cêu t¹o ph n tö vμ liªn kõt ho häc

CHƯƠNG 3: cêu t¹o ph n tö vμ liªn kõt ho häc I. CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA LIÊN KẾT HÁ HỌC 1. Năng lượng phân ly liên kết Năng lượng phân ly liên kết là năng lượng ứng với quá trình phá vỡ liên kết. Đốivới phân tử 2 nguyên tử: A-B (K,CB) A (K,CB) + B (K,CB), E A-B > 0. VÝ dô: HCl (K,CB) H (K,CB) + Cl (K,CB), E HCl = 431 kj.mol -1 1 2 Năng lượng phân ly liên kết trung bình 2. Độ dài liên kết, Góc liên kết, độ bền liên kết VÝ dô: CH 4 (k) C(k) + 4H(k) H o 298 = 1664 KJ.mol-1 d=0,0957 nm, 3 4

II. LIÊN KẾTIN - Điều kiện tạo thành: Δχ 2. VD: KF Δχ= χ(f)-χ(k)=4-0,8 =3,2 -Bản chất của liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu. Sù t¹o thμnh liªn kõt trong NaCl 1. ne atom loses electron(s) to become a cation. 2. Another atom gains the electron(s) and becomes an anion. 3. The opposite charges draw the two ions together like a magnet. Na Cl Na Cl Na Sodium atom Cl Chlorine atom Na + Sodium ion Cl Chloride ion 5 Figure 2.7A 6 III. LIÊN KẾT CỘNG HÁ TRỊ Æc ióm cña liªn kõt ion - Rất bền - Điều kiện tạo thành: 0 Δχ<2 -Kh«ng cã týnh b o hßa. -Kh«ng cã týnh Þnh hưíng. 7 8

1. Công thức Lewis Công thức cộng hưởng hay cấu trúc cộng hưởng -Cấutrúcbáttử Lewis: lớp e hoá trị có tối đa8e (đạtcấu hình e của khí hiếmbền, trừ H: 2e (bền)) N 3 = N N N = 9 10 (Cấu trúc cộng hưởng) 2. Phương pháp liên kết hóa trị (Phương pháp cặp electron liên kết, Phương pháp VB (Valence bond)) :: :: : C :: : C a.những định đề cơ bản của phương pháp - Mỗi liên kết cộng hoá trị hình thành là do sự ghép đôi của 2eđộc thâncóspinngược dấu của 2 nguyên tử tham gia liên kết. C C C - Khi hai mây electron xen phủ nhau càng mạnh thì liên kết càng bền - Liên kết cộng hoá trị là liên kết cóhướng theo sự xen phủ các mây electron lớnnhất 11 12

-TH1:Cặp e chung do mỗi nguyên tử góp 1 e độcthân -TH2:Cặp echungchỉ do 1 nguyên tử cung cấp, còn nguyên tử kia có A hóa trị trống để tạo liên kết cho nhận VD 2: NH 4 +, BF 4 - VD1: HCl, 13 14 Liªn kõt cho - nhën Là liên kết cộng hóa trị nhưng cặp e liên kết chỉ do một nguyên tử cung cấp. Điều kiện tạo thành: Một nguyên tử (ion) phải có cặp e hóa trị chưa tham gia liên kết, còn nguyên tử (ion) kia còn A hóa trị trống. b. Hoá trị của nguyên tố theo phương pháp cặp electron liên kết Hoá trị có thể có của một nguyên tố đượctínhbằng số e độc thân. VÝ dô 1: H cã 1e: 1s 1 H cã 1e éc th n nªn cã ho trþ 1 N: 1s 2 2s 2 2p 3 C: 1s 2 2s 2 2p 2 15 16

