Liên kết hóa học

LIÊN KẾT HÓA HỌCVì sao nghiên cứu Liên kết hóa họcVật chất tạo thành do các nguyên tử liên kết với nhau.Hiểu được bản chất liên kết sẽ giúp hiểu được tính chất của các chấtVì sao các nguyên tử lại liên kết với nhau?Để đạt tới trạng thái bền vững của hệ thống.Các nguyên tử liên kết với nhau như thế nào?Do không thể quan sát trực tiếp các liên kết hóa học, ta dựa vào tính chất của các liên kết để xây dựng các mô hình (lý thuyết) để biểu diễn liên kết giữa các nguyên tử.Các lý thuyết được sử dụng nhiều nhất là:Thuyết Bát tử của LewisThuyết tương tác các cặp electron (VSEPR)Thuyết Liên kết Hóa Trị.(VB)Thuyết Vân đạo Phân tử (MO)Phân loại liên kết hóa họcTùy theo bản chất, liên kết hóa học được phân thành 3 loại chínhLiên kết ionLiên kết cộng hóa trịLiên kết kim loại.Bản chất và tính chất của mỗi loại liên kết trên được giải thích bằng các thuyết về liên kết hóa học thích hợp.Liên kết ionLiên kết ion được coi là hệ quả của sự tạo thành các ion âm và dương thông qua việc cho nhận electron giữa các nguyên tử.Được giải thích khá tốt qua lý thuyết đơn giản của Lewis.Liên kết Cộng Hóa TrịLiên kết cộng hóa trị có bản chất là sự dùng chung electron giữa các nguyên tử.Thường được giải thích thông qua thuyết liên kết hóa trị hoặc thuyết vân đạo phân tử.Liên Kết Kim LoạiLiên kết kim loại không thể giải thích thấu đáo bằng thuyết Lewis cũng như thuyết Liên kết hóa trị do đó thường được giải thích bằng thuyết miền năng lượng, thực chất là thuyết vân đạo phân tử áp dụng cho hệ có khoảng 1023 nguyên tử.Các lý thuyết về Liên Kết Hóa HọcThuyết LewisG.N.Lewis1875-1946American ChemistLuật “Bát tử”Các nguyên tử có xu hướng cho, nhận, hay sử dụng chung electron để đạt tới cấu hình lớp vỏ ngoài cùng bền vững có 8 electronLiên kết hóa học hình thành do các nguyên tử trao đổi hoặc sử dụng chung các electron hóa trịElectron hóa trị là các electron nằm trong các lớp vỏ ngoài cùng chưa bão hòa của các nguyên tử.Ký hiệu LewisMô tả các electron hóa trị của các nguyên tử.	Hydro:	 Natri:	 Clor:Na·H·Cl· ·· ·· ··Sự hình thành liên kếtSự hình thành NaCl:Sự hình thành HCl:Kim loại nhường electron cho phi kim để tạo liên kết ion. Hai phi kim dùng chung electron để tạo liên kết Cộng Hóa Trị.Na·+®Na+ []Cl· ·· ·· ·· ·Cl· ·· ·· ·· H·+Cl· ·· ·· ··®Cl· ·· ·· ·· ·H Hợp chất ionTrong các hợp chất ion, các ion dương và âm sắp xếp thành một mạng lưới tinh thể vững chắc. (ví dụ : NaCl)Liên kết ionLiên kết ion hình thành do sự tương tác tĩnh điện giữa các ion trái dấu.Điện tích của hai ion là Q1 và Q2:Năng lượng tương tác:d··Q1Q2dQQE21µBán Kính IonNăng lượng mạng tinh thểLà đại lượng thể hiện độ bền của liên kết ion.Được định nghĩa là “sự thay đổi entalpy của quá trình tách 1 mol hợp chất ion ra thành các ion riêng lẻ” NaCl(s) ® Na+(g) + Cl-(g) DH = 788 kJNăng lượng mạng tỷ lệ thuận với điện tích ion và tỷ lệ nghịch với kích thước ion. KCl(s) ® K+(g) + Cl-(g) DH = 701 kJ MgCl2(s) ® Mg+2(g) + 2 Cl(g) DH = 3795 kJChu trình Born-HaberNăng lượng mạng tinh thể có thể được tính dựa theo định luật Hess theo các bước sau. -DHf°(NaCl,r)DHf°(Na,k)DHf°(Cl,k) I1(Na)E(Cl)Năng lượng mạngHNaCl(r)Na(r) + ½Cl2(k)Na+(k) + Cl-(k)Na(k) + Cl(k)Na(k) + ½Cl2(k)Na+(k) + e- + Cl(k)Năng lượng mạngSắp xếp các chất sau theo thứ tự năng lượng mạng tăng dần: KCl