Liên kết hóa học

LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ I Các khái niệm liên Bản chất liên kết hóa học (LKHH) kết hóa học 1.1  Trong nguyên tử có chứa hạt mang điện, xuất lực hút hạt nhân – nguyên tử  Giữa nguyên tử xuất lực đẩy hút hạt nhân – hạt nhân hạt nhân – điện tử nguyên tử kế cận  Nguyên tử có khuynh hướng cho, nhận điện tử tạo thành ion dương âm, ion hút  LKHH có chất điện  Các điện tử phân lớp ns, np, (n –1)d, (n – 2)f gọi điện tử hóa trị, chúng có khả bứt khỏi nguyên tử  Các orbital nguyên tử lớp gọi orbitl nguyên tử hóa trị, chúng có khả nhận điện tử  Các điện tử độc thân điện tử chuyển động orbital nguyên tử hóa 1.3 Các đặc trưng liên kết hóa học: trị  Năng lượng liên kết: lượng giải phóng 1.2 Hóa trị: hình thành mối liên kết hóa học từ Hóa trị nguyên tố định nghóa nguyên tử cô lập Đơn vị tính: kJ/mol, kCal/mol số nguyên tử hydro hóa hợp với nguyên  Độ dài liên kết: khoảng cách tưởng tượng tố hạt nhân nguyên tử tạo nên liên kết Đơn vị tính: A0  Góc hóa trị: Góc tạo thành đoạn thẳng tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hạt nhân nguyên tử liên kết  Độ bội liên kết: Là số liên kết hình thành nguyên tử Thí dụ: CH3 – CH3 CH2  CH2 CH  1.4 Thuyết Kossel – Lewis: CH Độ dài liên kết 1,54A0 1,34A0  Một 1,2AO nguyên tử cố đạt cấu hình điện tử bền tác dụng với tử khác, Độ bội liênkhi kết (1)các nguyên(2) (3) cấu hình bát ns np  Một nguyên tử đạt cấu hình điện tử bền cách chuyển giao hay tiếp nhận vài điện tử từ nguyên tử sang nguyên tử khác  Một nguyên tử đạt cấu hình bền cách dùng chung đôi điện tử với II Các dạng liên kết 2.1 Liên kết cộng hóa trị pháp liên kết hóa trị VB 2.1.1.Phương -Valence bond a Một số tiền đề phương pháp VB: Liên kết cộng hóa trị tạo thành electron độc thân có spin ngược chiều Sự xen phủ orbital nguyên tử tham gia liên kết nhiều liên kết bền Liên kết phân bố theo phương xen phủ lẫn orbital nguyên tử thamliên gia liên làhóa lớntrị: b Các kiểu kếtkết cộng Liên kết : Mối xen phủ dọc trục nối hạt nhân nguyên tử liên kết Liên kết : Mối xen phủ không nằm mà nằm đối xứng trục nối hạt nhân nguyên tử liên kết     II Các dạng liên kết - 2.1 Liên kết cộng hóa trị - 2.1.1.Phương pháp liên kết hóa trị VB c Tính bão hòa liên kết cộng hóa trị: Từ tiên đề (1) (Liên kết cộng hóa trị tạo thành electron độc thân có spin ngược chiều nhau) ta thấy có chế sử dụng chung cặp electron ghép đôi: Liên kết cộng hóa trị theo chế góp chung: góp chung electron hóa trị độc thân có spin ngược nguyên tử tương tác nguyên tử đưa electron  Nếu nguyên tử có độ âm điện đám mây điện tử nằm nguyên tử, ta có liên kết cộng hóa trị không phân cực  Nếu nguyên tử có độ âm điện khác đám mây điện tử nằm gần nguyên tử tốđộc có độ âm hơn, taSố có liên Nguyên tốnguyên Số electron X E X* điện Sốlớn electron mối KJ/mol thân trạng độc thân LKCHT theo kết cộng hóa trị phân cực thái trạng chế nguyên ghép  Số mối liên kết cộng hóa trị tối đathái Kích thích đôi tối đa tử tính