Liên kết hóa học (tiếp)

Liên kết hóa học (tt)ThuyếtTương Tác Các Cặp ElectronThuyết Liên Kết Hóa TrịThuyết Vân đạo Phân TửHình dạng phân tử CHTTính chất của các chất CHT phụ thuộc vào hình dạng phân tử:Nhiệt độ nóng chảyNhiệt độ sôiKhả năng solvat hóaCông thức LewisKhông cho biết hình dạng của phân tử của các hợp chất CHT.Ví dụ:Phân tử CCl4 Thực nghiệm cho biết các góc liên kết ClCCl đều bằng 109o.Như vậy 4 nguyên tử Cl không cùng nằm trên mặt phẳngPhân tử CCl4Các cách biểu diễn hình dạngThuyết tương tác các cặp electronValence Shell Electron Pair Repulsion theory(VSEPR).Phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để xác định hình dạng phân tử CHT.Nguyên tắc: Các cặp electron quanh nguyên tử sẽ sắp xếp sao cho sự tương tác là nhỏ nhất.Áp dụng thuyết VSEPRVẽ công thức Lewis.Đếm số vị trí có electron quanh nguyên tửMột cặp electron không liên kết tính là 1 vị tríMột liên kết (Đơn, Đôi hoặc Ba) tính là một vị trí.Sắp xếp các vị trí có electron sao cho tương tác là nhỏ nhấtCác cách sắp xếpSố vị trí Cách xếp2Thẳng hàng1803Tam Giác1204Tứ diện109.5Các cách sắp xếp5Lưỡng ThápTam Giác6Bát diện909090120Số vị trí Cách xếpCác dạng phân tửPhân tử CT Lewis vị trí e – cách xếp góc . Liên kết2 -Thẳng hàng180CO2SO23 -Tam Giác120CO3-23 -Tam Giác120O C O==· ·· ·· ·· ·O S O=· ·· ·· ·· ·· ·· ·O S O=· ·· ·· ·· ·· ·· ·O C O· ·· ·· ·· ·· ·O· ·· ·· ·-2Các dạng phân tửCH44 -Tứ diện109.5H C HHHNH34 -Tứ diện109.5H N HH· ·Phân tử CT Lewis vị trí e – cách xếp góc . Liên kếtCác dạng phân tửSF45 -Lưỡng tháp Tam giác90,120XeF46 -Bát diện90F S FFF· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·F Xe FFF· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·Phân tử CT Lewis vị trí e – cách xếp góc . Liên kết Các biến dạngCặp electron không liên kết tương tác mạnh hơn các cặp electron liên kết.Liên kết đa có tương tác mạnh hơn liên kết đơnVí dụ: H2O104.5Các biến dạngCác biến dạngHình dạng phân tửHình dạng phân tửHình dạng phân tửHình dạng phân tửHình dạng phân tửPhân tử nhiều trung tâmXác định sự phân bố electron cho từng nguyên tử. HC2H3O2:Tam giácTứ diệnH C C O HHHO· ·· ·· ·· ·Moment lưỡng cực của phân tửKhi hai nguyên tử có độ âm điện khác nhau, mật độ điện tích âm sẽ cao hơn ở phía nguyên tử có độ âm điện cao hơn. Tạo ra moment lưỡng cực của liên kết. (Qui ước chiều của moment lưỡng cực hướng về phía nguyên tử âm điện hơn)Trong phân tử nhiều nguyên tửMoment lưỡng cực của phân tử là tổng các moment lưỡng cực của tất cả các liên kếtMoment lưỡng cực của phân tửMoment lưỡng cực của phân tửMoment lưỡng cực của phân tửBF3:Tam giácKhông phân cựcCH2O:Tam giác· ·· ·F B FF· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·H C HO· ·· ·BFFF120COHHPhân cực120Moment lưỡng cực của phân tửCCl4:Tứ diệnKhông phân cựcCH3Cl:Tứ diệnPhân cựcCl C Cl· ·· ·Cl· ·· ·· ·· ·· ·· ·· ·Cl· ·· ·· ·H C HHCl· ·· ·· ·CClClClCl109CClHHHTHUYẾT