1. Nội dung của thuyết:
Trong phõn tử được tạo ra từ nguyờn tử cỏc nguyờn tố phi kim, liờn kết hoỏ học giữa hai nguyờn tử được thực hiện bởi cặp (đụi) e dựng chung, nhờ đú mà mỗi nguyờn tử đều cú được cấu hỡnh lớp ngồi cựng bền vững của nguyờn tử khớ trơ với 8e.
Electron của mỗi nguyờn tử cú thể tham gia được liờn kết là e hoỏ trị. Đụi e tạo liờn kết phải cú spin đối song.
Vớ dụ: Phõn tử Cl2 cú liờn kết giữa hai nguyờn tử Cl được thực hiện nhờ cặp e gúp chung. cặp e này là cặp e liờn kết, được kớ hiệu ↑↓ hay ↓↑, cỏc e cũn lại được gọi là e khụng liờn kết.
Căn cứ vào vị trớ cặp e dựng chung so với hạt nhõn nguyờn tử tham gia liờn kết, người ta chia liờn kết cộng hoỏ trị thành hai loại:
- Liờn kết cộng hoỏ trị khụng phõn cực (hay khụng cú cực): Đụi e dựng chung ở giữa khoảng cỏch hai hạt nhõn nguyờn tử. Đú là liờn kết trong cỏc phõn tử đơn chất như Cl2, Br2... (trường hợp hiệu độ õm điện ≤ 0,4).
- Liờn kết cộng hoỏ trị cú cực (hay phõn cực): Đụi e dựng chung lệch về phớa nguyờn tử của nguyờn tố cú tớnh phi kim mạnh hơn (hay cú độ õm điện lớn hơn). Đú là liờn kết hoỏ học trong cỏc phõn tử hợp chất như H2O, NH3, CH4,... (hiệu độ õm điện trong khoảng 0,40 ữ 1,70).
b) Tớnh định hướng khụng gian của liờn kết cộng hoỏ trị
Liờn kết cộng hoỏ trị cú tớnh định hướng khụng gian. Trong liờn kết cộng hoỏ trị, cặp e dựng chung (hay cặp e liờn kết) được phõn bố ở khoảng khụng gian giữa hai hạt nhõn tham gia liờn kết.
Liờn kết cộng hoỏ trị cú tớnh chất bĩo hồ. Chẳng hạn trong hợp chất giữa Cl với H, chỉ cú 1 nguyờn tử H liờn kết với 1 nguyờn tử Cl tạo thành HCl; khụng thể cú nhiều hơn một nguyờn tử H liờn kết với một nguyờn tử Cl. Do vậy số nguyờn tử liờn kết với một nguyờn tử cho trước bị hạn chế bởi hoỏ trị của nguyờn tử đú.
Bài tập: Cho cỏc nguyờn tố H, F, Cl, Br, I.
1) Hĩy viết CTPT của cỏc chất được tạo ra từ cỏc nguyờn tố đĩ cho.
2) Trong số cỏc chất đĩ nờu chất nào cú liờn kết khụng cú cực, cú cực? Hĩy chỉ rừ vị trớ của cặp electron liờn kết trong mỗi chất.
2. Cụng thức cấu tạo Liuytxơ (Lewis):
Biểu diễn liờn kết và cấu tạo phõn tử khỏ trực quan
1. Cụng thức:
Mỗi dấu chấm biểu thị một electron. Hai chấm hay một vạch – chỉ một cặp electron trong nguyờn tử hay phõn tử. Cỏc electron này là cỏc electron hoỏ trị. Cụng thức hoỏ học chỉ rừ thứ tự liờn kết giữa cỏc nguyờn tử và cỏc kớ hiệu chỉ sự phõn bố electron hoỏ trị được gọi là cụng thức Lewis (do Lewis đề xướng). Thụng thường cỏc cặp electron liờn kết viết bằng dấu vạch, electron khụng liờn kết biểu diễn bằng chấm. Cụng thức Lewis khụng chỉ dựng cho cỏc hợp chất cú liờn kết cụng hoỏ trị mà dựng cả cho cỏc hợp chất cú liờn kết ion.
