Thuyết lai hóa orbital

Thuyết lai hóa orbital :
• Các kiểu lai hóa AO :
- Lai hóa sp : 1 AO s trộn lẫn với 1 AO p tạo ra 2 AO lai hóa nằm thẳng hàng với nhau tạo thành góc 180
0
s p 2 AO lai hóa sp
- Lai hóa sp
2
: 1 AO s trộn lẫn với 2 AO p tạo ra 3 AO lai hóa sp
2
nằm trong cùng mặt phẳng tạo với
nhau những góc bằng nhau và bằng 120
0
s 2 AO p 3 AO lai hóa sp
2
- Lai hóa sp
3
: 1 AO s trộn lẫn với 3 AO p tạo thành 4 AO lai hóa hướng theo 4 đỉnh của hình tứ diện đều,
các góc HCH bằng nhau và bằng 109
0
28’

s 3 AO p
4 AO lai hóa sp
3

Ngồi các kiểu lai hóa trên còn các kiểu lai hóa khác như : dsp
2
(hình vng) sp
3
d
2

(hình bát diện đều) …
• Điều kiện lai hóa bền :
- Năng lượng các orbital tham gia lai hóa phải xấp xỉ nhau.
- Mật độ electron của AO tham gia lai hóa phải đủ lớn
- Mật độ xen phủ của các AO lai hóa với các AO của các ngun tử khác tham gia liên kết phải đủ lớn để
tạo thành liên kết bền.
Đặc điểm AO lai hóa
- Số lượng AO lai hóa thu được bằng tổng số AO tham gia lai hóa
- Các AO lai hóa có cùng mức năng lượng
- Mỗi AO lai hóa gồm 2 phần: phần nở rộng và phần thu hẹp; hai phần này cách nhau mặt nút tại hạt nhân
ngun tử (phần nở rộng thường có dấu +, phần thu hẹp thường có dấu -)
- Mỗi AO lai hóa được phân bố trên một trục xác định đi qua hạt nhân ngun tử (có thể trùng hoặc khơng
trùng với trục tọa độ Đecac). Người ta nói AO lai hóa có tính đối xứng trục
Từ các điều kiện trên ta có thể thấy : Trong một chu kì hiệu năng lượng của AO s với AO p tăng lên khi đi từ
đầu đến cuối chu kì nên khả năng tham gia lai hóa giảm xuống. Khi tăng kích thước ngun tử, khả năng lai
hóa của các AO hóa trị giảm xuống.
* Liên kết xich ma liên kết pi :
a. Liên kết xich ma :
Là liên kết cộng hóa trị hình thành do sự xen phủ 2 orbital dọc theo trục nối 2 hạt nhân ngun tử. Do mật
độ xen phủ các orbital lớn nên liên kết xich ma bền (có năng lượng liên kết lớn)
b. Liên kết pi :
Là liên kết hình thành do sự xen phủ các orbital p, vùng xen phủ các orbital p vng góc với trục nối 2 hạt
nhân ngun tử. Sự xen phủ này gọi là sự xen phủ bên. Do mật độ xen phủ các orbital p thấp nên liên kết pi
kém bền hơn liên kết xich ma.
Các kiểu xen phủ trục của liên kết xich ma :
 Xen phủ s – s : TD : phân tử H
2

 Xen phủ s – p : TD : phân tử HCl, HF, HI
1

δ
π
 Xen phủ p – p : TD : phân tử Cl
2
, Br
2

Các kiểu xen phủ bên tạo liên kết pi :

Mô hình các phân tử : CH
4
, C
2
H
6
, C
2
H
4
, C
2
H
2
Nguyên tử C lai hóa sp
3
Nguyên tử C lai
hóa sp
2
Nguyên tử C lai hóa sp
3/ Cấu trúc hình học của phân tử :

