2.2.2 .Cấu tạo bảngtuần hoàn cỏc nguyờn tố húa học
2.2.2.2 .Chu kỡ
3.4.2. Dạng 2: Viết CTCT, giải thớch dạng hỡnh học của phõn tử, tớnh chất cỏc
tương tự nhau
Phương phỏp giải
1. Sự lai húa obitan nguyờn tử là sự tổ hợp một số obitan nguyờn tử trong một nguyờn tử để được cỏc obitan lai húa giống nhau, cú số lượng bằng tổng số obitan tham gia lai húa, nhưng định hướng khỏc nhau trong khụng gian.
2. Cỏc kiểu lai húa thường gặp
a. Lai húa sp: Là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p tạo thành 2 obitan lai húa sp nằm thẳng hàng với nhau, hướng về hai phớa.
1AO s + 1AO p 2 AO laihóa sp
b. Lai húa sp2: Là sự tổ hợp của 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyờn tử tham gia liờn kết tạo thành 3 obitan lai húa sp2nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ tõm đến cỏc đỉnh của tam giỏc đều.
1 AO s + 2 AO p 3 AO laihóa sp2
c. Lai húa sp3: Là sự tổ hợp của 1 obitan s với 3 obitan p của một nguyờn tử tham gia liờn kết tạo thành 4 obitan lai húa sp3định hướng từ tõm đến cỏc 4 đỉnh của tứ diện đều.
1 AO s + 3 AO p 4 AO laihóa sp3
Chỳ ý:Nếu nguyờn tử trung tõm sử dụng cỏc obitan lai húa xen phủ với obitan lai húa xen phủ với obitan của cỏc nguyờn tử khỏc nhau thỡ khi hỡnh thành liờn kết, gúc liờn kết cú thể sai lệch chỳt ớt với gúc lai chuẩn húa.
Bài tập vận dụng
Bài 1: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2010)
Cho cỏc phõn tử: xenon điflorua (1), xenon tetraflorua (2), xenon trioxit (3), xenon tetraoxit (4), bo triflorua (5), trimetylamin (6), axetamit (7).
1.Vẽ cấu trỳc hỡnh học phõn tử (cả cỏc cặp electron tự do (nếu cú) của nguyờn tử trung tõm) của cỏc chất từ (1) đến (6).
2.Dự đoỏn gúc liờn kết ở mỗi phõn tử núi trờn.
3.Trong phõn tử axetamit, 3 liờn kết với nguyờn tử nitơ đều nằm trong cựng một mặt phẳng. Vỡ sao?
4. Hóy đề xuất một phương phỏp thớch hợp để điều chế: xenon điflorua (1), xenon tetraflorua (2), xenon trioxit (3).
Bài giải: 1. 2. XeF2: F F Thẳng, 180o XeF4: F F F F Vuụng, 90o XeO3: O O O Chúp tam giỏc, < 109o28 XeO4: O O O O Tứ diện, 109o28 BF3: F F F (CH3)3N: CH3 CH3 CH3
Tam giỏc phẳng, 120o
Chúp tam giỏc, < 109o28
3.Ba liờn kết với nguyờn tử nitơ đều nằm trong cựng một mặt phẳng, vỡ liờn kết giữa nitơ với cacbon mang một phần đặc điểm của liờn kết đụi.
H CH H C N H H sp2 sp3 H CH H C N H H O O
4. Xenon điflorua (1) và xenon tetraflorua (2) được điều chế bằng phản ứng giữa cỏc đơn chất (cú chiếu sỏng thớch hợp).
Điều chế xenon trioxit (3) bằng phản ứng thủy phõn XeF6hoặc XeF4: XeF6 + 3 H2O → XeO3+ 6 HF
3 XeF4 + 6 H2O → Xe + 2 XeO3+ 12 HF
Bài 2: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2009)
1.Sử dụng mụ hỡnh về sự đẩy nhau của cỏc cặp electron húa trị (mụ hỡnh VSEPR), dự đoỏn dạng hỡnh học của cỏc ion và phõn tử sau: BeH2, BCl3, NF3, SiF62-, NO2+, I3-.
2.So sỏnh và giải thớch khả năng tạo thành liờn kết π của C và Si. Bài giải:
1. BeH2: dạng AL2E0. Phõn tử cú dạng thẳng: H−Be−H.
BCl3: dạng AL3E0, trong đú cú một “siờu cặp” của liờn kết đụi B=Cl. Phõn tử cú dạng tam giỏc đều, phẳng.
