2.2.1. Chương trình SGK hoá học 10 nâng cao
Bài 41. Cấu tạo phân tử O2
Bài 42. Cấu tạo phân tử Ozon (O3) và hidro peoxit (H2O2) Bài 44. Cấu tạo phân tử hidro sunfua (H2S)
Bài 45. Cấu tạo phân tử SO2, SO3, H2SO4
2.2.2. Chương trình SGK hoá học 11 nâng cao
Bài 30. Cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ (Chương 4) - Thuyết cấu tạo hoá học
- Liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ Bài 34. Cấu trúc phân tử Ankan
Bài 39. Cấu trúc phân tử Anken Bài 41. Cấu trúc phân tử ankaựien Bài 43. Cấu trúc phân tử Ankin Bài 46. Cấu trúc phân tử benzene
2.3. Một số khái niệm
2.3.1. Quy tắc octet (quy tắc bát tử)
Từ sự phân tắch kết quả thực nghiệm và cấu tạo hóa học của các phân tử, năm 1916 nhà hóa học Kossel và Lewis ựã ựưa ra nhận xét mà ngày nay ta gọi là quy tắc octet: ỘKhi tạo liên kết hóa học, các nguyên tử có xu hướng ựạt tới cấu hình lớp ngoài cùng bền vững của các nguyên tố khắ trơ với 8 electron hoặc 2 electron ựối với HeỢ
Cần lưu ý là quy tắc trên chỉ áp dụng ựúng cho một số nguyên tố giới hạn thuộc chu kì 2, các chu kì khác quy tắc octet có sự sai lệch.
2.3.2. Liên kết cộng hóa trị
Liên kết hóa học ựược hình thành nhờ ựôi electron dùng chung (hay góp chung) giữa hai nguyên tử
Thắ dụ:
Phân tử H2 có cấu tạo H Ờ H. Vậy trong nguyên tử này có một ựôi electron dùng chung giữa hai nguyên tử H
Phân tử N2 có cấu tạo N≡N. Vậy trong phân tử này có ba ựôi electron dùng chung giữa hai nguyên tử N
- Liên kết cộng hóa trị không phân cực (hay không có cực): Trong liên kết này ựôi electron dùng chung ở chắnh giữa khoảng cách hai hạt nhân.
Thắ dụ: Phân tử Cl2
Ta có: Cl : Cl hay Cl Ờ Cl. đó là phân tửựơn chất (của các phi kim là chủ yếu). Lưu ý một ựiều là do các electron luôn ở trạng thái dao ựộng, nên ựôi khi ựôi electron dùng chung này cũng bị lệch sang một nguyên tử. chẳng hạn, trong phân tử H2, sự lệch ựôi electron này chiếm khoảng 30%, tức là liên kết phân cực cũng ựã xuất hiện.
- Liên kết cộng hóa trị phân cực (hay có cực)
Trong liên kết này, ựôi electron dùng chung lệch về phắa nguyên tử có ựộ âm ựiện lớn hơn (hay nguyên tử có tắnh phi kim mạnh hơn)
Thắ dụ:
Xét phân tử HX (X là các nguyên tử Halogen), các nguyên tử Halogen là những phi kim có ựộ âm ựiện lớn hơn rất nhiều so với nguyên tử H. Nên trong trường hợp này, ựôi electron dùng chung bị lệch về phắa các nguyên tử Halogen X
Chú ý học sinh: Sự phân loại liên kết như trên là có tắnh quy ước, không có ranh giới rõ rệt giữa các loại liên kết trên.
- Tiêu chuẩn về hiệu số ựộ âm ựiện ∆χ ựược áp dụng trong trường hợp trên ựể có thể phân loại liên kết một cách ựại cương.
