LIÊN KẾT HÓA HỌC - CẤU TẠO PHÂN TỬ

LIÊN KẾT HÓA HỌC
LIÊN KẾT HÓA HỌC
CẤU TẠO PHÂN TỬ
2
Năng lượng liên kết của e trong nguyên tử và ion
Năng lượng ion hóa I
Ái lực với điện tử A
Năng lượng liên kết trong phân tử, tinh thể và dung dịch
Năng lượng mạng lưới ion Uion
Năng lượng liên kết cộng hóa trị Echt
Năng lượng liên kết kim loại ΔHa
Năng lượng solvat hóa ion ΔHs
Năng lượng liên kết yếu
Năng lượng liên kết hydro Ehyd
Năng lượng tương tác Van der Waals Uvdv
3
4
Phản ứng hóa học xảy ra do sự phá vỡ liên kết trong các chất tham gia phản ứng và tạo thành liên kết trong các sản phẩm phản ứng
5
Năng lượng ion hóa
Năng lượng ion hóa In [eV] là năng lượng cần cung cấp để tách 1 e ra khỏi nguyên tử ở trạng thái cơ bản và ở thể khí
1 eV = 1.6 . 10-19 J
Ái lực với điện tử
Ái lực đối với electron En [ev] là năng lượng được giải phóng khi kết hợp 1 e vào nguyên tử ở trạng thái cơ bản và ở thể khí
In = f(Z, n, l, A…)
Năng lượng ion hóa đặc trưng cho khả năng nhường e của kim loại (đo tính kim loại của nguyên tố). In càng nhỏ thì nguyên tử càng dễ nhường e
6
ĐỘ ÂM ĐIỆN CỦA NGUYÊN TỐ
ELECTRONEGATIVITY - EN
Đại lượng đặc trưng cho khả năng hút cặp e liên kết về phía mình



Thang Pauling:
Xác định theo năng lượng liên kết
Mang tính so sánh, chọn χF = 4
Không đơn vị
7
8
9
Ứng dụng của độ âm điện
Dự đoán liên kết: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị không cực, liên kết cộng hóa trị có cực
Ảnh hưởng đến độ phân cực liên kết, đặc tính ion của liên kết, góc liên kết
10
11
LIÊN KẾT ION
12
13
One atom loses electron(s) to become a cation.
Another atom gains the electron(s) and becomes an anion.
The opposite charges draw the two ions together like a magnet.
Ionic bond formation involves three steps
Na
Sodium atom
Cl
Chlorine atom
Na+
Sodium ion
Cl–
Chloride ion
Na
Cl
Na
Cl
14
15
ĐẶC ĐIỂM LIÊN KẾT ION
KHÔNG CÓ TÍNH BÃO HÒA
KHÔNG CÓ TÍNH ĐỊNH HƯỚNG
16
Các nguyên tử có xu hướng mất hoặc thu vài e để có cấu hình e bền của nguyên tử khí trơ ngay trước hoặc sau trong bảng tuần hoàn.
Phân tử được tạo thành bởi sự chuyển e hóa trị từ nguyên tử này sang nguyên tử kia.
Nguyên tử mất e biến thành ion dương – cation.
Nguyên tử nhận e biến thành ion âm – anion.
Các ion mang điện tích trái dấu sẽ hút nhau và đi lại gần nhau.
Khi đến gần nhau, xuất hiện lực đẩy bởi tương tác của vỏ e của các ion.
Lực đẩy càng tăng khi các ion càng lại gần nhau và đến lúc cân bằng với lực hút thì các ion dừng lại ở khoảng cách nhất định.
Tương tác giữa các ion trong phân tử là tương tác tĩnh điện
17
Năng lượng mạng lưới ion Uion
1916 – Mô hình nguyên tử của Born được chấp nhận
Walther Kossel (1888-1956) nhà vật lý người Đức đã liên hệ vấn đề liên kết giữa các nguyên tử với cấu hình e của chúng  Hợp chất Ion  kiểu liên kết hóa học trong các hợp chất ion gọi là liên kết ion hay còn gọi là liên kết dị cực
Walther Kossel (1888-1956) was a professor of physics and he is famous for his theory of the chemical bond (Octet Rule) which was also proposed independently by American scientist Gilbert Lewis (1875-1946) at the same time. Walther is a son of Albrecht Kossel (1853-1927) who found a group of physiological compound "Nuclein`. The grave of Albercht and Walther are in the Wald Friedhof, Heidelberg.
