Hóa lý 1 THUYẾT VSEPR TRONG ĐỀ THI HSG, OLYMPIC

Năm 1939, Pauling đưa ra thuyết VB đã giải thích được các tính chất của liên kết (độ dài liên kết, năng lượng liên kết, định hướng không gian). Thuyết này giải thích định hướng không gian của phân tử trên lý thuyết lai hóa

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 TÓM TẮT LÝ THUYẾT VSEPR 2 BÀI TẬP 2.1 20 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM LIÊN QUAN ĐẾN VSEPR 2.2 10 CÂU BÀI TẬP TỰ LUẬN VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI TRONG ĐỀ THI HSG, OLYMPIC .10 2.2.1 Bài tập tự luận đề thi học sinh giỏi 10 2.2.2 Bài tập tự luận đề thi Olympic 16 KẾT LUẬN 21 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 TÓM TẮT LÝ THUYẾT VSEPR Năm 1939, Pauling đưa thuyết VB giải thích tính chất liên kết (độ dài liên kết, lượng liên kết, định hướng không gian) Thuyết giải thích định hướng khơng gian phân tử lý thuyết lai hóa Ví dụ: Hình Liên kết phân tử NH3; góc liên kết < 109,5° Xét phân tử H2O NH3: nguyên tử Oxi Nitơ trạng thái lai hóa sp Như góc liên kết phải 109,5° Tuy nhiên, thực nghiệm cấu trúc phân tử H 2O, góc liên kết HOH, HNH nhỏ 109° Theo thuyết VB, có sai lệch góc liên kết tính khơng tương đương obitan lai hóa Do để giải thích biến đổi cấu trúc phân tử chất Năm 1940, Sidewich Powell đưa thuyết đẩy cặp electron hay gọi mơ hình VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) Lenard – Jones, Gillespie Nyhlom phát triển, bổ sung Ý thuyết là: xếp liên kết quanh nguyên tử trung tâm phụ thuộc vào cách phân bổ cặp electron cực tiểu hay “khoảng cách” cặp electron cực đại Trước hết cách phân bố phụ thuộc vào tổng số cặp electron (những electron hóa trị nguyên tử bao gồm electron liên kết không liên kết) electron tham gia liên kết phối tử Trước đây, coi cặp electron tương đương Tuy nhiên, xem xét chi tiết đòi hỏi phải có phân biệt khác nhauu cặp electron liên kết khơng liên kết Hình Cấu trúc số phân tử ion theo thuyết Gillespie Một cặp electron không liên kết bị hạt nhân ngun tử hút Nó chiếm vùng khơng gian lớn cặp electron liên kết Chính tương tác đẩy hai cặp electron không liên kết lớn Rồi đến tương tác đẩy cặp electron không liên kết cặp electron liên kết Nhỏ tương tác đẩy hai cặp electron liên kết Từ suy có mặt electron tự gây giảm góc trục obitan, nghĩa giảm góc liên kết Theo mơ hình VSEPR, xét phân tử AXmEn Trong đó: - A: Nguyên tử trung tâm có cặp electron hóa trị tạo liên kết σ; X: Cặp electron liên kết với nguyên tử trung tâm A; n: số cặp electron tạo thành liên kết σ; E: Cặp electron tự do; m: Số lượng cặp electron tự do; n + m = q tổng số cặp electron hóa trị bao quanh A  n + m = → Phân tử thẳng → A lai hoá sp  n + m = → Phân tử phẳng tam giác → A lai hoá sp2  n + m = → Phân tử tứ diện → A lai hoá sp3  n + m = → Phân tử tháp đơi đáy tam giác → A lai hố sp3d  n + m = → Phân tử tháp đôi đáy vng (bát diện) → A lai hố sp3d2 Ví dụ: Trong BeH2 có m + n = → Be có lai hố sp BH3 có m + n = → B có lai hố sp2 CH4 có m + n = → C có lai hố sp3 NH3 có m + n = → N có lai hố sp3 PCl5 có m + n = → P có lai hố sp3d Bảng Dạng hình học số phân tử AXmEn n+m Đa diện phối Công thức Dạng phân Phân tử liên Phân tử liên trí cấu trúc tử AXm kết đơn kết bội Đoạn thẳng AX2E0 Thẳng BeH2, CO2, HCN HgCl2, BeCl2 AX3E0 Tam giác Tam giác BH3, BF3, SO3, NO3-, AlCl3 HClO2 Gấp khúc SnCl2 AX2E1 AX4E0 Tứ diện Tháp đáy AX3E1 Tứ diện tam giác AX2E2 Gấp khúc BH4 A Tứ diện, gấp khúc, tam giác, thẳng B Tứ diện, tam giác, gấp khúc, thẳng C Tứ diện, thẳng, gấp khúc, tam giác D Tứ diện, thẳng, tam giác, gấp khúc Đáp án: A + OF2, SCl2 NH , H2S Bài 1: Hình dạng phân tử CH , H O, BF BeH tương ứng : - NH3, OH3 2.1 20 CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM LIÊN QUAN ĐẾN VSEPR NOCl CH4, NH4+, BÀI TẬP SO2, NO2, SO42-, POCl3 SOBr2, ClO3- ClO2- Câu 2: Chọn phương án đúng: Cho: 1H, 5B, 6C, 9F, 16S, 54Xe Trong tiểu phân sau, tiểu phân có cấu trúc tứ diện là: 1) 2) SF4 3) XeF4 4) CH4 A CH4 , SF4 B CH4 , XeF4 C , CH4 D CH4 , , XeF4 Đáp án: C Câu 3: So sánh góc liên kết hợp chất cộng hóa trị sau: 1) NH3 A B C D ; 2) NF3 ; 3) NI3 ; 4) CO2 4 SO2 > NO2 Đáp án: C Câu 8: Chọn phương án đúng: Trong ion A B C D , kiểu lai hóa nguyên tử Cl dạng hình học ion sp2 góc sp3 góc sp thẳng hàng sp3d thẳng Đáp án : A Câu 9: Chọn phương án đúng: Sắp xếp hợp chất cộng hóa trị sau theo chiều tăng dần góc liên kết: 1) 2) 3) A 3, 1, B 2,3, là: C 1, 2, D 3, 2,1 Đáp án: C Câu 10: Chọn câu đúng: Cấu hình khơng gian cực tính phân tử (với 6C nguyên tử trung tâm) 1) CHCℓ3 tứ diện, có cực 2) CF2O tháp tam giác, có cực 3) COCℓ2 tam giác phẳng, có cực 4) COS góc, có cực A B C D 1,3 1,2,4 2,3,4 3,4 Đáp án: A Câu 11: Chọn nhóm phân tử ion có cấu hình không gian tứ diện đều: A B C D CH4, SiF4, CH3Cl, CH2Cl2 SF4, NH3, H2O, COCl2 BF3, CO2, SO2, CH2O CH4, SiH4,CCl4, NH4+, SO42- Đáp án: C Câu 12: Chọn nhóm phân tử ion có trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm giống nhau: 1) CH4 , SiH4, CCl4, NH4+ , SO42- 3) CH4, SiF4, CH3Cl, CH2Cl2 2) SO2, NO2, CO2, SiO2, ClO2 4) CH4, NH3, PCl3, H2O, NF3 A B C D 1,2,3 1,3,4 1,2,3,4 2,3 Đáp án: D Câu 13: Xác định trạng thái lai hóa nguyên tử cacbon phân tử sau (từ trái sang phải): C2H6, C2H4, C2H2, C6H6, CCl4 A B C D sp3, sp2, sp, sp2, sp3 sp, sp2, sp3, sp2, sp3 sp, sp2, sp3, sp, sp3 sp3, sp2, sp, sp, sp3 Đáp án: A Câu 14: Xác định thái lai hóa nguyên tử cacbon phân tử sau (từ trái sang phải): CH3─CH═CH─C≡CH A