Bài tập:
Viết cụng thức Lewis cho cỏc phõn tử : a) nitơ, b) nước, c) Canxi clorua.
2. Cỏch viết cụng thức Lewis: a) Cỏc khỏi niệm cần dựng:
+ Nguyờn tử trung tõm và phối tử: Trong một cụng thức hoỏ học, cú nguyờn tử trung tõm là nguyờn tử cần nhiều e nhất để tạo được cấu hỡnh tỏm electron (octet) ở lớp ngồi cựng của nú (hay nguyờn tử cú số oxi hoỏ cao nhất); cỏc nguyờn tử khỏc và cả cặp electron khụng liờn kết của nguyờn tử trung tõm được gọi là phối tử. Vớ dụ: trong phõn tử NH3, nguyờn tử trung tõm là N, phối tử gồm 3H và 1 cặp e khụng liờn kết của N (ở vỏ hoỏ trị). Trong phõn tử HCN, nguyờn tử trung tõm là C, phối tử gồm 1H và 1N (ở đõy khụng cú cặp e khụng liờn kết ở vỏ hoỏ trị).
+ Lừi của nguyờn tử: Phần lừi của một nguyờn tử (khi nguyờn tử này là thành phần của một cụng thức hoỏ học được xột) gồm hạt nhõn và cỏc electron ở cỏc lớp bờn trong. Vớ dụ: Xột lừi nguyờn tử của cỏc nguyờn tử trong HCN ta cú: lừi nguyờn tử N gồm hạt nhõn và hai e ở phõn lớp 1s2; lừi nguyờn tử C gồm hạt nhõn và 2 electron ở phõn lớp 1s2; lừi nguyờn tử H chỉ gồm hạt nhõn, thực tế H thường được coi là trường hợp ngoại lệ.
- Điện tớch lừi nguyờn tử: là số đơn vị điện tớch của nguyờn tử khi ta bỏ cỏc electron ở lớp hoỏ trị đi nờn là một số nguyờn dương, cú trị số bằng số e hoỏ trị vốn cú của nguyờn tử đú.
- Điện tớch hỡnh thức của một nguyờn tử = (Điện tớch của lừi nguyờn tử - tổng số e riờng của nguyờn tử – tổng số e tạo liờn kết cú nguyờn tử tham gia/2).
Vớ dụ: Xỏc định điện tớch hỡnh thức của N trong NH3, NH4+
- Trong NH3: Từ cấu tạo Lewis, ta thấy: Điện tớch lừi của N là 5
Số e khụng liờn kết của N là 2
Tổng số e tạo liờn kết cú N tham gia là 6 (hay cú 3 liờn kết) Vậy điện tớch hỡnh thức của N = 5 – 2 – 6/2 = 0
- Trong NH4+: Xột tương tự như trờn, chỳ ý N khụng cũn e khụng liờn kết và N tham gia 4 liờn kết với 4 H.
Vậy điện tớch hỡnh thức của N = 5 – 0 – 8/2 = +1 Đõy chớnh là điện tớch của cả nhúm NH4+.
b) Cỏc bước để viết cấu tạo Lewis: HCN
Bước 1: Viết cụng thức cấu tạo sơ bộ của chất dựa vào hoỏ trị của cỏc nguyờn tử và giả thiết rằng chỉ cú liờn kết đơn được hỡnh thành. Nếu chưa biết thứ tự liờn kết giữa cỏc nguyờn tử, hĩy dựng giả thiết để viết thứ tự đú.
ở đõy ta cú: H : C : N (a) hay H : N : C (b)
Bước 2: gọi n1 là tổng số e hoỏ trị của cỏc nguyờn tử. - Thụng thường dựa vào cấu hỡnh e của cỏc nguyờn tử
H: 1s2→ 1e
C: 1s2 2s2 2p2→ 4e N: 1s2 2s2 2p3→ 5e Vậy n1 = (1 + 4 + 5) e = 10 e
Chỳ ý: Nếu cụng thức đú là:
+ Ion õm: 1 đơn vị điện tớch õm do được cộng thờm 1e vào tổng trờn. + Ion dương: 1 đơn vị điện tớch dương do trừ đi 1e từ tổng trờn. HCN là phõn tử trung hồ nờn khụng ỏp dụng phần này.
