Chương 3 - Liên kết Hóa học và cấu tạo phân tử

Chương III

LIÊN KẾT HÓA HỌC
VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ



Các liên kết hóa học
Đầu tiên, được xem xét theo quan điểm truyền thống
Lewis- Kossel:
Trừ các khí hiếm phân tử gồm 1 nguyên tử, các nguyên
tử nguyên tố khác có khuynh hướng kết hợp với nhau
để đạt cấu hình tương tự khí hiếm (ns2 np6 hay 1s2) bền hơn cấu hình từng nguyên tử riêng rẽ.
Tiếp đó các PP mới hơn: PP liên kết – hóa trị

 PP orbitan phân tử.
1


III.1. Những khái niệm cơ bản về liên kết hóa
học:
A. Bản chất liên
kết:
Liên kết hóa học có bản chất điện, vì cơ sở tồn tại
của mọi liên kết hóa học là lực hút giữa các hạt tích
điện.
 Electron thực hiện liên kết hóa học trong mọi
trường hợp chủ yếu là các electron của những phân
lớp ngoài cùng : ns, np , (n-1)d, (n-2)f, được gọi là
electron hóa trị.
 Sự phân bố mật độ electron khác nhau trong

trường hạt nhân của các nguyên tử đưa đến xuất
hiện các kiểu liên kết khác nhau, chủ yếu có 2 kiểu
liên kết: cộng hóa trị và ion.
2


B. Vài đặc trưng của liên kết hóa
học:

1 . Đo ä d a ø i
là khoảng cách (đơn vị A0) giữa hai hạt
lie ânhânácủa các nguyên tử tương tác với nhau.
n ke t
Phân tử

Ño ä d a ø i lie â n
ke á t

Phân tử

Ño ä d a ø i
lie â n ke á t

H2

0,7414

HF

0,9168

F2

1,4119

HCl

1,2746

Cl2

1,988

HBr

1,4144

Br2

2,2811

HI

1,6092

I2

2,666

N2

1,0977

C2H6(C – C) 1,54

O2

1,2075

C2H4(C= C)

1,35

CO

1,2832

C2H2(C≡ C)
3

1,21


là năng lượng cần tiêu tốn để phá
2. Năng lượng liên
vỡ liên kết hay là năng lượng được giải phóng ra khi tạo
kết
thành liên kết.
 Liên kết càng bền thì năng lượng liên kết càng
lớn.

Quy tắc: "Hiệu ứng nhiệt phản ứng bằng tổng năng
lượng liên kết có trong các chất ban đầu trừ tổng năng
lượng liên kết có trong các sản phẩm“
(có kể đến các hệ số hợp thức của phương trình hóa
học).

∆ H0 = Σ∆ Hlk0 (tác chất) - Σ∆ Hlk0 (sản
phẩm)
Đ/v phân tử 2 nguyên tử AB thì năng lượng phân li đúng bằng
năng lượng liên kết A-B. VD: EH-H = EplH2 = 431,4 kJ/mol
Đ/v phân tử 2 nguyên tử ABn thì NL phân li chỉ xác định được
NL liên kết trung bình của lk A-B (= 1/n NL phân li ABn).
EplH2O 916,6
VD: EO-H =  =  = 459,8 kJ/mol


4
2
2


Có thể xác định gần đúng độ dài liên kết dựa trên bán
kính ngun tử theo cơng thức:
 Khi các nguyên tử A, B có độ âm điện gần nhau:
dA-B = rA + rB
Khi các nguyên tử A, B có độ âm điện khác nhau nhiều:
dA-B = rA + rB - 0,09 |χ A - χ B|
 Góc hóa
là góc tạo thành bởi hai đoạn thẳng
trị

tưởng tượng nối hạt nhân nguyên tử trung tâm với hai
hạt nhân nguyên tử liên keát.
H
O
0
H

104,50

109 28’

H

C
H

H
H

5


III. 2 . LIÊN KẾT
HÓA Phươ
III. 2 . 1 . TRÒ ng pháp lie â n k e á t c o ä n g
h o ù Notäròd u VB) ơ b a û n :
1 . a i ( ng c
Kh ái niệm về liên kết cộng hóa trị (LKCHT)
 LKCHT trên cơ sở cặp electron góp chung do các nguyên tử
tương tác đóng góp  liên kết 2 electron – 2 tâm

 LKCHT h ìn h t h a ø n h la ø d o s ö ï c h e p h ủ n h a u g i ữa
các AO chứa các electron góp chung của các nguyên tử tham gia
tạo liên kết.
VD: sự che phủ cặp đôi giữa 2 orbitan nguyên tử s và hai orbitan
nguyên tử p

s

s

p

6

p


 Độ bền của LKCHT phụ thuộc vào độ che phủ của các AO,
nghiã là phụ thuộc vào kích thước, hình dạng của AO, hướng
che phủ.
⇔ độ che phủ càng lớn liên kết càng bền và liên kết được tạo
thành khi độ che phủ đạt cực đại.
 LKCHT trong công thức được biểu diễn bằng 2 chấm hay
gạch nối.
VD: liên kết trong phân tử hydro: H : H
hay
H H

7

 Khả năng tạo LKCHT của nguyên tố và tính bão hòa của LKCHT
 Cơ chế và khả năng tạo LKCHT của nguyên tố:
cặp electron góp chung cơ sở của LKCHT
 Cơ chế ghép
đôi:được tạo thành do mỗi nguyên tử tương tác đóng góp 1. Các
electron này là các electron hóa trị độc thân. Liên kết được
hình thành do sự che phủ lẫn nhau giữa 2 AO hóa trị chứa
các electron độc thân này.
VD: H• + H• → H ⋅

• +

• →

⋅

H

• •

và

Cl + Cl → Cl2
Cl

+

Cl →

Cl Cl

 Liêân kết cộng hóa trị hình thành giữa những nguyên
tử giống nhau hay không khác nhau nhiều về độ âm điện.
 Trường hợp cặp electron chung phân bố đều cho cả hai
nguyên tử, ta bảo liên kết cộng hóa trị không phân cực
H H, Cl Cl

8


 Cặp electron chung phân bố lệch về một nguyên tử có
độ âm điện lớn hơn, ta bảo liên kết cộng hóa trị bị
phân cực .
+
δ

δ

HCl

 khả năng tạo LKCHT được quyết định bởi số electron
hóa trị độc thân của nguyên tử của nguyên tố
 Hóa trị của một nguyên tố bằng số electron độc thân của
nguyên tử (ở trạng thái cơ bản hay kích thích)
VD: cấu hình electron của C ở:
 trạng thái bình thường C : 1s2 2s2 2p2 (2px1 2py1 2pz0) . VD: CO
 trạng thái kích thích C*: 1s2 2s1 2p3 (2px1 2py1 2pz1).VD: CH4, CO2
Ở trạng thái kích thích C* có 4 electron độc thân do có thêm 1
electron tách ra từ AO 2s chuyển lên AO 2pz còn tự do

9


 Cơ chế cho
nhận:

Liên kêát phối trí là một loại liên
kết cộng hoá trị trong đó:

+ cặp electron chung do một nguyên tử đóng góp (chất cho)
 cặp electron hóa trị tự do.
+ chất nhận cần có 1 AO hóa trị khơng chứa electron
 AO hóa trị tự do
 Liên kết trong trường hợp này được hình thành do sự che phủ
giữa:  AO chứa cặp electron hóa trị tự do của nguyên tử cho và
 AO hóa trị tự do của nguyên tử nhận.
VD:

••

NH3

H

H
+

H

chất cho chất nhận

NH4

⇔

H

N: + H+
H

H

N

+
H

H

 khả năng tạo LKCHT còn được quyết định bởi cả các AO
hóa trị 2 electron và AO hóa trị tự do.
10


• Tính bão hịa của LKCHT:
 Số LKCHT cực đại của nguyên tố bằng số AO hóa trị của nó.
VD:
 Đ/v các nguyên tố CK II, số AO hóa trị là 4 (một 2s và ba 2p)
 Đ/v các nguyên tố d , số AO hóa trị là 9 (một 2s, ba 2p và năm d)
⇒ số LKCHT cực đại chúng có thể tạo thành là 9.

 Khả năng tạo được số LKCHT có giới hạn của nguyên
tố được gọi là tính bão hịa của LKCHT
⇒ chính tính chất này làm cho các phân tử có thành phần và cấu trúc
xác định.