NF3: dạng AL3E1. Phõn tử cú dạng hỡnh chúp đỏy tam giỏc đều với N nằm ở đỉnh chúp. Gúc FNF nhỏ hơn 109o29’ do lực đẩy mạnh hơn của cặp electron khụng liờn kết.
SiF62-: dạng AL6E0. Ion cú dạng bỏt diện đều.
NO2+: dạng AL2E0, trong đú cú 2 “siờu cặp” ứng với 2 liờn kết đụi N=O ([O=N=O]+). Ion cú dạng đường thẳng.
I3-: dạng AL2E3, lai hoỏ của I là dsp3, trong đú 2 liờn kết I−I được ưu tiờn nằm dọc theo trục thẳng đứng, 3 obitan lai hoỏ nằm trong mặt phẳng xớch đạo (vuụng gúc với trục) được dựng để chứa 3 cặp electron khụng liờn kết. Ion cú dạng đường thẳng.
2.C và Si cựng nằm trong nhúm 4A (hay nhúm 14 trong Bảng tuần hoàn dạng dài) nờn cú nhiều sự tương đồng về tớnh chất hoỏ học. Tuy nhiờn, hai nguyờn tố này thể hiện khả năng tạo thành liờn kết π khỏc nhau trong sự tạo thành liờn kết của cỏc đơn chất và hợp chất.
- Ở dạng đơn chất: Cacbon tồn tại dưới dạng kim cương (chỉ cú liờn kết đơn C-C) và graphit, cacbin...(ngoài liờn kết đơn cũn cú liờn kết bội C=C và C≡C), nghĩa là tạo thành cả liờn kết σ và liờn kết π. Silic chỉ cú dạng thự hỡnh giống kim cương, nghĩa là chỉ tạo thành liờn kết σ. - Ở dạng hợp chất: Trong một số hợp chất cựng loại, điển hỡnh là cỏc oxit: cacbon tạo thành CO và CO2 mà phõn tử của chỳng đều cú liờn kết π, trong khi silic khụng tạo thành SiO, cũn trong SiO2chỉ tồn tại cỏc liờn kết đơn Si–O.
Giải thớch:
Liờn kết π được tạo thành do sự xen phủ của cỏc obitan p. Nguyờn tử cacbon (Chu kỳ 2) cú bỏn kớnh nhỏ hơn nguyờn tử silic (Chu kỳ 3) nờn mật độ electron trờn cỏc obitan của nguyờn tử C cao hơn mật độ electron trờn cỏc obitan tương ứng của nguyờn tử Si. Khi kớch thước của cỏc obitan bộ hơn và mật độ electron lớn hơn thỡ sự xen phủ của cỏc obitan hiệu quả hơn, độ bền của liờn kết cao hơn. Do đú, cacbon cú thể tạo thành liờn kết π cả ở dạng đơn chất và hợp chất, trong khi silic hầu như khụng cú khả năng này.
Bài 3: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2008)
1. Viết cụng thức Lewis và xỏc định dạng hỡnh học của cỏc phõn tử và ion sau: BCl3, CO2, NO2+, NO2, IF3
2. Tại sao bo triclorua tồn tại ở dạng monome (BCl3) trong khi nhụm triclorua lại tồn tại ở dạng đime (Al2Cl6)? Bài giải: 1. a. Cụng thức Lewis: Cl I BCl3 CO2 NO2+ NO2 IF3 O: : C: :O . : . B. . Cl Cl O: : N: :O . :.. : F F F . . . O .. . . O ... N .. + b. Dạng hỡnh học:
BCl3: Xung quanh nguyờn tử B cú 3 cặp electron (2 cặp và 1 "siờu cặp") nờn B cú lai hoỏ sp2, 3 nguyờn tử F liờn kết với B qua 3 obitan này, do đú phõn tử cú dạngtam giỏc đều.
CO2: Xung quanh C cú 2 siờu cặp, C cú lai hoỏ sp, 2 nguyờn tử O liờn kết với C qua 2 obitan này. Phõn tử cúdạng thẳng.
NO2: Xung quanh N cú 3 cặp electron quy ướcgồm 1 cặp + 1 siờu cặp (liờn kết đụi) + 1 electron độc thõnnờn N cú lai hoỏ sp2. Hai nguyờn tử O liờn kết với 2 trong số 3 obitan lai hoỏ nờn phõn tử cú cấu tạo dạng chữ V (hay gấp khỳc). Gúc ONO < 120o vỡ sự đẩy của electron độc thõn.