NaF MgO KBr NaCl788 kJ671 kJ3795 kJ910 kJ701 kJd··K+Cl··K+BrddQQE21µNăng lượng mạng của một số hợp chất ionLiên kết Cộng Hóa TrịTrong liên kết ion, một nguyên tử nhường hẳn electron (tạo ion dương) một nguyên tử nhận hẳn electron (tạo ion âm). Khi hai nguyên tử tương tự nhau hình thành liên kết, không nguyên tử nào muốn nhường hay nhận hẳn electron.Chúng dùng chung cặp electron để đạt cấu hình bền 8 electron.Mỗi cặp electron dùng chung tạo thành một liên kết.Công thức LewisMô tả liên kết trong các hợp chất cộng hóa trị.Mỗi nguyên tử phải có 8 electron lớp vỏ ngoài cùng (trừ H có 2 electron). H·· H+® Cl Cl· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·H2:hay H HCl2:Cl· ·· ·· ··Cl· ·· ·· ··+ Cl Cl· ·· ·· ·· ·· ·· ·® H HElectron liên kếtElectron không liên kếtCông thức LewisHF:H2O:NH3:CH4:H F· ·· ·· ·· ·hay H F· ·· ·· ·H O H· ·· ·· ·· ·hay H O H· ·· ·H N HH· ·· ·· ·· ·hay H N HH· ·H C HHH· ·· ·· ·· ·hay H C HHHLiên kết đơn, liên kết baSố cặp electron dùng chung được gọi là Bậc liên kết	.O2:N2:=O O· ·· ·· ·· ·· ·· ·N NLiên kết Cộng Hóa Trị có cựcKhi cặp electron được phân bố đều giữa hai nguyên tử : liên kết không phân cựcHCl:Khi có sự phân bố không đồng đều: liên kết cộng hóa trị có cựcH2,Cl2:Độ Âm điện	Độ phân cực của liên kết được xác định dựa vào sự khác biệt ĐỘ ÂM ĐIỆN giữa hai nguyên tử tạo liên kết.	Thang độ âm điện thông dụng do Pauling đề nghị.1901–94Nobel Hóa học : 1954Nobel Hòa Bình : 1962Thang độ âm điện PaulingĐộ phân cực (% ion) của liên kết% ion = (giá trị đo bằng thực nghiệm của moment lưỡng cực X-Y)/ (giá trị tính toán moment lưỡng cực X+ Y+)% ion của liên kết được Pauling xác định thông qua độ chênh lệch độ âm điện của hai nguyên tố :Độ chênh lệch độ âm điện% ion của liên kếtĐộ chênh lệch độ âm điện% ion của liên kếtĐộ chênh lệch độ âm điện% ion của liên kết0.211.4392.4760.441.6472.6820.691.8552.8860.8152.0633.0891.0222.2703.2921.230õ Công thức LewisTính tổng số electron hóa trị của các nguyên tử.Ion điện tích n- : cộng thêm n electron hóa trịIon điện tích n+ : trừ đi n electron hóa trịPhân bố các nguyên tử quanh nguyên tử trung tâm. (NTTT là nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn, trừ H) Vẽ các liên kết đơn từ nguyên tử trung tâm đến các nguyên tử khác.Hoàn thành ‘bát tử” cho các nguyên tử ngoàiĐặt các electron hóa trị còn dư vào nguyên tử trung tâmNếu nguyên tử trung tâm chưa đạt “bát tử”, tạo liên kết bội giữa nguyên tử trung tâm với các nguyên tử ngoài.Ví dụCOCl224 eHOCl14 eClO326 eCH3OH14 eCl C ClO· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·H O Cl· ·· ·· ·· ·· ·O Cl OO· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·H C O HHH· ·· ·Dạng cộng hưởngCông thức Lewis của O3 có hai dạng tương đương nhau:Thực nghiệm cho thấy hai liên kết O-O là tương đương nhau (cùng có độ dài nối là 0.128 nmKhi biểu diễn cấu tạo phân tử O3 ta phải viết đồng thời 2 công thứcO O O· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·O O O· ·· ·· ·· ·· ·· ·==Ví dụNO324 eC2H6O20 eEthyl alcoholMethyl etherO N OO· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·=O N OO· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·H C C O HHHHHH C O C HHHHH· ·· ·· ·· ·O N OO· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·=Ví dụC6H630 eC CC CCCHHHHHHC CC CCCHHHHHHCác