ë tr¹ngth ic b nccã2e écth nnªncãho trþ 2(vÝdôph ntöcf 2 ), tuy nhiªn C cßn cã ho trþ 4 (trong ph n tö CH 4, CCl 4 ). Trạng thái kích thích là trạng thái của nguyên tử có được khi nhận thêmnăng lượng, khi đó xảy ra hiện tượng tách các cặp e để chuyển 1e sang obitan còn trống thuộc cùng một lớp. VÝ dô 2: Xác định các hoá trị có thể có của P bằng phương pháp cặp e liên kết Chú ý: Sự dịch chuyển electron đòi hỏi tiêu tốn năng lượng, nên sự dịch chuyển CHỈ xảy ra trong cùng một lớp, từ phân lớp này sang phân lớp khác (ns np, nd; np nd). -Phương pháp tìm hoá trị của nguyên tố bằng phương pháp cặp e liên kết chỉđúng đối với các nguyên tố nhóm A (trừ các khí hiếm). P (Z=15): 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 17 18 Tính định hướng của liên kết cộng hoá trị Các nguyên tử trong phân tử liên kết với nhau theo hướng có sự xen phủ các mây electron là lớnnhất. Ph n tö H 2 S Liªn kõt Sigma ( ) vμ Pi ( ) Sigma bond (s) là liên kết được tạo thành do sự xen phủ các A hóa trị dọc theo trục liên kết. 19 20

Pi bond ( ) được tạo thành do sự xen phủ các A hóa trị ở hai phía của trục liên kết. Giữa hai nguyên tử liên kết với nhau trong phân tử bao giờ cũng chỉ tồn tại một liên kết s,còn số liên kết p có thể bằng 0, 1 hoặc 2. VD: Cho các phân tử và ion sau: 2, 2+, 2 -, 2 2+ ;Chọn đáp án mà tất cả các phân tử và ion đều tồn tại theo thuyếtvb. 21 22 3. ThuyÕt lai hãa 1. iòu kiön ra êi cña thuyõt lai hãa Thuyết lai hoá ra đời nhằm giải quyết đưîc hai khó khăn của phương pháp cặp electronliênkết: cấu trúc hình học vàđộ bền của liên kết. 23 C(Z=6) 1s 2 2s 2 2p 2 ë tr¹ng th i kých thých C* Theo phương pháp cặp e liên kết thì 4e độc thân của C* sẽ tạo thành 4 liên kết C-H. độ bền của 1 liên kết C-H (xen phủ s-s) này khác với độ bền của 3 liên kếtc-h cònlại (xen phủ p-s). Tuy nhiên thực nghiệm chứng tỏ rằng 4 góc liên kết HCHđều bằng 109 0 28 (bằng góc tứ diện đều) và độ bền của 4 liên kếtc-hđều bằng nhau. 24

Bonding in Methane a. Néi dung: Lai hóa A là sự tổ hợp các A hóa trị của 1 nguyên tử để tạo thành 1 số tương đương các A mới giống hệt nhau, có cùng năng lượng định hướng xác định trong không gian và được dùng để tạo liên kết bền hơn. 25 26 b. C c kióu lai hãa * Lai hãa sp 1As + 1Ap 2A lai hoá sp. 2A lai hoá này định hướng thẳng hàng với nhau và tạo với nhau một góc bằng 180 o Formation of sp Hybrid rbitals 27 28 10.4

Lai ho kióu sp 2 : 1As + 2Ap 3A lai ho sp 2.3Alaiho nμy n»m trong cïng mét mæt ph¼ng vμ t¹o víi nhau gãc b»ng 120 o 29 30 Lai ho kióu sp 3 : 1A s + 3A p 4 A lai hoá sp 3. 4 A lai hoá này định hướng từ tâm tới 4 đỉnh của tứ diện đều, góc tạo thành giữa các A lai hoá là 109 o 28 31 32

