Bài giảng chương 2 hóa cơ sở

Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

I.ưMộtưsốưkháiưniệm.
1.ưCácưđặcưtrưngưcơưbảnưcủaưliênưkếtưhoáưhọc
+ưLiênưkếtưhoáưhọc:ưCác nguyên tử tơng tác với nhau để tạo thành phân tử hay tinh thể
nhờ các liên kết hoá học.

+ưNăngưlượngưliênưkết:ưLà năng lợng đợc giải phóng khi hình thành mối liên kết hoá
học giữa các nguyên tử cô lập.
Năng lợng liên kết thờng đợc tính bằng eV/phân tử hoặc kJ/mol.
1eV=1,6.10

-19

.6,022.10

23

-3
.10 kJ/mol.

+ưĐộưdàiưliênưkết: là khoảng cách giữa các hạt nhân của 2 nguyên tử tham gia liên kết.
Độ dài liên kết thờng đợc tính bằng (10

-10
m)

1


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

+ưGócưhoáưtrị:ưGóc tạo bởi 2 mối liên kết của một nguyên tử với 2 nguyên tử khác.

+ưĐộưbộiư(bậc)ưcủaưliênưkết:ưLà số mối liên kết (cộng hoá trị) đợc tạo thành giữa 2
nguyên tử.

O
H

H

VD: Đối với H2O
EO-H ~450kJ/mol

dO-H=0,99 ,

o
Góc HOH là 104,5 .

Chúưý:ưLiên kết càng bền nếu năng lợng liên kết càng lớn và độ dài liên kết càng nhỏ.

2


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

2.ưĐộưâmưđiệnưcủaưnguyênưtố.
Khi tạo thành liên kết các e hoá trị có thể thuộc cả 2 nguyên tử hoặc chuyển hẳn về một
nguyên tử. Đại lợng nào cho phép đánh giá khả năng chiếm e của các nguyên tố?
Có nhiều cách.

Ví dụ, xét
Còn

+
A + B = A + B (1). Ta có biến đổi năng lợng là -E B + IA
+
A + B = A + B (2). Ta có biến đổi năng lợng là -EA + IB

Nếu xảy ra (1) thì -E B + IA < -EA + IB hay EB + IB > EA + IA. Nh xậy, e hoá trị chuyển sang
nguyên tử có I+E lớn hơn.
Đại lợng =(E+I)/2 đợc gọi là độ âm điện của nguyên tố.
Quy c độ âm điện ca nguyên tố F lớn nhất và bằng 4. õm in ca cỏc nguyờn t
khỏc c ghi trong bng 2-1 trang 61

-Nếu > 2 thì cho rằng liên kết ion tạo thành do các e hoá trị hầu nh dịch hẳn về nguyên
tử âm điện hơn.
- Nếu 2 nguyên tố có độ âm điện nh nhau thì liên kết là cộng hoá trị.
3

- Còn nếu 0<<2 thì liên kết là cộng hoá trị phân cực.


Ch­¬ng­2:­Liªn kÕt ho¸ häc vµ cÊu t¹o ph©n tö

3. Liên kết ion

Khi chênh lệch hiệu độ âm điện của hai ntố tham gia lk ∆χ > 2: coi mây electron dùng chung lệch hẳn về phía ngtố có độ âm điện lớn và làm cho ngtử
này trở thành ion âm, nguyên tử còn lại thành ion dương. Hai ntử liên kết với nhau bằng lực hút tĩnh điện giữa hai ion tích điện trái dấu

-Hóa trị của các nguyên tử trong lk ion bằng số e nhường đi hay thu vào

VD: NaCl

Na hóa trị +1, Cl hóa trị -1

-Năng lượng lk ion:

U = Uhút + Uđẩy

2
Trong đó: Uhút = -k.Z1.Z2e /r
2 n
Uđẩy = B.e /r với B là hằng số, n là hệ số đẩy Born có giá trị phụ thuộc vào cấu trúc lớp vỏ e (n = 5,7,9,10 12 đối với các ion có lớp vỏ tương
ứng giống với He, Ne, Ar, Kr)
- Đặc điểm liên kết ion: Không có tính định hướng, không có tính bão hòa

4


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

II.ưLiênưkếtưcộngưhoáưtrị.ưPhươngưphápưcặpưeưliênưkết.
Để giải thích sự tạo thành một số phân tử có thể dùng khái niệm liên kết cộng hoá trị,
nghĩa là liên kết do có sự tạo thành các cặp e chung. Để giải thích cho quá trình này có
thể dùng thuyết liên kết hoá trị (VB) hay phơng pháp cặp e liên kết.
1.ưKếtưquảưbàiưtoánưphânưtửưhyđroưcủaưHeitlerưvàưLondon:

Khi xét 2 nguyên tử H có 1 AO có e độc thân, thấy rằng:
2e cựng spin

-Khi có sự xen phủ 2 orbital có e có spin ngợc chiều nhau

0.74
thì năng lợng của H2 thấp hơn tổng năng lợng của 2 nguyên tử cô lập, nghĩa là liên kết đợc tạo
thành.

2e ngc spin

-Liên kết tạo thành do mật độ mây e ở khu vực giữa 2 hạt nhân tăng lên có tác dụng hút 2 hạt nhân
lại.

5


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

2.ưNộiưdungưcơưbảnưcủaưphươngưphápưcặpưeưliênưkết.

-Liên kết cộng hoá trị đợc hình thành do sự xen phủ của AO của 2 e độc thân có spin
trái dấu.

-Mức độ xen phủ càng lớn thì liên kết càng bền.
- Liờn kt c phõn b theo phng m ti ú xen ph gia cỏc mõy e l ln nht
3.ưHoáưtrịưcủaưnguyênưtố.
Do liên kết cộng hoá trị có tính bão hoà, nên cộng hoá trị của một nguyên tố bằng số e
độc thân có trong nguyên tử.
VD:

H

1
1s có hoá trị 1 He

Li

2 1
1s 2s



có hoá trị 1

Be

2 2
1s 2s



có hoá trị 0

Kích thích

2
1s có hoá trị 0

2 1 1
1s 2s 2p

có hoá trị 2

B

2 2 1
1s 2s 2p

có hoá trị 1 và 3

C

2 2 2
1s 2s 2p

N

2 2 3
1s 2s 2p

có hoá trị 3

O

2 2 4
1s 2s 2p có hoá trị 2

F

2 2 5
1s 2s 2p có hoá trị 1

Ne

2 2 6
1s 2s 2p có hoá trị 0

có hoá trị 2 và 4

6


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

4.ưLiênưkếtưchoưnhận.
+
+
+
Xét phản ứng NH3 + H = NH4 . Liên kết hoá học đợc tạo thành tử cặp e không tham gia
+
liên kết (không phân chia) của NH3 và orbital trống của H :

H

H
H

N:

+

H+

H

H

N

+

H

H

Khi đó, cặp e trở thành chung. Để phân biệt có thể viết liên kết cho nhận dạng mũi tên,
+
hớng từ nguyên tử cho sang nguyên tử nhận: H3NH .
Ngoài ra còn H3BH , O=N=N, C O
Nh vậy, cộng hoá trị hoá trị của nguyên tố còn đợc xác định bởi số orbital trống hoặc
chứa cặp e không phân chia. Cộng hoá trị cực đại bằng số orbital hoá trị có khả năng
tham gia liên kết.

7


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

5.ưTínhưđịnhưhướng.ưCấuưhìnhưhìnhưhọcưcủaưphânưtử.
- Liên kết đợc định hớng sao cho sự xen phủ của các mây là cực đại.

- Đối với xen phủ s-s: H2

- Đối với xen phủ s-p: HF, HCl

đợc phép

không đợc phép

8


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

- Đối với xen phủ p-p: F2, Cl2


-Đối với H2O, H2S: có góc hoá trị là 104,5o và 920 và NH3 có góc hoá trị là 107,30
thì xem các 1s của H xen phủ với cac orbital hoá trị 2p của các nguyên tố dọc theo
trục của chúng, sau đó các vùng xen phủ đẩy nhau. Theo cách này không giải thích
đợc góc hoá trị cho CH4.

9


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

6.ưThuyếtưlaiưhoá.
+ Thuyết lai hoá: CH4 có 1 liên kết s-s, 3 liên kết s-p giống nhau, song thực tế cả 4 liên
kết đều giống nhau, hớng về 4 đỉnh tứ diện đều có tâm là nguyên tử C và tạo với nhau
0
các góc 109,5 .

Theo thuyết lai hoá, khi tạo liên kết các mây 2s và 2p của C đã trộn lẫn với nhau và tạo

thành 4 mây giống q nhau có hình quả tạ lệch, hớng về 4 đỉnh tứ diện đều. Khi tạo liên
kết mức độ xen phủ q-s lớn hơn xen phủ ban đầu, làm liên kết bền hơn.
2s + 2px + 2py + 2pz = 4q
3
Kiểu lai hoá này đợc gọi là lai hoá sp .

3
+
Lai hoá sp có trong rất nhiều phân tử khác, nh NH4 .

10


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

+ Các kiểu lai hoá khác:

-Lai hoá sp: khi có một mây s trộn với 1 mây p, tạo 2 mây q thằng hàng và hớng về 2 phía
đối nhau. VD: BeCl2

-Lai hoá sp2: khi có một mây s trộn với 2 mây p, tạo 3 mây q hớng về 3 đỉnh của tam

giác đều. VD: BCl3,

3
Dạng lai hoá sp có thể áp dụng cả cho các phân tử NH3, H2O... Khi đó các orbital lai hoá
có thể chứa cặp e không phân chia và chúng đẩy các liên kết khép bớt góc lại.
Ngoài ra, các orbital d cũng có thể tham gia lai hoá.
+ Điều kiện lai hoá bền: Các orbital phải có năng lợng gần bằng nhau.
Theo chu kì và nhóm, hiệu năng lợng ns-np thờng tăng nên khả năng lai hoá snp thờng

3
0
giảm dần, dẫn đến góc hoá trị của dạng sp có xu hớng tiến dần đến 90 .

11


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

7.ưLiênưkếtưbội.ưLiênưkếtư,ư.
- Trong các trờng hợp đã xét, giữa 2 nguyên tử có một liên kết, gọi là liên kết đơn.
- Các xen phủ s-s, s-p, p-p có đờng nối 2 hạt nhân là trục đối xứng, đợc gọi là .

-Nếu giữa 2 nguyên tử có thêm liên kết thứ 2 hoặc thứ 3 thì các liên kết này tạo thành do
sự xen phủ của orbital p (hay d) vuông góc với trục nối 2 hạt nhân gọi là liên kết .
Trong phân tử có liên kết đôi: C2H4


Trong phân tử có liên kết ba: N2, C2H2

12


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

8.ưĐộưphânưcựcưcủaưliênưkếtưcôngưhoáưtrị.

-Khi hai nguyên tử trong liên kết giống nhau, e chung phân bố đều giữa 2 nguyên tử,
liên kết không phân cực (điện).
VD: H2, N2, O2.

-Nếu hai nguyên tử trong liên kết có độ âm điện khác nhau thì cặp e chung dịch về
phía nguyên tử âm điện hơn, làm nguyên tử này trội điện âm, còn nguyên tử kia mang
điện dơng. Ta có liên kết phân cực.
VD: H2O, HCl...
Nếu độ chênh lệch độ âm điện >2, cặp e chung hầu nh lệch hoàn toàn về nguyên tử
âm điện hơn và biến nguyên tử này thành ion âm, nguyên tử kia trở thành ion dơng.
Ta có liên kết ion.

13


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

III.ưPhươngưphápưorbitalưphânưtử
Một số hạn chế của phơng pháp cặp e liên kết là không giải thích đợc sự tạo thành
+
ion phân tử H2 hay tính chất từ của O2.

1.ưTưưtưởngưcủaưphươngưphápưMO.
- e chuyển động trong điện trờng do các hạt nhân và e còn lại gây ra.
- Chuyển động của e đợc mô tả bằng hàm sóng đợc gọi là orbital phân tử (MO).

Nh vậy bài toán đợc quy về:
- Xác định các MO bằng cách giải phơng trình Schrodinger.
- Viết cấu hình e cho phân tử.