Công thức nguyên của một chất cho ta biết tổng quát số nguyên tử mà nó có. Biết công thức này
là cần thiết nhưng rỏ ràng là không đủ để tiên đoán những tính chất của nó, vì nhiều tính chất là suy trực tiếp từ
các đặc trưng hình học của phân tử.
TD : Các phân tử H
2
O, H
2
S có dạng góc, cho nên ở trạng thái lỏng chúng là dung môi tốt đối với các chất
ion, trong khi các chất tương tự chúng như CO
2
, CS
2
có dạng thẳng và chỉ làm dung môi cho các phân tử cộng hóa
trị, Trong thực tế, biết số m nguyên tử X kết hợo với nguyên tử trung tâm A chưa đủ để xác định cấu trúc phân tử
AX
m
, vì vhính số electron hóa trị tổng cộng mới đóng vai trò quyết định.
Cải tiến mô hình Lewis, thuyết VSEPR (Valen Shell Electronic Pair Repulsions) dựa trên sự đẩy các cặp
electron của những lớp hóa trị cho phép xác định cấu trúc hình học của phân tử.
Lý thuyết VSEPR :
Xuất phát từ ý tưởng đưa ra lần đầu bởi N. Sidgwick và H.Powel là : các cặp electron hóa trị của một
nguyên tử luôn đẩy lẫn nhau. R.J. Gillespie đã đưa ra qui tắc tiên đoán sự định hướng các liên kết xung quanh 1
nguyên tử gọi là nguyên tử trung tâm của phân tử hoặc ion.
Mô hình Gillespie là một quá trình suy luận đơn giản và hiệu quả trên cơ sở sau :
Mọi cặp electron liên kết và không liên kết và có khi là electron độc thân ở lớp ngoài đều cư trú một cách
thống kê ở cùng một khoảng cách xác định so với hạt nhân, như là chúng được xếp trên bề mặt hình cầu mà nhân
mằm ở tâm. Các electron tương ứng đẩy lẫn nhau và định vị ở những vị trí làm cực tiểu lực đẩy electron.
Vì lý do đối xứng, các cặp electron ở lớp ngoài của nguyên tử trung tâm tạo ra những mô hình hình học
đều mà tùy trường hợp là nội tiếp trong vòng tròn hay trong hình cầu.
Trong mô hình VSEPR một cặp electron tự do (hay 1 electron độc thân) cũng được coi như là những liên

kết giữa các nguyên tử. Vì trục liên kết không phụ thuộc vào liên kết là đơn hay bội, nên chỉ cần biết tổng số
nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm mà không cần biết đến bản chất của liên kết này.
- Nguyên tử cần nhiều electron hơn để tạo octet được gọi là nguyên tử trung tâm A
- Phối tử có hai loại:
* Nguyên tử liên kết hóa học với A được kí hiệu là phối tử X
Ta có công thức AX
m
(m
≥
1, nguyên). TD: CO
2
, BeH
2
thuộc dạng AX
2
, BH
3
thuộc dạng AX
3
* Đôi electron chưa tham gia liên kết của nguyên tử trung tâm (nếu có) được gọi là phối tử E
Trong các điều kiện như trên công thức VSEPR của hợp chất biểu thị bằng cách viết :
AX
m
E
n
trong đó : m là số nguyên tử X liên kết với nguyên tử trung tâm A.
n : là số thực thể không liên kết (đôi electron tự do và electron độc thân) mà nó có
Tổng số : (m + n) quyết định cấu trúc hình học của phân tử
Có một số phương pháp khác nhau để giải thích cấu trúc hình học của phân tử như : Phương pháp mô
hình sự đẩy giữa các đôi electron vỏ hóa trị – VSEPR, phương pháp mô hình liên kết bị uốn cong hoặc phương

2
pháp mô hình lai hóa orbital nguyên tử. Sau đây ta xét cấu trúc hình học của phân tử trên cơ sở mô hình lai hóa
orbital nguyên tử.
TD :
Dạng AX
2
E
0
có (m + n) = 2 có cấu trúc thẳng, nguyên tử trung tâm có kiểu lai hóa sp như phân tử : BeH
2
,
CO
2
, ZnCl
2
…
Cấu trúc thẳng
Dạng AX
3
E
0
có (m + n) = 3 có cấu trúc tam giác, nguyên tử trung tâm có kiểu lai hóa sp
2
như phân tử
BF
3
, SO
3
, CO
3

2-
…
Cấu trúc tam giác Cấu trúc tứ diện
Dạng AX
4
E
0
có (m + n) = 4 có cấu trúc tứ diện, nguyên tử trung tâm có kiểu lai hóa sp
3
như : CH
4
, CF
4
,
SO
4
2-
, NH
4
+
…
Dạng AX
5
E
0
có (m + n) = 5 có cấu trúc dạng lưỡng tháp tam giác, nguyên tử trung tâm có dạng
lai hóa sp
3
d như: PCl
5

, PF
5
3
Dưới đây là một số mô hình cấu trúc hình học của phân tử : AX
n
E
m
Dạng
công
thức
Tổng
(m +
n)
Số
cặp e
không
lk
Kiểu lai
hóa
Cấu trúc hình học Các chất minh họa
AX
2
E
0
2 0 sp
Đường thẳng
CO
2
, C
2

H
2
, BeH
2
, BeCl
2
, ZnCl
2
AX
3
E
0
3 0 sp
2
Tam giác phẳng
SO
3
, BF
3
, AlCl
3
, O
3
, NO
2
, C
2
H
4
,

CO
3
2-
, NO
3
-
AX
2
E
1
3 1 sp
2
Góc
SO
2
, O
3
AX
4
E
0
4 0 sp
3
Tứ diện
CH
4
, NH
3
, NH
4

+
, SO
4
2-
, CCl
4
,
ClO
4
-
, PO
4
3-
AX
3
E
1
4 1 sp
3
Chóp tháp
NH
3
, PH
3
, AsCl
3
AX
2
E
2

