, ancol, chất khí khí cacbonic, clo, hiđro, Các chất có cực ancol etylic, đường, tan nhiều dung mơi có cực nước Phần lớn chất không cực iot, chất hữu không cực tan dung môi không cực benzen, cacbon tetraclorua, Nói chung, chất có liên kết cộng hố trị khơng cực khơng dẫn điện trạng thái IV ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA LIÊN KẾT HÓA HỌC Năng lượng liên kết • Năng lượng liên kết: Là lượng cần tiêu tốn để phá vỡ liên kết chuyển hai nguyên tử sang trạng thái lập xa vơ hạn Kí hiệu D E  H Đơn vị: Đơn vị lượng liên kết tính theo eV/phân tử hay KJ mol 1 hay Kcal mol 1 1eV =4,336 108 Kcal mol 1 ; Kcal = 4,184 KJ Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền liên kết, lượng liên kết lớn liên kết bền • Năng lượng phân tử: Là lượng cần thiết để phá vỡ liên kết hoá học, tách phân tử thành nguyên tố Thí dụ: HCl � H  Cl E lk  431KJ.mol 1 ; E pl  431KJ.mol 1 •Quá trình phát nhiệt thu nhiệt: Quá trình tạo thành liên kết từ nguyên tử trình phát nhiệt Quá trình phá vỡ liên kết phân tử trình thu nhiệt Bậc liên kết Là số mối liên kết hình thành hai nguyên tử (liên kết đơn, liên kết đôi, liên kết ba) Bậc liên kết hai nguyên tử C1 - Cl, H - H, Br - Br, Bậc hai liên kết hai nguyên tử O = O, CH2 = CH2, Bậc ba liên kết hai nguyên tử N �N, CH �CH, Bậc bốn liên kết hai nguyên tử O = C = O, Độ dài liên kết Khoảng cách hai hạt nhân nguyên tử liên kết trực tiếp với gọi độ dài liên kết Đơn 0 8 vị A  1A  10 cm  Giữa phân tử xác định độ dài liên kết giảm bậc liên kết lượng liên kết tăng Góc liên kết (hay góc hố trị) Là góc tạo nửa đường thẳng xuất phát từ hạt nhân nguyên tử qua hai hạt nhân hai nguyên tử khác liên kết trực tiếp với nguyên tử V HĨA TRỊ CỦA CÁC NGUN TỐ Định nghĩa Là đại lượng đặc trưng cho khả liên kết nguyên tử với Electron hoá trị Trang Là electron lớp vỏ ngồi cùng, có khả tham gia tạo thành liên kết hoá học Hoá trị hợp chất ion Khái niệm điện hóa trị: Hố trị nguyên tố hợp chất ion gọi điện hố trị diện tích ion Cách xác định điện hóa trị: Trị số điện hố nguyên tố số electron mà nguyên tử nguyên tố nhường thu để tạo thành ion Thí dụ: Trong phân tử NaCl, natri có điện hóa trị +, clo có điện hóa trị 1 Hố trị hợp chất cộng hóa trị Khái niệm cộng hóa trị: Hố trị nguyên tố hợp chất cộng hoá trị gọi cộng hoá trị số liên kết mà nguyên tử nguyên tố tạo với nguyên tử khác phân tử Cách xác định cộng hóa trị: Cộng hố trị ngun tố số liên kết mà nguyên tử nguyên tố tạo với nguyên tử nguyên tố khác phân tử Thí dụ: Trong phân tử H2O, H - - H, nguyên tố H có cộng hóa trị 1, nguyên tố oxi có cộng hóa trị VI THUYẾT LIÊN KẾT HÓA TRỊ VÀ THUYẾT LẠI HÓA, SỰ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT ĐƠI VÀ LIÊN KẾT BA Thuyết liên kết hoá trị (gọi tắt thuyết VB) Một luận điểm thuyết là: Mỗi liên kết hoá học hai nguyên tử đam bo đội electron có spin đối song hai nguyên từ góp chung Dựa vào quan điểm này, Hailơ-Lơnđơn giải thích cách