B C D sp3, sp, sp, sp2, sp3 sp, sp2, sp3, sp, sp2 sp2, sp3, sp2, sp2, sp3 sp3, sp2, sp2, sp, sp Đáp án: A Câu 15: Chọn phân tử ion có chứa đơi electron không liên kết nguyên tử trung tâm: CO2, SO2, NH3, CCl4, CS2, SO3, CH4, H2O, CO32-, SO42-, SO32-, NH2- A B C D CO2, CCl4, CH4, SO3, SO42- SO2, NH3, H2O, SO32-, NH2- CS2, SO3, CH4, H2O, CO32- SO2, NH3, SO3, CS2 , SO32- Đáp án: A Bài 16 :Xác định phân tử có góc liên kết lớn phân tử sau: A B C D Đáp án: C Bài 17 : Theo thuyết VSEPR trạng thái lai hóa nguyên tử Ni phức là: A B C D Đáp án:B Bài 18 : Với phân tử C Các trị số góc liên kết CCC theo chiều từ trái sang phải phân tử là: A 120, 109 B 109, 120 C 120, 180 D 109, 109 Bài 19 : Chọn phát biểu không thuyết VSEPR: A B C D Thuyết sử dụng để dự đoán độ âm điện nguyên tố Cho cặp electron lớp hóa trị đẩy Thuyết sử dụng để dự đốn cấu trúc hình học phân tử Cặp electron tự cồng kềnh cặp electron liên kết Đáp án: A Bài 20: Trong ion trạng thái lại hóa Pt là: A B sp C D Đáp án: D 2.2 10 CÂU BÀI TẬP TỰ LUẬN VÀ HƯỚNG DẪN GIẢI TRONG ĐỀ THI HSG, OLYMPIC 2.2.1 Bài tập tự luận đề thi học sinh giỏi Bài 1:(Đề thi chọn Học sinh giỏi Quốc gia THPT, 2012 – Bộ Giáo dục Đào Tạo) Phân tử NH3 có dạng hình chóp tam giác (ngun tử N đỉnh hình chóp) Ion có dạng hình tứ diện (nguyên tử N nằm tâm tứ diện đều) Dựa vào xen phủ orbitan, mơ tả hình thành liên kết phân tử NH3 ion Hướng dẫn giải: Vận dụng công thức kinh nghiệm Gillespie, ta xác định số orbital lai hóa NH NH4+:  NH3: Phân tử NH3có orbital lai hóa sp3 với cặp điện tử tự  NH4+: Ion NH4+ có orbital lai hóa sp3 Kết hợp với lý thuyết lai hóa khn khổ phương pháp VB, ta nhận xét: – Trong phân tử NH3: có liên kết σ với nguyên tử hidro orbital lai hóa, cịn cặp điện tử tự nằm orbital lai hóa cịn lại – Trong ion NH4+: liên kết với nguyên tử hidro NH cịn có liên kết orbital có điện tử với nguyên tử hidro H kích thích thành H + – orbital 1s trống, tạo liên kết σ thứ tư Bài 2:(Kì thi học sinh giỏi thành phố, Thành phố Đà Nẵng 2004 – 2005) Xét hai phân tử PF3 PF5 Cho biết trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm dạng hình học phân tử chúng? Cho biết phân cực hai phân tử Giải thích? Hướng dẫn giải: Sử dụng công thức kinh nghiệm Gillespie để dự đốn dạng lai hóa của:  PF3: = phân tử PF3 có orbital lai hóa sp3 có cặp điện tử tự  PF5: = phân tử PF5 có orbital lai hóa sp3 Sử dụng mơ hình VSEPR, ta xác định phân tử:  PF3 có phân phối hình học tháp tam giác  PF5 có phân phối hình học lưỡng tháp tam giác Theo thuyết liên kết hóa học: Nguyên tử flo âm điện nguyên tử photpho nên cặp điện tử liên kết lệch nguyên tử flo photpho  Phân tử PF3 phân cực mạnh tổng momen lưỡng cực phân tử lớn có chiều hướng xuống mặt phẳng nguyên