Khoá luận tốt nghiệp Ứng dụng của thuyết VB trong giải bài tập học sinh giỏi THPT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC s ư PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC

..... BOCữca......

TRỊNH THỊ PHƯỢNG

ỨNG DỤNG THUYẾT VB TRONG
GIẢI BÀI TÂP
HOC
SINH GIỎI THPT
•
•

KHÓA LUẬN
TỐT NGHIỆP
ĐẠI
•
•
• HỌC
•
Chuyên ngành: Hóa YÔ c ơ
Người hướng dẫn khoa học
ThS. HOÀNG QUANG BẮC

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN

Em xin cảm ơn và bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. H oàng Quang

Bắc - người trực tiếp hướng dẫn luôn tận tâm chỉ bảo và định hướng cho em
trong suốt quá trình em làm khóa luận tốt nghiệp.
Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo trong khoa Hóa
học trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, các thầy cô trong tổ Hóa vô cơ, đã tận
tình giúp đỡ chỉ bảo trong suốt thời gian em theo học tại khoa và trong thời
gian em làm khóa luận tốt nghiệp.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng khóa luận không ưánh khỏi những
thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để
khóa luận hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày

tháng 05 năm 2016
Sinh viên

Trịnh Thị Phượng
•

•

•

o


M ỤC LỤC

MỞ Đ Ầ U ...................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tà i.................................................................................................. 1

2. Mục đích nghiên cứ u........................................................................................... 2
3. Nhiệm vụ nghiên cứu........................................................................................... 2
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứ u ..................................................................................... 3
6. Đóng góp của đề tài..............................................................................................3
NỘI DUNG.................................................................................................................. 4
CHUƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................... 4
1.1. Bồi dưỡng HSG hóa học ở trường THPT........................................................4
1.1.1. Bồi dưỡng HSG hóa học ở trường THPT là đào tạo nhân tài cho đất
nước......................................................................................................................4
1.1.2. Một số biện pháp phát hiện học sinh có năng lực trở thành HSG h ó a .... 5
1.1.3. Một số biện pháp cơ bản trong quá trình bồi dưỡng HSG hó a................ 5
1.2. Bài tập hóa học..................................................................................................6
1.2.1. Khái niệm bài tập hóa học......................................................................... 6
1.2.2. Vai trò, mục đích của bài tập hóa học........................................................6
1.2.3. Tác dụng của bài tập hóa học.................................................................... 6
1.2.4. Phân loại câu hỏi, bài tập hóa h ọ c.............................................................7
1.2.5. Cơ sở phân loại câu hỏi, bài tập hóa học dựa vào mức độ nhận thức và tư
d u y ........................................................................................................................ 8
1.3. Tổng quan về thuyết Valence Bond (thuyết VB).......................................... 10
1.3.1. Luận điểm cơ bản của thuyết V B ............................................................ 10
1.3.2. Bài toán phân tử hiđro.............................................................................. 11
1.3.3. Thuyết liên két hóa trị và sự giải thích định tính về liên két..................14

11


CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN........................................................... 22
2.1. Lý thuyết giải các bài tập................................................................................22
2.1.1. Bài tập về dạng hình học phân tử (ion) đơn giản...................................22

2.1.2. Thuyết VB và những bài tập về phức chất............................................. 26
2.2. Xây dựng bảng mô tả yêu cầu cần đạt cho các dạng câu hỏi, bài tập của
thuyết V B ................................................................................................................27
2.3. Một số bài tập..................................................................................................29
2.3.1. Nhận b iết..................................................................................................29
2.3.2. Thông hiểu................................................................................................35
2.3.3. Vận dụng thấp.......................................................................................... 46
2.3.4. Vận dụng cao............................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 71

111


DANH MUC
• CÁC KÍ HIÊU,
• 7 CÁC TỪ VIẾT TẮT

e

Elecưon

HSG

Học sinh giỏi

HSGQG

Học sinh giỏi quốc gia

AO

Obitan nguyên tử

THPT

Trung học phổ thông

VB

Valence bond

IV


D A N H M Ụ C B Ả N G , H ÌN H

Bảng 1.1. Bảng mô tả về các mức độ nhận thức

9

Bảng 2.3. Cấu trúc của một số phân tử, ion theo VSEPR

25

Bảng 2.2. Bảng mô tả các mức yêu cầu cần đạt

28

Hình 1.1. Mô hình phân tử H2

11

Hình 1.2. Đường cong năng lượng theo lời giải phương trình Schrodinger

13

Hình 1.3. Sự xen phủ obitan 1s của nguyên tử H và obitan 3pz của nguyên tử C1

16

Hình 1.4. Sự xen phủ các obitan liên kết trong phân tử H2S

16

Hình 1.5. Sơ đồ biểu diễn quá ữình lai hóa sp

17

Hình 1.6. Mô hình của sự lai hóa sp

18

Hình 1.7. Sơ đồ biểu diễn quá ữình lai hóa sp2

18

Hình 1.8. Mô hình sự lai hóa sp2

19

Hình 1.9. Sơ đồ biểu diễn quá trình lai hóa sp3

19

Hình 1.10. Mô hình sự lai hóa sp3

20

Hình 1.11. Liên kết 71 trong phân tử N2

21

Hình 2.1. Dạng hình học của ion phức [CoF6]3'