18
CHU TRÌNH
BORN-HABER
19
Uion là năng lượng cần thiết để tạo 1 mol hợp chất ion ở thể rắn từ các ion tự do ở trạng thái khí và cơ bản
20
PHƯƠNG TRÌNH BORN-LANDÉ
Z+, Z- – số điện tích của cation và anion mang
e – điện tích của electron, e = -1.602 . 10-19 [C]
R – khoảng cách ngắn nhất giữa cation và anion [m]
N – số Avogadro
α – hằng số Madelung có giá trị phụ thuộc cấu trúc tinh thể
αNaCl (bcc) = 1.7475 αCsCl (fcc) = 1.763
nB – hệ số đẩy Born, giá trị phụ thuộc vào cấu hình e của ion
nB - He, Ne, Ar, Kr, Xe = 5, 7, 9, 10, 12
nB – LiF = 0.5(nB – Li = He + nB – F = Ne) = 0.5(5 + 7) = 6
21
PHƯƠNG TRÌNH BORN-LANDÉ
K = 9.10-19
R = r+ + r- [Å]
22
Phương trình Kapustinskii
n – số ion trong một phân tử
K’ = 1202
23
Tồn tại 1 phần liên kết cộng hóa trị
R < r++r-
 Uion-TN > Uion-LT
24
QUAN HỆ PAULING
1,0 20%
1,5 40%
2,0 60%
2,5 80%
ĐẶC TÍNH ION
25
LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ
26
Năng lượng liên kết
Năng lượng liên kết trung bình
ECHT càng lớn thì liên kết càng bền
Độ dài liên kết càng lớn thì liên kết càng kém bền
Độ bội càng lớn thì LK càng bền
27
1916 Gilbert Newton Lewis (1875-1946) nhà hóa học người Mỹ xuất phát từ chỗ các nguyên tử có xu hướng đạt đến cấu hình e bền của khí trơ nhưng cho rằng liên kết được tạo thành bởi sự cho-nhận của e hóa trị của các nguyên tử tham gia liên kết để tạo thành các cặp e chung giữa hai nguyên tử.

 Liên kết cộng hóa trị hay liên kết nguyên tử
Liên kết không cực: cặp e liên kết chung có mức độ như nhau với từng nguyên tử, Cl2.
Liên kết có cực: cặp e liên kết chung bị dịch về một trong hai nguyên tử, HCl.
Liên kết càng bền thì năng lượng liên kết càng lớn.
Lewis was one of the giants of physical chemistry during the first half of the 20th century. After his Ph.D. with T. W. Richards at Harvard (1899) and brief periods on the faculty there and at MIT he went in 1912 to the University of California, Berkeley where he transformed the chemistry department from one which paid little attention to research to one of the pre-eminent departments in the country. He is most known for his research in thermodynamics (his 1923 book with Randall became the "bible" in the field), his proposal of the shared electron pair bond (summarized in his 1923 book "Valence and the Structure of Atoms and Molecules"), his description of acids and bases as electron-pair acceptors and donors, and for his researches on fluorescence, phosphorescence and theories of color in organic molecules. Lewis was always personally active in the laboratory, and it was while working there that he suddenly died.
28
LEWIS STRUCTURE
Giữa 2 nguyên tử trong phân tử có các gạch liên kết — mỗi gạch tương ứng với 1 cặp e tạo liên kết
Xung quanh các nguyên tử có các điểm ● mỗi điểm tương ứng với 1 e chưa liên kết
Lớp e hóa trị có tối đa 8e (đạt cấu hình e của khí hiếm bền, riêng H có 2e)
Với nguyên tố có AO-d và f, lớp e hóa trị có thể mở rộng vượt quá 8e, PF5, SF6, IF7
Nguyên tử trung tâm có cặp e liên kết bp-bonding pair, và cặp e chưa liên kết lb–lone pair
29
S – tổng số e ghép đôi khi tạo liên kết
N – tổng số e hóa trị cần để tất cả các nguyên tử trong liên có cấu hình khí hiếm bền
A – tổng số e hóa trị của tất cả các nguyên tử trong liên kết
30
31
Covalent Bonds
32
Methane, ball and stick model
Covalent Bonds
33
Phân tử tương tự nhau có năng lượng liên kết khá gần nhau.
Phân tử kim loại kiềm: Echt khá bé, giảm khi Z tăng.