14

Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

+
2.ưPhânưtửưH2 .
+ Phơng trình Schrodinger có toán tử Hamilton là:
2

= h + 1 ( 1 1 + 1 )
H
4 0
r1 r2 r
8 2 m

phơng trình không giải đợc.

+ Phơng pháp tổ hợp tuyến tính của các orbital nguyên tử: Khi e chuyển động gần hạt
nhân nào thì hàm sóng MO giống với AO của nguyên tử đó nhng phải chịu một nhiễu
loạn của các nguyên tử còn lại, từ đó:
= a 1 1 + a 2 2
2
các hệ số ai là trọng lợng thống kê của i , ai là xác suất để MO đợc mô tả bằng AO.
Nh vậy cần tìm ai.

15


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

2
2

+ Có thể suy luận đơn giản là do 2 hạt nhân giống nhau nên a 1 = a2 hay a1 = a2.
Song để tìm cả năng lợng E cần áp dụng phơng pháp biến phân, nghĩa là cần tìm a để

i
E
=0
Ealài cực tiểu, hay
với
2
2

H

d

a

H

d

+
a
2 H 2 d + 2a 1 a 2 1 H 2 d a 2 + 2a a + a 2
1
1
1
2

1

1 2
2
E=
=
=
2
2
2
a 12 + 2a 1 a 2 S + a 22
a 12 1 d +a 22 2 d + 2a 1 a 2 1 2 d
d
trong đó:

= 1 H 1 d = 2 H 2 d
*

là năng lợng của e trong nguyên tử cô lập,

= 1 H 2 d = 2 H 1 d
*

S = 1 2 d
*

là tích phân cộng hởng,

là tích phân phủ.

16

Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

Từ (u/v)=0 và u/v=E ta có u-Ev=0 nên từ đạo hàm theo a 1 thu đợc
2a1 + 2a2 - E(2a1 + 2a2S)=0
hay

a1(-E) + a2( - ES) = 0

tơng tự

a1( - ES) + a2 (-E) = 0

- Để hệ có nghiệm khác không thì định thức phải bằng 0, thu đợc

E+ =

+
1+ S

E =




1 S

d = ( a 1 1 + a 2 2 ) 2 d = 1

- ứng với E+ có a1 = a22, ứng với E- có a1=-a2.

-Từ điều kiện chuẩn hoá

a1 = 1/ 2

-và nếu bỏ qua S ta có

1/ 2

Nh vậy, thuưđượcưcácưhàmưsóngư + =
- =

(1 + 2) có E+ =+

1/ 2

(1 - 2) có E- =-

17


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

+ MO liên kết và phản liên kết:

Do và S phụ thuộc r giữa 2 hạt nhân nên đối với + ,
khi r giảm, E+ giảm dần, đạt cực tiểu tại r0 và sau đó
tăng nhanh. Khi đó, e trên MO này có vai trò liên kết
2 hạt nhân, + đợc gọi là MO liên kết.

Ngợc lại, - luôn có năng lợng lớn hơn nên gọi
là phản liên kết.
*
Ngời ta kí hiệu + là s, còn - là s .

18


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

*
+ Về hình dáng: s có mật độ e tập trung ở giữa 2 hạt nhân, còn mật độ của s có mật độ ở
giữa 2 hạt nhân bằng không.

Giản đồ:

AO
*
s

MO

AO
-


1s

1s

s

+

+ Nguyên tắc phân bố e trên các MO: giống nh cho nguyên tử nhiều e.
+ 1
H2 :s

H 2 : s

2

2 2
He2: s s (không bền)
N=
+ Bậc (chỉ số, độ bội) của liên kết:

+
2 *1
He2 : s s

1
(n n * )
2

*
n là số e liên kết, n là số e phản liên kết.