2.3.3. Công thức cấu tạo Lewis (sơ ựồ Lewis)
Mặc dù hiện nay ựã có các thuyết hiện ựại giải thắch về liên kết hóa học, nhưng việc biểu diễn một cách trực quan gần ựúng công thức cấu tạo phân tử giúp cho người
2.3.3.1. Nội dung và phạm vi áp dụng của công thức
Nội dung: quy ước dùng một dấu chấm () ựể biểu thị một electron; hai dấu chấm (:) hoặc một vạch (Ờ) ựể chỉ một ựôi electron trong nguyên tử hay phân tử. Công thức hóa học có dùng kắ hiệu trên ựược gọi là công thức cấu tạo Lewis.
Thắ dụ: Các cách viết công thức cấu tạo Lewis cho NH3, CO2
N H H H H N H H NH3 NH3 _ _ C O O Hay O C O
Áp dụng: Phân tử liên kết cộng hóa trị hay liên kết ion ựều có thể ựược biểu diễn bằng công thức Lewis. Tuy nhiên, trong thực tế người ta thường dùng công thức Lewis cho các phân tử có liên kết cộng hóa trị. Trong ựó ta không cần chỉ rõ sự lệch của ựôi electron liên kết, Ộmột công thức hóa học thực có thểựược biểu diễn dưới dạng một hay nhiều công thức Lewis khác nhauỢ.
2.3.3.2. Ưu, khuyết ựiểm của công thức phân tử theo Lewis
- Ưu ựiểm: đơn giản, dễ hiểu, giải thắch ựược sự hiện diện của một sốựông hợp chất.
- Khuyết ựiểm:
+ Vì chỉ có tắnh cách hình thức nên thuyết ựiện tử về hóa trị của Kossel và Lewis ựưa ra không giải thắch ựược cơ cấu không gian (hình học phân tử) của hóa chất (gốc liên kết, ựộ dài liên kết).
Thắ dụ:
Liên kết O Ờ H bị phân cực nhưng ta không thể biết ựược trong phân tử H2O có phân cực hay không?
(NH3) (CO2)
H Ờ O Ờ H O
Không phân cực H H Phân cực
+ Chỉ áp dụng ựúng cho nguyên tố chu kỳ 2, còn các nguyên tử của các nguyên tố chu kỳ khác thì ựã không còn tuyệt ựối ựúng cho lớp electron ngoài cùng.
Thắ dụ:
BeCl2 quanh Be chỉ có 4 ựiện tửở lớp ngoài cùng AlCl3 quanh Al chỉ có 6 ựiện tửở lớp ngoài cùng PCl5 quanh P có 10 ựiện tử lớp ngoài cùng SF6 quanh S có 12 ựiện tử lớp ngoài cùng P Cl Cl Cl Cl Cl F F F F F S F
+ Không thể giải thắch ựược sự hiện diện của những phân tử như Benzen (C6H6): Nếu biểu diễn Benzen như sau thì Benzen gồm 3 liên kết ựơn và 3 liên kết ựôi, trong khi ựó thực nghiệm các phép ựo vật lý cho thấy C6H6 có 6 liên kết C Ờ C hoàn toàn giống nhau và có ựộ dài liên kết là trung gian giữa bề dài của một liên kết ựơn và của một liên kết ựôi.
+ Không giải thắch ựược sự hiện diện của những phân tử có chứa một sốựiện tử lẻ như NO, NO2Ầđặc biệt với công thức Lewis, người ta không thể hình dung ựúng ựặc tắnh của oxigen (trên thực tế thì O2 có tắnh chất thuận từ vì có electron ựộc thân trên phân tử) Thực tế công thức cấu tạo của Benzen phải có dạng như sau
+ Và cuối cùng cần nhớ rằng, trước khi viết công thức Lewis cho một chất bất kì nhưựã nói ở các mục trước ta cần phải biết rõ thứ thứ tự liên kết của các nguyên tử trong phân tử chất ựó, nghĩa là biết rõ cấu tạo hóa học của nó.
