06 chuyên đề “thuyết vân đạo phân tử (FMO)”

 Chuyên đề: THUYẾT FMO MÃ CHUYÊN ĐỀ: HOA_06 A MỞ ĐẦU Lý chọn chuyên đề Thuyết vân đạo phân tử phận quan trọng hố học vơ hữu Sự phát triển hố học nói chung thuyết cấu tạo hố học nói riêng tạo sở cho việc nghiên cứu cách hệ thống cấu tạo hợp chất Trên thực tế, cấu trúc thực phân tử (thể qua khoảng cách nguyên tử góc liên kết) xác định xác kiện thực nghiệm phổ hồng ngoại, tử ngoại, tia X, nhiễu xạ electron nơtron… Tuy nhiên, dự đốn giải thích cấu trúc hình học phân tử dựa số mơ hình đơn giản Trong số mơ hình đó, thuyết “Sức đẩy cặp electron vỏ hố trị” (viết tắt tiếng Anh VSEPR) thuyết lai hoá thuyết đơn giản, hữu ích, giải thích hình dạng nhiều phân tử phổ biến chương trình hố học phổ thơng Thuyết vân đạo phân tử có vai trị lớn thực tế, việc tìm hiểu thuyết trường phổ thơng cịn phạm vi hẹp Vì vậy, để giúp học sinh nắm vững thêm kiến thức cấu tạo phân tử viết chuyên đề “Thuyết vân đạo phân tử (FMO)” giúp em học sinh khắc sâu phần lý thuyết từ vận dụng linh hoạt giải tập Mục đích chuyên đề - Hệ thống hóa sở lý thuyết - Phân loại dạng tập phục vụ bồi dưỡng học sinh giỏi trường trung học phổ thông Mặt khác, cịn nhiều hạn chế trình độ, thời gian nên chuyên đề tránh khỏi sai sót ngối ý muốn Tơi mong nhận góp ý, bảo thầy bạn đọc để hoàn thiện tốt B NỘI DUNG THUYẾT VÂN ĐẠO PHÂN TỬ (FMO) Cơ sở lí thuyết: Chúng ta biết electron đẩy lẫn Các electron có spin giống khơng thể obitan hai electron có spin khác obitan Thuyết VSEPR thừa nhận: cặp electron liên kết không liên kết chiếm vùng không gian quanh nguyên tử trung tâm (gọi không gian khu trú) cho lực đẩy cặp electron nhỏ Theo đó, nguyên tử bao quanh nguyên tử trung tâm (gọi phối tử) phân bố theo hướng không gian khu trú cặp electron liên kết Ta xét ví dụ: +) Trong BeH2 hai cặp electron liên kết nguyên tử Be xa chúng phân bố đường thẳng, phân tử BeH2 có dạng đường thẳng, góc liên kết HBeH 1800 +) Trong BH3 ba cặp electron liên kết quanh B xa chúng phân bố mặt phẳng, hướng ba đỉnh tam giác đều, phân tử BH3 có dạng tam giác phẳng, góc liên kết HBH 1200 +) Tương tự vậy, CH4 có dạng tứ diện với góc HCH 109,50; PCl5 có dạng lưỡng tháp tam giác với góc liên kết 900 1200; SF6 có dạng bát diện, góc liên kết 900 Khi xét cách định tính giá trị góc liên kết phân tử có tính đối xứng ví dụ ta cần đặc biệt lưu ý rằng: - Các cặp lectron tự thuộc nguyên tử trung tâm mà không bị hút nguyên tử khác cặp electron liên kết nên cặp electron tự đòi hỏi không gian khu trú lớn cặp electron liên kết - Liên kết đơn hay đôi hay ba có khơng gian khu trú Tuy nhiên, thực nghiệm cho thấy: không gian 6e cho liên kết ba > không gian 4e cho liên kết đôi > không gian 2e liên kết đơn Mặt khác, không gian 2e cho cặp e tự > không gian 4e cho liên kết đôi > không gian 2e liên kết đơn - Nguyên tử trung tâm có độ âm điện lớn làm tăng giá trị góc liên kết phối tử có độ âm điện lớn lại làm cho góc liên kết giảm Như vậy, thuyết VSEPR cho phép xác định đơn giản mà xác hình dạng phân tử góc liên kết phân tử có tính đối xứng cao xét đốn cách định tính góc liên kết phân tử đối xứng Tuy nhiên, thuyết không ý đến khác obitan s, p, (d) Mặt khác, áp dụng tốt cho phân tử mà nguyên tử trung tâm nguyên tố thuộc chu kì 