41

Hình 2.2. Dạng hình học của ion phức [Co(CN)6]3"

42

Hình 2.3. Cấu tạo vuông phẳng của phức chất [NiSe4]2" và phức [ZnSe4]2"

61

Hình 2.4. Cấu tạo phẳng của phức chất trans-[PtCỈ2(NH3)2]

61

Hình 2.5. Cấu tạo phẳng của phức chất trans-[PtCỈ2(NH3)2 (H20)2]2+

62

Hình 2.6. Phân tử trime (S03)3 và phân tử polime (S03)„

66

Hình 2.7. Dạng hình học của ion ICI4

67

V


M Ở ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong những năm gần đây, nước ta đã và đang tích cực thực hiện nhiệm
vụ đổi mới toàn diện theo hướng công nghiệp hóa - hiện đại hóa gắn liền với
nền kinh tế tri thức. Cương lĩnh xây dựng đất nước thời kỳ quá độ lên chủ
nghĩa xã hội (Bổ sung, phát triển 2011) được thông qua tại Đại hội XI của
Đảng nhấn mạnh: “Giáo dục và đào tạo, khoa học và công nghệ có sức mạnh
nâng cao dân trí, phát triển nguồn nhân lực, bồi dưỡng nhân tài, góp phần
quan trọng phát triển đất nước, xây dựng nền văn hoá và con người Việt
Nam. Phát triển giáo dục và đào tạo cùng với phát triển khoa học và công
nghệ là quốc sách hàng đầu; đầu tư cho giáo dục và đào tạo là đầu tư phát
triển” [5].
Số học sinh đạt giải trong các kì thi quốc gia quốc tế ngày càng tăng.
Đặc biệt kết quả tham dự các kì thi Olympic hóa học quốc tế của đội tuyển
HSG của Việt Nam trong những năm gần đây đã được ghi nhận với nhiều
thành tích đáng tự hào và khích lệ. Olympic lần thứ 37 năm 2005 được tổ
chức tại Đài Loan, đội tuyển nước ta đạt ba huy chương vàng và một huy

chương bạc. Olympic lần thứ 46 năm 2014 tổ chức tại nước ta, đội tuyển nước
nhà giành được hai huy chương vàng và hai huy chương bạc trong đó có một
nữ sinh Việt Nam nằm trong top ba thí sinh có kết quả cao nhất. Olympic lần
thứ 47 năm 2015 tại Azerbaijan, đội tuyển Việt Nam đạt được một huy
chương vàng, hai huy chương bạc và một huy chương đồng [23].
Từ đó có thể thấy ngành giáo dục Việt Nam không chỉ có nhiệm vụ đào
tạo toàn diện cho thế hệ trẻ mà còn phát hiện, bồi dưỡng những học sinh tài
năng đào tạo các em thành những nhà khoa học tài ba trong từng lĩnh vực.
Đây cũng chính là nhiệm vụ cấp thiết trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi.

1


Trên thực tế dạy và học ở các lớp chuyên hóa cũng như việc bồi dưỡng
HSG hóa gặp phải một số khó khăn như: Nội dung chương trình thi Olympic
cho thấy khoảng cách nội dung chương trình và thi Olympic là rất xa, tài liệu
dùng cho việc bồi dưỡng HSG còn hạn chế.
Đồng thời việc nhận thấy thuyết liên kết hóa trị (thuyết Valence Bond,
viết tắt là VB) được sử dụng rất rộng rãi trong các đề thi Olympic cũng như
thi học sinh giỏi cấp tỉnh, cấp quốc gia.
Xuất phát từ những lí do trên chúng tôi đã lựa chọn đề tài “ử n g dụng
của thuyết VB trong giải bài tập học sinh giỏi”. Đề tài này mong muốn sẽ
góp phần vào việc dạy và học ữong quá trình ôn thi HSG hóa.
2. Mục đích nghiền cứu
Xây dựng được hệ thống lý thuyết cũng như hệ thống bài tập liên quan
tới thuyết VB nhằm bồi dưỡng học sinh giỏi giúp các em đạt kết quả tốt trong
học tập cũng như trong các cuộc thi học sinh giỏi cấp tỉnh và cấp quốc gia,
các kì thi Olympic.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu cơ sở lý luận, thực tiễn của đề tài.

- Nghiên cứu và hệ thống lý thuyết của thuyết VB.
- Sưu tầm và phân dạng các bài tập liên quan tới thuyết VB trong các kì thi
học sinh giỏi cấp tỉnh và cấp quốc gia, các kì thi Olympic.
4. Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu
- Lý thuyết thuyết liên kết hóa trị VB
- Các câu hỏi, bài tập và lời giải kèm theo liên quan tới phần kiến thức VB
trong đề thi HSG cấp quốc gia, các đề thi Olympic 30/4.
* Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu trong giới hạn những tài liệu thu thập được.
2


5. Phương pháp nghiền cứu
Trong quá trình nghiên cứu chúng tôi đã sử dụng kết hợp nhiều phương pháp:
+ Nghiên cứu lí luận :
- Nghiên cứu lí luận về mục đích, yêu cầu, biện pháp phát hiện và bồi
dưỡng HSG hóa.
- Nghiên cứu lí luận cách phân dạng, xây dựng bài tập về thuyết VB
dựa trên quan điểm của lí luận về các mức độ nhận thức.
- Nghiên cứu những tài liệu có liên quan đến đề tài như: Sách, báo, tạp
chí, nội dung chương trình, các đề thi học sinh giỏi, đề thi Olympic hóa học.
+ Phương pháp chuyên g ia : Xin ý kiến của các thầy (cô) để hoàn thiện
đề tài này.
6. Đóng góp của đề tài
- Bước đầu đề tài đã góp phần xây dựng được hệ thống lý thuyết, bài
tập liên quan tới thuyết VB tương đối phù hợp với yêu cầu và mục đích bồi
dưỡng học sinh giỏi hóa ở các trường phổ thông.
- Nội dung của đề tài giúp giáo viên có thêm tài liệu phục vụ cho quá
trình giảng dạy lớp chuyên và bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi.

3


NÔI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Bồi dưỡng HSG hóa học ở trường THPT
1.1.1. Bồi dưỡng HSG hóa học ở trường THPT là đào tạo nhân tài cho
đất nước
Phát biểu tại buổi lễ bế mạc Olympic Hóa học quốc tế (IChO) lần thứ
46 năm 2014 được tổ chức tại Việt Nam, Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng khẳng
định: “Hóa học là một trụ cột quan trọng của khoa học cơ bản. Những thành
tựu của khoa học hóa học đã đóng góp to lớn vào sự phát triển chung của
nhân loại. Khoa học hóa học đã có lịch sử phát triển lâu dài với những đóng
góp của nhiều nhà khoa học tài năng, trí tuệ thiên tài, trong đó có nhà bác học
vĩ đại Mendeleev với bảng tuần hoàn hóa học nổi tiếng, tạo nền tảng cho quá
trình phát triển của ngành khoa học hóa học. Nhiều thế hệ các nhà khoa học
hóa học ngày càng đi sâu nghiên cứu và kết hợp với các ngành khoa học khác
phát triển thêm nhiều lĩnh vực khoa học mới, ứng dụng hiệu quả những tiến
bộ của khoa học hóa học vào đời sống con người.
Trong kỷ nguyên khoa học công nghệ phát triển ngày càng mạnh mẽ
ngày nay, sự phát triển của khoa học hóa học sẽ tiếp tục là lĩnh vực khoa học
được quan tâm, thúc đẩy ở cả tầm quốc gia và toàn cầu. Ở Việt Nam, giáo dục
đào tạo và khoa học công nghệ được xác định là quốc sách hàng đầu, Chính
phủ Việt Nam luôn quan tâm phát triển và trọng dụng những tài năng khoa
học công nghệ, trong đó có những tài năng về hóa học” [22].
Do đó, vấn đề bồi dưỡng HSG hóa là rất cần thiết.

4

1.1.2. Một số biện pháp phát hiện học sinh có năng lực trở thành HSG
hóa
- Làm rõ mức độ đầy đủ, chính xác của kiến thức, kĩ năng, kĩ xảo, theo
chuẩn kiến thức, kĩ năng của chương trình và sách giáo khoa. Muốn vậy, phải
kiểm tra học sinh ở nhiều phần của chương trình, về kiến thức lý thuyết, bài tập
và thực hành. Có thể thay đổi một vài phần trong chương trình nhằm mục đích
đo khả năng tiếp thu của mỗi học sinh trong lớp và giảng dạy lý thuyết là một
quá trình trang bị cho học sinh vốn kiến thức tối thiểu trên cơ sở đó mới phát
hiện được năng lực sẵn có của một vài học sinh thông qua câu hỏi củng cố.
- Làm rõ trình độ nhận thức và mức độ tư duy của từng học sinh bằng
nhiều biện pháp và nhiều tình huống về lý thuyết và thực nghiệm để đo mức
độ tư duy của từng học sinh. Đặc biệt là đánh giá khả năng vận dụng kiến
thức một cách linh hoạt, sáng tạo [14].
- Soạn thảo và lựa chọn một số dạng bài tập đáp ứng cả hai yêu cầu trên
đây để phát hiện học sinh có năng lực trở thành HSG hóa.
1.1.3. Một số biện pháp Cff bản trong quá trình bồi dưỡng HSG hóa
- Hình thành cho học sinh một số kiến thức cơ bản, vững vàng, sâu sắc.
Đó là lí thuyết chủ đạo, là các định luật cơ bản, là các quy luật cơ bản của bộ
môn. Hệ thống kiến thức phải phù hợp với logic khoa học, logic nhận thức
đáp ứng sự đòi hỏi phát triển nhận thức một cách hợp lý.
- Rèn luyện cho học sinh vận dụng các lý thuyết chủ đạo, các định luật,
quy luật cơ bản của môn học một cách linh hoạt, sáng tạo trên cơ sở bản chất
hóa học của sự vật, hiện tượng.
- Rèn cho học sinh dựa trên bản chất hóa học kết hợp với kiến thức các
môn học khác chọn hướng giải quyết vấn đề một cách logic gọn gàng.
- Rèn cho học sinh biết phán đoán (quy nạp, diễn dịch,...) một cách độc
đáo, sáng tạo, giúp cho học sinh hoàn thành bài làm nhanh hơn, ngắn gọn hơn.

5


- Hướng dẫn cho học sinh biết cách tự đọc và có kỹ năng đọc sách, tài liệu.
- Người giáo viên bộ môn phải thường xuyên sưu tầm, tích lũy tài liệu
bộ môn, cập nhật hóa tài liệu hướng dẫn học sinh tự học, tự nghiên cứu và
xem đó là biện pháp không thể thiếu được ưong bồi dưỡng HSG [19].
1.2. Bài tập hóa học
1.2.1. Khái niệm bài tập hóa học
Bài tập hóa học là phương tiện để dạy học sinh tập vận dụng kiến thức.
Một trong những tiêu chí đánh giá sự lĩnh hội tri thức hóa học là kỹ năng áp
dụng tri thức để giải quyết các bài tập hóa học chứ không phải là kỹ năng kể
lại các tài liệu đã học. Bài tập hóa học là một trong phương tiện có hiệu quả
để giảng dạy môn hóa, tăng cường và định hướng hoạt động tư duy cho học
sinh [16].
1.2.2. Vai trò, mục đích của bài tập hóa học
Bài tập hóa học vừa là mục tiêu, vừa là mục đích, vừa là nội dung, vừa
là phương pháp dạy học hữu hiệu do vậy cần được quan tâm, chú trọng trong
các bài học [13]. Nó cung cấp cho học sinh không những kiến thức, niềm say
mê bộ môn mà còn giúp học sinh con đường giành lấy kiến thức, bước đệm
cho quá trình nghiên cứu khoa học, hình thành phát triển có hiệu quả trong
hoạt động nhận thức của học sinh.
Bằng hệ thống bài tập sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của học sinh, sự vận
dụng sáng tạo những hiểu biết vào thực tiễn, sẽ là yếu tố cơ bản của quá trình
phát triển xã hội, tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững.
1.2.3. Tác dụng của bài tập hốa học
Việc dạy học không thể thiếu bài tập. Sử dụng bài tập để luyện tập là
một biện pháp hết sức quan trọng để nâng cao chất lượng dạy học.
Bài tập hóa học có ý nghĩa, tác dụng to lớn về nhiều mặt [17].

6


* Ý nghĩa trí dục
- Làm chính xác hóa cũng như đào sâu các khái niệm, định luật đã học.
- Giúp cho học sinh năng động, sáng tạo trong học tập, phát huy năng
lực nhận thức và tư duy, tăng trí thông minh và là phương tiện để người học
vươn tới đỉnh cao tri thức.
- Là con đường nối liền kiến thức thực tế và lý thuyết tạo ra một thể chế
hoàn chỉnh thống nhất biện chứng trong cả quá trình nghiên cứu. Đào sâu mở
rộng sự hiểu biết một cách sinh động, phong phú không làm nặng nề thêm
khối lượng kiến thức cho người học. Chỉ có vận dụng kiến thức vào giải bài
tập người học mới nắm kiến thức sâu sắc.
- Là phương tiện để ôn tập, củng cố, hệ thống hóa, kiểm tra đánh giá
việc nắm bắt kiến thức một cách tốt nhất (chủ động, sáng tạo).
- Tạo điều kiện để phát triển tư duy cho người học, khi giải bài tập bắt
buộc người học phải suy luận, quy nạp, diễn dịch hoặc các thao tác tư duy đều
được vận dụng. Trong thực tế học tập, có những vấn đề buộc người học phải
đào sâu suy nghĩ mới hiểu được trọn vẹn. Thông thường khi giải một bài toán
nên yêu cầu hoặc khuyến khích người học giải bằng nhiều cách, tìm ra cách
giải ngắn nhất, hay nhất.
* Ý nghĩa phát triển
Phát triển ở học sinh các năng lực tư duy logic, biện chứng, khái quát,
độc lập, thông minh và sáng tạo [17].
* Ý nghĩa giáo dục
Rèn luyện đức tính chính xác, kiên nhẫn, ữung thực và lòng say mê
khoa học hóa học. Bài tập thực nghiệm còn có tác dụng rèn luyện văn hóa lao
động [17].
1.2.4. Phân loại câu hỏi, bài tập hóa học
Theo quan niệm thông thường bài tập bao gồm cả câu hỏi và bài toán.

7


Có rất nhiều cách để phân chia các dạng câu hỏi, bài tập. Dựa vào hình
thức và nội dung phân chia bài tập thành:
+ Bài tập định tính: Là các dạng bài tập có liên hệ với sự quan sát để
mô tả, giải thích các hiện tượng hóa học.
+ Bài tập định lượng: Là bài tập cần vận dụng kĩ năng toán học kết hợp
với kĩ năng hóa học (định luật, nguyên lí, quy tắc,...) để giải.
Dựa vào nội dung có thể chia câu hỏi thành:
+ Câu hỏi tái hiện kiến thức: Là dạng câu hỏi người học chỉ cần tái hiện
trình bày lại những nội dung mà mình tiếp thu được.
+ Câu hỏi vận dụng kiến thức: Là dạng câu hỏi mà người học cần phải
nghiên cứu kĩ phần kiến thức cơ sở lý thuyết, từ đó vận dụng linh hoạt trong
nghiên cứu giải quyết bài toán.
+ Câu hỏi suy lí, chứng minh: Là câu hỏi mà người học cần phải nắm
vững lý thuyết, biết vận dụng các nội dung kiến thức có liên quan để giải
quyết bài toán [15].
1.2.5. Cff sở phân loại câu hỏi, bài tập hóa học dựa vào mức độ nhận thức
và tư duy
- Theo thang đo của Bloom việc phân loại mức độ nhận thức có 6 mức
độ là: Biết, hiểu, áp dụng, phân tích, đánh giá, sáng tạo.
- Năm 1980 giáo sư người Ba Lan Boleslaw Niemierko đưa ra thang
đánh giá mức độ của tư duy (Thinking levels) gồm 4 mức độ: Nhận biết,
thông hiểu, vận dụng thấp và vận dụng cao.
Vận dụng các lý thuyết trên vào tình hình thực tế trong dạy và học ở
Việt Nam, tôi thấy trong việc bồi dưỡng HSG có thể phân chia câu hỏi, bài
tập phần thuyết VB theo các mức độ nhận thức, tư duy theo 4 mức độ tương
ứng với 4 dạng câu hỏi, bài tập: Nhận biết, thông hiểu, vận dụng và vận dụng

cao.

8


Bảng 1.1. Bảng mô tả về các mức độ nhận thức
Các mức độ

Mô tả
- Học sinh nhớ được các khái niệm cơ bản, có thể nêu
hoặc nhận ra các khái niệm, nội dung khi được yêu cầu.

Nhận biết

- Hoạt động tương ứng: Nhận dạng, đối chiếu, chỉ ra,...
- Các động từ tương ứng với cấp độ nhận biết là: Nêu,
xác định, liệt kê, đối chiếu hoặc gọi tên, giới thiệu, chỉ
ra...
- Học sinh hiểu các khái niệm cơ bản và có thể vận dụng
chúng khi chúng được thể hiện theo các cách tương tự
như các ví dụ học sinh đã được học.

Thông hiểu

- Các hoạt động tương ứng với cấp độ này: Diễn giải, kể
lại, viết lại, lấy ví dụ theo cách hiểu của mình.
- Các động từ tương ứng với cấp độ thông hiểu: Tóm tắt,
giải thích, mô tả, so sánh (đơn giản), phân biệt, viết lại,
minh họa, chứng tỏ,...
- Học sinh hiểu được khái niệm ở mức độ cao hơn mức

“thông hiểu”. Học sinh có khả năng sử dụng kiến, kĩ
năng đã học trong các tình huống cụ thể, tình huống
tương tự nhưng không hoàn toàn giống với tình huống đã

Vận dụng thấp

được học.
- Các hoạt động tương ứng với mức vận dụng thấp là:
xây dựng mô hình, phỏng vấn, trình bày, áp dụng quy tắc
(định lí, định luật, mệnh đề,...).
- Các động từ tương ứng với cấp độ này: Thực hiện, giải
quyết, tính toán, áp dụng, phân loại, chứng minh.
- Học sinh có khả năng sử dụng các khái niệm cơ bản để

Vận dụng cao

giải quyết một vấn đề mới chưa từng được học hoặc trải
nghiệm trước đây nhưng có thể giải quyết bằng các kĩ
năng và kiến thức đã được học.
9


