Tài liệu Giảng dạy một số nội dung liên kết hóa học ở trường thpt

1 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Trang Mục lục: ..................................................................................................................... 1 Danh mục các cụm từ viết tắt: .................................................................................... 4 PHẦN I: MỞ ðẦU 1. Lí do chọn ñề tài:.................................................................................................... 5 2. Mục tiêu nghiên cứu: .............................................................................................. 5 3. Nhiệm vụ nghiên cứu: ............................................................................................ 6 4. Các phương pháp nghiên cứu: ................................................................................ 6 5. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu:.......................................................................... 6 PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC – CẤU TRÚC HÌNH HỌC PHÂN TỬ 1.1. Các ñặc trưng cơ bản của liên kết hoá học: .......................................................... 7 1.1.1. Khái niệm liên kết:...................................................................................... 7 1.1.2. Năng lượng liên kết:.................................................................................... 8 1.1.3. ðộ dài liên kết:............................................................................................ 9 1.1.4. Góc liên kết:................................................................................................ 9 1.2. Liên kết cộng hoá trị:......................................................................................... 10 1.3. Thuyết VB và sự giải thích các vấn ñề về liên kết:............................................. 10 1.3.1. Cơ sở lý thuyết:........................................................................................ 11 1.3.2. Sự tạo thành phân tử H2 từ hai nguyên tử H: ............................................. 11 1.3.3. Nôi dung cơ bản của thuyết VB: ............................................................... 12 1.3.3.1. Nguyên lí xen phủ cực ñại:............................................................ 13 1.3.3.2. Tính bão hoà của liên kết cộng hoá trị: .......................................... 13 1.3.3.3. Tính ñịnh hướng của liên kết cộng hoá trị: .................................... 14 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 2 1.3.3.4. Thuyết lai hoá các orbitan nguyên tử: ............................................ 15 1.4. Mô hình sự ñẩy cặp electron vỏ hoá trị (thuyết VSEPR): ................................... 19 1.4.1. Các luận ñiểm cơ sở:................................................................................. 19 1.4.2. Mô hình VSEPR (qui tắc kinh nghiệm Gilexpi): ....................................... 20 1.4.2.1. Phân tử có dạng AXn: .................................................................... 21 1.4.2.2. Phân tử có dạng AXnEm:................................................................ 22 Chương 2: GIẢNG DẠY NỘI DUNG LIÊN KẾT Ở TRƯỜNG THPT 2.1. Một số nội dung về liên kết hoá học ở chương 3 SGK hoá học 10 nâng cao: ..... 26 2.2. Một số nội dung về liên kết hoá học trong các bài của SGK hoá học 10, 11:...... 28 2.2.1. Chương trình SGK hoá học 10 nâng cao: ................................................ 28 2.2.2. Chương trình SGK hoá học 11 nâng cao: ................................................ 28 2.3. Một số khái niệm: .............................................................................................. 28 2.3.1. Quy tắc octet (quy tắc bát tử): ................................................................. 28 2.3.2. Liên kết cộng hóa trị: .............................................................................. 28 2.3.3. Công thức cấu tạo Lewis (sơ ñồ Lewis):.................................................. 29 2.3.3.1. Nội dung và phạm vi áp dụng của công thức: ............................ 30 2.3.3.2. Ưu, khuyết ñiểm của công thức phân tử theo Lewis:.................. 30 2.3.3.3. Thành lập công thức cấu tạo Lewis của các chất:....................... 32 2.3.3.4. Các bước viết công thức cấu tạo Lewis:..................................... 33 2.4. Khảo sát hình học phân tử một số hợp chất cộng hoá trị: ................................... 37 2.5. Lai hoá AO nguyên tử: ...................................................................................... 40 2.5.1. Lai hoá sp3: .............................................................................................. 40 2.5.2. Lai hoá sp2: .............................................................................................. 42 2.5.3. Lai hoá sp: ............................................................................................... 43 2.6. Mối liên hệ giữa công thức Lewis – VSEPR – Lai hoá AO:............................... 44 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 3 Chương 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ BAN ðẦU 3.1. Kết quả khảo sát: ............................................................................................... 46 3.1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của việc khảo sát: ................................................ 46 3.1.2. Kế hoạch khảo sát: ................................................................................. 46 3.1.3. Thống kê số liệu:................................................................................... 46 3.1.4. ðồ thị:.................................................................................................... 48 3.1.5. Nhận xét: ............................................................................................... 49 3.2. Một số giáo án giảng dạy nội dung “liên kết hóa học”: ...................................... 50 PHẦN III: KẾT LUẬN 1. Kết luận chung: .................................................................................................... 64 2. Ý kiến ñề xuất: ..................................................................................................... 64 2.1. ðối với sinh viên trường sư phạm:..................................................................... 64 2.2. ðối với giáo viên trường THPT: ........................................................................ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO: ....................................................................................... 65 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Mẫu phiếu phỏng vấn giáo viên về thực trạng dạy và học nội dung “liên kết hoá học “ ở trường THPT. Phụ lục 2: ðề kiểm tra 10 phút dạng bài tập trắc nghiệm khách quan về “liên kết hoá học” cho học sinh lớp 10 nâng cao. Phụ lục 3: Mẫu phiếu học tập bài 17 “Liên kết cộng hóa trị” Phụ lục 4: Hệ thống một số bài tập trắc nghiệm hoàn thiện kiến thức “liên kết hoá học – cấu tạo phân tử” PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 4 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT 1. CHLT: Cơ học lượng tử 2. GV: Giáo viên 3. HS: Học sinh 4. THPT: Trung học phổ thông 5. SGK: Sách giáo khoa PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 5 PHẦN I: MỞ ðẦU 1. Lí do chọn ñề tài Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của các ngành khoa học, hoá học nói riêng ñã bước sang một trang mới, có rất nhiều các thành tựu toán học, vật lý, triết học… ñã ñược vận dụng vào trong hoá học giúp hiểu sâu sắc hơn về bản chất của hoá học cũng như ñưa ra các ñịnh luật mới về hoá học. Do ñó việc nhận thức một cách ñúng ñắn và ñầy ñủ các thành tựu khoa học hoá học là một ñiều rất quan trọng. ðối tượng của hoá học là chất, liên kết giữa các nguyên tử, phân tử, do ñó vấn ñề về bản chất liên kết của các chất, cấu tạo phân tử… ñã ñược nghiên cứu từ rất lâu. Tuy nhiên, kết quả ñạt ñược vẫn còn rất hạn chế. Bước ngoặc lớn nhất làm thay ñổi diện mạo của khoa học nói chung và hoá học nói riêng là khi vận dụng CHLT vào hoá học, dưới ánh sáng của khoa học hiện ñại ñã xuất hiện nên những lí thuyết mới giải thích một cách tương ñối thỏa ñáng các vấn ñề hoá học. Từ những luận ñiểm trên ta thấy rằng việc giảng dạy nội dung liên kết hóa học là vô cùng quan trọng. Tuy nhiên, thực trạng hiện nay GV phổ thông cũng như sinh viên sư phạm nói riêng vẫn còn mơ hồ về các lí thuyết liên kết, về ý nghĩa thực tiễn và vai trò của nó trong việc giảng dạy, do ñó một bộ phận không nhỏ GV ñứng lớp dạy các bài liên quan ñến vấn ñề liên kết hoá học vẫn giải thích cho HS một cách chung chung, không hiểu rõ nguồn gốc, bản chất của vấn ñề từ ñó làm cho HS cảm thấy bài học rời rạc không liên tục thống nhất, không biết học phần này ứng dụng ñể làm gì… Xuất phát từ những lí do trên, tôi ñã quyết ñịnh chọn ñề tài “Giảng dạy một số nội dung liên kết hóa học ở trường THPT” làm ñề tài khóa luận tốt nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu Hệ thống một số cơ sở lí thuyết về liên kết hoá học, cấu tạo phân tử của các hợp chất trong chương trình hoá học 10, 11 ( SGK nâng cao). Rèn luyện cho học sinh kĩ năng giải thích ñúng bản chất liên kết hoá học, hình học phân tử một số chất. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 6 Cung cấp tư liệu cho giáo viên dùng ñể tham khảo, hỗ trợ việc giảng dạy các bài, các mục có liên quan ñến việc giải thích sự hình thành liên kết và dạng hình học phân tử của một số chất. Khảo sát thực tế HS về khả năng vận dụng kiến thức giải thích liên kết hoá học, hình học phân tử. Tham khảo ý kiến của GV về việc giảng dạy nội dung này ở trường THPT hiện nay. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu, hệ thống cơ sở các lí thuyết về liên kết hóa học - Nghiên cứu chương trình SGK hoá học 10,11, tài liệu giáo khoa chuyên hoá học. - Khảo sát thực tế GV và HS ở trường THPT TP Cao Lãnh về thực trạng dạy và học nội dung “liên kết hoá học của các hợp chất cộng hoá trị”. - Vận dụng hệ thống các lí thuyết liên kết vào việc giảng dạy các bài, mục trong chương trình hoá học ở trường THPT. - Tiến hành khảo sát sư phạm, ñánh giá một số kết quả ban ñầu. 4. Các phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu các tài liệu lí luận như: Nghiên cứu SGK hoá học 10, 11 và các tài liệu tham khảo. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Tham khảo ý kiến GV và khảo sát HS các lớp khối 10. Một số phương pháp khác: Test, thống kê toán học, nhận xét ñánh giá. 5. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống cơ sở lí thuyết và một số dạng bài tập về nội dung liên kết hoá học và hình học phân tử các hợp chất cộng hoá trị. Trọng tâm của ñề tài là giải thích sự hình thành liên kết và dạng hình học phân tử của các hợp chất cộng hoá trị. Tiến hành tham khảo ý kiến giáo viên và khảo sát học sinh ở trường THPT TP Cao Lãnh, chưa thực hiện ñược trên diện rộng hơn. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 7 PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT HOÁ HỌC – CẤU TRÚC HÌNH HỌC PHÂN TỬ 1.1. Các ñặc trưng cơ bản của liên kết hoá học 1.1.1. Khái niệm liên kết Khái niệm liên kết hoá học ñã ñược hình thành từ lí thuyết cấu tạo kinh ñiển. ðối với phân tử, khái niệm này luôn luôn gắn liền với sự tương tác chỉ giữa 2 nguyên tử xác ñịnh trong phân tử. Theo lí thuyết hiện ñại thì sự hình thành phân tử xuất hiện do tác dụng tương hỗ của tất cả các hạt nhân và các electron của các nguyên tử tham gia tạo thành phân tử, tác dụng tương hỗ này dẫn ñến sự hình thành một cấu trúc mới vững bền với một năng lượng cực tiểu. Vì phân tử là một hệ thống nhất nên về nguyên tắc người ta không