Thuyết VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) với việc giải thích cấu trúc phân tử

Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
PHẦN THỨ 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu:
Cấu trúc hình học của phân tử là một trong những yếu tố ảnh hưởng và quy
định tính chất của phân tử đó như: độ bền, momen lưỡng cực, Vì vậy việc dự đoán và
giải thích cấu trúc phân tử là vấn đề quan trọng trong việc nghiên cứu một chất bất kỳ.
Đặc biệt trong giảng dạy, khi bắt đầu một hợp chất, ta thường tìm hiểu cấu tạo chất đó.
Rồi từ cấu tạo ta suy ra tính chất. Vì vậy, nên tôi rất tâm đắc khi được giao đề tài
“Thuyết VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) với việc giải thích cấu trúc
phân tử ”.
Với việc nghiên cứu đề tài này, tôi đã hiểu sâu hơn về cấu trúc phân tử các chất.
Từ đó tôi tích lũy thêm cho mình kiến thức về mặt chuyên môn trong việc giảng dạy.
Đồng thời mở ra những hướng mới trong việc nghiên cứu sau này.
2. Nhiệm vụ nghiên cứu:
Để đạt được mục đích nghiên cứu trên thì chúng ta cần phải hoàn thành một số
vấn đề sau:
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và cơ sở thực tiễn của đề tài.
Tìm hiểu ứng dụng của đề tài trong giảng dạy và nghiên cứu.
Đề xuất phương pháp giải một số bài tập.
3. Giới hạn của đề tài:
Điều kiện và khả năng còn hạn chế nên đề tài chỉ tập trung nghiên cứu một
phần nhỏ hợp chất vô cơ và hữu cơ thường có trong chương trình hóa học phổ thông
và đại học.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
1
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
PHẦN THỨ 2: NỘI DUNG
Chương I: CƠ SỞ LÝ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
Năm 1939, Paolinh đưa ra thuyết VB đã giải thích được các tính chất của liên kết

(độ dài liên kết, năng lượng liên kết, định hướng không gian). Thuyết này giải thích định
hướng không gian của phân tử trên lý thuyết lai hóa.
Ví dụ: Liên kết trong phân tử CH
4
Như vậy trong phân tử CH
4
, góc liên kết là 109,5
0
.
Xét phân tử H
2
O và NH
3
: nguyên tử Oxi và Nito ở trạng thái lai hóa sp
3
. Như vậy góc
liên kết phải là 109,5
0
. Tuy nhiên, thực nghiệm cấu trúc phân tử H
2
O, góc liên kết HOH ,HNH
là nhỏ hơn 109
0
. Theo thuyết VB, sở dĩ có sự sai lệch góc liên kết trên là do tính không tương
đương các obitan lai hóa.
Và cũng để giải thích sự biến đổi cấu trúc phân tử các chất. Năm 1940,
Sidgewick và Powell đưa ra thuyết về sự đẩy của các cặp electron hay còn gọi là mô
hình VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) và được Lenard – Jones,
Gillespie và Nyholm phát triển và bổ sung.
Học viên: Nguyễn Văn Thanh

2
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
Chương II NỘI DUNG
Ý chính của thuyết này là sự sắp xếp các liên kết quanh một nguyên tử trung
tâm phụ thuộc vào cách phân bố các cặp electron ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử đó.
Cách phân bố tốt nhất phải đảm bảo cho năng lượng tương tác đẩy giữa các cặp
electron là cực tiểu hay “khoảng cách” giữa các cặp electron là cực đại . Hiển nhiên
cách phân bố này phụ thuộc trước hết vào tổng số các cặp electron đó (những electron
hóa trị của nguyên tử này bao gồm cảc electron liên kết và không liên kết) và những
electron tham gia liên kết của các phối tử.
Trước đây, chúng ta vẫn coi các cặp electron là tương đương. Tuy nhiên, một
sự xem xét chi tiết đòi hỏi phải có sự phân biệt khác nhau giữa các cặp electron liên
kết và không liên kết.
Một cặp electron không liên kết chỉ bị hạt nhân nguyên tử trung tâm hút.Nó
chiếm vùng không gian lớn hơn cặp electron liên kết. Chính vì vậy tương tác đẩy giữa
hai cặp electron không liên kết là lớn hơn cả. Rồi đến tương tác đẩy giữa cặp electron
không liên kết và cặp electron liên kết. Nhỏ nhất là tương tác đẩy giữa hai cặp electron
liên kết. Từ đây suy ra rằng sự có mặt của electron tự do đã gây ra sự giảm góc giữa
các trục của các obitan, nghĩa là giảm góc liên kết.
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
3
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
1. Trường hợp phân tử AX
n
chỉ chứa các liên kết đơn
Xét phân tử AX
n
E
m
. Trong đó:

A: nguyên tử trung tâm;
X: cặp electron tham gia liên kết;
E: cặp electron không tham gia liên kết.
Khi đó, cấu trúc không gian của một số loại phân tử được trình bày như sau:
1.1. Cấu trúc không gian phân tử dạng AX
n
: (n = 2 - 6)
Số cặp
electron
hóa trị
quanh
nguyên
tử trung
tâm A
Sự phân bố các
cặp electron.
Số cặp
electron
liên kết
Dạng hình học và dạng phân
tử
Ví dụ
2
Thẳng
2
Thẳng: AX
2
E
0
BeH

2
,
BeCl
2
3
Tam giác
3
Tam giác phẳng: AX
3
E
0
BF
3
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
4
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
4
Tứ diện
4
Tứ diện: AB
4
E
0
CH
4
,
CCl
4
5
Lưỡng chóp

tam giác
5
Lưỡng chóp tam giác:
AX
5
E
0
PCl
5
6
Bát diện đều
6
Bát diện: AX
6
E
0
SF
6
;
SiF
6
2-

Học viên: Nguyễn Văn Thanh
5
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
1.2. AX
n
E
m

: Nguyên tử trung tâm A vừa có n đôi electron liên kết, vừa có m
đôi electron riêng (E)
1.2.1. Sự thay đổi góc liên kết của dạng phân tử AX
n
E
m
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
6
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
1.2.2. Cấu trúc không gian phân tử dạng AX
n
E
m
Số cặp
electro
n hóa
trị
quanh
nguyên
tử trung
tâm A
Sự phân bố các
cặp electron.
Số cặp
electron
liên kết
Số cặp
electron
không
liên kết

Dạng hình học và dạng
phân tử
Ví dụ
3 2 1
Góc: AX
2
E
(gấp khúc)
SnCl
2
,
SO
2
4
3 1
Chóp tam giác:
AB
3
E
1
NH
3
,
NF
3
2 2
Góc: AB
2
E
2

H
2
O;
OF
2
5
4 1
Cái bập bênh:
AB
4
E
1
SF
4
3 2 Hình chữ T:AB
3
E
2
ClF
3
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
7
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
2 3
Thẳng: AB
2
E
3
XeF
2

;
IF
2
-
6
5 1
Chóp vuông:
AB
5
E
1
BrF
5
;
IF
5
;
SbF
5
2-
4 2
Vuông phẳng:
AB
4
E
2
XeF
4
;
ICl

4
-
3
3
AX
3
E
3
2 4
AX
2
E
4
2. Trong phân tử, nguyên tử trung tâm tạo liên kết bội
Khi nguyên tử trung tâm tạo liên kết bội, thì chỉ các cặp electron
δ
quyết định
phương liên kết. Số các cặp electron
Π
không được kể đến.
Số các cặp
electron
Sô các cặp electron không liên kết
0 1 2
2 Thẳng.
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
8
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
Ví dụ: HCN
3

Tam giác phẳng.
Ví dụ: NO
3
-
Góc.
Ví dụ: NOCl
4
Vuông phẳng.
Ví dụ: SO
4
2-
Chóp.
Ví dụ: IO
3
-
Góc.
Ví dụ: ClO
2
-
5
Lưỡng chóp tam giác .
Ví dụ: SOF
4
Và tương tự, trong phân tử mà nguyên tử trung tâm vừa tạo liên kết đôi vừa tạo
liên kết đơn thì góc liên kết giữa các liên kết đơn sẽ nhỏ lại, vì mây electron cồng
kềnh của liên kết đôi buộc các cặp electron của các liên kết đơn xích lại gần nhau.
Ví dụ: Trong phân tử andehit fomic (HCHO), góc liên kết HCH bằng 116
0
,
trong khi đó góc HCO bằng 122

0
3. Trong phân tử mà liên kết đơn có cực
Xét phân tử NF
3
và NH
3
có cùng cấu trúc nhưng góc FNF bằng 102
0
, còn góc
HNH bằng 107
0
30’.