số điện tử chua ghép đôi Li – – nguyên tử trang thái tự Be 324 2 B 532 3 C 400 4 N – – O F – – Ne – – Liên kết cộng hóa trị theo chế cho nhận: Khi nguyên tử có orbital nguyên tử hóa trị trống, nhận cặp điện tử nguyên tử khác đưa để dùng chung tạo thành mối liên kết Ta gọi Từ loại liên kết ta thấy số trí mối liên kết liên kết cộng hóa trị kiểu phối cộng hóa trị tối đa mà nguyên tử tạo thành số orbital nguyên tử hóa trị nguyên tử Các nguyên tố chu kỳ có orbital nguyên tử hoá trị  Tạo tối đa mối liên kết cộng hóa trị + Các nguyên tố chu kỳ có orbital nguyên tử hoá trị  1H Tạo tối đa mối liên kết cộng hóa trị  N 2s     N    2p3   H 1 H  H II Các dạng liên kết - 2.1 Liên kết cộng hóa trị - 2.1.1.Phương pháp liên kết hóa trị VB          d Tính có hướng liên kết cộng hóa trị: Từ tiên đề (2) (3) (Sự xen phủ orbital nguyên tử tham gia liên kết nhiều liên kết bền Liên kết phân bố theo phương xen phủ lẫn orbital nguyên tử tham gia liên kết lớn nhất) ta thấy muốn tạo mối liên kết bền vững che phủ phải cực đại Sự che phủ cực đại nguyên tử xảy theo số hướng định, vậy, liên Thuyết lai hóa: kết cộng hóa trị tăng có tính định hướng Để khả xen phủ, nguyên tử không dùng orbital nguyên tử tuý s, p, d mà “trộn lẫn” orbital nguyên tử để tạo nên orbital nguyên tử gọi orbital nguyên tử lai hoá Sau dùng orbital nguyên tử lai hóa để xen phủ tạo liên kết với nguyên tử khác Các giả thuyết thuyết lai hóa Pauling Sleyter đưa (1931) là: Nguyên tử trung tâm A dùng orbital nguyên tử lai hóa để tạo liên kết không dùng orbital nguyên tử tuý Hìnhorbital dạng lai orbital laibằng hóa giống có Số hóa tạo thành với số orbital dạng nguyên tử dùng để lai hóa Các orbital lai hóa có mức lượng trung gian mức lượng orbital nguyên tử tham gia lai hóa Các đôi điện tử hóa trị nguyên tử xét điện tử dùng chung xếp orbital nguyên tử lai hóa tuân theo quy tắc xếp electron nguyên tử II Các dạng liên kết - 2.1 Liên kết cộng hóa trị - 2.1.1.Phương pháp liên kết hóa trị VB d Tính có hướng liên kết cộng hóa trị: Thuyết lai hoá Để trạng thái lai hóa bền phải thoả mãn điều kiện sau: Các orbital nguyên tử tham gia tổ hợp phải có lượng xấp xỉ Mật độ mây electron orbital nguyên tử tham gia lai hóa phải lớn - Mức Trong độ chu kỳ,của từ trái qua phải: điện hạt nhân  xen phủ orbital nguyên tử laitích hoá với tăng, số electron lớp tăng, chênh lệch orbital nguyên tử tham gia liên kết phải đủ lớn để lượng np tăng khảđể tham liên kết hóa học ns hình thành đủ bền tồn gia lai hóa giảm Nguyên Li Be B C N O F Ne toá E2s–2p(eV) 1,9 2,8 5,7 8,1 11,4 18,9 22,6 26,8 - Trong phân nhóm từ xuống dưới: bán kính nguyên tử tăng, số electron không đổi mật độ electron giảm  khả tham gia lai hóa giảm II Các dạng liên kết - 2.1 Liên kết cộng hóa trị - 2.1.1.Phương pháp liên kết hóa trị VB f Thuyết đẩy cặp điện tử lớp hóa trị (Valence Shell electron – pair Repulsion Theory –VSEPR): Gillespie Nyholm hệ thống hóa Sự xếp liên kết xung quanh nguyên tử trung tâm tuỳ thuộc