dạng cộng hưởng không tương đươngN2O có 3 dạng cộng hưởng không tương đương:N N O· ·· ·· ·· ·N N O==· ·· ·· ·· ·N N O· ·· ·· ·· ·Để xác định dạng cộng hưởng mô tả chính xác nhất cấu trúc N2O ta cần xác định điện tích trên mỗi nguyên tửĐiện tích trên nguyên tử	Điện tích = số electron hóa trị của nguyên tử - số electron không liên kết - ½ số electron liên kếtN2O:N N O· ·· ·· ·· ·N N O==· ·· ·· ·· ·N N O· ·· ·· ·· ·-2+1+1-1+100+1-1Dạng cộng hưởng thích hợpN2O: N N O· ·· ·· ·· ·N N O==· ·· ·· ·· ·N N O· ·· ·· ·· ·-2+1+1-1+100+1-1 Thích hợp Có các điện tích nhỏ nhất.Không có điện tích cùng dấu trên hai nguyên tử kế cậnĐiện tích âm nằm trên nguyên tử có độ âm điện cao hơn.Ngoại lệ cuả thuyết “Bát tử”Trong nhiều trường hợp, thuyết Bát tử của Lewis không được tuân theo: Các phân tử có số lẻ electron hóa trị.Nguyên tử trung tâm có ít hơn 8 electron.Nguyên tử trung tâm có nhiều hơn 8 electron hóa trị.Số lẻ electron hóa trịLiên kết trong NO phải được giải thích dựa vào thuyết Vân Đạo Phân TửN O· ·· ·· ··=Ít hơn 8 electronF Be F· ·· ·· ·· ·· ·· ·000Thích hợpF Be F· ·· ·· ·· ·==+1-2+1BeF2Ít hơn 8 electronBF3:· ·· ·· ·F B FF· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·F B FF· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·=· ·· ·F B FF· ·· ·· ·· ·· ·· ·=· ·· ·F B FF· ·· ·· ·· ·· ·· ·0000+100-1Thích hợpNhiều hơn 8 electron PF5 SO4-2PFFFFF· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·+20O S OOO· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·-2O S OOO· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·-2Năng lượng liên kết CHTĐộ bền của liên kết cộng hóa trị được đo bằng năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết.Năng lượng liên kết, D(X-Y) là lượng nhiệt H cần để phá vỡ 1 mol liên kết X-Y ở thể khí.D(C-O) = H= 358 kJKhi 1 mol liên kết X-Y được hình thành, năng lượng toả ra là D(X-Y).C O· ·· ·C + O · ·· ·· ·Năng lượng liên kết của một số liên kết cộng hóa trịLiên hệ giữa năng lượng liên kết, độ dài liên kết và bậc liên kếtBậc liên kết tăng  độ dài liên kết giảm  năng lượng liên kết tăng D(C-C) = 348 kJ	 0.154 nm D(C=C) = 614 kJ	 0.134 nm D(CºC) = 839 kJ	 0.120 nm D(C-O) = 358 kJ	 0.143 nm D(C=O) = 799 kJ	 0.123 nm D(CºO) = 1072 kJ 0.113 nmĐộ dài của một số liên kếtSử dụng năng lượng liên kết để tính nhiệt phản ứngHpư = D(nối đứt) - D(nối tạo).Nhiệt phản ứng (HPƯ)Phản ứng giữa H2 và O2 tạo H2O:H đứt nối= 2 D(H–H) + D(O=O)H tạo nối= 4-D(O–H)Hrxn = 2 D(H–H) + D(O=O) - 4 D(O–H)H =  D(nối đứt) -  D(nối tạo)H H + H H + O O=· ·· ·· ·· ·H O H + H O H· ·· ·· ·· ·Nhiệt phản ứng (HPƯ)Tính nhiệt phản ứng đốt cháy 1 mol CH4:H =4 D(C–H)+ 2 D(O=O)- 2 D(C=O)- 4 D(O–H)= [ 4(413)+ 2(495)- 2(799)- 4(463) ] kJ= -808 kJ ++ H C HHH2 O O=· ·· ·· ·· ·O C O==· ·· ·· ·· ·2 H O H· ·· ·Bài tập áp dụngViết công thức Lewis của CO32-Bài tập áp dụngXác định bậc liên kết của các liên kết giữa nguyên tử N và nguyên tử O trong ion NO2-	bậc.So sánh:	N-O	136	1.0	N=O	115	2.0Bài tập áp dụngMô tả nào sau đây không chính xác cho bản chất của liên kếtMgS, cộng hóa trị có cựcIBr, cộng hóa trị có cựcF2, cộng hóa trị không phân cựcNO, cộng hóa trị có cựcKF, ionBài tập áp dụngTính Hpư cho phản ứng sauDHpư = SD(nối đứt) - SD(nối tạo)DHPư = [D(C=C) + D(O-O)] - [D(C-C) + 2D(C-O)] = [602 + 146] - [346 + 2(358)] = -314 kJ