IF3: Xung quanh I cú 5 cặp electron, do đú I phải cú lai hoỏ sp3d, tạo thành 5 obitan hướng đến 5 đỉnh của một hỡnh lưỡng chúp ngũ giỏc. Hai obitan nằm dọc trục thẳng đứng liờn kết với 2 nguyờn tử F. Nguyờn tử F thứ ba liờn kết với 1 trong 3 obitan trong mặt phẳng xớch đạo. Như vậy phõn tử IF3cú cấu tạodạng chữ T. Nếu kể cả đến sự đẩy của 2 cặp electron
khụng liờn kết, phõn tử cúdạng chữ T cụp. F F F C O O O N O O O . N Cl B Cl Cl ... . . ... .. .. . . . . . . .. I
3. BF3: B cú 3 electron hoỏ trị. Khi tạo thành liờn kết với 3 nguyờn tử F, ở nguyờn tử B chỉ
cú 6 electron, phõn tử khụng bền. Để cú bỏt tử nguyờn tử B sử dụng 1 obitan p khụng lai hoỏ để tạo liờn kết π với 1 trong 3 nguyờn tử F. Kết quả là tạo thành phõn tử BF3cú dạng tam giỏc đều giống BCl3đó trỡnh bầy ở trờn.
AlCl3: AlCl3 cũng thiếu electron như BF3, nhưng Al khụng cú khả năng tạo thành liờn kết π kiểu
pπ-pπ như B. Để cú đủ bỏt tử, 1 trong 4 obitan lai hoỏ sp3 của nguyờn tử Al nhận 1 cặp electron khụng liờn kết từ 1 nguyờn tử Cl ở phõn tử AlCl3 bờn cạnh. Phõn tử AlCl3 này cũng xử sự như vậy. Kết quả là tạo thành một đime.
Bài 4: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2004 – Bảng A)
Năng lượng liờn kết của N-N bằng 163 kJ.mol–1, của NN bằng 945 kJ.mol–1. Từ 4 nguyờn tử N cú thể tạo ra 1phõn tử N4tứ diện đều hoặc 2 phõn tử N2thụng thường. Trường hợp nào thuận lợi hơn? Hóy giải thớch.
Bài giải:
a) Xột dấu của nhiệt phản ứng ÄH = iEi - jEj
i j
Trong đú i, j là liờn kết thứ i, thứ j ở chất tham gia, chất tạo thành tương ứng của phản ứng được xột; Ei; Ej là năng lượng của liờn kết thứ i, thứ j đú.
Phản ứng 4 N N4 (1)
Cú H1 = 4 EN - EN4 = 0,0 - 6163 ; vậy H1= - 978 kJ . Phản ứng 4 N 2 N2 (2)
Cú H2 = 4 EN - 2 EN2 = 0,0 - 2945 ; vậy H2= - 1890 kJ .
Ta thấy H2H1. Vậy phản ứng 4 N 2 N2xảy ra thuận lợi hơn phản ứng 4 N N4.
Bài 5: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2004 – Bảng A)
Nhụm clorua khi hoà tan vào một số dung mụi hoặc khi bay hơi ở nhiệt độ khụng quỏ cao thỡ tồn tại ở dạng đime (Al2Cl6). Ở nhiệt độ cao (700OC) đime bị phõn li thành monome (AlCl3). Viết cụng thức cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome; Cho biết kiểu lai hoỏ của nguyờn tử nhụm, kiểu liờn kết trong mỗi phõn tử ; Mụ tả cấu trỳc hỡnh học của cỏc phõn tử đú.
Bài giải:
Viết cụng thức cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome.
Nhụm cú 2 số phối trớ đặc trưng là 4 và 6. Phự hợp với quy tắc bỏt tử, cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome:
Kiểu lai hoỏ của nguyờn tử nhụm : Trong AlCl3là sp2vỡ Al cú 3 cặp electron hoỏ trị;
Trong Al2Cl6là sp3vỡ Al cú 4 3 cặp electron hoỏ trị.
Liờn kết trong mỗi phõn tử:
AlCl3cú 3 liờn kết cộng hoỏ trị cú cực giữa nguyờn tử Al với 3 nguyờn tử Cl.