33 34 C. iòu kiön lai ho bòn: ⑴ Các A nguyên tử tham gia lai hoá phải có năng lượng xấp xỉ nhau. ⑵ Năng lượng của các A tham gia lai hoá phải thấp. ⑶ Độ xen phủ của các A lai hoá với các A nguyên tử khác tham gia liên kếtphảilớn. VD: Ion C 3 có thể có số cấu trúc Lewis (số công thức cộng hưởng), nguyên tử trung tâm có dạng lai hoá như sau: A. 2, sp 2 B. 3, sp 2 C. 4, sp 3 D. 3, sp 3 35 36

5. Dù o n kióu lai ho vμ cêu tróc h nh häc p = n + lμ tæng sè liªn kõt cña nguyªn tö trung t m n: sè cæp e hãa trþ kh«ng liªn kõt. NÕu p =2 th nguyªn tö trung t m cã lai ho sp NÕu p =3 th nguyªn tö trung t m cã lai ho sp 2 NÕu p = 4 th nguyªn tö trung t m cã lai ho sp 3 Cl Be Cl 37 38 0 lone pairs on central atom 10.1 2 atoms bonded to central atom 6. Đánh giá ưu khuyết điểm của phương pháp liên kết hóatrị: -Giải thíchđơn giản, dễ hiểu, cho phép giải thích cấu trúchìnhhọc của nhiều phân tử. - Không giải thíchđược sự tồn tại của một số ion như: H 2+, 2+, N +, không giải thích được tính thuận từ, nghịch từ của phân tử 2. - Không có tính định đề (không chứng minh được) 39 10.1 40

a.những giả thiết cơ bản của phương pháp M-LCA V. PHƯƠNG PHÁP M-LCA (PHƯƠNG PHÁP M-TỔ HỢPTUYẾN TÍNH CÁC A -PHƯƠNG PHÁP BITAN PHÂN TỬ) -Trạng thái của electron được môtả bởi một hàm sóng hay còn gọi là obitan phân tử M. - Chỉ có các electron hoá trị mới tham gia tạo thành các M. => Bài toán đưa về giải phương trình Shrodinger có dạng: H =E Giải phương trình này sẽ tìm được năng lượng của e trong phân tử (E) và hàm sóng tương ứng. 41 42 b. Điều kiện tổ hợp cáca là - Các A tham gia tổ hợp với nhau phải có năng lượng xấp xỉ nhau - Các A tham gia tổ hợp phải xenphủ nhau rõ rệt - Các A tham gia tổ hợp phải có tính đốixứng giống nhau đối vớitrục liên kết c. Phương pháp M đốivới các phân tử A 2 và ion A 2 n± (A thuộc chu kì 1) A (1s) tổ hợpvới A (1s) tạo thành 2 M s và s * trong đó s : M liên kếtcónăng lượng liên kếtthấp hơnnăng lượng các A liên kết 1s ban đầu s *: M phản liên kếtcónăng lượng liên kết cao hơnnăng lượng các A liên kết 1s ban đầu 43 44

Giản đồ năng lượng các M PHẢN LIÊN KẾT Thứ tự năng lượng các M: s s * Sự điền e vào các M tương tự nhưđiền vào các A: - MỗiM điềntối đa2 e - e điền vào M theo thứ tự năng lượng từ thấp đến cao - CácM cónăng lượng bằng nhau các e phân bốđều vào các M sao cho số e độcthânlàlớnnhất. LIÊN KẾT VD: Viếtcấuhìnhe phântử củacáccấutử: H 2,H 2+, He 2, He 2 + 45 46 Tính bậc liên kết: Trong đó: -Bậc của liên kếthay độ bộicủa liên kết n - là số electron trên các M liên kết n* - là số electron trên các M phản liên kết Cấu hình electron của H 2+ : s 1 ion H 2+ có tồn tại. 47 48