tử flo  Phân tử PF5 khơng phân cực tổng momen lưỡng cực liên kết phẳng – đạt góc liên kết FOF lý tưởng 1200 tổng momen lưỡng cực liên kết ngược chiều trục phân tử Bài 3: (Đề thi HSG Hóa Học 12 cấp tỉnh, 2011-2012 – Sở Giáo Dục Đào tạo Đồng Nai) Cho nguyên tố A, B, D xác định sau: - Nguyên tử A electron gọi proton - Ion B2- có tổng điện tích âm -1,6.10-18 (C) - Tổng số hạt nguyên tử D 18 (ZD ≤ ND ≤ 1,5ZD) a) Tìm tên A, B, D b) Xác định trạng thái lai hóa nguyên tố trung tâm phân tử DA 4, BA2, DB2 cho biết hình dạng phân tử Hướng dẫn giải: a) - Nguyên tử A điện tử gọi proton A nguyên tố hidro 10 Ion B2- có = -1,6.10-18 (C) nguyên tử B có = -1,6.10 -18 – 2.(-1,6.10-19) = -1,28.10- - 18 - (C) Tổng số điện tử nguyên tử B B nguyên tố oxi Trong nguyên tử D: Ta có: 2Z + N = 18 mà ZD ≤ ND ≤ 1,5ZD, 2Z + 1,5Z = 18 2Z + Z = 18 với N = 1,5Z N = Z + Với N = 1,5Z, ta có Z = 5,14 + Với N = Z, ta có Z = Do Z (N*) ta chọn Z = D nguyên tố cacbon b) Từ a) DA4, BA2 DB2 CH4, H2O CO2 Vận dụng công thức Gillespie để dự đốn dạng lai hóa hình học phân tử: - Phân tử CH4 có orbital lai hóa sp3 xung quanh nguyên tử trung tâm – cacbon Phân tử CH4 có phân phối hình học dạng tứ diện với góc liên kết 109,50 - Phân tử H2O có orbital lai hóa sp3 cặp điện tử tự xung quanh nguyên tử trung tâm – oxi Phân tử H2O có phân phối hình học dạng góc với góc liên kết 104,50 - Phân tử CO2 có orbital lai hóa cặp điện tử tự xung quanh nguyên tử trung tâm – cacbon Phân tử CO2 có phân phối hình học dạng đường thẳng Bài 4: (Đề thi HSG Hóa Học 12 cấp tỉnh, 2006-2007 – Sở Giáo Dục Đào tạo Đồng Nai) Cho chất: CO2, C2H5OH, CH4, NH3 Hãy xếp chất theo thứ tự từ trái sang phải có độ tan tăng dần nước, CCl dung dịch NaOH Giải thích (ngắn gọn) chúng có độ tan tăng dần 11 Cho biết góc liên kết phân tử sau: HCH = 109,5 , OCO = 1800 , CCH = 109,50, COH = 109,50 , HNH = 1070, HOH = 104,50 , ClCCl= 109,50 Hướng dẫn giải Vận dụng công thức Gillespie bảng VSEPR phương pháp liên kết hóa học: - Phân tử CH4 có orbital lai hóa sp3 đạt cấu hình hình học bền, góc liên kết HCH = 109,50 Phân tử không phân cực với liên kết đơn, bền σ - Phân tử CO2 có orbital lai hóa sp có cấu hình hình học thẳng với góc liên kết OCO = 1800 Phân tử khơng phân cực có liên kết yếu π phân tử - Phân tử NH3 có orbital lai hóa sp3 cặp điện tử tự Phân tử phân cực có xu hướng liên kết cặp điện tử tự với tiểu phân khác loại - Phân tử C2H5OH phân cực có dạng phân cực có dạng lai hóa gần giống H 2O, có cầu liên kết hidro với nhóm –OH Do H2O, CCl4 NaOH dung dịch: phân cực, không phân cực phân cực mạnh nên thứ tự độ tan CO2, C2H5OH, CH4, NH3 là: - Trong H2O: CH4 < CO2 < NH3 < C2H5OH Do liên kết π CO2 H+ nước; nhóm hydroxyl C2H5OH tạo liên kết hidro