Phân tử halogen: Echt lớn hơn, giảm dần khi Z tăng.
Echt của các nguyên tố đứng cạnh nhau trong chu kỳ chênh lệnh nhau nhiều (N2, O2, F2) do độ bội liên kết khác nhau (p = 3, 2, 1)
34
EC-H trên chỉ là năng lượng trung bình của mội liên kết C-H trong CH4.
Thực tế E cần làm đứt lần lượt từng liên kết C-H trong CH4 là 426, 367, 517 và 334 kJ/mol.
Khi làm đứt từng liên kết trong ABn sẽ làm biến đổi cấu hình e và hạt nhân của hệ  làm biến đổi năng lượng tương tác của các nguyên tử trong phân tử.
CH4 có góc liên kết HCH là 109o28’, khi tách 1 H thành CH3 thì góc HCH là 120o  cấu tạo tứ diện của phân tử CH4 biến thành cấu tạo tam giác của nhóm CH3.
35
H2O: năng lượng cần làm đứt liên kết O-H thứ nhất và thứ hai tương ứng là 493 và 426 kJ/mol, còn năng lượng liên kết O-H trung bình là 460 kJ/mol.
Khi tách H ra khỏi H2O, lai hóa của O không biến đổi do ở trạng thái cơ bản, O có 2 e hóa trị độc thân và 2 e này được dùng để tạo 2 liên kết O-H trong H2O  khi tách H thì trạng thái hóa trị của O biến đổi tương đối ít và quá trình tách này không đòi hỏi một năng lượng kích thích lớn.
HgCl2: năng lượng làm đứt liên kết Hg-Cl lần lượt là 338 và 104 kJ/mol, năng lượng trung bình là 221 kJ/mol. Sự chênh lệch lớn về năng lượng của các liên kết Hg-Cl là do khi đứt liên kết đầu thì trạng thái hóa trị của nguyên tử Hg biến đổi ít, trong khi đứt liên kết Hg-Cl thứ hai đã biến Hg từ trạng thái sp  s2 giải phóng một năng lượng đáng kể bù cho năng lượng cần để làm đứt liên kết.
CO2: năng lượng làm đứt lần lượt các liên kết là 530 và 1070 kJ/mol, trung bình là 802 kJ/mol. Do là khi tách 1 nguyên tử O ra khỏi CO2 đã chuyển liên kết C-O còn lại trong phân tử từ 1 liên kết đôi  1 liên kết ba trong CO.
36
Năng lượng liên kết phụ thuộc vào bậc (độ bội) của liên kết và độ xen phủ của các orbital hóa trị.
Bậc liên kết càng lớn, độ xen phủ các orbital hóa trị càng lớn thì liên kết càng bền  năng lượng liên kết càng lớn.
37
Độ xen phủ của các orbital hóa trị lớn khi:
Miền xen phủ rộng và mật độ e ở miền xen phủ lớn.
Z’ đối với orbital hóa trị lớn.
Số lượng tử chính n nhỏ.
Hiệu năng lượng các orbital hóa trị trong nguyên tử và giữa các nguyên tử tham gia liên kết là nhỏ.
Số nút hàm xuyên tâm của của orbital hóa trị là ít (số nút = n – l -1).
Ở miền xen phủ có nhiều orbital hóa trị tham gia.
38
Bậc liên kết: yếu tố quyết định năng lượng liên kết. Khi bậc liên kết bằng nhau nhưng Echt khác nhau là do độ xen phủ các orbital hóa trị là khác nhau.
Trong 1 chu kỳ: từ trái  phải
Z’ của orbital hóa trị tăng dần  Echt tăng dần.
Enp-Ens giảm dần  Echt giảm dần
ΣEcht là giá trị cạnh tranh giữa 2 xu hướng này.
Trong 1 phân nhóm A: từ trên xuống
Năng lượng các orbital hóa trị cùng dạng tăng dần.
n của orbital hóa trị tăng  số nút hàm xuyên tâm tăng
 Echt giảm dần.