Bước 3: Tỡm cụng thức Lewis (gần đỳng)
- gọi n2 là tổng số e đĩ tạo liờn kết trong cụng thức đưa ra ở bước 1. Số e cũn lại khụng tham gia liờn kết n3 = n1 – n2
- Số e cần lấy để tạo bỏt tử cho nguyờn tử õm điện nhất trong cụng thức ban đầu bằng n4. Khi ỏp dụng ba bước trờn cho HCN. n2 = 4e, vậy n3 = n1 – n2 = 6e.
Trong (a), N õm điện hơn C nờn phải tạo bỏt tử cho N. Trong cụng thức ban đầu N mới cú 2e, nú cần 6e nữa mới thành 8 e. Như vậy n4 = 6e.
Bước 4: Tỡm cụng thức Lewis đỳng - Tỡm số e cũn lại, kớ hiệu n5 = n3 – n4
+ Nếu n5 = 0: tớnh điện tớch hỡnh thức ở mỗi nguyờn tử trong cụng thức vừa viết ở bước 3. + Nếu n5 ≠ 0: chớnh là số e cần dựng để tạo bỏt tử cho nguyờn tử trung tõm.
Chỳ ý: Việc này chỉ được thực hiện khi nguyờn tử trung tõm là nguyờn tử của nguyờn tố thuộc chu kỡ 3 trở đi.
Sau đú tớnh lại điện tớch hỡnh thức cho mỗi nguyờn tử trong cụng thức vừa viết. ỏp dụng: Với HCN cú n3 = n4 = 6e nờn n5 = 0.
Do đú tớnh điện tớch hỡnh thức cho cỏc nguyờn tử trong phõn tử H : C : .. : ..
H: 1 - 1 = 0C: 4 – 2 = 2 C: 4 – 2 = 2 N: 5 – 6 –1 = -2
- Sau khi thực hiện như trờn, nếu nguyờn tử trung tõm là nguyờn tử của nguyờn tố chu kỳ 2 chưa đạt được bỏt tử, ta phải chuyển một hay một số cặp e khụng liờn kết (ở nguyờn tử õm điện hơn) thành cặp e liờn kết, sao cho cú được bỏt tử đối với nguyờn tử trung tõm đú.
Từ (c) ta thấy nguyờn tử trung tõm C cũn thiếu 4e mới cú được bỏt tử. Vậy ta phải chuyển 4e (2 cặp e) khụng liờn kết của N thành 4e (2 cặp) liờn kết:
H : C : .. : .. N H : .. .. C≡ N : (f) Tớnh lại điện tớch hỡnh thức của cỏc nguyờn tử trong (f):
H: 1 – 1 = 0C: 4 – 4 = 0 C: 4 – 4 = 0 N: 5 –2 – 3 = 0
Kết luận: (f) là cụng thức Lewis cần tỡm cho HCN. (Học viờn tự xỏc định để loại bỏ cụng thức (b).
Bài tập ỏp dụng: Tỡm cụng thức Lewis của PCl3.
c) Xỏc định cụng thức Lewis của CO32-.
+ Cụng thức giả định là: (a)
+ Khi tớnh số e hoỏ trị, cần chỳ ý đõy là một anion cú điện tớch –2:
n1 = (6 x 3 + 4 x 1 + 2) e = 24 e
Từ (a) cú n2 = 6e → n3 = n1 – n2 = (24 – 6) e = 18e + Số e cần để tạo bỏt tử cho 3 O là n4 = 6e. 3 = 18e Vậy n5 = n3 – n4 = 0.
+ Tớnh điện tớch hỡnh thức cho từng nguyờn tử trong : (b)
C: 4 – 3 = +1O: 6 – 6 – 1 = -1; O: 6 – 6 – 1 = -1;
Như vậy nguyờn tử cacbon chưa đạt bỏt tử.
+ Từ (b) cú 3 khả năng chuyển 2 electron từ một trong ba nguyờn tử O cho nguyờn tử C để C cú 8 electron và thu được 3 cụng thức cấu tạo tương đương nhau với 1 liờn kết đụi C = O và một điện tớch hỡnh thức cho mỗi nguyờn tử oxi:
(I) (II) (III)
Tớnh điện tớch hỡnh thức trờn mỗi nguyờn tử. C: 4 – 4 = 0
O: 6 – 6 – 1 = -1 (cú 2 O) O: 6 – 4 – 2 = 0
Vậy 3 cụng thức Lewis đú đều đỳng cho CO32-.