2; khơng áp dụng cho phân tử mà nguyên tử trung tâm nguyên tử ngun tố kim loại chuyển tiếp phải xét đến vai trò electron obitan d chưa bão hồ Khi xét dạng hình học nguyên tố chuyển tiếp người ta thường phải sử dụng thuyết lai hoá Thuyết lai hoá dựa sở tổ hợp, trộn lẫn (bằng toán học) obitan có mức lượng gần để tạo thành lượng obitan tương đương giống hệt hình dạng, lượng, khác định hướng khơng gian, gọi obitan lai hố Các obitan lai hoá tạo nên liên kết xich-ma () liên kết bền liên kết tạo obitan t khơng lai hóa Ứng với dạng lai hố xác định, ta thấy có phân bố hình học xác định obitan lai hố có phụ thuộc cấu hình khơng gian phân tử vào dạng lai hoá Người ta phân biệt loại lai hoá chủ yếu sau đây: + Lai hố có tham gia obitan s, p bao gồm: lai hoá sp (sự tổ hợp obitan s obitan p tạo obitan lai hoá giống hệt phân bố ngược chiều đường thẳng); lai hoá sp2 (sự tổ hợp obitan s obitan p tạo obitan lai hoá giống hệt hướng theo đỉnh tam giác đều); lai hoá sp3 (sự tổ hợp obitan s obitan p tạo obitan lai hoá giống hệt hướng theo đỉnh tứ diện đều) + Lai hố có tham gia obitan s, p, d (nhất nguyên tố chuyển tiếp) thường nhắc đến lai hoá dsp2 (sự tổ hợp obitan d với obitan s obitan p tạo obitan lai hoá giống hệt hướng theo đỉnh hình vng phẳng); lai hố sp3d (sự tổ hợp obitan s với obitan p obitan d tạo obitan lai hoá giống hệt hướng theo đỉnh song tháp đáy tam giác đều) lai hoá sp3d2 (sự tổ hợp obitan s với obitan p obitan d tạo obitan lai hoá giống hệt hướng theo đỉnh bát diện đều) Cần phải nói thêm rằng, hình dạng có từ trạng thái lai hoá kết hiển nhiên thu từ tổ hợp hàm sóng obitan tham gia lai hoá Điều thú vị chúng phù hợp với hình dạng tiên đốn từ thuyết VSEPR Như vậy, thuyết lai hoá tỏ cơng cụ hữu ích việc xét đốn hình dạng phân tử có phạm vi áp dụng rộng rãi thuyết VSEPR Tuy nhiên, sở thuyết lai hố tổ hợp hàm sóng, nghĩa sử dụng cơng cụ tốn học phức tạp, nên việc áp dụng thuyết chương trình phổ thơng phần nhiều mang tính cơng nhận Cũng cần phải nhấn mạnh rằng, thuyết VSEPR thuyết lai hoá giả thuyết đưa nhằm giải thích dạng hình học phân tử Các cấu trúc mô tả công thức Lewis dùng cho thuyết VSEPR giả định chưa có chứng chứng tỏ tồn obitan lai hố Vì vậy, viết cấu trúc Lewis hay xác định trạng thái lai hố ta cần đảm bảo cấu trúc đó, trạng thái giải thích phù hợp với dạng hình học thực phân tử với số liệu biết phân tử Bảng thống kê: Dưới bảng liệt kê số phân tử thường gặp mà người viết tổng hợp được, có xét đồng thời dạng hình học theo thuyết VSEPR thuyết lai hố Bảng dùng làm công cụ tra cứu cho giáo viên tập hình dạng phân tử dùng cho học sinh luyện tập kĩ xác định cấu trúc Trong bảng có kí hiệu sau: Kí hiệu phân tử ABnEm , A: nguyên tử trung tâm B: phối tử bao quanh A (liên kết trực tiếp với A) n: số phối tử B E: cặp electron (e) khơng liên kết A (cịn gọi e không phân chia; e tự do) m: số cặp electron không liên kết A Trong cấu trúc song tháp tam giác, e: kí hiệu cho phối tử vị trí biên (equatorial atom) a: kí hiệu cho phối tử vị trí trục (axial atom) e: góc tạo với nguyên tử trung tâm phối tử vị trí biên phối tử vị trí trục eÂe: góc tạo với nguyên tử trung tâm hai phối tử vị trí biên X, X’: kí hiệu thay cho halogen 3.1 Bài tập minh họa: Trước hết ta xét số ví