1.3. Tổng quan về thuyết Valence Bond (thuyết VB)
Thuyết VB được hai nhà hóa học là W.Heitler và London đề xướng
năm 1927. Sau đó được L.Pauling, Slater phát triển thêm và trở thành một
trong số ít thuyết về liên kết hóa học được áp dụng tương đối rộng rãi hiện
nay, đặc biệt là ữong giảng dạy.
Ưu điểm của thuyết này là mô hình tương đối đơn giản, dễ nhớ, dễ vận
dụng, đặc biệt là giải thích thành công các dạng cơ bản của phân tử [18].
1.3.1. Luận điểm cơ bản của thuyết VB

Có thể trình bày một cách khái quát các cơ sở của thuyết VB trong ba
luận điểm sau đây:
1. Một cách gần đúng, coi cấu tạo electron của nguyên tử vẫn được bảo
toàn khi hình thành phân tử từ nguyên tử, nghĩa là trong phân tử vẫn có sự
chuyển động của elecữon trong AO. Tuy nhiên, khi 2 AO hóa trị của 2
nguyên tử xen phủ tạo liên kết hóa học thì vùng xen phủ đó là chung cho cả 2
nguyên tử.
2. Mỗi liên kết hóa học giữa 2 nguyên tử được đảm bảo bởi 2 e spin đối
song mà trong trường hợp chung, trước khi liên kết, mỗi e đó là e độc thân
trong một AO hóa trị của một nguyên tử. Mỗi liên kết hóa học được tạo thành
đó là một liên kết 2 tâm (2 nguyên tử).
Liên kết đó không thể hình thành từ một e (thiếu e) hoặc từ 3 e trở lên
(tính bão hòa của liên kêt cộng hóa trị).
Chẳng hạn, theo thuyết VB này, không thể có hệ ĨỈ2+ (le) hoặc H2’ (3e).
3. Sự xen phủ giữa 2 AO có 2 e của 2 nguyên tử càng mạnh thì liên kết
được tạo ra càng bền (nguyên lí xen phủ cực đại). Liên kết hóa học được phân
bố theo phương có khả năng lớn về sự xen phủ 2 AO (thuyết hóa trị định
hướng).

10


Mỗi luận điểm trên đều có vị trí xác định trong nội dung của thuyết
VB. Tuy nhiên luận điểm 2 được coi là luận điểm chủ đạo. Do đó, thuyết VB
còn gọi là thuyết cặp e [18].
1.3.2. Bài toán phân tử hiđro
Theo quan điểm Hehler- London của xuất phát từ hàm sóng đơn điện tử
để xác định hàm sóng gần đúng của phân tử. Ở trạng thái cơ bản mỗi nguyên
tử có một điện tử trên obitan ls.
* Mô hình của hệ :

Hệ gồm 2 nguyên tử H, mỗi nguyên tử có
1 hạt nhân, le.
Kí hiệu:
Hạt nhân là a, b.
Điện tử của nguyên tử a gọi là điện tử ei
Điện tử của nguyên tử b gọi là điện tử
Hình 1.1. Mô hình rphân tử Ho

„
R:
Khoang cách 2 hạt nhân

X\2’. Khoảng cách 2 electron
ria: Khoảng cách từ hạt nhân a đến ei

* Toán tử Hamilton.
Dùng hệ đơn vị nguyên tử ta có biểu thức của H như sau:
*

1

2

1

H = --V ¡--V
2

2

1

2
2

—

1

1

1

-------------- -------------------------- —

ria

rib

r2a

1 1
+

r2b

—

rn

+

—

R

Trong đó:
2 số hạng đầu là động năng của 2e.
4 số hạng tiếp theo là 4 thế năng hút giữa hạt nhân với elecữon.
1
— là sô hạng đây của thê năng tương tác giữa 2e.
ri2

11


Ị
f
1
r
— là sô hạng đây thê năng tương tác 2 hạt nhân.
R
Đối với phân tử H2 phương trình Schrodinger có dạng:

A

A

A

Với H = T + U = -

h2
,2 V2 + é 2
Ĩ
V1R
8mn
8mn
ỈỊ

1

1

1

1

n

rn

ria

ru,

r2a

r2b y

Phương trình này không giải được chính xác nên Heitler và London đã
xác định hàm sóng y/ và năng lượng E của hệ 2 điện tử bằng phương pháp
gân đúng.
Trong phương pháp gần đúng, Heitler và London thừa nhận ữong phân
tử H2 vẫn còn tồn tại những obitan nguyên tử và xuất phát từ cấu hình Sa1 và
Sb2 nghĩa là coi mỗi obitan s của nguyên tử Ha và Hb có một điện tử.
Vì các điện tử được coi là chuyển động độc lập với nhau nên hàm sóng
của hệ có dạng:

A = Va (j)-¥b ( 2 )
<f>2=V'a(2 )-Vb (ì)
Nếu quy ước AO viết trước tương ứng với ei, tiếp theo là e2. Viết gọn
là:
A

= ¥ a ¥ b

* Từ phương trình Schrodinger ta ra được hệ thức tính năng lượng E

của hê lương tử từ hàm sóng này:

ịự ầ y /d T
E - — —-----\v đ .