4 2 sp
3
Góc
H
2
O, H
2
S, SF
2
, SCl
2
, F
2
O
AX
5
E
0
5 0 sp
3
d
lưỡng chóp
PCl
5
, PF
5
AX
6
E
0

6 0 Sp
3
d
2
Bát diện
SF
6
, AlF
6
3-
, SiF
6
2-
BÀI TẬP
1. Hãy cho biết kiểu lai hoá của các nguyên tố và loại liên kết (σ, π) trong các hợp chất sau:
Cl-CH
2
-CH=O; CH
2
=CH-C≡N; CH
2
=C=O
2. Vì sao nước đá lại nhẹ hơn nước lỏng?
Do có liên kết cầu Hidro nên nước đá có cấu trúc đặc biệt
(các nguyên tử oxi nằm ở tâm và 4 đỉnh của 1 tứ diện đều).
Mỗi ngtử H liên kết với chính 1 nguyên tử oxi và liên kết
cầu hidro với 1 nguyên tử oxi khác. Cấu trúc nàyxốp nên
tỉ khối nhỏ. Khi tan thành nước lỏng, cấu trúc này bị phá
vỡ nên thể tích giảm ⇒ tỉ khối tăng lên.
3.Hãy vẽ rõ ràng dạng hình học của 3 anion[NiCl

4
]
2-
,[PtCl
6
]
2-
,[PdCl
4
]
2-
và cấu trúc của phân tử
Pd(NH
3
)
2
Cl
2
. Ghi đúng kí hiệu lập thể và giải thích.
Anion[NiCl
4
]
2-
có chứa Ni
2+
với cấu hình electron ngoài cùng là 3d
8
và số phối trí 4 nên có cấu trúc: ⇒
Lai hóa sp
3

⇒ Tứ diện, thuận từ.
Anion PtCl
6
2-
có chứa Pt
4+
với cấu hình e ngòai cùng là 5d
6
và số phối trí 6 nên có cấu trúc
Lai hóa d
2
sp
3
,có hình tám mặt, nghịch từ.
Anion PdCl
4
2-
có chứa Pd
2+
với cấu hình e ngoài cùng là 4d
8
và số phối trí 4 nên có cấu trúc
Lai hóa dsp
2
,có hình vuông phẳng, nghịch từ.
4
Cũng như PdCl
4
2-
, Pd(NH

3
)
2
Cl
2
có cấu trúc vuông phẳng.Tuy nhiên do hai phối tử khác nhau nên có 2
cấu hình hình học.
Năng lượng trường tinh thể lớn hoặc nhỏ phụ thuộc vào:
- phối tử:CN
-
>NO
2
-
>NH
3
>H
2
O>OH
-
>F
-
>Cl
-
>Br
-
>I
-
.
TRỪƠNG TINH THỂ LỚN THÌ SỐ SPIN NHỎ ,THUẬN TỪ ÍT
-Ion trung tâm có điện tích cao thì TRỪƠNG TINH THỂ CÀNG LỚN

4.. Hãy cho biết cấu trúc hình học của các phần tử sau: (nêu rõ trạng thái lai hóa của nguyên tố trung tâm)
PtCl
4
2–
, [Ni(CN)
4
]
2–
, SF
6
, [FeF
6
]
3–
, PtCl
6
2–
,[Fe(CN)
6
]
4–
.
Giải: * PtCl
4
2–
, [Ni(CN)
4
]
2–
lai hóa dsp

2
nên đều có 4 cặp e liên kết và có cấu trúc vuông phẳng, góc liên
kết
·
XAX
= 90
0
.
* SF
6
, [FeF
6
]
3–
lai hóa sp
3
d
2
và PtCl
6
2–
,[Fe(CN)
6
]
4–
lai hóa nên đều có 6 cặp e liên kết và có cấu trúc
bát diện đều.
5.
1) Cho các phân tử sau: POF
3

; BF
3
; SiHCl
3
; O
3
. Nêu trạng thái lai hóa của các nguyên tử
trung tâm và vẽ cấu trúc hình học của các phân tử trên.
2) Kim loại đồng có cấu trúc mạng tinh thể kiểu lập phương tâm diện.
- Cho biết số nguyên tử đồng chứa trong tế bào sơ đẳng này.
- Tính độ dài cạnh lập phương a (nm) của mạng tinh thể, biết rằng nguyên tử đồng có bán
kính bằng 0,128 nm.
Đáp án
Công thức phân tử Trạng thái lai hóa của
nguyên tử trung tâm
Cấu trúc hình học
POF
3
sp
3
P
O
F
F
F
BF
3
sp
2
B

F
F
F
HSiCl
3
sp
3
Si
H
Cl
Cl
Cl
O
3
sp
2
O
O
O
. .
2)
- Số nguyên tử Cu = 8
8
1
×
+ 6
2
1
×
= 4

(0,5 đ)
- Xét đường chéo của 1 mặt, ta có độ dài đường chéo = 4
Cu
r
×
= a
2
5