dụ áp dụng hai thuyết việc dự đốn hình dạng phân tử để thấy tính đắn thống chúng Bài 1: Mơ tả dạng hình học phân tử, đánh giá góc liên kết phân tử sau theo hai thuyết, thuyết VSEPR thuyết lai hoá: CHCl3, H3PO3, SOCl2, HOCl, IOF5 Lời giải: * CHCl3: C: 2s22p2, phải trạng thái kích thích để có e độc thân tham gia liên kết - Cấu trúc Lewis phân tử Quanh C có cặp e liên kết nên có khơng gian khu trú Vậy phân tử có cấu trúc tứ diện - Cả obitan p obitan s tham gia lai hoá để tạo obitan lai hoá sp tham gia liên kết Do phân tử có cấu trúc tứ diện Vì Cl hút e nên góc ClCCl nhỏ 109,50; góc HCCl lớn 109,50 * H3PO3 : P : 3s23p3 - Cấu trúc Lewis phân tử 10 Quanh P có khơng gian khu trú Vậy “phân tử” (nói xác phần cục quanh P, chưa kể đến nguyên tử H liên kết với O) có cấu trúc tứ diện - P trạng thái kích thích để có e độc thân P dùng obitan s obitan p (mỗi obitan có e độc thân) tạo obitan lai hoá sp3 tham gia liên kết , P e độc thân obitan khơng lai hố tạo liên kết  với O P khơng cần phải trạng thái kích thích, lai hố sp3 tạo obitan lai hố, obitan có cặp e ghép đôi tham gia liên kết cho nhận với nguyên tử O Dù cho kết phân tử có cấu trúc tứ diện * SOCl2: S : 3s23p4 - Cấu trúc Lewis phân tử Quanh S có khơng gian khu trú, có khơng gian cặp e khơng liên kết Vậy phân tử có cấu trúc tháp đáy tam giác - S trạng thái kích thích để có e độc thân S dùng obitan s (có cặp e) obitan p (mỗi obitan có e độc thân) tạo obitan lai hố sp có obitan tham gia liên kết  obitan chứa cặp e khơng tham gia liên kết S cịn e độc thân khơng lai hố tạo liên kết  với O Vậy phân tử có cấu trúc tháp đáy tam giác Góc liên kết OSCl lớn góc ClSCl chúng nhỏ 109,50 11 * HOCl: O: 2s2 2p4 - Cấu trúc Lewis phân tử: Quanh O có khơng gian khu trú, có khơng gian cặp e khơng liên kết Vậy phân tử có cấu trúc chữ V - S dùng obitan s (có cặp e) obitan p (trong có obitan có cặp e ghép đôi obitan chứa e độc thân) tạo obitan lai hoá sp S dùng obitan lai hố có e độc thân để liên kết Vậy phân tử có cấu trúc chữ V Góc liên kết HOCl nhỏ 109,50 * IOF5: I: có cấu hình e ngồi 5s25p5, phải trạng thái kích thích để có e độc thân     - Cấu trúc Lewis:           Quanh I có khơng gian khu trú cặp e liên kết Vậy phân tử IOF có dạng bát diện - I dùng obitan s, obitan p obitan d tham gia lai hoá sp 3d2 tạo obitan lai hố obitan có e độc thân để tạo liên kết  I cịn obitan khơng lai hố chứa e độc thân tạo liên kết  với O Vậy phân tử IOF5 có dạng bát diện 12 Góc liên kết OIF lớn 900 cịn góc FIF nhỏ 900 Từ tập thứ ta thấy hai thuyết cho kết phù hợp dạng hình học phân tử Nhưng đề cập, có trường hợp ta phải dùng thuyết lai hố để giải thích dạng hình học mà khơng dùng thuyết VSEPR được, với kim loại chuyển tiếp Sau ví dụ: Bài 2: Cho biết trạng thái lai hố hình dạng lai hố ion trung tâm trong: [MnCl4]2-; Pt(NH3)2Cl2; XeF2 Lời giải: * [MnCl4]2- : ion trung tâm Mn2+: 3d54s04p0 ; ion Cl- cho cặp e vào obitan trống Mn2+, Mn2+ trạng thái lai hoá sp3, cấu trúc tứ diện * Pt(NH3)2Cl2: ion trung tâm Pt2+; nguyên tử Pt: 5d96s1 6p0 Pt:          Cl- Cl- NH3 NH3  Pt2+ :         ion Cl- cho cặp e vào obitan trống Pt2+, phân tử NH3 cho cặp e tự N vào obitan trống khác Pt2+.Vậy Pt2+ trạng thái lai hố dsp2, cấu trúc vng phẳng * XeF2: Xe: 5s25p6     suy