Al2Cl6: Mỗi nguyờn tử Al tạo 3 liờn kết cộng hoỏ trị với 3 nguyờn tử Cl và 1 liờn kết cho nhận với 1 nguyờn tử Cl (Al: nguyờn tử nhận; Cl nguyờn tử cho).
Phản ứng 4 N N4 (1)
Cú H1 = 4 EN - EN4 = 0,0 - 6163 ; vậy H1= - 978 kJ . Phản ứng 4 N 2 N2 (2)
Cú H2 = 4 EN - 2 EN2 = 0,0 - 2945 ; vậy H2= - 1890 kJ .
Ta thấy H2H1. Vậy phản ứng 4 N 2 N2xảy ra thuận lợi hơn phản ứng 4 N N4.
Bài 5: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2004 – Bảng A)
Nhụm clorua khi hoà tan vào một số dung mụi hoặc khi bay hơi ở nhiệt độ khụng quỏ cao thỡ tồn tại ở dạng đime (Al2Cl6). Ở nhiệt độ cao (700OC) đime bị phõn li thành monome (AlCl3). Viết cụng thức cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome; Cho biết kiểu lai hoỏ của nguyờn tử nhụm, kiểu liờn kết trong mỗi phõn tử ; Mụ tả cấu trỳc hỡnh học của cỏc phõn tử đú.
Bài giải:
Viết cụng thức cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome.
Nhụm cú 2 số phối trớ đặc trưng là 4 và 6. Phự hợp với quy tắc bỏt tử, cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome:
Kiểu lai hoỏ của nguyờn tử nhụm : Trong AlCl3là sp2vỡ Al cú 3 cặp electron hoỏ trị;
Trong Al2Cl6là sp3vỡ Al cú 4 3 cặp electron hoỏ trị.
Liờn kết trong mỗi phõn tử:
AlCl3cú 3 liờn kết cộng hoỏ trị cú cực giữa nguyờn tử Al với 3 nguyờn tử Cl.
Al2Cl6: Mỗi nguyờn tử Al tạo 3 liờn kết cộng hoỏ trị với 3 nguyờn tử Cl và 1 liờn kết cho nhận với 1 nguyờn tử Cl (Al: nguyờn tử nhận; Cl nguyờn tử cho).
Phản ứng 4 N N4 (1)
Cú H1 = 4 EN - EN4 = 0,0 - 6163 ; vậy H1= - 978 kJ . Phản ứng 4 N 2 N2 (2)
Cú H2 = 4 EN - 2 EN2 = 0,0 - 2945 ; vậy H2= - 1890 kJ .
Ta thấy H2 H1. Vậy phản ứng 4 N 2 N2xảy ra thuận lợi hơn phản ứng 4 N N4.
Bài 5: (Đề thi HSGQG lớp 12 năm học 2004 – Bảng A)
Nhụm clorua khi hoà tan vào một số dung mụi hoặc khi bay hơi ở nhiệt độ khụng quỏ cao thỡ tồn tại ở dạng đime (Al2Cl6). Ở nhiệt độ cao (700OC) đime bị phõn li thành monome (AlCl3). Viết cụng thức cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome; Cho biết kiểu lai hoỏ của nguyờn tử nhụm, kiểu liờn kết trong mỗi phõn tử ; Mụ tả cấu trỳc hỡnh học của cỏc phõn tử đú.
Bài giải:
Viết cụng thức cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome.
Nhụm cú 2 số phối trớ đặc trưng là 4 và 6. Phự hợp với quy tắc bỏt tử, cấu tạo Lewis của phõn tử đime và monome:
Kiểu lai hoỏ của nguyờn tử nhụm : Trong AlCl3là sp2vỡ Al cú 3 cặp electron hoỏ trị;
Trong Al2Cl6là sp3vỡ Al cú 4 3 cặp electron hoỏ trị.
Liờn kết trong mỗi phõn tử:
AlCl3cú 3 liờn kết cộng hoỏ trị cú cực giữa nguyờn tử Al với 3 nguyờn tử Cl.
Al2Cl6: Mỗi nguyờn tử Al tạo 3 liờn kết cộng hoỏ trị với 3 nguyờn tử Cl và 1 liờn kết cho nhận với 1 nguyờn tử Cl (Al: nguyờn tử nhận; Cl nguyờn tử cho).
Trong 6 nguyờn tử Cl cú 2 nguyờn tử Cl cú 2 liờn kết, 1 liờn kết cộng hoỏ trị thụng thường và 1liờn kết cho nhận.
Cấu trỳc hỡnh học: