Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan trong hoá học lớp 10 nâng cao

Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
Nội dung sách giáo khoa hoá học lớp 10 nâng cao đưa vào một số vấn đề mới so với
chương trình cũ, trong đó có phần: Sự xen phủ và sự lai hoá các obitan. Một vấn đề khó
và trừu tượng không những đối với học sinh mà nhiều giáo viên cũng khá lúng túng. Nên
dạy như thế nào? truyền thụ những vấn đề gì về sự xen phủ và lai hoá; làm thế nào để học
sinh dễ hiểu dễ vận dụng, phù hợp với chương trình kiến thức sách giáo khoa?
Để góp phần nâng cao chất lượng đổi mới phương pháp dạy học, xin mạnh dạn giới
thiệu đóng góp một phần kinh nghiệm bản thân qua đề tài: “ Khai thác vấn đề xen phủ
và lai hoá obitan trong hoá học lớp 10 nâng cao”
II. CƠ SỞ THỰC TIỄN VÀ KHOA HỌC:

A. Cơ sở thực tiễn:
Sự lai hoá các obitan nguyên tử là khái niệm quan trọng nhất của thuyết hoá trị định
hướng, được Pau – linh đưa ra để giải thích sự định hướng cũng như độ bền của liên kết ở
nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ (đặc biệt là phức chất )
Lai hoá các obitan là một vấn đề mới mà rất trừu tượng, cùng với sự xen phủ các
obitan – chúng là những vấn đề được đưa ra sau khi học sinh đã được hình thành khái
niệm về các loại liên kết. Đây là những vấn đề được phát triển thêm theo quan điểm hiện
đại: Thuyết liên kết hoá trị – cụ thể là:
- Liên kết hoá học được tạo nên bởi cặp electron có spin ngược chiều nhau của 2 nguyên
tử. Trong đó sự xen phủ giữa những obitan của hai nguyên tử tạo nên một vùng có mật độ
điện tích cao dẫn đến sự giảm thế năng của hệ, nghĩa là liên kết được hình thành.
- Liên kết được hình thành theo phương trong không gian mà khả năng xen phủ giữa các
obitan nguyên tử là cực đại.
- Hai obitan nguyên tử xen phủ với nhau càng nhiều thì liên kết được tạo ra càng bền.
Sự xen phủ các obitan và lai hoá các obitan là những nội dung khó đối với học sinh
nhưng đây là vấn đề mới , dễ hấp dẫn các em. Đối với giáo viên, việc hiểu sâu sắc về bản
chất vấn đề để từ đó với nghiệp vụ sư phạm của mình làm cho các em hiểu khái niệm về
sự xen phủ các obitan, sự lai hoá các obitan nguyên tử, nắm được một số kiến thức lai hoá
điển hình và vận dụng kiến thức lai hoá để giải thích dạng hình học của phân tử là vấn đề

không đơn giản.
B. Cơ sở khoa học:
1. Sự xen phủ obitan:
Thuyết liên kết hoá trị (viết tắt là thuyết VB ) và thuyết obitan phân tử (viết tắt là
thuyết MO ) đều lấy mức độ xen phủ của các obitan nguyên tử làm tiêu chuẩn quan trọng
để mô tả liên kết.


1
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
Những trường hợp mà các obitan xen phủ nhau nhiều, sự xen phủ dương làm tăng xác
suất tìm thấy electron vùng nằm giữa hai hạt nhân dẫn đến sự hút nhau giữa hai nguyên
tử tạo nên liên kết mạnh.
Ví dụ:

+ + + + _ _ + + _
s - s s - p p - p
+
_ + + _____
+
_ _ _ +
p - p p - d
Ngược lại sự xen phủ âm làm giảm xác suất tìm thấy của các electron ở vùng nằm giữa
hai hạt nhân dẫn đến sự đẩy nhau giữa hai nguyên tử và liên kết không được hình thành.
Ví dụ:
+
_

+ _ +
_ +

s - p
p - p
Ngoài ra còn có sự xen phủ triệt tiêu, tuy có sự xen phủ giữa các obitan nguyên tử
nhưng không tạo ra lực đẩy hay hút giữa hai nguyên tử nghĩa là các nguyên tử ở trạng thái
không liên kết.
Ví dụ:
+ + _
+ _ +
_ _ +

s - p p - d
2
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
2. Quan niệm về sự lai hoá:
Obitan nguyên tử là một hàm toán học nên hình dạng các obitan nguyên tử được biểu
diễn bằng mô hình toán học. Chẳng hạn obitan p hình số 8 nổi; nghĩa là mật độ xác suất
tìm thấy electron p là khối số 8 nổi- đây là một biểu thức toán học , không phải là electron
chuyển động theo hình số 8 nổi.
Qua thực nghiệm cho thấy 4 liên kết C – H trong phân tử CH
4
giống hệt nhau và có
góc liên kết HCH = 109
0
28
’
, Slây - tơ và Pau- linh đã đề ra quan niệm lai hoá của các
obitan trong một nguyên tử. Theo đó - khi tạo thành liên kết, những electron hoá trị của
một nguyên tử không tham gia một cách riêng rẽ với nhau mà các hàm sóng của chúng
tức là các obitan nguyên tử trộn lẫn với nhau hay nói một cách toán học là chúng tổ hợp
với nhau thành những tổ hợp tốt nhất để có thể tạo nên liên kết bền hơn. Các tổ hợp tốt

nhất đó là các hàm sóng tương đương nhau, trong mỗi hàm có một phần giống nhau của
obitan này và một phần giống nhau của obitan khác của nguyên tử. Chẳng hạn trong ví dụ
trên: 4 hàm sóng tương đương của C là 4 obitan lai hoá sp
3
; trong đó mỗi obitan lai hoá
chứa một phần như nhau của obitan 2s (
4
1
Ψ
2
2s ) và một phần như nhau của obitan 2p (
4
3
Ψ
2
2p )
Hiện tượng tổ hợp giữa các obitan trong một nguyên tử gọi là hiện tượng lai hoá. Các
hàm sóng tương đương với nhau được tổ hợp nên gọi là obitan lai hoá. Những obitan lai
hoá của một nguyên tử có kích thước và hình dạng hoàn toàn giống nhau nhưng chỉ khác
nhau về phương ở trong không gian.
3. Các kiểu lai hoá thường gặp:
3.1.Lai hoá sp:
Ví dụ: Xét sự lai hoá của obitan s và obitan p (ví dụ obitan pz ) . Giữa 2 obitan đó có 2 tổ
hợp:
spΨ
a
=

2
1

(
s
Ψ
+
pΨ
)
spΨ
b
=

2
1
(
s
Ψ
-
pΨ
)
Obitan s mang dấu dương còn obitan p có phần dương và phần âm. Cộng hai obitan
này lại sẽ được obitan lai hoá thứ nhất nằm dọc trục z; phần dương của nó lớn ra và nằm
trong phần dương của trục z, còn phần âm bé lại và nằm trong phần âm của trục z. Ngược
lại tổ hợp trừ của hai obitan s và p cho một obitan lai hoá thứ hai có kích thước và hình
dạng giống với obitan lai hoá thứ nhất ; cùng nằm trên trục z nhưng có chiều ngược lại.
Trục hai obitan lai hoá làm với nhau một góc 180
0
. Mỗi obitan có kích thước lớn hơn
về một phía cho nên có thể tạo nên liên kết bền hơn so với liên kết tạo nên bởi riêng
obitan s hay obitan p.

3

s p
z
s
s + p
z

s
+
+
+
s + p
z

s
s
z
z
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao


sp
a
+ -_ +
+ _

sp
b

Lai hoá sp được gặp trong phân tử BeH
2

, C
2
H
2
, BeCl
2
…Kiểu lai hoá sp xảy ra khi
tạo thành muối halogenua của các nguyên tố như Be, Zn ,Cd, Hg…Nguyên tử những
nguyên tố này ở trạng thái cơ bản có 2 electron đã ghép đôi- khi bị kích thích thì 1
electron s chuyển thành electron p và nguyên tử có 2 electron độc thân. Để tạo thành liên
kết với các nguyên tử halogen hai hàm sóng các electron s và p nghĩa là các obitan s và p
tổ hợp với nhau tạo thành 2 obitan lai hoá sp, mỗi obitan lai hoá có một electron độc thân.
Hai obitan lai hoá đó nằm trên cùng một đường thẳng sẽ xen phủ với 2 obitan p cùng nằm
trên đường thẳng- ví dụ phân tử BeCl
2
:

_ + + + + _

Còn với phân tử BeH
2
lại có sự xen phủ của 2 obitan lai hoá sp của nguyên tử Be với
2 obitan s của 2 nguyên tử H

+ + + +

3.2. Lai hoá sp
2
:
Đây là sự tổ hợp của obitan s và 2 obitan p tạo nên 3 obitan lai hoá sp

2
nằm trong
cùng một mặt phẳng và làm với nhau những góc 120
0
.
Giả sử hai obitan p tham gia tổ hợp là px và py ; một trong ba obitan lai hoá sp
2
đó
nằm trên trục x ; các obitan lai hoá có các hàm sóng như sau:

2spΨ
a
=
3
1
(
s
Ψ
+
2
Ψ
px )
4
Cl
Be Cl
H
Be H
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao

2spΨ

b
=
3
1
(
s
Ψ
-
pxΨ
2
1
+
pyΨ
2
3
)

2spΨ
c
=
3
1
(
s
Ψ
-
pxΨ
2
1
-

pyΨ
2
3
)
Kiểu lai hoá sp
2
xẩy ra khi tạo thành các hợp chất của nguyên tố B chẳng hạn; ở trạng
thái kích thích, nguyên tử B có 3 electron độc thân: 1 electron s và 2 electron p. Nhờ sự lai
hoá sp
2
, nguyên tử B có 3 obitan lai hoá giống nhau, có trục nằm trong cùng một mặt
phẳng và làm với nhau những góc 120
0
. Mỗi obitan lai hoá có một electron độc thân đã
xen phủ với obitan nguyên tử nguyên tố khác để tạo thành liên kết.
Nếu nguyên tố khác là nguyên tố F chẳng hạn thì phân tử BF
3
có cấu tạo hình tam
giác đều với nguyên tử B nằm ở trọng tâm của tam giác và 3 nguyên tử F ở ba đỉnh của
tam giác.








Kiểu lai hoá này còn gặp trong các phân tử như C
2

H
4
…
5
F
F
F
F
B
x
120
0
120
0
sp
a
2
sp
c
2
sp
b
2
y
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao


Năm liên kết
σ
nằm trong cùng một mặt phẳng, bao gồm 4 liên kết C – H và một

liên kết
C- C. Các góc liên kết HCH, HCC đều có giá trị 120
0
. Hai obitan p cuối cùng không tham
gia lai hoá của nguyên tử C sẽ xen phủ với nhau để tạo nên liên kết
Π
C – C

3.3 Lai hoá sp
3
:
Đây là sự tổ hợp của obitan s và 3 obitan p tạo nên 4 obitan lai hoá sp
3
giống nhau
về kích thước và hình dạng hướng tới 4 đỉnh của một tứ diện đều mà tâm là hạt nhân
nguyên tử.
Trục các obitan làm với nhau những góc 109
0
28
|
và tứ diện đều có được khi ta lấy
các đỉnh đối diện của một hình lập phương mà tâm là hạt nhân nguyên tử.





Phương của 4 obitan lai hoá sp
3

Nếu quy ước hệ toạ độ của nguyên tử đó như hình trên thì các obitan lai hoá sp
3
có
các hàm sóng như sau:
3spΨ
a
=
2
1
(
s
Ψ
+
pxΨ
+
pyΨ
+
pzΨ
)
3spΨ
c
=
2
1
(
s
Ψ
+
pxΨ
-

pyΨ
-
pzΨ
)
3spΨ
b
=
2
1
(
s
Ψ
-
pxΨ
-
pyΨ
+
pzΨ
)
3spΨ
d
=
2
1
(
s
Ψ
-
pxΨ
+

pyΨ
-
pzΨ
)
Kiểu lai hoá sp
3
xảy ra khi tạo thành các hợp chất của các nguyên tố như C, Si, Ge, …
ví dụ: CH
4
, H
2
O, NH
3
…
6
sp
c
3
sp
d
3
sp
b
3
y
z
x
sp
a
3

Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
Chẳng hạn : Phân tử NH
3
có dạng khối tứ diện, nguyên tử N làm đỉnh và 3 nguyên tử
H ở đỉnh của tam giác đều làm đáy:
. .
N



Nguyên tử N ở trạng thái lai hoá sp
3
. Một obitan lai hoá có cặp electron không liên
kết, còn 3 obitan lai hoá khác mỗi obitan có một electron độc thân xen phủ với
obitan 1s có electron độc thân của 3 nguyên tử H tạo thành 3 liên kết
σ
.
Ngoài ra khi có obitan d tham gia lai hoá thì còn có các kiểu lai hoá dsp
2
,sp
3
d,
sp
3
d
2
…
4. Điều kiện để trạng thái lai hoá obitan của nguyên tử xảy ra và tạo được liên
kết bền:
- Các obitan chỉ được lai hoá với nhau khi năng lượng của chúng xấp xỉ bằng nhau.

- Mật độ electron của các obitan nguyên tử tham gia lai hoá phải đủ lớn để độ xen
phủ của obitan lai hoá với obitan nguyên tử khác đủ lớn để tạo ra liên kết bền.
III. NỘI DUNG KHAI TH ÁC:
1. Sự xen phủ obitan:
Sách giáo khoa Hoá 10 nâng cao khi đề cập đến vấn đề xen phủ của các obitan thì có
nêu sự hình thành các phân tử: H
2
, Cl
2
, HCl, H
2
S do sự hình thành một hay nhiều cặp
electron dùng chung. Sự hình thành liên kết trong phân tử H
2
: đó là do 2 obitan 1s của
hai nguyên tử H xen phủ với nhau tạo thành một vùng xen phủ giữa hai hạt nhân nguyên
tử. Xác suất có mặt của các electron tập trung chủ yếu ở khu vực giữa hai hạt nhân. Vì
vậy ngoài lực đẩy tương hỗ giữa hai proton và hai electron còn có lực hút giữa các
electron với hai hạt nhân hướng về tâm nguyên tử. Liên kết cộng hoá trị giữa hai
nguyên tử H trong phân tử H
2
là một liên kết hoá học bền.
Cần hiểu rõ hơn là theo thuyết MO, trong phân tử H
2
quan hệ giữa những obitan
nguyên tử 1sa
,
1sb với những obitan phân tử
σ
slk

,
σ
s
*
được trình bày ở giản đồ năng
lượng.

7
H
H
H
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao





. + .

Hai electron trong phân tử H
2
được xếp vào obitan phân tử
σ
s
lk do đó cấu hình
electron phân tử H
2
là (
σ
slk

)
2
nên phân tử H
2
bền.
Trong phân tử Cl
2
có sự xen phủ giữa 2 obitan p chứa electron độc thân của mỗi
nguyên tử Cl. Còn trong phân tử HCl, liên kết hoá học hình thành nhờ sự xen phủ giữa
obitan 1s của nguyên tử H và obitan 3p có 1 electron độc thân của nguyên tử Cl.
Nội dung bài 18 sau phần lai hoá có giới thiệu thêm sự xen phủ trục và sự xen phủ
bên; Xen phủ trục là sự xen phủ mà trục các obitan tham gia liên kết trùng với đường nối
tâm của hai nguyên tử.
+ + _ + + _ + + _

Sự xen phủ trục tạo nên liên kết
σ
bền vững. Trong các phân tử Cl
2
, HCl ở trên đều
có sự xen phủ trục, vì thế đều tạo ra liên kết bền ( liên kết
σ
).
Còn sự xen phủ trong đó trục các obitan liên kết song song với nhau và vuông góc với
đường nối tâm của hai nguyên tử liên kết gọi là sự xen phủ bên.
+ +
_ _


Sự xen phủ bên tạo nên liên kết

Π
kém bền.
Chúng ta cần lưu ý rằng chỉ có sự xen phủ dương mới dẫn đến sự hút nhau giữa hai
nguyên tử và tạo nên liên kết mạnh. Giáo viên có thể ngộ nhận trường hợp nào có sự xen
phủ đều tạo liên kết; nhưng thực tế chỉ có những trường hợp sau mới tạo nên liên kết:
8
1s
a
1s
b
s
*
s
lk
+
-
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
_ _ _
+ + + + + +

+ + _
_ _ +


ở bài “Liên kết cộng hoá trị”, khi nói đến sự hình thành phân tử H
2
S, từ sự xen phủ
của obitan 1s của hai nguyên tử H với hai obitan 2p của nguyên tử S thì đáng lẽ góc
liên kết HSH phải là 90
0

do hai obitan p của nguyên tử S có trục tạo với nhau một góc
90
0
nhưng trên thực tế góc liên kết HSH là 92
0
. ở đây cần phải hiểu rằng sự sai lệch
trên thực nghiệm so với lý thuyết là do có sự phân cực liên kết. Tuy nhiên dựa vào sự
xen phủ cực đại giữa các obitan nguyên tử s và p có thể giải thích được hình dạng nhiều
phân tử nhưng cách giải thích đó hoàn toàn không thể áp dụng cho các nguyên tố như:
C, Si, Be, B… và vì thế nên thuyết lai hoá ra đời.
2. Khái niệm về sự lai hoá:
Để đưa ra khái niệm về sự lai hoá, sách giáo khoa đã đưa ra ví dụ về phân tử CH
4
Từ
công thức cấu tạo của phân tử CH
4
:






Giáo viên nên giới thiệu luôn cả mô hình phân tử CH
4
; Nguyên tử C làm tâm và 4
nguyên tử H là 4 đỉnh của tứ diện đều và các góc liên kết HCH đều bằng 109
0
28
’

Mà từ cấu hình electron của nguyên tử C
*
9
s - s
s - p
p - p
p - p
p - d
- - +
+ + -
H
H
H
H
C
H
H
H
C
H
2s
1
2s
1
2p
3
C
*
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao

Thấy rằng 4 electron hoá trị tạo ra 4 liên kết C- H không giống nhau ( gồm 1
electron s và 3 electron p ) mà vẫn tạo được 4 liên kết giống hệt nhau. Để giải thích
hiện tượng này các nhà hoá học Slây – tơ và Pau – linh đã đề ra thuyết lai hoá , theo
thuyết này đã có sự tổ hợp “trộn lẫn” một số obitan trong một nguyên tử, và trong
trường hợp trên chính là obitan 2s đã tổ hợp “ trộn lẫn” với 3 obitan 2p để tạo ra 4
obitan lai hoá sp
3
giống hệt nhau, bốn obitan lai hoá này xen phủ với 4 obitan 1s của 4
nguyên tử H tạo ra 4 liên kết C- H hoàn toàn giống nhau.
Sự lai hoá obitan nguyên tử là sự tổ hợp “ trộn lẫn” một số obitan trong một
nguyên tử để được từng ấy obitan lai hoá giống nhau nhưng định hướng khác nhau
trong không gian.
Khái niệm về tổ hợp “ trộn lẫn” để đỡ trừu tượng đối với học sinh ; chúng ta có thể
nhắc đến phương pháp lai trong nông nghiệp để học sinh dễ liên hệ; chẳng hạn cho lai
vài giống cây khác nhau để tạo ra một giống mới mang một số đặc tính của cả cây “bố”
lẫn cây “mẹ”.ở đây, mỗi obitan lai hoá kết hợp được cả tính chất của các obitan ban đầu
tạo nên nó. Ví dụ: Obitan lai hoá sp
3
là kết quả của sự tổ hợp giữa một obitan s và ba
obitan p trong một nguyên tử , mỗi obitan lai hoá kết hợp được cả tính chất của obitan s
và obitan p sinh ra nó.
Khi dạy các kiểu lai hoá thường gặp cần hiểu rõ hơn bản chất của các kiểu lai hoá
sp, sp
2
, sp
3
, nhấn mạnh điều kiện để trạng thái lai hoá obitan của các nguyên tử xảy ra
và tạo được liên kết bền:
- Các obitan chỉ được lai hoá với nhau khi mức năng lượng của chúng xấp xỉ nhau;
trong các trường hợp lai hoá thường xẩy ra như sp, sp

2
,sp
3
thì các electron s và p phải
thuộc cùng một lớp - ví dụ như: 2s và 2p.
- Mật độ electron của các obitan tham gia lai hoá phải đủ lớn để độ xen phủ của obitan
lai hoá với obitan nguyên tử khác đủ lớn để tạo ra liên kết bền; vấn đề này liên quan đến
phương và trục của các obitan lai hoá.
ở sách giáo khoa lần lượt giới thiệu:
Lai hoá sp: Là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết
tạo thành 2 obitan lai hoá sp nằm thẳng hàng với nhau hướng về hai phía- lai hoá đường
thẳng. Cần cho học sinh thấy rõ những loại hợp chất có kiểu lai hoá sp thường gặp có
dạng AB
2
như: BeCl
2
, ZnCl
2
, BeH
2
hay C
2
H
2
…
Lai hoá sp là nguyên nhân dẫn đến tính thẳng hàng ( góc liên kết bằng 180
0
) của các
liên kết trong những phân tử trên.
Lai hoá sp

2
: Là sự tổ hợp của 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyên tử tạo thành 3
obitan lai hoá sp
2
cùng nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ tâm đến đỉnh của tam
giác đều – lai hoá tam giác.Thực tế hình dạng của phân tử BF
3
là hình dạng tam giác đều
nên ta chọn kiểu lai hoá sp
2
để giải thích liên kết. Giáo viên giới thiệu những hợp chất
AB
3
có kiểu lai hoá sp
2
thường gặp như BF
3
, BCl
3
, SO
3
hay C
2
H
4
…
Lai hoá sp
3
: Là sự tổ hợp của 1 obitan s với 3 obitan p của một nguyên tử tham gia liên
kết tạo thành 4 obitan lai hoá sp

3
định hướng từ tâm đến 4 đỉnh của một tứ diện đều – lai
10
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
hoá tứ diện. Sách giáo khoa giới thiệu kiểu lai hoá sp
3
thường gặp ở các nguyên tử O,N,C
như phân tử H
2
O, NH
3,
, CH
4
.…Giáo viên cần giới thiệu luôn dạng phân tử thường gặp
kiểu lai hoá này là AB
4
, ví dụ: CCl
4
, NH
4
+
…
Ngoài ba kiểu lai hoá sp, sp
2
, sp
3
đã được học, có thể đề cập thêm cho học sinh giỏi
biết thêm các kiểu lai hoá sau:
- Lai hoá sp
3

d ( lưỡng chóp tam giác)
1AO s + 3AO p + 1AO d => 5 AO sp
3
d
- Lai hoá dsp
2
( vuông phẳng )
1AO d + 1AO s + 2AO p => 4 AO sp
2
d
- Lai hoá sp
3
d
2
( lưỡng chóp tứ giác hay bát diện )
1AOs + 3AO p + 2AO d => 6 AO sp
3
d
2
Thành tựu to lớn nhất của thuyết lai hoá là giải thích hình dạng của một số phân tử.
Giáo viên cần tổng hợp cho học sinh nắm được một số kiểu phân tử thường gặp có
nguyên tử trung tâm thuộc kiểu lai hoá gì? hình dạng phân tử và góc hoá trị của chúng ra
sao?
Chẳng hạn:
Kiểu
phân tử
Kiểu
lai hoá ở A
Hình dạng
Phân tử

Góc
hoá trị
Các phân tử ví dụ
AB
2
sp Đường thẳng 180
0
BeCl
2
, ZnCl
2
, CO
2
AB
3
sp
2
Tam giác 120
0
BF
3
, BCl
3
, SO
3
AB
4
sp
3
Tứ diện 109

0
28
’
CH
4
, CCl
4
, NH
4
+
,
AB
4
dsp
2
Vuông 90
0
PtCl
4
2-
, Cu(NH
3
)
4
2-
AB
5
sp
3
d Lưỡng chóp 90

0
và 120
0
PCl
5
AB
6
sp
3
d
2
Bát diện 90
0
SF
6
, SiF
6
2-

Kiểu lai hoá obitan nguyên tử cho thấy số obitan lai hoá được tạo nên đồng thời là số
phối trí tối đa của nguyên tử đó.
Cũng cần nhắc nhở học sinh rằng, kiểu lai hoá phụ thuộc vào cấu tao nguyên tử
nguyên tố trung tâm nên sẽ phụ thuộc vào vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Bảng
dưới đây hệ thống lại khả năng lai hoá các obitan của nguyên tử các nguyên tố và số phối
trí tối đa mà nguyên tử có theo chu kỳ
Nguyên tố chu kỳ Kiểu lai hoá và số phối trí ( viết trong dấu ngoặc )
Chu Kỳ II
Chu kỳ III
Chu kỳ IV
Chu kỳ V

Chu kỳ VI
sp (2), sp
2
(3), sp
3
(4)
sp
3
(4), dsp
3
(5), d
2
sp
3
(6), sp
3
d
2
(6)
sp
3
(4), dsp
3
(5), d
2
sp
3
(6), sp
3
d

2
(6)
d
2
sp
3
(6), d
2
sp
3
f (7)
d
2
sp
3
(6), d
2
sp
3
f (7)
11
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
3. Hướng dẫn học sinh cách phát hiện kiểu lai hoá và dạng hình học của một
số phân tử đơn giản:
Giáo viên cần lưu ý cho học sinh: Việc chọn kiểu lai hoá nào để giải thích sự liên kết
trong phân tử tuỳ thuộc vào cấu trúc hình học thực nghiệm của phân tử. Tuy nhiên có thể
dùng một số lý thuyết hay hoá lượng tử để xác định kiểu lai hoá mà không dựa vào giá trị
thực nghiệm:
Kiểu lai hoá và hình dạng phân tử phụ thuộc vào số liên kết
σ

và số cặp electron hoá
trị không tham gia liên kết của nguyên tử trung tâm.
Xét phân tử có dạng: A XnEm , với A là nguyên tử trung tâm liên kết với n
nguyên tử X bằng n liên kết
σ
và A có m cặp electron hoá trị không tham gia liên kết thì:
Nếu n + m = 2 => A có lai hoá sp
Nếu n + m = 3 => A có lai hoá sp
2
Nếu n + m = 4 => A có lai hoá sp
3
Nếu n + m = 5 => A có lai hoá sp
3
d
Nếu n + m = 6 => A có lai hoá sp
3
d
2

Cụ thể:
Trường hợp n + m = 2 . Nguyên tử trung tâm A ở trạng thái lai hoá sp
Như: BeX
2
, ZnX
2
, BeH
2
, CO
2
…Phân tử có dạng đường thẳng, góc liên kết là180

0
Trường hợp n + m= 3 Nguyên tử trung tâm A ở trạng thái lai hoá sp
2
.
Nếu phân tử hay ion có dạng AX
3
chẳng hạn BF
3
, AlCl
3
, SO
3
…phân tử có dạng
tam giác đều, góc liên kết là 120
0

Nếu phân tử có dạng AX
2
E chẳng hạn SnCl
2
, SO
2
…do cặp electron tự do chiếm
không gian lớn hơn cặp electron liên kết nên góc liên kết hẹp lại và < 120
0

Trường hợp n + m = 4. Nguyên tử trung tâm A ở trạng thái lai hoá sp
3

Nếu phân tử hoặc ion có dạng AX

4
chẳng hạn CH
4
, NH
4
+
, SO
4
2-
…thì nó có dạng tứ
diện đều, góc liên kết là 109
0
28
’

Nếu phân tử có dạng: AX
3
E chẳng hạn NH
3
, PH
3
… .Phân tử có dạng tháp tam giác,
cặp electron tự do chiếm không gian lớn hơn cặp electron liên kết nên góc liên kết <
109
0
28’.
Nếu phân tử có dạng AX
2
E
2

chẳng hạn phân tử H
2
O, cặp electron tự do chiếm không
gian lớn hơn cặp electron liên kết nên góc liên kết < 109
0
28’.
Nếu phân tử có dạng AXE
3
chẳng hạn phân tử HF ; Phân tử có cấu tạo thẳng, góc liên
kết là 180
0

Trường hợp n + m = 5: Nguyên tử trung tâm ở trạng thái lai hoá sp
3
d chẳng hạn
phân tử có dạng AX
5
như PCl
5
– phân tử này có hình lưỡng tháp tam giác.
Trường hợp n + m = 6: Nguyên tử trung tâm ở trạng thái lai hoá sp
3
d
2
Nếu phân tử hoặc ion có dạng AX
6
chẳng hạn SF
6
thì phân tử có dạng bát diện đều.
Nếu phân tử hoặc ion có dạng AX

5
E chẳng hạn BrF
5
thì phân tử có dạng tháp
vuông.
12
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
Nếu phân tử hoặc ion có dạng AX
4
E
2
chẳng hạn XeF
4
phân tử có dạng vuông
phẳng.
Có thể coi tổng m + n là tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm.
Lúc đó:
- Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 2 => lai hoá sp
- Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 3 => lai hoá sp
2
- Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 4 => lai hoá sp
3
- Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 5 => lai hoá sp
3
d
- Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 6 => lai hoá sp
3
d
2
Yêu cầu của học sinh bậc trung học phổ thông là xác định đúng kiểu lai hoá .Giáo

viên cần nhấn mạnh cho học sinh rằng: ở bậc THPT, khi bài tập nào đó nói đến vấn đề lai
hoá của một phân tử nào đó thì thường trong phân tử đó đã có sự lai hoá các obitan. Vấn
đề là cần xét xem đó là kiểu lai hoá gì? còn không phải hợp chất cộng hoá trị nào cũng có
sự lai hoá.
* Để áp dụng lý thuyết về sự lai hoá các obitan nguyên tử, giải thích sự hình thành liên
kết cộng hoá trị trong phân tử cần cho học sinh làm các bước sau:
- Thiết lập công thức cấu tạo phân tử , có lưu ý đến các cặp electron tự do.
- Xác định tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm. Mỗi nguyên tử hay
(nhóm nguyên tử) liên kết với nguyên tử trung tâm và mỗi cặp electron tự do của nguyên
tử trung tâm được coi là một nhóm định cư .
- Dựa trên số nhóm định cư, xác định kiểu lai hoá của nguyên tử trung tâm để từ đó dự
đoán hình dạng phân tử.
** Việc xác định dạng hình học của phân tử còn phụ thuộc vào số cặp electron tự do
ở nguyên tử trung tâm:
Lai hoá sp
2
tạo dạng tam giác khi ba nhóm định cư đều là nguyên tử hay nhóm
nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm. Nếu có một cặp electron tự do, phân tử còn
có dạng chữ V.
Lai hoá sp
3
tạo dạng tứ diện khi bốn nhóm định cư đều là nguyên tử hay nhóm
nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm. Nếu có một cặp electron tự do, phân tử còn
dạng tháp đáy tam giác và nếu có hai cặp electron tự do thì phân tử còn có dạng chữ V.
*** Trong một số trường hợp giáo viên cần giải thích được sự sai lệch về góc liên kết
trên thực tế có khác so với lý thuyết. Ví dụ : trong phân tử H
2
O, NH
3
các góc liên kết

HOH(104,5
0
) góc HNH (107,0
0
) mặc dù các nguyên tử trung tâm O, N đều ở trạng thái
lai hoá sp
3
. ở đây chúng ta cần phải hiểu sự sai lệch góc hoá trị do cặp electron không
tham gia liên kết chiếm obitan lai hoá khuếch tán tương đối rộng hơn so với obitan lai
hoá chiếm bởi cặp electron liên kết (tạo thành liên kết) nên có tác dụng đẩy các cặp
electron khác mạnh hơn so với cặp electron liên kết.
Tuy nhiên để giải thích đúng hình dạng của phân tử, ngoài sự lai hoá còn vận dụng
thêm một số giả thiết nữa. Ví dụ trong liên kết đôi, ba khi xét cấu trúc hình học của phân
tử chủ yếu người ta chỉ chú ý đến liên kết
σ
vì chỉ liên kết
σ
mới quyết định hướng liên
13
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
kết, tuy nhiên theo quy tắc Gillespie ( Di- let- pi) thì đám mây electron của liên kết đôi
xốp hơn chiếm khoảng không gian lớn hơn đám mây liên kết đơn .Vì vậy, trong phân tử
AX
3
( lai hoá sp
2
) có một liên kết
∏
thì góc liên kết sẽ lớn hơn 120
0

và tất nhiên góc còn
lại sẽ bé hơn 120
0
.
Chẳng hạn trong phân tử HCHO có các góc liên kết như sau:






Còn đối với những phân tử sau đây, các nguyên tử trung tâm đều ở cùng một kiểu lai
hoá sp
3
của các obitan nhưng sự biến đổi của góc hoá trị được giải thích như sau:
Góc hoá trị giảm xuống vì vai trò của s trong sự lai hoá sp
3
giảm xuống
Góc hoá trị H
2
O H
2
S H
2
Se H
2
Te
Giảm xuống 105
0
92

0
91
0
90
0
vì số cặp NH
3
PH
3
AsH
3
SbH
3
electron tự do 107
0
94
0
92
0
90
0

tăng lên CH
4
109
0
28
’

4. Vai trò của sự xen phủ obitan và thuyết lai hoá:

Mặc dù thời lượng học những vấn đề này không nhiều, nó chỉ đóng khung trong 2 tiết
học nhưng chúng có vai trò quan trong trong việc mô tả bản chất liên kết và giải thích
dạng hình học của phân tử. Một thực trạng hiện nay là do vấn đề này còn mới và khó nên
nhiều giáo viên cho rằng chỉ cần nhớ máy móc kiểu lai hoá của một số phân tử thường
gặp để nêu cho học sinh. Tuy nhiên nếu không giải thích cụ thể cho học sinh thì việc lĩnh
hội kiến thức của các em sẽ thụ động, nhất là đối với học sinh đi thi học sinh giỏi. Do đó
cần làm thế nào mà học sinh biết vận dụng để giải thích dạng hình học của một số phân tử
dựa vào các kiểu lai hoá.
Dựa vào lý thuyết về sự xen phủ chúng ta có thể giải thích được những trường hợp
hình thành hay không hình thành liên kết hoá học; liên kết tạo ra bền ( liên kết
σ
) hay
không bền ( liên kết
Π
).
Như chúng ta đã đặt vấn đề khi đưa ra khái niệm về sự lai hoá, đó là thuyết lai hoá
giải thích được hình dạng của một số phân tử mà theo thuyết liên kết cộng hoá trị thuần
tuý sẽ không giải thích được hoặc giải thích bằng thuyết lai hoá sẽ sát với thực nghiệm
hơn.
14
122
0
OC
H
H
116
0
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
5. Một số bài tập vận dụng:
Ví dụ 1: Dựa vào sự lai hoá, mô tả cấu trúc của các phân tử sau dưới dạng xen phủ

obitan nguyên tử và cho biết dạng hình học của mỗi phân tử:
a. BeH
2
b. BF
3
c. CH
4

HD: GV cần hướng dẫn cho học sinh là muốn dựa vào sự lai hóa để mô tả cấu trúc
phân tử thì trước hết phải xét cấu tạo nguyên tử trung tâm Be, B, C ; xác định đúng công
thức cấu tạo phẳng của các phân tử – nhất là xác định tổng số liên kết và số cặp electron
không liên kết của nguyên tử trung tâm, kết hợp với cấu hình electron hoá trị của nguyên
tử đó, từ đó xác định được trạng thái lai hoá của nguyên tử trung tâm và cách hình thành
liên kết cộng hoá trị.