Cấu hìnhelectroncủa H 2 lμ: s 2 => èi víi ph n tö He 2 : s2 s * 2 => => ph n tö He 2 kh«ng tån t¹i. Như vậy, bằng phương pháp M thì có thể giải thích được sự tồn tại của ion H 2+ và nhiều phân tử khác. 49 50 d. Phương pháp M đốivới các phân tử A 2 và ion A 2 n± (A thuộc chukì2) Nguyên tố A có 4A hoá trị là 2s, 2p x, 2p y, 2p z. Các A sẽ tổ hợp lại với nhau và tạo nên các M: A(2s) + A(2s) M s và M s * A 2p x + A 2p x M x và M x * A 2p y + A 2p y M y và M y * A 2p z + A 2p z M z và M z * 51 * Xác định các đặc trưng cơ bản của phân tử - Tính bậc liên kết: -BËccñaliªnkÕthay ébéi cña liªn kõt n-lμ sè electron trªn c c M liªn kõt n* - lμ sè electron trªn c c M ph n liªn kõt càng lớn thìliênkết càngbền vàđộ dài liên kết càng ngắn vàngược lại. = 0 thì không tạo liên kết. 52

* Xác định từ tính của phân tử: - Khi trong phân tử có electron độc thân thì phân tử đóbịtừtrường ngoài hút và chất đó được gọi làchấtthuận từ. -Nếu trong phân tử không có electron độc thân thì chất đó bị từ trường ngoài đẩy vàchất đó được gọi làchấtnghịch từ. 53 54 * Vẽ giản đồ năng lượng các M Thứ tự các mức năng lượng từ thấp đến cao như sau : TH1: nguyên tốởđầu chu kỳ từ Li 2 Be 2,B 2,C 2, N 2 : (KK) s s * x = y z x *= y * z * TH2: các nguyên tố ởcuối chu kỳ: 2,F 2,Ne 2. (KK) s s * z x = y x *= y * z * 55 56

e. Phương pháp M đốivới các phân tử AB và ion AB n± (A, B thuộc chukì2) * Nguyên tắc: Phân tử đượccấu tạo bởi hai nguyên tử khác nhau, ví dụ: C, N, CN - VÝ dô 1: ViÕt cêu h nh electron cña ph n tö C Tæng electron ho trþ lμ 10 => (KK) s2 s * 2 x2 = y2 z 2 Nói chung phân tử AB chu kì 2 có dãy năng lượng các M tương tự các phân tử A 2 đầu chu kì 2. (KK) s s * x = y z x *= y * z * Tư ng tù kh o s t c c ph n tö CN, CN-, N vμ N + 57 58 Ghi chú: Kếtquả thu được phù hợp với phương pháp cặp electron liên kết - Tuy nhiên có ưu điểm hơn so với phương pháp cặp electron liên kết làcóthể giải thíchđược sự tồn tại của liên kết cóđộ bội làthập phânvídụ như F 2+,H 2+, 2+, -Giải thíchđược tính thuận từ và nghịch từ của nhiều phân tử. 59 V1:Trong 2 thuyết: thuyết VBvàthuyết M, thuyết nàogiải thích đượcbậc liên kếtcủa phân tử N bằng 2,5: A. Cả 2 thuyết đều không giảithíchđược B. Cả thuyết VB và thuyếtm C. ThuyếtM D. ThuyếtVB V4:Trong các phân tử và ion sau: N 2,F 2,N +,CN - ;chọn đáp án mà tất cả các phân tử và ion đều cóbậc liênkết bằng 3 và đều nghịch từ theo cả thuyết VB và thuyếtm: A. N 2, CN -, F 2 B. N 2, N +, CN - B. C. N 2, F 2 D. N +, F 2 60