với oxi nước tốt so với việc nhận H + cặp điện tử tự NH3 – Trong CCl4: NH3 < C2H5OH < CO2 < CH4 Do C2H5OH có gốc CH3– không phân cực nên tan tốt NH3 – Trong NaOH: CH4 < NH3 < CO2 < C2H5OH 12 Do C2H5OH tạo liên kết hidro, ảnh hưởng cân NH + H2O NH4+ + OH– Bài 5: (Đề thi HSG duyên hải bắc lần năm 2011, hố học 10) Viết cơng thức Lewis, dự đốn dạng hình học phân tử ion sau (có giải thích) trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm? SO2; SO3; SO42- ; SF4; SCN- Hướng dẫn giải: Phân Công thức Lewis Công thức cấu Dạng lai hóa Dạng hình học tử SO2 trúc AX2E NTTT sp2 phân tử Gấp khúc SO3 AX3 sp2 Tam giác SO42- AX4 sp3 Tứ diện SF4 AX4E sp3d Cái bập bênh SCN- AX2 Sp Đường thẳng Bài 6:( Câu 2, ý đề thi HSG Vĩnh Phúc 2012-2013) Hãy cho biết dạng lai hóa ngun tố trung tâm dạng hình học theo mơ hình VSEPR phân tử, ion sau: SF4; HClO2; HOCl; ICl ; IF7; BrF5; HNO3; C2H6 Hướng dẫn giải: * SF4: (AX4E) lai hóa sp3d Hình dạng bập bênh * HClO2: (AX3E2) lai hóa sp3d Hình dạng chữ T * HClO : (AX2E3) lai hóa sp3d Hình dạng đường thẳng * ICl : (AX4E2) lai hóa sp3d2 Hình dạng vng phẳng * IF7: (AX7) lai hóa sp3d3 Hình dạng lưỡng chóp ngũ giác * BrF5: (AX5E) lai hóa sp3d2 Hình dạng tháp vng * HNO3: (AX3) lai hóa sp2 Hình dạng tam giác phẳng 13 * C2H6: (AX4) lai hóa sp3 Hình dạng tứ diện chung đỉnh Bài 7: Viết công thức Liuyt, dự đốn cấu trúc phân tử, góc liên kết phân tử sau: SF2, SF6, S2F4 (Câu 1, đề thi HSG Thái Nguyên 2011-2012) Hướng dẫn: Phân tử SF2 SF6 F S2F4 F Công thức Liuyt S F F S’ F F S: sp3d (MX4E) Trạng thái lai hoá S sp3 sp3d2 S’: sp3 (MX2E2) S Cái bập bênh nối với chữ Hình học phân tử V Chữ V Bát diện < 109o28’ S cịn cặp e khơng - Góc SS’F< 109o28’ Góc liên liên kết nên ép góc liên kết Góc S’ cịn cặp e không liên kết liên kết vào khoảng 103o 90o kết - Góc FSF Lực đẩy µ(NH3) > µ(NF3) Giải thích: Ở NH3, chiều momen liên kết cặp electron N hướng momen tổng cộng phân tử khác với NF3 3) µ1 O µ2 H µ H µ phân tử tổng momen hai liên kết (O-H) Từ sử dụng hệ thức lượng tam giác ta tính momen liên kết O – H là: 1,51D Giả thiết độ ion liên kết O – H 100% ta có: µ(lt) = Ta dễ dàng suy độ ion liên kết O – H 32,8% Bài 9: (Đề thi đề nghị Olympic XVIII, 2012 – Trường THPT chuyên Nguyễn Bỉnh Khiêm, Vĩnh Long) Tại phân tử H2O, NH3 góc liên kết (104,50) (107,50) lại nhỏ góc tứ diện (109028’)? Xét hai phân tử H2O H2S, góc (92015’) lại nhỏ góc (104028’)? Xét hai phân tử H2O F2O, góc (103015’) lại nhỏ góc (104,50)? Hướng dẫn giải: Vận dụng cơng thức Gillespie cho phân tử H2O phân tử NH3: H2O: phân tử H2O có orbital lai hóa sp3 với cặp điện tử tự 16 NH3: phân tử NH3 có orbital lai hóa sp3 với cặp điện tự tự Theo phương pháp liên kết hóa học: tồn cặp điện tử không liên