BeH
2
BF
3
CH
4
Cấu hình
electron
4
Be
∗


2s
1

2p
1
1
H

1s
1
5
B
∗
2s
1
2p
2
9
F

2s
2

2p
5
6
C
∗
2s
1

2p
3

1
H
1s
1
Công thức
câú tạo

H Be H

F B F
F
H
H C H
H
Nhóm
định cư
2 3 4
Lai hoá sp sp
2
sp
3
Dạng
hình
học
Đường thẳng Tam giác Tứ diện

Ví dụ 2: Hãy mô tả sự hình thành liên kết và cấu tạo của phân tử etan C
2
H

6
HD:


Trong phân tử C
2
H
6
hai nguyên tử C đều ở trạng thái lai hoá sp
3
, mỗi một obitan lai
hoá có một electron độc thân. ở mỗi nguyên tử C, ba obitan lai hoá sp
3
xen phủ với ba
obitan1s của H có một electron độc thân tạo thành ba liên kết C- H. Hai obitan lai hoá
15
2s
1
2p
3
6
C
*
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
sp
3
còn lại ở hai nguyên tử C sẽ xen phủ với nhau tạo thành liên kết C-C. Tất cả những
liên kết C – H và C – C đó là liên kết
σ
và là liên kết đơn. Các góc liên kết CCH, HCH

đều có giá trị 109
0
28
’
. Phân tử C
2
H
6
có cấu tạo không gian:

Ví dụ 3 : Hãy cho biết dạng hình học của các phân tử sau đây: CO
2
, HNO
3
, SO
2
,
H
2
SO
4
, NH
3
, H
2
O.
HD: GV cần hướng dẫn cho học sinh cách xác định số nhóm định cư xung quanh
các nguyên tử trung tâm: C, N, S, O….
Trong phân tử CO
2

xung quanh nguyên tử trung tâm C có 2 nhóm định cư là 2
ngưyên tử O
Trong phân tử HNO
3
xung quanh nguyên tử trung tâm N có 3 nhóm định cư là 2
ngưyên tử O và 1 nhóm – OH.
Trong phân tử SO
2
xung quanh nguyên tử trung tâm S có 3 nhóm định cư là 2
nguyên tử O và một cặp electron không tham gia liên kết.
Với phân tử H
2
SO
4
xung quanh nguyên tử trung tâm S có 4 nhóm định cư gồm 2
nguyên tử O và 2 nhóm OH
Với phân tử NH
3
,xung quanh nguyên tử trung tâm N có 4 nhóm định cư bao gồm 3
nguyên tử N và môt cặp electron chưa tham gia liên kết
Phân tử H
2
O , xung quanh nguyên tử trung tâm O có 4 nhóm định cư bao gồm 2
nguyên tử O và 2 cặp electron không tham gia liên kết.
CO
2
HNO
3
SO
2

H
2
SO
4
NH
3
H
2
O
Nhóm
định
cư
2 3 3 4 4 4
Kiểu
lai
hoá
sp sp
2
sp
2
sp
3
sp
3
sp
3
Dạng
hình
học
O=C=O

O
HO N
O
S
O O
OH
S
HO O
O
. .
N
H H
H

O
H H
Đường
thẳng
Tam giác
Chữ V Tứ diện
Tháp đáy
tam giác
Chữ V
16
C
C
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
Ví dụ 4 : Hãy cho biết cấu trúc hình học của các phân tử: PF
3
, PCl

3
, PH
3
và hãy so sánh các
góc liên kết giữa nguyên tử P với các nguyên tử khác trong phân tử.
HD: GV hướng dẫn cho HS viết công thức cấu tạo:



Các phân tử trên đều thuộc loại AX
3
E( lai hoá tứ diện ). Tuy nhiên vì có cặp
electron không liên kết nên góc liên kết nhỏ hơn góc tứ diện ( 109
0
28
’
). Các góc liên kết
cũng không đồng nhất vì các phối tử có độ âm điện khác nhau. Độ âm điện của các phối
tử càng lớn, đám mây liên kết càng bị đẩy về phía các phối tử và do đó góc liên kết càng
nhỏ.
Vì độ âm điện giảm dần theo chiều: F > Cl > H
Nên góc FPF < góc ClPCl < góc HPH.
Về vấn đề liên quan góc liên kết vẫn còn những quan điểm trái ngược nhau. Chẳng
hạn, khi xét đến phân tử H
2
S, một số tài liệu cho rằng từ thực nghiệm là phân tử H
2
S có
góc liên kết HSH = 92
0

~ 90
0
nên các obitan của S không lai hoá vì nếu có lai hoá thì S ở
trạng thái lai hoá sp
3
, góc liên kết phải gần với giá trị 109
0
28
’
. Bên cạnh đó một số tài liệu
lại nói rằng trong phân tử H
2
S thì S ở trạng thái lai hoá sp
3
. ở đây nguyên tử S có cấu
hình electron 3s
2
3p
4
với 2 electron p độc thân sẽ liên kết với 2 nguyên tử H. Như chúng ta
đã biết , trục của các obitan p luôn vuông góc với nhau nên góc HSH đáng lẽ phải là 90
0
nhưng trong thực tế góc liên kết HSH là 92
0
. Sự sai khác chỉ vài độ giải thích sự lai hoá
yêú không rõ rệt.Trong phân tử H
2
S, nguyên tử S vẫn ở trạng thái lai hoá sp
3
.