vào cặp điện tử lớp (lớp hóa trị) nguyên tử Các cặp điện tử xếp cho lực đẩy lẫn cực tiểu hay đám mây điện tử cách xa cực đại, nghóa chúng hướng hướng cho góc hóa trị hướng lớn Các cặp điện tử phân thành loại: Các cặp điện tử riêng nguyên tử trung tâm A gọi cặp điện tử tự (Cặp điện tử không liên kết), loại cặp điện tử có tham gia tạo thành liên kết (cho – nhận hay ghép đôi) thuộc nguyên tử A B gọi cặp điện tử liên kết Nếu electron độc thân ta xem cặp electron Lực đẩy cặp điện tử giảm theo thứ tự: cặp etự do–cặp etự > cặp etự do–cặp eliên kết > cặp eliên kết–cặp eliên kết > ộc thân Độ âm điện nguyên tử trung tâm nhỏ nguyên tử biên liên kết với nó: cặp điện tử liên kết gần nguyên tử biên  vùng không gian gần nguyên tử trung tâm trống nhiều cặp electron tự chiếm chỗ gần nguyên tử trung tâm  góc hóa trị giảm nhiều Ngược lại độ âm điện nguyên tử trung tâm lớnû nguyên tử biên liên kết với nó: cặp điện tử liên kết gần nguyên tử trung tâm  vùng không gian gần nguyên tử trung tâm không nhiều chỗ cho cặp electron tự “bành trướng”  góc hóa trị giảm Thí dụ: FNF = 1020, HNH = 10703, FOF = 10308, HOH = 10405 II Các dạng liên kết - 2.1 Liên kết cộng hóa trị - 2.1.1.Phương pháp g Liên kết cộng hóa trị nhiều tâm liên kết  liên kết hóa trị VB không định chỗ : Cặp e tham gia liên kết  không thuộc orbital nguyên tử nguyên tử xét mà phân bố cho orbital nguyên tử hướng nguyên tử khác phân tử h Bậc liên kết liên kết cộng hóa trị: Có thể số nguyên số lẻ Bậc liên kết = tổng số cặp electron liên kết/số mối liên kết  II Các dạng liên kết - 2.1 Liên kết cộng hóa trị - 2.1.1.Phương pháp liên kết hóa trị VB I Áp dụng phương pháp VB cho phân tử hay ion AB n: Bước 1: Viết cấu hình electron nguyên tử tham gia liên kết dạng chữ ô lượng tử Bước 2: Dự đóan lai hóa nguyên tử trung tâm Có cách để dự đoán:  Dựa vào góc hóa trị phân tử: Nếu ta xác định góc BAB góc hóa trị gần với góc hoá trị dạng lai hóa nào, nguyên tử A lai hóa theo dạng  Dựa vào tổng số (T) l.iên kết  (liên kết chắn phải có nguyên tử liên kết với nhau) nguyên tử trung tâm với nguyên tử xung quanh số cặp electron tự nguyên tử trung tâm (áp dụng cho phân tử hay ion có dạng ABn) Các bước tiến hành sau:  Tính tổng số electron hóa trị nguyên tử phân tử (X)  Tính số electron tối đa mà nguyên tử biên phải có để đạt cấu hình electron bền (Y) (8 electron cho nguyên tử biên nói chung electron nguyên tử biên Hydro)  Tính số cặp electron hóa trị tự nguyên tử trung tâm không tham gia tạo liên kết (X – Y)/2  Tính số cặp electron hóa trị nguyên tử trung tâm T = số liên kết  + (X – Y)/2 T = 2: lai hoùa sp, T = 3: lai hoùa sp2, T = 4: lai hóa sp3 Bước 3: Vẽ cấu hình electron electron hóa trị dạng ô lượng tử khoanh vùng orbital lai hóa Bước 4: Phân tích tạo thành liên kết phân tử: nguyên tử liên kết với nhau: liên kết  Nếu có orbital nguyên tử p tham gia liên kết nguyên tử liên kết  có: Liên kết  góp chung: nguyên tử có orbital nguyên tử p chứa electron hóa trị độc