định lượng liên kết hoá học phân tử hiđro H2 Tuy nhiên, mở rộng việc áp dụng kết để giải thích liên kết hố học hệ khác kết khơng phù hợp Chẳng hạn phân tử H 2O Thực nghiệm đo góc liên kết HOH 104,5° Nếu giả thiết H2O, nguyên tử oxi đưa obitan p xen phủ với obitan 1s nguyên tử hiđro góc liên kết phải 90°C Rõ ràng giải thích khơng phù hợp với thực nghiệm Nguyên nhân chỗ: kết thu với H kết trường hợp đơn giản nhất, H có cấu hình electron 1s1 Trong H2 có xen phủ 2AO1s tạo liên kết Trường hợp H2O O có AO2p , khác xa nhiều mặt với AO1s Để áp dụng thuyết VB cho hệ khác H2, có luận điểm hay thuyết bổ sung vào thuyết VB Thuyết lai hoá số thuyết Thuyết lai hố a) Nội dung Thuyết lai hoá cho obitan nguyên tử khác nhauk nguyên tử gần lượng phù hợp đối xứng tổ hợp tuyến tính với để tạo obitan nguyên tử tương đương Các obitan nguyên tư gọi obitan nguyên tử lai hoá Số AO lai hoá tổng số AO tham gia tố hợp b) Các kiểu lai hố thường gặp • Lai hóa sp3 (lai hóa tứ diện): Một AOS AO P tổ hợp với tạo thành 4AO lai hóa sp3 hướng tới đỉnh tứ diện Góc lại hố 1090 28' Trang •Lai hóa sp2(lai hóa tam giác): Một AOS AO P tổ hợp với tạo thành 3AO lai hóa sp2 có trực nằm mặt phẳng hình thành góc 120° • Lai hóa sp (lai hóa thẳng): Một AOS AO P tổ hợp với tạo thành 2AO lai hóa sp có trục nằm đường thẳng • Lai hố sp3d (lai hố lưỡng tháp tam giác): 1AOS ,3AO P , 1AOd tổ hợp tạo 5AO lai hoá sp3d Sự phân bố khơng gian AO lai hố có dạng lưỡng tháp tam giác • Lai hố sp3d2 (lai hố bát diện): 1AOS ,3AO P , 2AOd tổ hợp tạo 6AO lai hoá sp3d Các AO phân bố theo hình bát điện c) Đặc điểm AO lai hoá Số lượng AO lai hoá thu tổng số AO nguyên tử tham gia lai hoá Năng lượng AO nguyên tử lai hố có mức lượng (suy biến) Mỗi AO lai hố gồm hai phần: phần phình ra, phần thu hẹp, phần cách khoảng trống nhân nguyên tử hay tâm hệ toạ độ (khoảng trống tạo thành mặt nút) Mỗi AO lai hoá phân bố trục (trục trùng với trục toạ độ) Vậy AO lai hoá đối xứng trục nên tạo liên kết bên (liên kết hình thành dọc theo trục) Sự hình thành liên kết đơn, liên kết đơi liên kết ba a) Liên kết đơn Là liên kết ở, tạo thành xen phủ trục thường bền vững Thí dụ: H-H, H-Cl, C1-C1, b) Liên kết đôi Gồm liên kết  liên kết  Thí dụ: c) Liên kết ba Gồm liên kết  hai liên kết  Thí dụ: VII MƠ HÌNH VSEPR (thuyết sức đẩy cặp e hoá trị) Trang - Nguyên lý: Mọi cặp electron liên kết không liên kết (đơi electron tự do) lớp ngồi cư trú thống kê khoảng cách đến hạt nhân, bề mặt cầu mà hạt nhân nằm tâm Các electron tương ứng vị trí xa để lực đẩy chúng giảm đến cực tiểu - Công thức VSEPR: Xét phân tử A X m E n m nguyên tử X liên kết với nguyên tử trung tâm A liên kết  n cặp e không liên kết hay cặp e tự E Khi tổng (m + n) xác định dạng hình học phân tử: +) n + m = � phân tử thẳng + ) n + m = � phân tử tam giác phẳng +) n + m = � phân tử tứ diện + ) n + m = � phân tử tháp đôi đáy tam giác + ) n + m = � phân tử tháp đôi dày vuông (bát diện) + ) n + m = � phân tử tháp đôi đáy ngũ giác - Tiêu chí so sánh: +) Thứ tự lực cặp e sau: KlK – KlK > KlK - 1K > 1K - K +) Một cặp c độc thân yếu đôi - Hệ qua cấu trúc: + ) Góc liên kết: Sự có mặt cặp KlK nguyên tử trung tâm A phân tử AX m nói chung kéo theo biến dạng phân tử Các cặp KlK chiêm thể tích phân lớn cặp lạ làm mở góc liên kết EAX làm khép góc liên kết XAX + ) Phân cực hố phân tử: Phân tử phân cực có trung tâm điện tích dương âm khơng trùng với ngun tử trung tâm A, trường hợp A mang phối tử X X' khác nhau, mang cặp KIK (trừ trường hợp cấu hình AX E AX E ) - Dạng hình học phân tử A X m E n m Đa diện phối trí + XmEn n Đoạn thẳng Dạng Dạng phân A X m E n tử AX m A X F0 Thẳng (A lai hóa sp) Sơ đồ đa diện Phần tử liên kết đơn BeH , BeCl , CdX , HgX , AgI , Phân tử liên kết bội CO , N , C H , N 3 , HCN,  � Ag  NH  � � �  CuCl2  Tam giác A X 3E Tam giác (A lai hóa sp2)  � BH , BX , AIX3 , SO3 , CO32 , NO3 , GaX , In X C H , B  CH3  F, In  CH  ,� A X E1 Gấp khúc (A lai hóa sp2) A X 4E Tứ diện (sp3) SnX , PbX ,� CX , BX  , NH 4 , SO2 , NO NOCl� SO 24 , PO 34 , POCl3 Al Cl6 ,BeX 22 , AlX 4 Trang AX E1 AX E Tháp đôi ba phương A X 5E Tháp đáy tam giác(sp3) Gấp khúc (sp3) Tháp đôi ba phương (sp d) NH , OH 3 , NX , PH3 , SOBr2 , ClO3 PX , AsX , SbX OF2 , NH 2 ; H O , ClO 2 SCl2 ,SeCl PCl5 , AsF5 ,PF5 , SOF4 , Fe(CO)5 , V2 O5 PF3Cl2 , AsCl5 , SbCl5 NbCl5 , TaCl5 , Sb  CH  Cl ,� AX E1 Tứ diện không IF4 , TeCl ,SF4 , SeF4 IOF3 , XeF2 O2 (sp3d) AX 3E Dạng chữ T (sp d) AX E Thẳng ClF3 ,BrF3 , ICl2  C H  ,� ICl 2 , XeF2 , I3 (sp3d) Bát diện A X E Bát diện  sp3d2  SF6 , PCl6 ,SbF6 , IF5O ,  IO (OH)   Te(OH) , PbCl62 , SiF62 , AlF63 3 3 � Fe  H O  � � � , CoF6 3 A X E1 Tháp đáy vuông  sp d  A X 4E Vuông phẳng � Co  NH3  � � � BrF5 ,SbCl5 , IF5 , XeF4 O CIF5 ,SbF52 , � ICl4 , XeF4 , BrF4 , I Cl6 ,  sp d  Để giải thích đầy đủ, cặn kẽ góc hoá trị nguyên tử tạo liên kết cấu trúc hình học phân tử, năm 1954 Gillespie đề giả thuyết cặp electron hố trị Giả thuyết tóm tắt quy tắc sau: 1) Cặp electron tự đẩy cặp e lân cận mạnh cặp electron liên kết E - E > E - X >X-X Trang 2) Sự gây cặp electron liên kết giảm độ âm điện nguyên tử tăng lên PI5  1020   PBr5  101,50   PCl5  1000  3) Liên kết bội không ảnh hưởng đến cấu trúc hình học phân tử, song làm thay đổi độ dài góc liên kết phân tử 4) Sự đẩy cặp electron mức lấp đầy lớn lực đẩy cặp electron mức chưa lấp đầy 5) Nếu nguyên tử lớp hoá trị lấp đầy, có cặp electron tự liên kết với số nguyên tử khác có lớp hoá trị chưa lấp đầy nguyên tử thứ có khuynh hướng chuyển dời electron phía ngun tử chưa lấp để tạo liên kết bội 6) Nếu cặp electron lớp hố trị mà lớp có chứa cặp electron, chúng khơng thể có số lân bang gần cặp electron có số lần bang gần lớn phân bố cách xa nhân VIII SƠ LƯỢC VỀ THUYẾT OBITAN PHÂN TỬ (MO) Phương pháp cặp electron liên kết giải thích đơn giản dễ hiểu tạo thành liên kết nhiều  phân tử Tuy nhiên