ion Xe2+:          F-   F-     Vậy Xe2+ lai hoá sp3d, cấu trúc đường thẳng    Qua việc tìm hiểu tập chương trình phổ thơng có liên quan đến vấn đề dạng hình học phân tử, người viết nhận thấy tập thường yêu cầu xác định dạng hình học phân tử trạng thái lai hoá nhiều 13 dùng hai thuyết để giải thích dạng hình học phân tử Đối với tập ta lại có trình tự làm khác, là: từ thuyết VSEPR  dạng hình học trạng thái lai hố Ta xét ví dụ sau đây: Bài 3: Mơ tả dạng hình học phân tử, trạng thái lai hoá nguyên tử trung tâm phân tử sau: IF5, PCl3, XeF4, Be(CH3)2 Lời giải: * IF5 : I có cấu hình e ngồi 5s25p5 , phải trạng thái kích thích để có e độc thân liên kết với ngun tử F, cịn cặp e ghép đơi Vì có khu vực khơng gian khu trú quanh I có khu vực cặp e khơng liên kết Vậy phân tử IF5 có dạng tháp vng I lai hoá sp3d2        F  F I F       F F * PCl3: P 3s23p3 , có khu vực khơng gian khu trú quanh P có khu vực cặp e khơng liên kết Vậy phân tử PCl3 có dạng tháp tam giác P lai hoá sp3 P Cl Cl Cl * XeF4: Xe 5s25p6 phải trạng thái kích thích để có e độc thân liên kết với ngun tử F, cịn cặp e ghép đơi Vì có khu vực khơng gian khu trú quanh Xe có khu vực cặp e không liên kết Vậy phân tử XeF4 có dạng vng phẳng Xe lai hố sp3d2                 14 F F Xe F F * Be(CH3)2: Be: 2s2 phải trạng thái kích thích để có e độc thân liên kết với nguyên tử C nhóm CH3 Vì có khu vực khơng gian khu trú quanh Be Vậy Be lai hoá sp Mặt khác xét nhóm CH3, quanh nguyên tử C có khu vực không gian khu trú nên C trạng thái lai hố sp 3, tồn phân tử có dạng tứ diện lệch có chung đỉnh Be:  H   H C Be  C H H H H Bài 4: Cho biết trạng thái lai hoá nguyên tử trung tâm cấu tạo hình học phân tử ion sau: NH4+, I3-, SOF4, PBr2F3, BeF42-, BF4-, IF7 Lời giải: *NH4+: ion xuất phát từ phân tử NH3 kết hợp thêm prôton H+ Nguyên tử N tạo liên kết CHT với nguyên tử H e độc thân liên kết CHT theo kiểu cho nhận với H+ cặp e ghép đôi Quanh N có khu vực khơng gian khu trú Ion có cấu tạo tứ diện đều, N lai hố sp3 H + N H H H * I3-: I có cấu hình e ngồi 5s25p5 , ta hình dung nguyên tử I liên kết với nguyên tử I lại Nguyên tử I trung tâm phải trạng 15 thái kích thích để có e độc thân, có 2e tạo liên kết CHT với nguyên tử I lại, e thứ ba kết hợp với e từ bên ngồi (điện tích 1-) tạo thành cặp e ghép đôi không tham gia liên kết Như nguyên tử I trung tâm có khu vực khu trú cho cặp e liên kết khu vực khác cho cặp e không tham gia liên kết Vậy ion có dạng đường thẳng (cặp e không liên kết chiếm không gian lớn cặp e liên kết) Nguyên tử I trung tâm lai hoá sp3d              I I   I I I * SOF4: S 3s23p4           S tạo liên kết đơn với nguyên tử F, liên kết đơi với O Quanh S có khu   vực không gian khu trú e liên kết Vậy dạng hình học phân tử lưỡng tháp tam giác lệch (liên kết S=O chiếm không gian lớn đẩy cặp e S-F) S lai hoá sp3d F O S F F F * PBr2F3: P tạo liên kết đơn với nguyên tử Br F, quanh P có khu vực không gian khu trú cặp e liên kết Vậy phân tử có cấu trúc lưỡng 16 tháp tam giác không cân đối (Br cồng kềnh F lại có độ âm điện nhỏ F nên chiếm khơng gian lớn F).P lai hố sp3d           F Br Br P F F * IF7: I trạng thái kích thích để có e độc thân liên kết với nguyên tử F Quanh I có khu vực không gian khu trú cặp e liên kết Vậy