Sở dĩ có trường hợp như thế là do ở các liên kết đơn có cực, mây electron sẽ bị
biến dạng và chiếm một thể tích tương đối nhỏ ở gần nguyên tử có độ âm điện nhỏ
hơn. Nếu nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn lại là nguyên tử trung tâm thì mây electron
của các liên kết đơn có thể bị nén lại bởi tác dụng của các mây electron cồng kềnh của
một cặp electron không liên kết hay một liên kết đôi.
Và cũng trên cơ sở đó ta lí giải trường hợp góc ClCCl trong photgen bằng 112
0
,
trong khi đó góc HCH trong HCHO bằng 116
0
.
4. Một số bài tập
Bài 1. Hãy cho biết cấu hình hình học của phân tử và ion dưới đây, đồng thời
sắp xếp các góc liên kết trong chúng theo chiều giảm dần. Giải thích.
a) NO
2
; NO

2
+
; NO
2
-
.
b) NH
3
; NF
3
.
Bài 2: Có các phân tử XH
3
:
a) Hãy cho biết cấu hình hình học của các phân tử PH
3
và AsH
3
.
b) So sánh góc liên kết HXH giữa hai phân tử trên và giải thích.
Bài 3: Xét các phân tử POX
3
a) Các phân tử POF
3
và POCl
3
có cấu hình hình học như thế nào?
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
9
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR

b) Góc liên kết XPX trong phân tử nào lớn hơn?
Cho biết: Z
P
= 15; Z
As
= 33; Z
O
= 8; Z
F
= 9; Z
Cl
= 17; Z
B
= 5; Z
N
= 7; Z
Si
= 14; Z
S
= 16.
Bài 4:
Mô tả liên kết trong ion I
3
-
, xác định dạng hình học và dạng lai hóa của nguyên
tử I trung tâm.
PHẦN THỨ 3: KẾT LUẬN
Việc nghiên cứu thuyết về sự đẩy của các cặp electron hay còn gọi là mô hình
VSEPR (Valence Shell Electron Pair Repulsion) phục vụ cho việc dự đoán, giải thích
cấu trúc không gian của phân tử là vấn đề rất cần thiết trong giảng dạy và nghiên cứu.

Trên đây là phần trình bày về nghiên cứu của mình về thuyết VSEPR mà tôi đã
tìm hiểu được. Gồm:
Giải thích được sự thay đổi góc liên kết của phân tử.
Đưa ra dạng hình học của một số dạng phân tử.
Với phạm vi bài tiểu luận và có ít kinh nghiệm nghiên cứu nên tôi không tránh
khỏi nhiều thiếu sót. Việc dự đoán cấu trúc phân tử chỉ mang tính “dự đoán”, vì dự
đoán trên cơ sở lý thuyết còn trên thực nghiệm thì có sự chênh lệch và việc giải thích
cấu trúc phân tử là trên cơ sở thực nghiệm. Do đó nhiều vấn đề mà phần nghiên cứu
này còn chưa giải thích thỏa đáng. Bản thân sẽ tiếp tục tìm hiểu, hoàn thiện.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
10
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
1. Đặng Trần Phách, Bài tập hóa cơ sở, Nhà xuất bản Giáo dục 1985.
2. Thái Doãn Tĩnh, Giáo trình cơ sở lý thuyết hóa hữu cơ, Nhà xuất bản khoa
học – kỹ thuật.
PHỤ LỤC
Trang
Phần thứ 1 Mở đầu……………………………………………………… 1
1. Lý do chọn đề tài và mục đích nghiên cứu…… 1
2. Nhiệm vụ nghiên cứu……………………… 1
Học viên: Nguyễn Văn Thanh
11
Tiểu luận hóa lượng tử Thuyết VSEPR
3. Giới hạn của đề tài…………………………………… 1
4. Phương pháp nghiên cứu…………………………………. 1
Phần thứ 2 Nội dung………………………………………… 2
Chương I : Cơ sở lý luận của đề tài…………………………. 2
Chương II: Nội dung…………………………………… 3
1. Trường hợp phân tử AX

n
chỉ chứa các liên kết
đơn……………………………………… 4
1.1. Cấu trúc không gian phân tử dạng AX
n
: (n = 2
- 6)…………………………………………………………… 4
1.2. AX
n
E
m
: Nguyên tử trung tâm A vừa có n đôi
electron liên kết, vừa có m đôi electron riêng (E)……… 6
1.2.1. Sự thay đổi góc liên kết của dạng phân tử
AX
n
E
m
……………………………………………………… 6
1.2.2. Cấu trúc không gian phân tử dạng AX
n
E
m
7
2. Trong phân tử, nguyên tử trung tâm tạo liên kết
bội……………………………………………………………. 9
3. Trong phân tử mà liên kết đơn có cực…………… 9
4. Một số bài tập……………………………………. 10
Phần thứ 3 Kết luận…………………………………………………… 10
Tài liệu tham khảo………………………………………… 11

Học viên: Nguyễn Văn Thanh
12