có nhiều kiện tạo thành ion H , liên kết tạo thành electron, từ tính (phân tử ion chứa electron độc thân có tính chất thuận từ Còn tất electron ghép cặp có tính chất nghịch từ) phân tử B2 , O , khơng giải thích phương pháp Một phương pháp khác đời giải có hiệu hơn, phương pháp obitan phân tử (MO) Nội dung thuyết MO Tổng MO thu tổng số AO tham gia tổ hợp, AO xếp theo thứ tự mức lượng tăng dần thành giản đồ Mỗi AO gồm loại MO lượng thấp gọi MO liên kết, MO có lượng cao gọi MO phản liên kết, MO phản liên kết kí hiệu dấu * đặt phía bên phải kí hiệu MO Các AO sử dụng việc thành lập MO, thoả mãn điều kiện sau: Trang 10 a) - Nguyên tử trung tâm N: lai hóa spo - Ion có cực - Nguyên tử trung tâm S: lai hóa sp3 - Ion khơng có cực - Ngun tử trung tâm N: lai hóa sp3 - Phân tử có cực - Nguyên tử trung tâm Cl: lai hóa sp3 - Phân tử có cực - Nguyên tử trung tâm P: lai hóa sp3 - Phân tử có cực Phân tử PCl5 Trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm P: lai hóa sp3d Cơng thức cấu tạo Trang 51 SO2Cl2 S: lai hóa sp3 ClF3 lai hóa sp3d 10 a) Ô mạng sở 1 Số nguyên tử ô mạng sở: �  �  (nguyên tử) 4 R  Thể tích chốn chỗ ngun tử ô mạng sở: VNT  �   Xét theo đường chéo hình mặt hình lập phương Các nguyên tử xếp sát nên: 4R  a  a  a � R  a Thay R vào (*) ta được: VNT 16  8 3,14 �a � 2 a  3, 62.10  �2 � �    3,51.1023 cm3 � � �4 � 6 � � 3 NT 346 Thể tích mạng sở: VTT  a Phần trăm thể tích tế bào bị chiếm nguyên tử là: VNT 2 � a3 � 100%  � 100%  74% VTT 6a b) Khối lượng riêng nguyên tố X: 4m NT 4.M d  x VTT a � NA a N A d  3,62.10 � Mx   11  8 8,92.6, 022.1023 a) số nguyên tử ổ mang sở là:  64(Cu) 1  �   (nguyên tử) Trang 52 Xét hình lập phương có tâm ngun tử cacbon (chẳng hạn hình lập phương 1) Theo qui ước nguyên tử tâm hình lập phương tiếp xúc với nguyên tử đỉnh hình chúng coi có dạng hình cầu 2 �a � �a � a a Ta có: AC  4r  AB  BC  �   � r  � � � � � �2 � � � 2 - Thể tích nguyên tử: VNT 32  � r3  3 �a � 3 a � � �8 � � 16 � � - Thể tích mạng sở: VTT  a � Độ đặc khít mạng tinh thể kim cương:  a3 VNT 3.3,14 � 100%  163 100%  100%  34% VTT a 16 b) Khối lượng ô mạng sở là: m NT  8M C (gam) NA � Khối lượng riêng X: m 8M 8.12 d  NT  C   3,51 gam / cm3   23 VTT a N A  3,567.10  6, 022.10 12 Theo hình vẽ ta thấy đường chéo mặt bên AC = 4r Cu Mặt khác, AC = a (a cạnh hình vng hay gọi số mạng) nên o AC 4rCu 4.128 A a    3, 63Å 2 * Khoảng cách ngắn tâm nguyên tử  AC  2,55Å 1 * Một tế bào sở Cu chứa  �  nguyên tử Cu 1mol Cu có khối lượng = 64 gam , thể tích 1mol   1Å  10 8 cm   nên d  64 � 6, 023 � 10 �  3, 63 �10 23  8 a3 � 6, 023 � 1023  8,88g / cm3 13 Ở 293K sắt tồn dạng Feα với cấu lập phương tâm khối Mỗi tế bào sở có chứa nguyên tử Fe Do đó: d m �55,847 �55,847   7,874 � a   2,867.10 8 cm 23 23 V 6, 022.10 �a 6,022.10 7,874 Đường chéo hình lập phương có độ dài = 4r = a a  1, 241.108 cm  1, 241A b) Ở 1250K sắt tồn dạng Feγ có cấu trúc lập phương tâm diện Khi