+ Thực nghiệm cho biết ion CO32- cú cấu tạo phẳng, 3 nguyờn tử O ở 3 đỉnh của tam giỏc đều,
gúc OCO ≈ 120o, 3 liờn kết C-O cú độ dài đều bằng nhau, là 131 pm.
O : C : O.. O O : O : : C : O :.. O .. : : .. .. .. O : C : O.. O : : : : .. .. .. .. .. : O : C : :O .. O.. : : .. .. .. .. : O : C :O : O: .. .. .... :
Để giải thớch kết quả này, người ta giả thiết rằng đĩ cú sự cộng hưởng giữa 3 cấu tạo (I), (II), (III) với nhau. Ba cụng thức Lewis tương đương nhau; chỳng được gọi là cỏc cụng thức cộng hưởng của CO32-.
Giả thuyết về sự cộng hưởng cỏc cấu tạo cú thể ỏp dụng cho cỏc trường hợp ion và phõn tử khỏc như NO3-, SO42-, PO43-, C6H6,...
+ ỏp dụng giả thuyết này ta tớnh được điện tớch trờn mỗi nguyờn tử oxi trong CO32- theo cụng thức:
Điện tớch hỡnh thức trờn mỗi nguyờn tử xỏc định = Điện tớch tồn nhúm/ Số cấu tạo cộng hưởng.
Cụ thể: Điện tớch hỡnh thức trờn mỗi nguyờn tử oxi = - 2/3
Kết quả này cho thấy: điện tớch trong ion CO32- khụng cố định trờn một nguyờn tử oxi nào,
điện tớch đú được phõn bố cho cỏc nguyờn tử oxi trong nhúm. Người ta núi: cú sự giải toả điện tớch.
Thực chất sự giải toả điện tớch này là giải toả electron. Bằng cỏch tỡm cấu tạo Lewis cho cụng thức hoỏ học với quan niệm giải toả electron gúp phần khẳng định vai trũ đỏng chỳ ý của cụng thức cấu tạo Lewis trong nghiờn cứu và giảng dạy hoỏ học.
+ Bậc của một liờn kết được xỏc định bằng tổng số cỏc cặp electron tạo ra liờn kết đú. Từ đú ta cú: bậc bằng 1 đối với một liờn kết đơn C - C;
bậc bằng 2 đối với một liờn kết đụi C = C; bậc bằng 3 đối với một liờn kết ba C ≡ C; + Khi cú cấu tạo cộng hưởng thỡ:
Bậc của một liờn kết bằng tổng cỏc bậc liờn kết thuộc về hai nguyờn tử đang xột trong cỏc cấu tạo cộng hưởng chia cho số cấu tạo cộng hưởng.
ỏp dụng cho CO32-: Chọn bất cứ một liờn kết nào trong ba liờn kết giữa C với O, ta đều thấy
tổng bậc của liờn kết đú là: 2 + 1 + 1 = 4. Ta cú 3 cấu tạo cộng hưởng ((I), (II), (III)).
Vậy bậc của liờn kết giữa C với O trong CO32- bằng: 4/3 = 1
3 1
(*)
Kết quả này cho thấy liờn kết giữa C với O trong CO32- cú bậc trung gian giữa liờn kết đụi C = O (bằng 2) với liờn kết đơn C - O (bằng 1). Trị số về độ dài liờn kết phự hợp với kết quả đú:
Liờn kết C = O trong H2C = O bằng 121 pm.
Liờn kết C - O trong H3C – OH bằng 143 pm. Như trờn đĩ biết, thực nghiệm xỏc định được độ dài liờn kết giữa C với O trong CO32- bằng 131 pm.
Bài tập: Hĩy viết cấu tạo Lewis cho NO3- (chỳ ý trỡnh bày rừ cỏc bước, cỏc cấu tạo cộng hưởng, xỏc định bậc liờn kết giữa N với C).