12


e2
- —

ral

e2

e2

e2

rn

R

—

rbl

Nếu năng lượng E trong phân tử H2 theo hệ thức trên với những hàm
y/+ và \ự_ thu được đối với những giá trị của R (khoảng cách hai hạt nhân)
khác nhau ta sẽ thu được hai đường biểu diễn được ưình bày trong hình 1.2

0

0,6 ]ĩ2 ] s8 2,4 3,2

R { A°)

H ình 1.2. Đ ường cong năng lượng theo lởi giải của phưcm g trình
Schrodinger
Đối với trường hợp 2 elecữon có spin đối song: Khi hai nguyên tử H

tiến lại gần nhau thì cố sự giảm năng lượng.
Đối với trường hợp 2 electron có spin song song: Khi hai nguyên tử H
tiến lại gàn nhau, năng lượng của hệ tăng liên tục.
N hư vậy:
Từ 2 AO có electron Heitler- London đã lập thành hàm sóng chung và
từ đó tính năng lượng của cặp e hóa trị đó.
Khi 2 electton có spin đối song 2 nguyên tử tiến lại gần nhau, có sự
giảm năng lượng dần đến bền vững hóa hệ thống (tức là phân tử H2 được hình
thành).

13


Sự giảm năng lượng của hệ thống được giải thích bằng sự tăng mật độ
xác suất có mặt e ở khoảng giữa hai hạt nhân. Ngoài lực đẩy của hạt nhân
khác mỗi proton còn chịu lực hút tổng hợp của các e hướng về tâm phân tử. Ở
khoảng cách trên, hai lực này cân bằng nhau. Từ đó, ta thấy liên kết hóa học
có nguồn gốc tĩnh điện [7].
Phương pháp Heitler - London cũng giải thích được tính bão hòa hóa
trị của liên kết.
Phương pháp Heitler - London chỉ cho kết quả định tính nên ta chỉ áp
dụng cho việc giải thích định tính về liên kết.
1.3.3. Thuyết liên kết hóa trị và sự giải thích định tính về liên kết
Phương pháp Heitler - London khảo sát về phân tử H2 đã được phát
triển và mở rộng thành phương pháp liên kết hóa trị áp dụng cho mỗi phân tử
hay còn gọi là phương pháp VB.
1.3.3.1. Thuyết VB về hóa trị các nguyên tố
Trong bài toán về phân tử H2, Heitler - London đã chứng minh được là
hai e chung ưong phân tử H2 phải có spin đối song. Điều đó có nghĩa là liên kết
chỉ được hình thành khi hai e của hai nguyên tử xuất phát có spin định hướng

ngược chiều nhau. Heitler - London cũng chứng minh được sự kết hợp thêm
nguyên tử H thứ ba vào phân tử H2 là không thể xảy ra và từ đó đã giải thích
được đặc tính quan trọng của liên kết cộng hóa trị là tính bão hòa.
Kết quả đã được mở rộng cho các phân tử khác. Trên cơ sở mô hình liên
kết hai tâm hai e, mỗi liên kết cộng hóa trị giữa hai nguyên tử trong phân tử
được tạo thành từ sự ghép hai e thuộc hai nguyên tử có spin đối song. Vì vậy,
một nguyên tử A nếu có n electron độc thân thì nó có khả năng kết hợp với n
nguyên tử hiđro hay n nguyên tử bất kỳ có một elecữon chưa ghép đôi. Điều
đó có nghĩa là hóa trị của một nguyên tố thì do số e độc thân của nguyên tử
thuộc nguyên tố đó quyết định. Vì vậy theo thuyết VB, hóa trị của một
nguyên tố bằng số electron chưa ghép đôi có trong nguyên tử.
14


Ví dụ: Xét nguyên tử c (Z = 6)
Cấu hình e: ls 2 2s2 2p2.
Trạng thái cơ bản:

1 TT

Có 2 e độc thân, nguyên tố c có hóa trị 2, thể hiện trong hợp chât c o .
Trạng thái kích thích:

Có 4 e độc thân, nguyên tố c có hóa trị 4, thể hiện trong nhiều hợp chất như
c o 2, c h 4, C2H2, ...
I.3.3.2. Nguyên lý xen phủ cực đại và tính định hướng hóa trị
Trong việc khảo sát định tính về liên kết, có thể coi mức độ xen phủ
các obitan đặc trưng cho độ bền của liên kết.
Theo nguyên lý xen phủ cực đại thì liên kết sẽ được phân bố theo
phương nào mà mức độ xen phủ các obỉtan liên kết có giá trị lớn nhất.