đường cheó hình �r  vng  a�2  4r 4r 4.1, 241 � a�    3,511A  3,511.108 cm 2 • Mỗi tế bào sở có chứa nguyên tử Feγ Trang 53 Vậy khối lượng riêng Fe 1250K là: m 4.55,847 d�    8.572gam / cm 8 V� 6, 022.102.3 �  3,511.10  c) Trong 100 gam martensite có: 4,3  0,36mol C 4,3 gam C tức có: 12, 011 95,  1, 71mol Fe 55,847 0,36  0, 21 mol nguyên tử C Điều có nghĩa ứng với mol nguyên Fe có: 1, 71 Mỗi tế bào sơ đẳng Feα có chứa ngun tử Fe tức trung bình có chứa x 0,21= 0,42 nguyên tử C Vì nguyên tử không chia rẽ nên cách hợp lý ta nói 12 tế bào sơ đẳng có 0,42x12 = nguyên tử C 2.55,847  12,011�0, 42  1,938.1022 gam d) Ta có: m  23 6, 022.10 (100 - 4,3)= 95,7 gam Fe tức có: �d  m 1,938.1022   8, 228  gam / cm3  V  2,867.108  14 a) Nguyên tử trung tâm Ni lai hoá sp3d2 với cấu trúc bát diện 2 Khi hình thành cation phức � Ni  NH3  � � � có tạo thành liên kết σcho-nhận AO lai hoá trồng với phối tử NH chứa cặp electron chưa tham gia liên kết Vì lai hố ngồi nên Ni2+ có 2electron độc thân phân lớp 3d 2 �� Ni  NH3  � � � ion phức thuận từ b) Trang 54 Dạng đường thẳng Dạng góc Dạng chóp tam giác 15 Do có liên kết cầu Hidro nên nước đá có cấu trúc đặc biệt (các nguyên tử oxi nằm tâm định tứ diện đều) Mỗi nguyên tử H liên kết với nguyên tử oxi liên kết cầu hidro với nguyên tử oxi khác Cấu trúc xốp nên tỉ khối nhỏ Khi tan thành nước lỏng, cấu trúc bị phá vỡ nên thể tích giảm � tỉ khối tăng lên 16 Momen lưỡng cực phân tử tổng vectơ momen lưỡng cực obital phân tử khác Các MO phải xét MO liên kết C-Cl Do tính đối xứng, đồng phân có momen lưỡng cực = 1,3,5-triclobenzen Đồng phân có momen lưỡng cực lớn 1,2,3-triclobenzen Momen lưỡng cực μ = 3,2D 17 Một phần lượng liên kết H-F lớn, phần tan nước ion F- tương tác với phân   tử HF tạo ion phức HF2 Do phần phân tử HF liên kết tạo HF2 , nên hàm lượng tương đối ion H 3O  khơng lớn � HF có tính axit yếu    Đồng thời dung dịch HF có ion dạng HF2 , H F3 , H 3F4 � trung hòa tạo muối axit KHF2, KH2F3 18 Để có cấu bền vững trạng thái khơng nước, AlCl3 có khuynh hướng dime hoá, hiệu ứng lập thể mà phân tử BCl3 khơng có khuynh hướng Vì kích thước nguyên tử B nhỏ nên có mặt ngun tử clo tích tương đối lớn, quanh gây tương tác đẩy lớn làm cho phân tử không bền vững 19 a) Trang 55 b) NF3 có N lai hóa sp3 (dạng tháp), cịn BF3 có B lai hóa sp2 có phần liên kết π cho tạo xen phủ AOp chưa liên kết F với Aop trống B � liên kết B-F bền nên lượng liên kết BF3 lớn so với NF3 c) - Độ âm điện lớn F làm giảm tính bazơ N NF3 - NH3 có to sơi > to sơi NF3 NH3 có liên kết H liên phân tử - Trong NF đôi electron không liên kết tạo momen lưỡng cực theo chiều ngược lại với chiều momen lưỡng cực chung liên kết N-F (do độ âm điện F > N) � momen lưỡng cực triệt tiêu nên μ nhỏ ≈ Còn NH3 momen lưỡng cực đôi electron không liên kết hướng với momen lưỡng cực chung liên kết N-H (do độ âm điện N > H) 20 a) Cặp electron chưa liên kết đẩy mạnh cặp electron liên kết