11


 Tính định hướng của LKCHT và sự lai hóa các AO

 Tính định hướng của LKCHT và cấu hình không gian của phân tử:
Liên kết được tạo thành khi mức độ che phủ của các AO đạt cực
đại. Muốn vậy các AO phải che phủ nhau theo hướng nhất định.
 Điều này dẫn đến liên kết phải được tạo thành theo hướng
nhất định và do đó phân tử tạo thành phải có cấu hình khơng gian
nhất định.
H
1s
VD: phân tử H2Te có cấu hình dạng
∧

góc với góc hóa trị HTeH = 900 là do
2 liên kết H-Te được tạo thành do
sự che phủ của các AO 1s (của H)
với 5p (của Te) dọc theo các trục
tọa độ (hướng che phủ cực đại)

1s

5p

Te

5p

12

H


 Sự lai hóa các AO:
Tuy nhiên trong thực tế có nhiều hợp chất có cấu hình khơng
gian phân tử khơng thể được giải thích bằng sự che phủ
thơng thường của các AO s, p, d , f… tạo nên các liên kết trong
những hợp chất đó.
∧
VD: các hợp chất H2O (dạng góc, HOH= 104,50),
∧
NH3 (dạng tháp tam giác, HNH= 107,30)
∧
CH4 (dạng tứ diện đều, HCH = 109028’)
Để giải thích Pauling và Slater đưa ra thuyết lai hóa các AO:
z
Các nguyên tử khi tương tác với nhau có
thể dùng những AO “trộn lẫn” mới,
được tạo thành do sự tự che phủ nhau
+
giữa các AO s, p, d , f… trong nội bộ
ngun tử của mình (sự lai hóa các AO) để y
che phủ với các AO của nguyên tử khác tạo

Hình dạ13 orbital lai hóa
ng
liên kết.

x


 Sự lai hóa có các đặc điểm sau:

 Orbital lai hóa tạo thành có hình dạng, năng lượng hịan
tịan giống nhau, nhưng khác với các AO tham gia lai hóa.
 Số orbital lai hóa tạo thành bằng số AO tham gia lai hóa và
phân bố rất đối xứng trong khơng gian.
 Có nhiều kiểu lai hóa khác nhau: sp, sp2, sp3, sp3d…
 Điều kiện lai hóa bền:
 các orbital tham gia lai hóa có năng lượng gần nhau,
 mật độ electron lớn,
mức độ che phủ lớn.
14


Xét một số kiểu lai hóa:
• Lai hóa sp: xảy ra do sự che phủ của một orbital s với 1
orbital p và tạo thành 2 orbital lai hóa sp phân bố đối xứng trên
một đường thẳng, nghiã là dưới góc 1800
y

s

sp

•

•

x

p

sp

Sự lai hóa sp

1800

∧
VD: phân tử BeH2 có dạng đường thẳng với góc hóa trị HBeH = 1800.
Cấu hình này được giải thích là do nguyên tử Be trung tâm sử dụng 2
orbital lai hóa sp che phủ với các orbital 1s của 2 nguyên tử H tạo
thành 2 liên kết Be-H
1800

s

sp

sp

•

•

•

H

Be

H

s
H

Be
15

H


C l
3p

Be

sp

sp

C l
3p

Phân BeCl 2 (nguyên beri hóa )
tử
tử
lai
sp

16


•Lai hóa sp2: xảy ra do sự (tự) che phủ của một orbital s
với hai orbital p và tạo thành 3 orbital lai hóa sp2 phân bố
đối xứng trên mặt phẳng theo hướng đến 3 đỉnh của một
tam giác đều, nghiã là dưới góc 1200
p
3p
C l

p

sp2 1200
sp2

C l

B

sp2

3p

p
3p C l
O r b it a l

O r b i ta l

O r b ita l

Phân BCl 3 (nguyên bo hóa 2 ) 1 orbital 2s + 2 orbital 2p = 3 orbital sp2
tử
tử lai
sp

 che phủ với 3 orbital 3p của 3 nguyên tử Cl tạo thành 3 liên kết B  Cl

17


 Lai hóa sp3: xảy ra do sự (tự) che phủ của một orbital s với ba
orbital p và tạo thành 4 orbital lai hóa sp3 phân bố đối xứng trong
không gian theo hướng đến 4 đỉnh của một tứ diện đều, nghiã là
s
dưới những góc 1090 28’.
H