19

Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

3.ưMOưcủaưphânưtửưA2.
Xét các phân tử của chu kì 2. Chúng có các AO 1s, 2s và 2p.
+ Nguyên tắc: Các AO có thể tổ hợp với nhau để tạo thành MO khi:
- Có năng lợng gần bằng nhau.
- Có độ xen phủ rõ rệt.
- Có cùng dạng đối xứng đối với trục liên kết.
2px

*
Tạo x, x

2py

*
Tạo y, y

2pz

Tạo p và p

2s

*
Tạo s và s

1s

Không xen phủ

*

20


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

+ Thứ tự năng lợng của MO:
*
*
*
*
-ưVớiưưF2,ưO2ưcóưgiảnưđồưtrên,ưthứưtựưlàư sư<ư s < pư< x,ư yư<ư y ,ư x ư< p .
2+
Một số ví dụ: O2, O2 , O2 , F2, F2 .
2 *2 2
2 2
*1
*1
O2: s s p x y y
x

2 *2 2
2 2
*2
*1
O2 : s s p x y y

x

22 *2 2
2 2
*2
*2
O2 : s s p x y y
x

F2 :

2 *2 2
2 2
*2
*2
s s p x y y
x

+
2 *2 2
2 2
*2
*1
F2 : s s p x y y
x

-ưVớiưnguyênưtốưsauưoxy:ưDoư2sưvàư2pưxenưphủưđượcưvớiưnhauưnênưcóưthứưtự:
*
*
*

*
sư<ư s <ư x,ư yư<ư pư<ư y ,ư x ư< p
Một số ví dụ: N2, N2 , C2, B2, Be2, Li2.
N2 :

2 *2
2 2
2
s s
x y p N2 :

2 *2
2 2
2
*1
s s
x y p y

Be2:

2 *2
s s
(không bền)

2 *2
1 1
s s
x y

C2 :

2 *2
2 2
s s
x y

B2 :

21


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

IV.ưSựưphânưcựcưcủaưphânưtử
1.ưPhânưtửưphânưcựcưvàưkhôngưphânưcực.

-Phân tử không phân cực: Phân tử có hạt nhân và các mây e phân bố đối xứng, trọng tâm
điện tích âm trùng với trọng tâm điện tích dơng.
VD: N2,O2, CO2, H2..
Những phân tử này không có điện trờng

-Phân tử phân cực: Phân tử có hạt nhân và các mây e phân bố không đối xứng, trọng tâm
điện tích âm và dơng không trùng nhau.
VD: H2O, HCl
Các phân tử này có điện trờng, đợc đặc trng bởi momen lỡng cực.

22


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

2.ưMomenưlưỡngưcực.

-Phân tử phân cực đợc xem nh một lỡng cực điện, gồm 2 điện tích điểm trái dấu có trị
số điện tích bằng nhau và cách nhau một khoảng l:


+

l

-

Đại lợng à=ql đợc gọi là momen lỡng cực, đặc trng cho khả năng phân cực của phân
tử. à đợc tính bằng debye, 1D=3,34.10

-30

C.m.

à của phân tử cộng hoá trị thờng là 0-4D, còn phân tử ion có à trong khoảng 4-11D
VD:

HCl 1,04

HI 0,38

H2O 1,86

NH3 1,46

- Momen lỡng cực của liên kết và của phân tử:
Đối với phân tử AB, momen lỡng cực à phát sinh tử sự khác nhau về độ âm điện giữa 2
nguyên tử, ngời ta nói momen lỡng cực của phân tử là momen lỡng cực của liên kết.

23


Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

Nếu cho mỗi liên kết phân cực có một momen lỡng cực riêng thì véc tơ momen lỡng
cực của phân tử nhiều nguyên tử bằng tổng các vectơ momen lỡng cực của các liên kết
và của orbital không phân chia.

VD: NH3, NF3

N

N
F

F
F

H

H
H

24

Chươngư2:ưLiên kết hoá học và cấu tạo phân tử

3.ưSựưphânưcựcưhoáưphânưtửưvàưion.
+ Trong điện trờng ngoài câu trúc của phân tử hay ion có thể bị biến đổi làm thay đổi
phân bố mật độ e và vị trí của hạt nhân, do đó làm thay đổi trị số momen lỡng cực,
gọi là sự phân cực hoá.

+ Đối với các chất không phân cực.

-Trong điện trờng, các hạt nhân bị hút về phía cực cực âm, các mây e bị hút về phía cực
dơng nên trọng tâm điện âm và dơng bị tách ra, làm xuất hiện momen lỡng cực.



+

-

- Hiện tợng này đợc gọi là sự phân cực hoá cảm ứng hay phân cực hoá biến dạng.

25