V5:Sắp xếp theo chiều giảm dần của độ bền liên kết của các phân tử và ion sau: 2, 2+, 2 2+, 2,tacó: A. 2, 2+, 2 2+, 2 B. 2, 2, 2+, 2 2+ C. 2, 2, 2 2+, 2 + D. 2 2+, 2+, 2, 2 V6:Theo thuyết M, so sánh năng lượng ion hoá của C,N, CN, ta có: A. I(C) < I(N) < I(CN) B. I(CN) < I(C) < I(N) C. I(N) < I(C) < I(CN) D. I(C) < I(CN) < I(N) B- CÊu t¹o ph n tö I. é ph n cùc cña ph n tö!? 61 62 é ph n cùc cña ph n tö 1. Ph n tö cã cùc vμ kh«ng cùc Ph n tö kh«ng ph n cùc lμ ph n tö cã cêu t¹o hoμn toμn èi xøng nªn träng t m cña iön tých (+) vμ träng t m cña iön tých (-) cña ph n tö trïng lªn nhau Ví dụ: Phântử gồm hai nguyên tử giống nhau như H 2, 2,N 2 hoặc phân tử có cấu tạo đối xứng như CH 4,BF 3,BF 4- Phân tử có cực là phân tử có cấu tạo không đối xứng, do đó trọng tâm của điện tích (+) và trọng tâm điện tích (-) không trùng nhau Ví dụ:phântử HCl, HF, H 2, NH 3 63 64

Polar or Nonpolar? Compare C 2 and H 2. Which one is polar? Polar or Nonpolar? Consider AB 3 molecules: BF 3, Cl 2 C, and NH 3. 65 66 Molecules will be polar if a) bonds are polar AND b) the molecule is NT symmetric Mômen lưỡng cực (dipoli moment) kí hiệu. Được tính theo công thức: =l.q qlàđiện tích củatừng cực, culong (C); llàkhoảng cách giữahaicực. chän n vþ Debye ( bai), ký hiöu lμ D. 67 68 All above are NT polar

Polarity of Molecules - C c chêt kh«ng ph n cùc th =0, - ChÊt ph n cùc 0. 2. C ch x c Þnh ph n tö cã ph n cùc hay kh«ng? Theo c c bíc sau: X c Þnh cêu tróc kh«ng gian. iòu kiön cña chêt ph n cùc lμ ph i chøa liªn kõt ph n cùc vμ ph i cã cêu tróc bêt èi xøng.. 69 70 H 2 = 104,5 0 ; l -H = 0,957A o Ví dụ: Trong phân tử HF, thực nghiệm đo được = 1,83D, độ dài liên kết l = 0,92A o. Tính % ion của liên kết. Thùc nghiöm: = 1,85D = 2. 1.cos52,25 H 1 H 2 Bài giải = 1,6.10-19.0,92.10-10 = 1,472.10-29 Cm =4,42D Độ ion của HF là: TÝnh to n: 1 = 1,6.10-19.0,957.10-10 = 1,5312.10-29 Cm=4,6D é ion cña liªn kõt -H lμ: 72

C c mèi liªn kõt yõu: - Liên kết hydro - Lực Van der Waals. 73 74 1. Liªn kõt hydro: Lμ liªn kõt phô, nguyªn tö H sau khi liªn kõt víi nguyªn tö X cã é m iön lín l¹i cã kh n ng liªn kõt phô víi mét nguyªn tö kh c còng cã é m iön lín Ảnh hưởng của liên kết hydro: Năng lượng của liên kết hydro nhỏ so với các liên kết khác nên hầu như nó chỉ ảnh hưởng đến tích chất lýhọc của các chất như nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy haykhả năng hoà tan giữa các chất. 75 76

Effect of Hydrogen-Bonding on Boiling Point 2. Lùc gi a c c ph n tö: Thực nghiệm cho thấy, giữa các phân tử của một chất (kể cả các phần tử không phân cực) luôn tồn tại lực tương tác, gọi là lực Van der Waals. * Đặc điểm của lực Van der Waals - Không có tính chọn và bão hoà -Năng lượng nhỏ hơn 40 kj/mol 77 Lực Van der waals càng lớn khi phân tử có momen lưỡng cực lớn, có kích thước vàkhối lượng lớn. 78