b) Khi độ âm điện nguyên tử trung tâm giảm (hoặc độ âm điện phối tử tăng) cặp electron liên kết bị đẩy nhiều phía nguyên tử liên kết nên chúng cần khoảng không gian nhỏ chung quanh nguyên tử trung tâm c) Giải thích tương tự ý b 21 Do có liên kết cầu Hidro nên nước đá có cấu trúc đặc biệt (các nguyên tử oxi nằm tâm đỉnh tứ diện đểu) Mỗi nguyên tử H liên kết với nguyên tử oxi liên kết cấu hidro với nguyên tử oxi khác Cấu trúc xốp nên tỉ khối nhỏ Khi tan thành nước lỏng, cấu trúc bị phá vỡ nên thể tích giảm � tỉ khối tăng lên Mơ hình mạng tinh thể nước đá Trang 56 22 Để có cấu bền vững trạng thái khơng nước, AlCl3 có khuynh hướng dime hố, hiệu ứng lập thể mà phân tử BCl3 khuynh hướng này.Vì kích thước ngun tử B nhỏ nên có mặt nguyên tử clo tích tương đối lớn, quanh gây tương tác đẩy lớn làm cho phân tử khơng bền vững 23 •  NiCl4  2 Ion trung tâm Ni2+ lại hoá sp3 với cấu trúc tứ diện Khi hình thành anion  NiCl  2 có tạo thành liên kết σcho-nhận AOsp3 lai hoá trống với phối tử Cl- chứa cặp clectron chưa tham gia liên kết Vì lai hố ngồi nên Ni2+ có 2electron độc thân phân lớp 3d �  NiCl4  • Anion  PtCl6  2 2 ion phức thuận từ : Ion trung tâm Pt4+ lại hoá d2sp3 với cấu trúc bát diện Khi hình thành anion  PtCl6  có tạo thành 2 liên kết σcho-nhận AOd2sp3 lai hoá trống với phối tử Cl- chứa cặp electron chưa tham gia liên kết Trang 57 Vì lai hố nên Pt4+ khơng có electron độc thân phân lớp 3d �  PtCl6  ion phức nghịch từ 2 •  PdCl4  2 Ion trung tâm Pd2+ lai hoá dsp2 với cấu trúc vng phẳng Khi hình thành anion  PdCl4  2 có tạo thành liên kết σcho-nhận AOdsp2 lai hoá trống với phối tử Cl- chứa cặp electron chưa tham gia liên kết Vì lai hố Pd2+ khơng có electron độc thân phân lớp 3d 2 �∣ PdCl4 � � ion phức nghịch từ 2 Pd  NH  Cl2 � Cũng  PdCl4  , phức � � �có cấu trúc vng phẳng Tuy nhiên hai phối tử khác nên có cấu hình hình học Cis-diclorodiuminpuladi (II) Transs-diclorodiaminpaladi (II) 24 •  PtCl  ,  Ni(CN)  lai hóa dsp nên có cặp e liên kết có cấu trúc vng phẳng 2 2 • SF6 ,  FeF6  lai hóa sp3d2 PtCl62 ,  Fe(CN)6  lai hóa d2sp3 nên có cặp electron liên kết có 3 4 cấu trúc bát diện Trang 58 25 a) So với S O có độ âm điện lớn Vì liên kết cầu nối hiđrô phân tử H2O mạnh Nước trạng thái tập hợp nhiều phân tử nên có nhiệt độ sôi cao   b) NH3 tạo với H2O thành ion NH ion OH-, nhóm OH- ion NH , ngồi tương tác tĩnh điện cịn có liên kết cấu nối hiđrơ nên nồng độ ion OH- tự nhỏ, dung dịch NH3 có tính bazơ yếu (vì khơng có liên kết cấu nối nên NH4OH bazơ mạnh gần tương đương với hiđroxit kiềm) 26 Cần hiểu μ1 hướng từ ngồi, cịn μ2 ngược lại 02  12  22  212 cos 600  12   22  12  2, 45 �   2, 45  1,56D m2  12  22  21 2 cos1200  12  22  12  7,35 � m  7,35  2, 71D � P  1  2  1,53  1,6  3,13D 27 a) Nguyên tử P PCl5 PBr5 đểu trạng thái kích thích, lai hóa sp3d � phân tử có cấu trúc lưỡng tháp tam giác (hai liên kết trục dài liên kết xích đạo) Nguyên tử P  PCl6  trạng