H

s

H

H

sp3
sp3

C

C
sp3
s

H

sp3

H
H
s

H
Chiều dài C-H: 109,3 pm
o

Góc hóa trị H-C-H: 109 28'

Phân tử CH4 (ngun tử C lai hóa sp3)
1AO2s + 3AO2p = 4AOsp3

109,5

Bốn orbital lai hoùa sp

3

⇒ che phủ với 4 AO1s của các nguyên tử
H, tạo thành 4 liên kết C - H

o

Truïc của bốn orbital lai hóa sp

3

18


Giải thích cấu hình khơng gian các phân tử H2O, NH3, CH4:
 Các dạng góc, tháp tam giác, tứ diện đều của chúng được
giải thích bởi trạng thái lai hóa sp3 của các nguyên tử trung
tâm O, N, C ( do các góc hóa trị của chúng bằng hoặc gần
bằng với 109028’):
 các nguyên tử này sử dụng các orbital lai hóa sp3 để che phủ
với các orbital 1s của các nguyên tử H tạo thành các liên kết
trong phân tử.
 Sự sai lệch giữa góc hóa trị của H2O và NH3 được giải thích
bằng lý thuyết đẩy nhau giữa các cặp electron hóa trị của
Gillespie:
các cặp electron hóa trị tự do trong 2 phân tử trên đẩy các cặp

electron liên kết làm cho góc hóa trị hẹp lại
⇔ số cặp electron hóa trị tự do càng nhiều đẩy càng mạnh
19


H
H

N

N
H

H

H

H

Chiều dài N-H: 101,4 pm
Góc hóa trị H-N-H: 107o3

Phân amoniac(nguyên nitơ lai hóa 3)
tử
tử
sp
20


H

O

H

O

H

H

Chiều dài O-H: 95,8 pm
Góc hóa trị H-O-H: 104,5

o

Phân nước
tử
(nguyên oxi lai hóa 3)
tử
sp
21


 Các kiểu LKCHT và LKCHT nhiều tâm:
Có nhiều kiểu LKCHT khác nhau phụ thuộc vào cách che phủ và
tính đối xứng của các AO tham gia che phủ tạo liên kết : σ, π, π
không định chỗ…
 Liên kết σ: được tạo thành khi các AO (s-s, s-p, p-p, s-d, pd, d-d) che phủ dọc theo trục nối hạt nhân nguyên tử
s s

s p
+

d-d

p p
•

 Đây là loại liên kết chính thực hiện giữa 2 nguyên tử,
quyết định cấu hình khơng gian (khung) phân t22
ử.

•


 Liên kết π : được tạo thaønh khi các AO che phủ về 2
bên trục nối hạt nhân (xen phủ bên).

 Đây là loại liên kết phụ bổ sung thêm sau khi hình thành liên
kết chính σ mà các ngun tử tương tác vẫn chưa bão hịa hóa trị,
của :
 hai orbitan p,
 1 orbital p với 1 orbital d.
 hai orbitan d.

a) p–p

b) p–d

c) d–d

23


 Liên kết π không định chỗ (liên kết nhiều tâm):loại liên kết π
nhưng được thực hiện giữa nhiều nguyên tử (từ 3 nguyên tử
trở lên) với số electron tham gia liên kết có thể nhiều hơn 2.
 Đây là loại liên kết phụ bổ sung dùng để giải thích trường
hợp các lk xuất phát từ nguyên tố trung tâm có bậc lẻ bằng
nhau .

• Phân tử C6H6
Trong phân tử C6H6,, các nguyên tử C ở trạng thái lai hóa sp2,
mỗi C dùng 2 trong AO lai hóa sp2 chứa 1 e để che phủ với các
AO lai hóa tương tự của 2 C bên cạnh, tạo thành các lk σ, còn
1AO sp2 còn lại sẽ tạo lk σ với AO hóa trị 1e- 1s của H.
Các lk σ C-C được bổ sung bằng lk π không định chỗ được
tạo thành do sự che phủ đồng thời của 6 AO hóa trị 1e -2pz,
tạo thành lk π khơng định chỗ - lk 6e -6 tâm
24


Liên kết π không định
chỗ

25