phân tử có cấu trúc lưỡng tháp đáy ngũ giác Nguyên tử I lai hoá sp3d3               F F I F F F F F Bài 1) Hãy cho biết: cấu tạo lewis; dạng lai hóa(nếu có); hình dạng phân tử theo mơ hình VSEPR; mơ men lưỡng cực phân tử sau: SF 4; HClO2; HOCl; ICl 4 ; IF7; BrF5; HNO3; C2H6 2) Có benzen, pyridin, borơzol (B3N3), ion pyrilium (C5H5O+ ), Furan (C4H4O), Pyrol (C4H5N) Hãy xác nhận chúng chất thuộc hệ thơm theo qui tắc Hucken 4n+2 (có minh họa cơng thức cấu tạo thu gọn) Lời giải: * SF4: (AX4E) ; lai hóa sp3d; hình dạng bập bênh;   ; đôi e không liên kết phân bố mặt phẳng  kết tạo hình bập bênh 17 * HClO2: (AX3E2) lai hóa sp3d; hình dạng chữ T;   ; đôi e riêng phân bố mặt phẳng, đôi e liên kết tạo liên kết A – X xếp thành hình chữ T * HClO : (AX2E3) lai hóa sp3d ; hình dạng đường thẳng;   ; đôi e riêng phân bố mặt phẳng, cịn đơi e liên kết tạo liên kết A – X phân bố trục vng góc với mặt phẳng Hai liên kết A – X nằm đường thẳng nên phân tử có dạng đường thẳng * ICl 4 : (AX4E2) ; hình dạng vng phẳng;  = ; theo mơ hình sức đẩy cặp e vỏ hóa trị : đôi e riêng phân bố trans- so với Do cặp e liên kết tạo liên kết A – X mặt phẳng  phân tử có dạng vng phẳng * IF7: (AX7), lai hóa sp3d3, dạng lưỡng chóp ngũ giác ;   ; * BrF5: (AX5E) lai hóa sp3d2, hình dạng tháp vuông,   ; đôi e liên kết phân bố đôi mặt phẳng đơi trục tạo hình dạng tháp 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: (AX3) lai hóa sp2, hình tam giác phẳng,   ; đôi e phân bố mặt phẳng đỉnh tam giác * C2H6: (AX4) lai hóa sp3, hình tứ diện,   ; đôi e phân bố đỉnh tứ X X E X X E X A A E diện E đều, E tâm tứ A E X diện X X X (AX 4E) (AX 3E2) (AX 2E3) X E X X X X A A X X X X E (AX 4E2) A E (AX 5E) 18 2) Từ 4n + n = + = (e)  hệ cho phù hợp C  C C Benzen B C C C C C N N C C C C C C B B C C C N Pyridin N Borazol C C C O ion pyrilium C C C C C Furan C C C Pyrol 19 C KẾT LUẬN “Thuyết vân đạo phân tử (FMO)” giúp em học sinh nhớ hiểu phần lý thuyết qua tính chất hóa học, nhận diện dạng tập tốt hơn, từ vận dụng linh hoạt giải tập Trong trình thực chuyên đề ôn thi học sinh giỏi cấp, nhận thấy giúp cho phần lớn em học sinh nắm kiến thức tốt hơn, biết làm tập cấu tạo phân tử 20 KIẾN NGHỊ-ĐỀ XUẤT Với chuyên đề hay, nên chuyển cho giáo viên trường tham gia tham khảo vận dụng, để tay nghề vốn kiến thức giáo viên ngày nâng lên Chuyên đề dùng làm tài liệu tham khảo cho giáo viên dạy hóa vừa tài liệu ơn tập học sinh giỏi cho em học sinh Mặc dù cố gắng song khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong đóng góp ý kiến ban tổ chức, đồng nghiệp để chuyên đề hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! 21 ... vân đạo phân tử có vai trị lớn thực tế, việc tìm hiểu thuyết trường phổ thơng cịn phạm vi hẹp Vì vậy, để giúp học sinh nắm vững thêm kiến thức cấu tạo phân tử viết chuyên đề “Thuyết vân đạo phân. .. KẾT LUẬN “Thuyết vân đạo phân tử (FMO)” giúp em học sinh nhớ hiểu phần lý thuyết qua tính chất hóa học, nhận diện dạng tập tốt hơn, từ vận dụng linh hoạt giải tập Trong trình thực chuyên đề ôn thi... nhận với nguyên tử O Dù cho kết phân tử có cấu trúc tứ diện * SOCl2: S : 3s23p4 - Cấu trúc Lewis phân tử Quanh S có khơng gian khu trú, có khơng gian cặp e khơng liên kết Vậy phân tử có cấu trúc