LIÊN KẾT HÓA TRỊValence Bond TheoryThuyết Liên kết hóa trịThuyết Lewis và VSEPR không giải thích được độ bền của các liên kết cộng hóa trị.Thuyết Liên kết hóa trị dựa trên kết quả của cơ học lượng tử để giải thích sự tạo thành liên kết. Thuyết liên kết hóa trịLiên kết hóa học tạo thành do sự xen phủ của các orbital của các nguyên tử.Các orbital chỉ xen phủ với nhau khi:Hai orbital, mỗi orbital chứa 1 electronMột orbital chứa 2 electron và 1 orbital trống (liên kết cho nhận hay liên kết phối trí)Có hai kiểu xen phủ tạo thành hai loại liên kết:  và Liên kết Liên kết s (sigma) tạo thành do sự xen phủ đối xứng theo trục của hai orbital.Sự xen phủ của 2 orbital pz trong phân tử O2:0.080.160.240.32 nmELiên kết pLiên kết p (pi) hình thành do sự xen phủ đối xứng theo mặt phẳngSự xen phủ của 2 orbital py trong phân tử O2Độ bền liên kếtLiên kết càng bền khi mức độ xen phủ các Orbital càng lớn (mật độ nguyên tử giữa hai hạt nhân là lớn nhất)Mức độ xen phủ phụ thuộc vào: hình dạng, kích thước, năng lượng của các orbital, hướng xen phủ và kiểu xen phủ giữa chúng.Các orbital có năng lượng tương đương nhau sẽ xen phủ tốtXen phủ theo trục hữu hiệu hơn xen phủ theo mặt phẳng.•Ví dụH2:HF:F2 :2p1s1s1s2p2pVí dụXét phân tử H2O :Góc liên kết dự đoán 90.Nguyên tử trung tâm O:2s2p2p2p2s1s1sThực nghiệm : 104 oSự tạp chủng orbitalTrước khi tạo liên kết, các orbital của nguyên tử sẽ tổ hợp với nhau tạo ra các orbital tạp chủng.Số orbital tạp chủng hình thành đúng bằng số orbital tham gia tổ hợp.+spspspTạp chủng sp:BeF2Be :Kích thích:Tạp chủng:spppspppspspppspspTạp chủng spTạp chủng sp2 : BF3B :Kích thích:Tạp chủng:spppspppsp2sp2psp2sp2sp2sp2Tạp chủng sp2 Tạp chủng sp3 CH4C :Kích thích:Tạp chủng:spppspppsp3sp3sp3sp3sp3sp3sp3sp3Tạp chủng sp3Tạp chủng sp3d và sp3d2Các dạng tạp chủng Các dạng tạp chủngVí dụ Công thức Lewis C2H4:H C C HHH=- sp2Tam giácCsp2sp2sp2pCLiên kết HHHHLiên kết Ví dụ HCN:Liên kết Ba gồm 1  và 2  - spThẳng hàngH C N· ·ppspspCNLiên kết H bondLiên kết Ví dụ CH2O:- sp2Tam giácCsp2sp2sp2pHHH C HO· ·· ·OLiên kết Liên kết KHIẾM KHUYẾT CỦA THUYẾT VBSự tồn tại của H2+VB: Không thể tồn tại H2+ do mối liên kết chỉ được thực hiện bằng 1 electron duy nhấtThực tế: H2+ tồn tại và khá bền vững (năng lượng liên kết trong H2+ là 255 kJ/mol)KHIẾM KHUYẾT CỦA THUYẾT VBLiên kết trong F2+ bền hơn trong F2VB:liên kết càng bền khi mật độ electron giữa hai nguyên tử càng lớn. Khi hệ F2 bị mất đi 1 electron thì mật độ electron sẽ giảm đi làm cho liên kết trở nên kém bền hơn. Thực tế:liên kết trong F2+ (320 kJ/mol) bền hơn liên kết trong F2 (155 kJ/mol).KHIẾM KHUYẾT CỦA THUYẾT VBO2 thuận từ (tồn tại electron độc thân trong phân tử O2)VB:Trong phân tử O2 không còn electron độc thân. Do đó O2 sẽ có tính nghịch từ (không bị nam châm hút. )Thực tế O2 có tính thuận từ tức là bị nam châm hút. Điều đó chứng