thái kích thích (lai hố sp3d2 ) � có cấu trúc bát diện  b) Khơng có q trình PBr5 + Br- → PBr5 yếu tố lập thể Trang 59 28 Nhận xét: O H2O lai hóa sp3 Hg HgCl2 trạng thái kích thích, lại hóa sp CO2 có liên kết C=O, cịn CO có liên kết C �O - Trường hợp 1: ΔH nhỏ ΔH1 không đáng kể lượng (khi ngun tử O chuyển từ trạng thái lai hóa sang trạng thái khơng lai hóa) bù trừ khơng đáng kể lượng cần để phá vỡ liên kết O – H - Trường hợp 2: ΔH nhỏ ΔH1 nhiều phá vỡ liên kết Hg - Cl thứ (nguyên tử Hg chuyển từ trạng thái sp sang trạng thái s2) lượng thoát lớn, bù trừ đáng kể lượng cần để phá vỡ liên kết thự - Trường hợp 3: ΔH lại lớn ΔH1 nhiều ΔH1 lượng cần để phá vỡ liên kết đơi C = O, cịn ΔH lượng cần để phá vỡ liên kết ba C �O 29 Theo phương pháp cộng véctơ: uu r uur2 uu r uur uu r uur2 uu r r   1    21. cos   hay   1    21  cos *Trường hợp phân tử có nhóm ( 1  2 ) ta có: uu r2 uu r2   r   21 (1  cos  )  1 cos  hay   1 cos 2 Vậy:  60 o •1,2 – đinitrobenzen có    60 6,   NO2 , cos �  NO  3,8D  120 o cos � Cl  1,5D 11,3 – địclobenzen có    120 1,5  2Cl � uuuur * Trường hợp phân tử có nhóm khác ( 1 �2 ) p – nitrotoluen thì: θ = 180°  NO2 uuuur uuuur uuuur CH có hướng ngược nhau,  NO2 hướng từ cịn CH lại hướng từ ngồi vào uuuur uuuur ur Theo phép cộng vectơ:  =  NO2 + CH3 Hay: 4,  3,8  CH3 � CH3  3,8  4,  8, 2D 30 - Do tương tác Ni2+ phối tử CN- mạnh nên 2e độc thân AO3d ghép đôi (xuất ô trống AO3d ) Các AO trồng nhận cặp electron tự phối tử CN- để tạo phức, AO bị lai hoá dsp � electron ghép đơi nên phức nghịch tử có dạng vng phẳng - Do ion Cl- có bán kính lớn, tương tác với ion trung tâm yếu nên electron độc thân AO3d giữ nguyên Các cặp electron tự phối tử Cl- chiếm AO trống 4s 4p để tạo phức, AO lai hoá sp3 � số electron độc thân giữ nguyên nên phức thuận từ có dạng tứ diện Trang 60 31 Sở dĩ độ dài liên kết hiđro lượng hình thành khác chúng dung mơi có trạng thái lai hố khác Trong H2O oxi trạng thái lai hố sp3, cịn axit cacboxylic C trạng thái lai hố sp2 Mà lai hố sp3 có độ âm điện lớn sp nên độ dài liên kết ngắn lượng toả hình thành liên kết lớn 32 • SF4: (AX4E); lai hóa sp3d, hình dạng bập bênh, μ≠0; đơi electron khơng liên kết phân bố mặt phẳng � kết tạo hình bập bênh • HClO :  AX 3E  lai hóa sp3d ; hình dạng chữ T, μ≠0; đơi electron riêng phân bố mặt phẳng, đôi electron liên kết tạo liên kết A - X xếp thành hình chữ T + HClO :  AX 2E  lại hóa sp3d ; hình dạng đường thẳng, μ≠0 ; đôi electron riêng phân bố mặt phẳng cịn đơi clectron liên kết tạo liên kết A - X phân bố trục vng góc với mặt phẳng Hai liên kết A – X năm đường thẳng nên phân tử có dạng đường thẳng  • ICl :  AX E  : hình dạng vng phăng; μ = ; theo mơ hình sức đẩy cặp electron vỏ hóa trị: đơi electron riêng phân bố trans- so với Do cặp lectron liên kết tạo liên kết A – X mặt phẳng � phân tử có dạng vng phăng • HNO3 :  AX  lai hóa sp3d3, dạng lưỡng chóp ngũ giác ; μ≠ • BrF5 :  AX F  lai hóa