Thắ dụ: Ứng với công thức phân tử CHNO có ựến 2 công thức Lewis ứng với 2 chất
khác nhau: O C H N Hay H O C N N H C O Hay H N C O (Axit xianic) (Axit isoxianic)
2.3.3.3. Thành lập công thức cấu tạo Lewis của các chất
Hiện nay, ở chương trình hóa học phổ thông (ựặc biệt là chương trình hóa học 10) vẫn còn sử dụng công thức Lewis, cụ thể là yêu cầu học sinh viết công thức electron của một phân tử từựó say ra công thức cấu tạo của chúng.
để có thể viết ựược cấu tạo Lewis cho một công thức bất kì, ta hãy làm quen với một số khái niệm sau:
- Nguyên tử trung tâm và phối tử
Trong một công thức hóa học, nguyên tử trung tâm là nguyên tử cần nhiều nhất số electron ựể tạo ựược octet cho lớp ngoài cùng của nó (hay nguyên tử có số oxi hóa cao nhất). các nguyên tử khác và cả ựôi electron riêng của nguyên tử trung tâm gọi là phối tử.
- điên tắch lõi nguyên tử: là một số nguyên dương, có trị số bằng số electron hóa trị (electron lớp ngoài cùng) vốn có của nguyên tửựó. Vắ dụ ta xét ựiện tắch lõi của các nguyên tử C, S, Cl, OẦ
C: +4, S: +6; Cl: +7; O: +6Ầ
- điện tắch hình thức của nguyên tửựược xác ựịnh theo công thức sau:
- điện tắch giải tỏa (trên một nguyên tử) điện tắch giải tỏa điện tắch hình thức của nguyên tử điện tắch lõi của nguyên tử Tổng số e riêng của nguyên tử = - - Số liên kết nguyên tửựó tham gia
- Cấu tạo giới hạn, cấu tạo cộng hưởng
+ Cấu tạo giới hạn: chắnh là công thức cấu tạo ựược viết theo quy ước Lewis + Cấu tạo cộng hưởng: nếu một công thức hóa học mà có nhiều công thức Lewis (công thức giới hạn) thì các công thức giới hạn ựó là các công thức cấu tạo cộng hưởng của công thức ựó (như chúng ta ựã nói ở trên, một công thức hóa học có thể có một hoặc nhiều công thức Lewis)
Nội dung thuyết cấu tạo cộng hưởng: Có 3 nội dung chắnh
- Bất kì một phân tử hoặc ion nào cũng có thể ựược biểu diễn bởi hai hoặc nhiều công thức Lewis (chỉ khác nhau là ở vị trắ các electron), gọi là công thức cộng hưởng hay công thức giới hạn.
- Không một công thức nào trong chúng biểu diễn ựúng ựược hình học phân tử. Không một công thức cộng hưởng nào phù hợp hoàn toàn với tắnh chất vật lắ hoặc tắnh chất hóa học của chất.
- Phân tử hoặc ion ựó sẽựược biểu diễn tốt hơn bằng sự Ộlai hóaỢ giữa các công thức cộng hưởng. Thắ dụ: ta có thể lấy dẫn chứng như trường hợp các ion CO3 2- , NO3 - Ầ những trường hợp này ta sẽ xem xét trong phần bài tập áp dụng bên dưới.