tỏ rằng trong phân tử O2 vẫn còn có electron độc thân chưa ghép cặp.KHIẾM KHUYẾT CỦA THUYẾT VBKhông giải thích được hiện tượng quang phổ của các phân tử cộng hóa trị. THUYẾT VÂN ĐẠO PHÂN TỬMOLECULAR ORBITALSmở rộng khái niệm hàm sóng cho hệ phân tửLuận điểmTrong phân tử, các electron cũng tồn tại ở những trạng thái riêng giống như trong nguyên tửTrạng thái của các electron được biểu diễn bởi các hàm sóng MO gọi là các orbital phân tử.Các electron trong phân tử cũng chiếm các orbital phân tử tuân theo các nguyên lý bền vững, nguyên lý Pauli, quy tắc Hund.Việc xác định các hàm sóng phân tử (MO) được thực hiện bằng cách giải phương trình sóng Schrodinger cho hệ phân tử. Do tác dụng tương hỗ giữa các hạt nhân và electron trong hệ phân tử, việc giải phương trình Schrodinger là rất phức tạp. Để đơn giản hóa việc giải này ta chấp nhận các giả thuyết gần đúng các giả thuyết gần đúng Các orbital phân tử được hình thành từ sự tổ hợp tuyến tính của các orbital nguyên tử.Các orbital nguyên tử tham gia tổ hợp phải thoả điều kiện:Có năng lượng gần nhauCó tính đối xứng giống nhauChỉ có các orbital hóa trị mới đóng góp vào sự hình thành orbital phân tử. Các orbital nguyên tử ở lớp vỏ bên trong không bị thay đổi.các giả thuyết gần đúng4. Tùy theo kiểu tổ hợp mà sẽ tạo thành các orbital phân tử có tính đối xứng và năng lượng khác nhau như sau:Tổ hợp đối xứng qua trục sẽ tạo thành các orbital phân tử Tổ hợp đối xứng qua mặt phẳng tạo thành các orbital phân tử Tổ hợp dương tạo thành các orbital phân tử có năng lượng thấp gọi là các orbital liên kết (ký hiệu là , hoặc )Tổ hợp âm tạo thành các orbital phân tử có năng lượng cao gọi là các orbital phản liên kết (ký hiệu là * hoặc * )Phân tử H2H2 chứa orbital liên kết s1s và orbital phản liên kết s*1sPhân tử (X2) với X là nguyên tố chu kỳ 2Sự tổ hợp của các orbital nguyên tử thành các orbital phân tử 1s + 1s ®	1s, 1s*2s + 2s 2s, 2s*(2px, 2py, 2pz) + (2px, 2py, 2pz)2pz, 2pz*2px, 2px*2py, 2py*Giả sử trục Z trùng với trục liên kếtPhân tử O2Sự hình thành 2pz MO:2pz2pz2pzPhân tử O2Sự hình thành 2px MO:2px2px2pxPhân tử O2Sự hình thành *2px MO:2px*2px-2px2p và 2p*2px2px*2py2py*2pz2pzSơ đồ orbital phân tử1s2p2sEp2ps2pp*2ps*2ps2ss*2ss1ss*1sCÁCH SẮP XẾP ELECTRONTổng số electron của các orbital phân tử bằng tổng số electron hóa trị đóng góp bởi các nguyên tửCác electron sắp xếp vào các orbital phân tử theo trật tự năng lượng từ thấp đến cao (nguyên lý bền vững)Mỗi orbital phân tử chứa tối đa 2 electron, hai electron này phải có spin ngược nhau (nguyên lý loại trừ Pauli)Khi sắp xếp vào các orbital có năng lượng bằng nhau các electron sắp sao cho tổng số spin là cực đại (quy tắc Hund)Bậc liên kếtĐộ bền của liên kết trong phân tử được xác định thông qua giá trị BẬC LIÊN KẾTBẬC LIÊN KẾT = ½ (Tổng số electron trên orbital liên kết – Tổng số electron trên orbital phản liên