kết làm xuất lực tương tác làm thay đổi giá trị góc liên kết với xu hướng nhỏ góc liên kết tứ diện lý tưởng – 109028’ Xét phân tử H2O H2S: – Độ âm điện µ oxi µ O lớn µS momen lưỡng cực liên kết O – H lớn momen lưỡng cực liên kết S – H tương tác đẩy cặp điên tử liên kết phân tử H2O lớn tương tác vị trí phân tử H2S Do đó, góc liên kết lại nhỏ góc liên kết Xét phân tử H2O F2O theo phương pháp liên kết hóa học: – Phân tử F2O:  Flo âm điện oxi cặp điện tử liên kết lệch phía nguyên tử flo, liên kết dài ra, momen lưỡng cực phân tử hướng nguyên tử flo  Bán kính nguyên tử flo nhỏ oxi khoảng cách tương tác nguyên tử flo nhỏ – Phân tử H2O:  Oxi âm điện hidro cặp điện tử liên kết lệch phía nguyên tử oxi, liên kết ngắn lại, momen lưỡng cực phân tử hướng nguyên tử oxi  Bán kính nguyên tử hidro lớn khoảng cách tương tác nguyên tử hidro lớn Bài 10: (Đề thi đề nghị Olympic XVIII, 2012 – Trường THPT Phan Châu Trinh, Đà Nẵng) 17 Xét phân tử BF3, NF3, IF3 Hãy - Viết công thức electron Lewis chất - Dựa vào thuyết lai hóa obitan nguyên tử cho biết trạng thái lai hóa nguyên tử trung tâm dạng hình học phân tử Xác định xem phân tử phân cực không phân cực Giải thích kết chọn Hướng dẫn giải: - Công thức electron Lewis BF3, NF3, IF3 là: - Dựa theo thuyết lai hóa AO phương pháp VB:  Trong phân tử BF3: nguyên tử bo trạng thái lai hóa sp 2, có dạng hình tam giác phẳng, góc liên kết  Trong phân tử NF3: nguyên tử nito trạng thái lai hóa sp 3, có dạng tháp tam giác, góc liên kết  Trong phân tử IF3: nguyên tử Iôt trạng thái lai hóa sp3d, có dạng hình chữ T 18 KẾT LUẬN Sau gần tháng nỗ lực em hoàn thành tiểu luận với đề tài: Thuyết VSEPR đề thi HSG, Olympic Về nội dung, tiểu luận em trình bày phần sau: - Phần 1: Em tổng quan lại nội dung thuyết VSEPR Phần 2: Vận dụng thuyết VSEPR vào tập trắc nghiệm, tập tự luận đề thi HSG, Olympic Về kiến thức, sau làm xong tiểu luận em rút cho nhiều kiến thức kinh nghiệm việc làm tiểu luận, tìm hiểu nội dung bổ ích liên quan tới đề tài nói riêng Hóa lý nói chung Tuy nhiên, thời gian làm đề tài có hạn, thời gian tìm hiểu cịn lượng kiến thức cịn nhiều nên khơng tránh khỏi sai sót q trình làm Em kính mong thầy bạn lớp đóng góp ý kiến để báo cáo em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 19 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1.] Nguyễn Hữu Quốc, Hóa học đại cương, Tp HCM 2014 [2.] Nguyễn Huyền, Bài tập lớn Vận dụng thuyết cấu tạo Hoá học để giải số tập định tính phần phi kim đề thi học sinh giỏi Hóa học đề thi Olympic Hóa học, 7/8/2019 [3.] Nhóm tác giả: Huỳnh Kỳ Phương Hạ, Nguyễn Sơn Bạch, Trần Minh Hương, Nguyễn Thị Bạch Tuyết, Nguyễn Minh Kha, Nguyễn Lệ Trúc, Bài tập trắc nghiệm Hóa đại cương, tháng 9, 2012 20