2.3.3.4. Các bước viết công thức cấu tạo Lewis
Thắ dụ: Thiết lập công thức Lewis cho ion CO3 2-
Bước 1: đưa ra công thức cấu tạo Lewis giảựịnh (dựa vào kinh nghiện bản thân, giả sử rằng các liên kết tạo thành là liên kết ựơn)
C O
O O
Bước 2: Tắnh tổng số electron hóa trị của công thức giảựịnh (kắ hiệu n1) n1 = 4.1 + 6.3 + 2 = 24
(vì ở ựây CO3 2-
là một anion ựiện tắch (--) nên ta cộng thêm 2 vào trong tổng trên) (a)
Bước 3: Tắnh số electron còn lại (kắ hiệu n2) n2 = n1 Ờ nỖ (nỖ là tổng số electron ựã tạo liên kết trong công thức giảựịnh a)
n2 =24 Ờ 2.3 = 18
Dùng n2 tạo octet cho nguyên tử âm ựiện nhất (nguyên tử cần nhiều hơn số electron ựể tạo ựược octet) trong công thức giảựịnh (a) khi ựó ta ựược công thức sơ bộ (b)
C O O O Octet Cho Oxi C O O O
Bước 4: Lập công thức Lewis ựúng
Tắnh số electron còn lại (kắ hiệu n3) sau khi ựã tạo octet ở bước 3:
n3 = n2 Ờ noctet = 18 Ờ 18 = 0. Nếu trường hợp n3 ≠0 thì ta cần ựưa số electron này vào nguyên tử trung tâm rồi mới làm tiếp bước sau ựây
- Tắnh ựiện tắch hình thức trên mỗi nguyên tử trong công thức (b) dùng công thức ựã giới thiệu ở trên
C: 4 Ờ (3 + 0) = 1+ O: 6 Ờ (1 + 6) = 1- Ta biểu diễn kết quả thu ựược trên công thức sau
C O O O -1 -1 -1 +1
Chuyển ựôi electron riêng của oxi thành ựôi electron liên kết ựể:
- Tạo octet cho nguyên tử O (nguyên tử trung tâm A nói chung)
- Trung hòa ựiện tắch hình thức trên một số nguyên tử liên quan (chuyển một ựôi electron trên 1 trong 3 nguyên tử O bất kì thành ựôi e liên kết)
C O O O C O O O (0) (0) -1 -1 (b) (c) (d)
Tắnh lại ựiện tắch hình thức, kết luận
O bên trái có ựiện tắch hình thức là: 6 Ờ (2 + 4) = 0 C có ựiện tắch hình thức là: 4 Ờ (4 + 0) = 0
Hai O còn lại ựều có ựiện tắch hình thức là: 6 Ờ (6 + 1) = 1- Vậy ựiện tắch hình thức của cả công thức (d) là: 1- + 1- = 2-
Như ta ựã nói, có 3 nguyên tử O và cả 3 nguyên tử O này ựều có khả năng chuyển ựôi electron riêng của mình ựể tạo octet cho nguyên tử C do ựó thay vào việc có một cấu tạo (d) thì ta sẽ có 3 cấu tạo tương ứng (d1), (d2), (d3) C O O O C O O O C O O O (d1) (d2) (d3)
Vậy ion CO32- có 3 cấu tạo giới hạn (hay 3 cấu tạo cộng hưởng), ựiện tắch ựược giải tỏa trên mỗi nguyên tử O của ion CO3
2-
là −23 Thắ dụ: Hãy viết công thức cấu tạo Lewis cho PCl3
Áp dụng các bước trên ta sẽ có lần lượt các kết quả sau: P Cl
Cl Cl
Từ (a) ta có số elctron ựã tham gia liên kết n2 = 6e Số electron còn lại n3 = 26 Ờ 6 = 20e
Lấy số electron còn lại ở trên tạo octet cho nguyên tử âm ựiện hơn (Cl), số electron cần tạo octet là n4 = 6.3 = 18e
P Cl Cl Cl
Số electron còn lại sau khi ựã tạo octet ở trên là n5 = 20 Ờ 18 = 2e (a)
Ta thấy, n5 > 0 nên ta dùng n5 ựiền vào nguyên tử P (chú ý chỉ ựược ựiền vào các nguyên tố chu kì 3 trở lên, vì quy tắc octet không còn phù hợp)
P Cl Cl Cl
Từ công thức (c) ta tắnh ựiện tắch hình thức của mỗi nguyên tử trong phân tử P: 5 Ờ 2 Ờ 3 = 0
Cl: 7 Ờ 6 Ờ 1 = 0
Kết luận: Công thức (c) ở trên là công thức Lewis ựúng của PCl3
2.4. Khảo sát hình học phân tử một số hợp chất cộng hoá trị
để dựựoán hình học phân tử, có thể dùng mô hình tương tác ựẩy VSEPR (quy tắc kinh nghiệm gilexpi). Chúng ta có thể hệ thống quy tắc kinh nghiệm gilexpi trên theo bảng sau ựây, kết hợp cả hai loại phân tử (AXn và AXnEm). Chú ý ựặc biệt ựến 2 khái niệm Ộhình dạng tương tác ựẩyỢ và khái niệm Ộcấu trúc hình học phân tửỢ.