kết)Bậc liên kết càng lớn thì liên kết trong phân tử càng bền.Khi bậc liên kết = 0 hay <0 thì liên kết không tồn tại.Ví dụHe2:1s2p2sEp2ps2pp*2ps*2ps2ss*2ss1ss*1sBậc LK = ½(2 - 2) = 0 phân tử không tồn tạiVí dụHe2:1s2p2sEp2ps2pp*2ps*2ps2ss*2ss1ss*1sBậc LK = ½(3 - 2) = ½Ví dụN2:1s2p2sEp2ps2pp*2ps*2ps2ss*2ss1ss*1sBậc LK = ½(10 - 4) = 3Sự tương tác 2s - 2pKhi năng lượng của orbital 2s và 2p cách xa nhau (các nguyên tố cuối chu kỳ như O, F), sự tương tác giữa 2s và 2p không đáng kể do đó các orbital x , và y có năng lượng cao hơn orbital 2p Khi năng lượng của orbital 2s và 2p khá gần nhau (các nguyên tố đầu chu kỳ như B, C, N) , sự tương tác giữa 2s và 2p là đáng kể do đó các orbital x , và y có năng lượng thấp hơn orbital 2p Sự tương tác 2s - 2pVới phân tử O2 và F2 orbital s2p có năng lượng thấp hơn orbital p2p.Ví dụE1s2p2ss1ss*1ss*2ss2ss2ps*2pp2pp*2pPhân tử O2, F2, Ne2:Ví dụO2:Bậc LK = ½(10 - 6) = 2 thuận từ1s2p2ss1ss*1ss*2ss2ss2ps*2pp2pp*2pSự tồn tại của H2+liên kết trong F2+ bền hơn liên kết trong F2Bài tập áp dụngBài 1Viết công thức Lewis, dự đoán trạng thái tạp chủng của nguyên tử trung tâm, xác định hình dạng phân tử của các phân tử sau:CF4 , NF3 , OF2, BF3, BeH2 , TeF4 , AsF5 , KrF2 , KrF4 , SeF6 , XeOF4 , XeOF2 , XeO4Bài 2Dự đoán trạng thái tạp chủng của nguyên tử lưu huỳnh trong các phân tử và ion sau:SO2 ; SO3 ; SO42- ; S2O32- (có mạch S-S-O) ; S2O82- (có mạch O-S-O-O-S-O) ; SF4; SF6 ; SF2)Bài 3Phân tử allene có công thức câu tạo như sau: H2C=C=CH2 .Hãy cho biết 4 nguyên tử H có nằm trên cùng một mặt phẳng hay không? Giải thích.Bài 4Biacetyl (CH3(CO)2CH3) và acetoin (CH3CH(OH)(CO)CH3) là hai hợp chất được cho thêm vào magarin làm cho magarin có mùi vị giống như bơ. Hãy viết công thức lewis, dự đoán trạng thái tạp chủng của các nguyên tử cacbon trong hai phân tử này.Cho biết 4 nguyên tử C và 2 nguyên tử O trong biacetyl có nằm trên cùng một mặt phẳng hay không? Giải thích. Bài 5Trong số các phân tử và ion sau, phân tử và ion nào có thể tồn tại? Giải thích.a) H2+ ; H2 ; H2- ; H22-b) He2 ;He2+ ;He22+C) Be2 ; Li2 ; B2Bài 6Viết cấu hình electron theo thuyết MO cho các phân tử và ion sau. Tínhtoán các giá trị bậc liên kết. Cho biết chất nào là thuận từ, nghịch từ.a) O2; O2+, O2-, O22-b) CN, CN-; CN+c) H2 ; B2 ; F2d) N2 ; N2+ ; N2-Bài 7Hãy giải thích vì sao năng lượng ion hóa thứ nhật của phân tử N2 (1501 KJ/mol) lại lớn hơn năng lượng ion hoá thứ nhất của nguyên tử N (1402 KJ/mol)Bài 8Phân tử F2 có năng lượng ion hóa thứ nhất lớn hơn hay nhỏ hơn năng lượng ion hóa thứ nhất của nguyên tử F? Giải thích.Bài 9Sử dụng thuyết liên kết hóa trị và thuyết MO để mô tả liên kết trong ion C22- (có trong phân tử CaC2)Bài 10Mô tả liên kết trong NO; NO-; NO+ bằng thuyết liên kết hóa trị và thuyết MO. Dựa vào thuyết MO hãy dự đoán sự biến đổi về độ biền liên kết, độ dài nối N-O trong 3 phân tử này.