39
F không có orbital hóa trị d
Từ Cl có orbital hóa trị d tham gia liên kết
Z’ đối với các orbital hóa trị tăng dần
Enp-Ens, giảm dần
40
Department of Inorganic Chemistry - HUT
p tính theo phương pháp cặp electron liên kết
p = số cặp electron dùng chung để tạo liên kết giữa chúng
Tổng quát: p tính theo phương pháp cặp e liên kết
sự lai hóa
sự cộng hưởng
41
CẤU TRÚC CỘNG HƯỞNG
RESONANCE STRUCTURE
1,43 Å
1,22 Å
1,29 Å
42
Department of Inorganic Chemistry - HUT
43
44
ĐIỆN TÍCH HÌNH THỨC
FORMAL CHARGES - FC
45
46
7
5
6
2
2
4
4
1
0
47
Lưu ý khi dùng FC
FC chỉ là qui ước, là công cụ ước định cấu trúc Lewis, không phải điện tích thực tại trên nguyên tử
FC cực tiểu (nguyên tố có độ âm điện lớn mang FC âm, sự phân chia điện tích nhỏ …) là cấu trúc hợp lý nhất
48
CẤU TRÚC KHÔNG GIAN
CỦA PHÂN TỬ
49
Sự phân cực của phân tử
Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory (VSEPR) – Thuyết sự đẩy của các cặp e hóa trị
Valence Bond Theory (VB) – Thuyết cộng hóa trị
Hình dạng và liên kết trong phân tử
ĐỘ PHÂN CỰC PHÂN TỬ
51
Cấu trúc không gian
Liên kết
phân cực
Cấu trúc
bất đối xứng
δ+H-Clδ-
52
53
56
μ - mômen lưỡng cực
q – điện tích từng cực [C]
l – khoảng cách giữa các cực [m]
[Cm]  [Debye] = [D]
D = 1/3 . 10-29 Cm
A-B: 100% đặc tính ion
A-B: < 100% đặc tính ion
60
61
Liên kết phân cực ?
Phân tử
phân cực
Liên kết phân cực sắp xếp triệt tiêu ?
Cặp lp ở A ?
Cặp lp ở A
sắp xếp triệt tiêu ?
Phân tử không
phân cực
Y
N
N
N
N
N
Y
Y
Y
63
Valence Shell Electron Pair Repulsion Theory VSEPR
Thuyết sự đẩy của các cặp e hóa trị
65
NỘI DUNG
Các điện tử hóa trị (lp và bp) của nguyên tử trung tâm do tích điện cùng dấu nên đẩy nhau
Các điện tử hóa trị của nguyên tử trung tâm (lb và bp) sẽ sắp xếp sao cho lực đẩy giữa chúng là nhỏ nhất
66
Nguyên tử trung tâm là nguyên tử có liên kết với nhiều nguyên tử khác
Phân tử có thể có nhiều nguyên tử trung tâm
Quanh nguyên tử trung tâm có mật độ điện tử cao
Số vùng có mật độ e cao xung quanh nguyên tử trung tâm là:
Mỗi liên kết của nguyên tử là vùng có mật độ e cao, liên kết có thể là liên kết đơn, đôi và ba
Mỗi cặp e hóa trị lp của nguyên tử trung tâm
67
68
CÔNG THỨC TỔNG QUÁT
CÔNG THỨC GILLESPIC
AXmEn
A – nguyên tử trung tâm
X- nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử phối trí quanh A
E – ký hiệu của lp trên A
q = m + n – số vị trí không gian được chiếm bởi nguyên tử hay lp quanh A
70
n = 0  AXm m = 2, 3, 4, 5, 6
71
72
n ≠ 0  AXmEn
lp/lp >> lp/bp > bp/bp
AX3E1 q = 4
AX2E2 q = 4
AX5, AX4E1, AX3E2, AX2E2 q = 5
73
Công thức Lewis
Tìm nguyên tử trung tâm - A
Đếm số vùng có mật độ e cao của nguyên tử trung tâm
VSEPR:
Sắp xếp các vùng mật độ e cao quanh A
Công thức Lewis: sắp xếp các liên kết quanh A và vị trí các lp quanh các nguyên tử
Điều chỉnh cấu hình phân tử đối với mỗi cặp lp
VB:
Xác định các orbital lai hóa mô tả liên kết
Có nguyên tử trung tâm khác hay không ?
Xác định phân tử có hay không phân cực
Công thức Lewis
0,72 Å
0,37 Å
lp/bp > bp/bp
bp/bp > bp/bp
81
Valence Bond Theory VB
Thuyết cộng hóa trị
82
104,5o
Tháp đôi tam giác
sp3d
?
?
?
900
1800
900
900
1200
1770
101,60
HỢP CHẤT CHỨA LIÊN KẾT ĐÔI
HỢP CHẤT CHỨA LIÊN KẾT BA