S H

Hai obitan lai hoá, mỗi một có một cặp electron không liên kết còn hai obitan lai hoá
còn lai mỗi một có một electron độc thân che phủ với obitan 1s có electron độc thân của
hai nguyên tử H tạo thành hai liên kết cộng hoá trị. Phân tử có cấu tạo:






17
F
F
F
P
Cl
Cl
Cl
H
H
H
P
P
H
H

S
92
0

Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao
Ví dụ 5:
Dựa vào thuyết lai hoá hãy cho biết dạng hình học của hai phân tử: BeCl
2
và NF
3
Tính định hướng của liên kết cộng hoá trị thuần tuý ( không xét sự lai hoá ) có giải thích
được dạng hình học của chúng không? Vì sao?
HD: Be : 1s
2
2s
2
Be
*
: 1s
2
2s
1
2p
1

-> Be có 2 electron độc thân tạo thành 2 liên kết
σ
với 2 nguyên tử clo, không còn có
cặp electron hoá trị nào không tham gia liên kết -> Be trong BeCl
2
lai hoá sp và phân tử
BeCl
2
có

cấu trúc thẳng.
Bằng liên kết cộng hoá trị thuần tuý không khẳng định được cấu trúc thẳng của phân tử
BeCl
2
vì hướng xen phủ của 2 AO 2p của Be với AO hoá trị của Cl là xác định, còn
hướng xen phủ của 2AO 2s của Be với AO hoá trị của Cl thứ hai là không xác địnk do
AO s hình cầu nên xen phủ ở mọi hướng đều có giá trị như nhau.
N: 1s
2
2s
2
2p
3
-> N có 3 electron độc thân trên 3 AO 2p khác nhau. Các AO 2p này đều
nằm thẳng góc với nhau và đó cũng là hướng xen phủ lớn nhất với các hoá trị của 3
nguyên tử F. Vậy theo thuyết liên kết cộng hoá trị thuần tuý, phân tử có hình tháp tam
giác với các góc liên kết FNF khoảng 90
0
.
Theo thuyết lai hoá : ở N trong NF
3
có sự lai hoá sp
3
vì N tạo 3 liên kết
σ
với 3
nguyên tử F và vẫn còn một cặp electron hoá trị chưa tham gia liên kết. Vậy phân tử NF
3
có hình tháp tam giác và góc FNF gần bằng góc tứ diện đều ( 109

0
28
’
). Thực nghiệm xác
nhận góc FNF gần bằng 102
0
, nghĩa là gần với góc tứ diện đều -> vậy cả hai thuyết đều
giải thích được cấu hình của phân tử NF
3
nhưng thuyết lai hoá dự đoán góc FNF gần sát
với kết quả thực nghiệm hơn.
IV. KẾT LUẬN:
Qua thực tế giảng dạy chương trình hoá 10 nâng cao của bản thân tôi trong năm đầu
tiên thực hiện chương trình Hoá học lớp 10 phân ban. Với việc phân thành hai đối tượng
để giảng dạy: Một nhóm dạy bình thường như trong SGK; Một nhóm tôi áp dụng sự khai
thác các vấn đề xen phủ và lai hoá obitan.Việc giáo viên hiểu sâu sắc hơn về lai hoá kết
hợp với sự khai thác đúng trọng tâm thì thấy hiệu quả của việc khai thác là rõ rệt, học sinh
hứng thú học hơn, chủ động hơn trong việc tiếp thu kiến thức và giải bài tập vận dụng.
Trong khuôn khổ một sáng kiến kinh nghiệm, tôi xin được trình bày ý kiến của mình, rất
mong được sự góp ý của đồng nghiệp để góp phần vào việc nhanh chóng tiếp cận với
chương trình và phương pháp mới, nâng cao hiệu quả mỗi bài giảng.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Diễn châu, tháng 6 năm 2007
Người viết
Vũ Thị Hà
18
Khai thác vấn đề xen phủ và lai hoá obitan ở Hoá lớp 10 nâng cao

MỤC LỤC
I. Lý do chọn đềtài…………………………………………………………… Trang 1

II. Cơ sở thực tiễn và khoa học……………………………………… …… 1
A. Cơ sở thực tiễn…………………………………………………………………….1
B. Cơ sở khoa học…………………………………………………………………….1
1. Sự xen phủ obitan………………………………………………………………… 1
2. Quan niệm về sự lai hoá………………………………………………… 3
3. Các kiểu lai hoá thường gặp……………………………………………………… 3
4. Điều kiện để trạng thái lai hóa obitan của nguyên tử xảy ra và tạo liên………… 7
III. Nội dung khai thác
1. Sự xen phủ obitan …………………………………………………………… 7
2. Khái niệm về sự lai hoá…………………………………………………………9
3. Hướng dẫn học sinh cách phát hiện kiểu lai hoá và dạng hình học của một số phân
tử đơn giản…………………………………………………………………………….11
4. Vai trò của sự xen phủ obitan và thuyết laihoá…………………… ………… 14
5. Một số bài tập vận dụng ………………………………………………… 15…18
IV. Kết luận:……………………………………………………………… 18
T ÀI LI ỆU THAM KH ẢO:
1. Tài liệu nâng cao và mở rộng kiến thức hoá học
Hội hoá học Việnam NXB GD
2. Hoá học Vô cơ tập 1
Tác giả: Hoàng Nhâm
3. Tài liệu Bồi dưỡng Giáo viên
Bộ GD& ĐT
4. Bài tập hoá học đại cương
Tác giả: Đào Đình Thức
5. Bài tập chọn lọc Hoá học 10
Nguyễn Thanh Hưng- Nguyễn Thị Hồng Quý
6. Tuyển tập bài giảng hoá học vô cơ
Tác giả : Cao cự Giác
Và gồm nhiều tài liệu khác
19