sp3d2, hình dạng thấp vuông, μ≠ ; đôi lectron liên kết phân bố đôi mặt phẳng đơi trục tạo hình dạng thấp vng Một đơi e khơng liên kết phân bố phía lại trục Do biến dạng nên độ dài liên kết ngang trục không tương đương hình học • HNO3 :  AX  lại hóa sp2, hình tam giác phẳng, μ≠ ; đội lectron phân bố mặt phẳng đỉnh tam giác • C 2H :  AX  lại hóa sp, hình tứ diện, μ≠ ; đội electron phân bố đỉnh tứ diện đều, tâm tứ diện A Trang 61 33 Cấu tử Trạng thái lai hố ClO  sp3 Số electron khơng liên kết cặp ClO  sp3 cặp ClO3 sp3 cặp ClO 4 sp3 Dạng hình học 34 a) b) Mỗi loại ion tạo mạng lập phương tâm diện Hai mạng lồng vào nhau, khoảng cách hai mạng a/2 Gọi d đường chéo mặt, ta có d  2a � d  a Giả thiết ion Li+ nhỏ đến mức xảy tiếp xúc anion-anion ion Li+ xếp khít vào khe ion Cl- , ta có d  4rCl a 5,14.1010   1,82.10 10 (m) 4 Xét cạnh a : a  2rCl  2rLi  � 4rCl  a � rCl  Trang 62 a  2rC1 5,14.1010  2.1,82.1010  0, 75.10 10 (m) 2 36 Công thức Lewis: � rLi    Cấu trúc hình học: XeF2: thắng XeO2F2: ván bập bênh  CN  2 :thắng NFO: gấp khúc Kiểu lai hoá nguyên tử trung tâm Xe: XeF2: Xe lai hoá sp3d XeO2F2: Xe lai hoá sp3d  CN  2 : C lai hoá sp NFO: N lai hố sp2 37 Ta có:  H 2O  1,85 � O  H  � O  H   1,51D  2 cos  52, 25o  2cos 19 O  H (1t) | q | d O  H  1,6 � 10 � 0,0957 � 10 9  1,5312 � 10 29 (cm)  4, 6D  H 2O  2O  H cos  (%)  tn 1,51 � 100%  � 100%  32,8% lt 4, 38 Giản đồ MO CO O2 (bạn đọc tự vẽ) Cấu hình electron:  O :   2S    2S    Z    x,y    x,y  2 Độ bội liên kết   CO :   2S    2S  2 84  ; thuận từ (S=1) 2     x,y 2Z 82  ; nghịch từ (S = 0) 39 Công thức Lewis Độ bội liên kết  Trang 63 Vuông phẳng (sp3d2) Tháp tứ giác (sp3d) 40  Ni: 3d8 4s � Ni 2 : 3d • Phức  Ni(CN)  : CN  phối tử trường mạnh � dồn electron tạo phức vng phẳng với Ni2+ lai hố dsp2 Phức spin thấp (S = 0) Nghịch từ � Công thức cấu tạo: �  NiCl4  2 : Trang 64 lon trung tâm Ni2+ lai hoá sp3 với cấu trúc tứ diện Khi hình thành anion  NiCl4  có tạo thành 2 liên kết σcho-nhận AOsp lai hoá trống với phối tử Cl- chứa cặp electron chưa tham gia liên kết Vì lai hố ngồi nên Ni2+ có electron độc thân phân lớp 3d �  NiCl  ion phức thuận từ 2 • [N (CO)4]: Co phối từ trường mạnh � dồn electron 4s vào 3d � tạo obitan 4s, 4p trống � lai hoá sp3, phức tứ diện, Spin thấp (S = 0) Nghịch từ � Công thức cấu tạo: Trang 65 ... Trang 33 Công thức cấu tạo: b) Trong phân tử, O trạng thái lai hóa sp3 với cấu tạo sau: Góc liên kết: 110o 103o Độ phân cực phân tử: 0,78D 0,03D Liên kết O  Cl phân cực phía ngun tử O, cịn liên kết. .. nguyên tử O tạo hai liên kết  Do electron liên kết S = O đẩy mạnh liên kết S - C1 nên góc liên kết khác góc lại hố ban đầu phân tử có cấu trúc tứ diện lệch Sơ đồ cấu tạo phân tử: Cấu trúc phân tử: ... : BF3 , NF3 , IF3 Hãy gán số liệu góc liên kết BAB 107° 120° phù hợp với ba phân tử cho Giải thích Mơ tả tạo thành liên kết cấu trúc phân tử AlCl3 ? Mô tả tạo thành liên kết cấu trúc phân tử