Tương tự như phân tử H2, đối với phân tử được tạo bởi hai nguyên tử
của cùng một nguyên tố khác như phân tử N2, với sự thừa nhận mô hình hóa
trị định cư, xuất phát từ sự ghép đôi các điện tử độc thân: 2pza - 2pzb, 2pxa 2pxb, 2pya - 2pyb; sự liên kết trong phân tử được mô tả bằng sự xen phủ các
cặp obitan trên và phân tử N2 được biểu diễn bằng công thức :

N =

N

Trong phân tử được tạo bởi 2 nguyên tử của 2 nguyên tố khác nhau như
phân tử HC1 sự liên kết được mô tả bằng sự xen phủ các obitan hóa trị của hai
nguyên tử với một điện tử độc thân. Trên cơ sở đó phân tử HC1 được biểu
diễn bằng công thức: H—Cl.

15


Cl

H

H ình 1.3. S ự xen p h ủ các obỉtan Is của nguyên tử H và obỉtan 3pz của
nguyên tử Cl
Đối với phân tử nhiều nguyên tử các góc liên kết trong phân tử có
những giá trị xác định. Đặc tính này được gọi là tỉnh định hướng hóa trị. Tính
định hướng hóa trị được giải thích trên cơ sở của nguyên lý xen phủ cực đại.
Ví dụ: Xét trường hợp H 2S
Sự liên kết ở đây được hình thành từ sự xen phủ các obitan: 3pxs - lsiia,
3pys - lsiib- Vì các AO-p của nguyên tử

s vuông góc với nhau và theo nguyên

lý xen phủ cực đại, hạt nhân của các nguyên tử H phải nằm ữên trục của các
AO-p của nguyên tử

s nên nếu không có ảnh hưởng của các yếu tố phụ khác

thì góc liên kết HSH bằng 90°.

H ình 1.4. S ự xen p h ủ các obỉtan liên kết trong phân tử H 2S
Tuy nhiên, hai vùng này có mật độ e cao ở cạnh nhau sẽ có sự đẩy
nhau. Sự đẩy này làm cho góc HSH nở rộng ra và kết quả nở rộng ra 2° và
thực nghiệm đo được góc HSH bằng 92°

16


1.3.3.3. Thuyết lai hóa
Khái niệm lai hóa được Pauling đưa ra trong khuôn khổ của thuyết VB.
Lai hóa là sự tổ hợp tuyến tính các AO hóa trị của nguyên chất (thuần khiết)
chỉ có số lượng tử 1 khác nhau của cùng một nguyên tử tạo ra các AO mới có
cùng năng lượng [18].
* Đặc điểm:
+ Điều kiện để các AO hóa trị tham gia lai hóa là phải có năng lượng
gần bằng nhau.
+ Số AO lai hóa thu được bằng tổng số các AO tham gia tổ hợp tuyến tính.
+ Các AO lai hóa là các AO suy biến, nghĩa là các AO có cùng mức
năng lượng.
+ Đặc điểm của AO lai hóa là có một đầu nở rộng còn đầu kia bị thu hẹp.
Ta thường có một số dạng lai hóa thường gặp sau:

(Xét hợp chất của các nguyên tố chu kì 2)
* Lai hóa sp (lai hóa thẳng).
Lai hóa sp là lai hóa trong đó 1 AO-S tổ hợp tuyến tính với 1 AO-p tạo
ra 2 AO lai hóa sp.
Ạ

Năng
lượng

p

[t
s
Cơ bản

Kích thích

Lai hóa

Hình 1.5. Sơ đồ biểu diễn quá trình lai hóa sp
Tổng quát: 1 AO-S + 1 AO-p = 2 AO-sp.

17


Trục của hai AO lai hóa nằm trên một đường thẳng nên gọi là lai hóa
thẳng.

H ình 1.6. M ô hình của sự lai hóa sp
* Lai hóa sp2 (lai hóa tam giác).

Lai hóa sp2 là lai hóa trong đó 1 AO-S tổ hợp tuyến tính với 2 AO-p tạo
thành 3 AO lai hóa sp2.
Ạ

Năng
lượng

_

1 1 1

p

GÚ
s
Cơ bản

m
Kích thích

Lai hóa

H ình 1.7. S ơ đồ biểu diễn quá trình lai hóa sp2
Tổng quát: 1 AO-S + 2 AO-p = 3 AO-sp2.

18


Ba AO lai hóa sp2 này cùng nằm trên một mặt phẳng hợp với nhau một
góc 120° và hướng về 3 đỉnh của một tam giác đều. Do đó, lai hóa này còn gọi

là lai hóa tam giác.

H ình 1.8. M ô hình sự lai hóa sp2
* Lai hóa sp3 (lai hóa tứ diện).
Lai hóa sp3 là lai hóa trong đó 1 AO-S tổ hợp tuyến tính với 3 AO-p tạo
thành 4 AO lai hóa sp3.
A

Năng
lượng

---------------

rT T T T T n

p

s
Cơ bản

Kích thích

Lai hóa

H ình 1.9. S ơ đồ biểu diễn quá trình lai hóa sp3
Tổng quát: 1 AO-S + 3 AO-p = 4 AO-sp3.

19