Bảng 2.1. Cấu hình không gian của một số phân tử
Phân tử Tổng số cặp e Hình dạng tương tác ựẩy Số cặp e liên kết Cấu trúc hình học phân tử Phân tửựiển hình AX2 2 Thẳng 2 Thẳng BeCl2, BeH2. Tam giác ựều BF3 AX3 AX2E 3 3 3 2 Chữ V SO2 Tứ diện CH4 Hình tháp chóp NH3 AX4 AX3E AX2E2 4 4 4 4 3 2 Chữ V H2O Song tháp PCl5 Hình tháp chóp SF4 Chữ T ClF3 (c) Tam giác ựều AX5 AX4E AX3E2 5 5 5 5 4 3 Song tháp tam giác Tứ diện
Bát diện SF6 Hình chóp BrF5 AX6 AX5E AX4E2 6 6 6 Bát diện 6 5 4 Vuông phẳng XeF4
Nhận xét: Ta thấy ựối với các trường hợp trong phân tử không có cặp electron riêng nên hình dạng tương tác ựẩy ựối với các cặp electron cũng chắnh là hình học phân tử của chúng. Trong trường hợp ngược lại, các phân tử có ựôi electron riêng thì do tương hổ giữa chúng với các cặp electron liên kết nên hình học phân tử của chúng sẽ biến ựổi theo các quy luật nhưựã trình bày ở phần trên.
Như vậy, khi bạn ựã xác ựịnh tổng số cặp electron của công thức Lewis, từ ựó suy ra mô hình tương tác ựẩy của chúng, tiếp theo là dựa vào mức ựộ tương quan giữa các cặp e liên kết và các cặp e riêng (của nguyên tử trung tâm) ta suy ra hình học phân tử của các công thức ựó.
Thắ dụ:
Dựa vào công thức Lewis một số chất vừa xác ựịnh ở trên, chúng ta sẽ suy ra hình học phân tử của chúng.
Phân tử PCl3: có công thức Lewis ựúng là
P Cl Cl Cl
Tổng số cặp e hóa trị là 4 (trong ựó có 3 cặp e liên kết và 1 cặp e không liên kết) Kết luận:
- Hình dạng tương tác ựẩy là tứ diện, nhưng do trên nguyên tử P còn một ựôi e riêng nên hình học phân tử có hình tháp chóp (hay hình tháp tam giác) giống trường hợp của phân tử NH3
- Theo nguyên tắc hình dạng tương tác ựẩy là hình tứ diện, tức là các ựôi mây e của nguyên tử trung tâm phân bố có dạng là hình tứ diện ựều, các góc tứ diện bằng nhau và bằng 109029Ỗ. Tuy nhiên có một ựôi e riêng trong số ựó chiếm khoảng không gian lớn, dẫn ựến sự thu hẹp các mây e liên kết nên từ hình tứ diện (dạng tương tác ựẩy) chuyển sang dạng tháp tam giác (hình tháp chóp)
109028' (Mô hình tương tác ựẩy tứ diện ựều) 109028' P Cl Cl Cl Ta suy luận chắc chắn rằng: Góc hóa trị ClPCl sẽ nhỏ hơn góc tứ diện 109029Ỗ,