thân Liên kết  cho nhận: nguyên tử có orbital nguyên tử p trống nguyên tử orbital nguyên tử p j Ưu điểm phương VB: chứa cặpcủa electron hóapháp trị Giảikết đựơc sốcặp vấn đề kết cộng hó Liên  không định chỗ: electron hóaliên trị thuộc trị như: nhiều nguyên tử có orbital nguyên tử p hướng  Vẽ,Khả tạophân liêntích kết Bước 5: nhận xét hình dạng hình học phân  Các trưng liên tử,góc hóặc trị, tính bậc liên kết.kết  Giải thích cấu trúc tính chất nhiều tử phương pháp VB: k Nhược phân điểm  Dễ hình dung Chưa tổng quát, có tượng thực nghiệm giải thích phương pháp tính thuận từ số phân tử, tồn bền ion phân tử H 2+, vấn đề II Các dạng liên kết 2.1 Liên kết cộng hóa trị pháp orbital nguyên tử (MO) 2.1.2.Phương a Quan điểm phương pháp MO: Quan niệm phương pháp MO xem phân tử nguyên tử phức tạp, nghóa hệ thống bao gồm hạt nhân electron nguyên tử tạo thành nguyên tắc phân tử có cấu b Nội dung phương pháp MO liên kết trúc orbital giống nguyên tử cộng hóa trị: Phân tử nguyên tử đa nhân phức tạp: tổ hợp thống gồm hạt nhân electron nguyên tử tham gia tạo thành phân tử Phân tử có cấu trúc orbital giống nguyên tử Các orbital phân tử ký hiệu , , ,  Các orbital phân tử tạo thành tổ hợp tuyến tuỳ thuộc vào định hướng chúng tính orbital nguyên tử (tức orbital nguyên tử trục nối hạt nhân nguyên tử xen phủ lẫn nhau) Sự tổ hợp orbital phân tử từ orbital nguyên tử xảy có đủ điều kiện sau: Các orbital nguyên tử phải gần mặt lượng Các orbital nguyên tử phải che phủ đáng kể Các orbital nguyên phải xứng giống đối Các orbital phân tử cótử thể có đối tâm, tâm haynhau nhiều phân tâmvới tuỳđường thuộcliên vàokết số nguyên tử tử tham gia tạo thành liên kết: Sự tổ hợp tuyến tính cộng orbital nguyên tử tạo thành orbital phân tử liên kết có lượng thấp orbital nguyên tử ban đầu Orbital phân tử gọi orbital phân tử liên kết Ký hiệu chúng là: 1s, 2s, 2px, 2py, 2pz Sự tổ hợp tuyến tính trừ orbital nguyên tử tạo thành orbital phân tử phản liên kết có lượng cao orbital nguyên tử ban đầu Các orbital phân tử gọi orbital phản phân tử liên kết Ký hiệu orbital phân tử phản liên kết *1s, *2s, *2px, *2py, *2pz Các orbital nguyên tử không tham gia tổ hợp với orbital nguyên tử khác hình thành phân tử chuyển nguyên vẹn vào phân tử gọi tên orbital phân tử không liên kết Các orbital phân tử không liên kết có tâm, hình dạng mức II Các dạng liên kết - 2.1 Liên kết cộng hóa trị - 2.1.2.Phương pháp orbital nguyên tử MO b Nội dung phương pháp MO liên kết cộng hóa trị Về mặt lượng orbital phân tử xếp theo trật tự tăng dần không theo quy luật rõ ràng lắm, phụ thuộc nhiều vào chênh lệch lượng orbital nguyên tử tổ hợp thành orbital phân tử Thí Nguyên dụ: Tổ hợp thànhB orbital từ tử Li tạo Be C phân N tử O F nguyên Ne thuộctố chu kỳ có cách tuỳ thuộc vào phân mức lượng 2s 2p E2s–2p(eV) 1,9 2,8 5,7 8,1 11,4 18,9 22,6 26,8 Các nguyên tố đầu chu kỳ có chênh lệch lượng 2s 2p khác trật tự phân bố orbital phân tử theo chiều tăng dần lượng sau: 1s < *1s