thể cô lập hoàn toàn một tương tác nào ñó trong phân tử ra khỏi các tương tác khác. Tuy nhiên, vì phân tử là một hệ phức tạp nên trong việc mô tả ñịnh tính về phân tử, ñối với những trường hợp ñược phép (chủ yếu là các liên kết xích ma ( σ ) và các liên kết ( π ) cô lập) người ta cũng nói ñến mô hình liên kết ñịnh cư hai tâm ứng với quan niệm kinh ñiển về liên kết (ñối với những trường hợp ñặc biệt ñã nói ở trên, lí thuyết kinh ñiển gặp khó khăn không giải quyết nổi thì người ta sử dụng mô hình liên kết không ñịnh cư nhiều tâm gần với nguyên tắc của CHLT) ðối với một số tính chất của phân tử người ta có thể coi tính chất của phân tử bằng tổng tính chất của các nguyên tử (hay) của các liên kết có trong phân tử. Người ta gọi ñó là nguyên lí cộng tính. Nguyên lí cộng tính như vậy ñã chấp nhận tính ñộc lập của các liên kết riêng rẽ trong phân tử. Nguyên lí cộng tính do ñó chỉ có tính gần ñúng và tính hạn chế của nguyên lí này thể hiện rất rõ khi ñược áp dụng ñể xác ñịnh các tính chất của hệ có liên kết không ñịnh cư (cụ thể hoá trong bài toán tính năng lượng liên kết của phân tử benzene, ñề cặp trong mục tiếp theo). PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 8 1.1.2. Năng lượng liên kết (E) Liên kết ñược ñặc trưng bởi ñộ bền hay năng lượng liên kết. Quá trình hình thành phân tử từ các nguyên tử luôn luôn gắn liền với sự giải phóng năng lượng (thường tính với dấu trừ). Năng lượng này ñược gọi là năng lượng hình thành phân tử. Ngược lại, sự phá vỡ phân tử thành những nguyên tử riêng rẽ luôn luôn gắn liền với sự thu nhận năng lượng (thường tính với dấu +). Năng lượng này ñược gọi là năng lượng nguyên tử hoá phân tử Ví dụ: Hình thành phân tử C + 4H CH4 Nguyên tử hoá phân tử Về trị số tuyệt ñối, năng lượng nguyên tử hoá bằng năng lượng hình thành phân tử. Năng lượng cần thiết ñể phá vỡ liên kết A – B ñược gọi là năng lượng phân li liên kết A – B. Về trị số tuyệt ñối, năng lượng này chính là năng lượng hình thành liên kết A – B. Từ sự tổng hợp các dữ liệu thực nghiệm người ta xác ñịnh một giá trị trung bình về năng lượng phân li liên kết cho mỗi loại liên kết A – B xác ñịnh và thường gọi là năng lượng liên kết A - B (ñối với các phân tử nhiều nguyên tử) Bảng 1.1. Năng lượng liên kết (kJ/mol) Liên kết A – B Năng lượng liên kết Liên kết A – B Năng lượng liên kết C–H 418,4 C–F 439,3 C–C 343,4 C – Cl 328,5 C=C 597,7 C – Br 276,1 C≡C 811,7 N–H 389,1 C–O 351,1 N–N 159,0 C=O 761,5 N≡N 418,4 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 9 Từ bảng trên ta thấy năng lượng liên kết giữa hai nguyên tử xác ñịnh tăng cùng bậc liên kết (ñơn, ñôi, ba) Thí dụ: Khi ta tính năng lượng nguyên tử hoá của benzen dựa vào công thức kinh ñiển: E A = 3EC −C + 3EC =C + 6 EC − H = 3.343,4 + 3.597,7 + 6.418,4 = 5333,7kJ / mol Ta thấy giá trị ở trên sai lệch nhiều so với giá trị thực tế (EA = 5497 kJ/mol) ∆E = E A' − E A = 5497 − 5333,7 = 163,3kJ / mol ðiều ñó chứng tỏ công thức kinh ñiển không phản ánh ñúng cấu tạo thực của benzen và việc áp dụng nguyên lí cộng tính dựa trên mô hình về liên kết ñịnh cư kinh ñiển cho một kết quả sai lệch quá lớn. 1.1.3. ðộ dài liên kết: Khoảng cách giữa hai tâm (hai hạt nhân) của hai nguyên tử tham gia liên kết trực tiếp với nhau (theo công thức cấu tạo kinh ñiển) ñược gọi là ñộ dài liên kết (d). Thí dụ: Trong phân tử H2O thì dO-H = 0,94A0. Giữa hai nguyên tử xác ñịnh, ñộ dài liên kết giảm khi bậc liên kết cũng như năng lượng liên kết tăng. Liên kết C–C C=C C≡C E (kJ/mol) 343,4 597,7 811,7 d (A0) 1,54 1,34 1,2 1.1.4. Góc liên kết: Góc liên kết hay góc hoá trị là góc tạo bởi hai nửa ñường thẳng xuất phát từ hạt nhân của một nguyên tử và ñi qua hai hạt nhân của hai nguyên tử khác liên kết trực tiếp với nguyên tử trên. Có 2 loại góc liên kết: - Góc phẳng hay góc giữa 3 nguyên tử (2 trục của liên kết cắt nhau tại một hạt nhân nguyên tử) ñây là trường hợp thường gặp nhất. - Góc nhị diện hay góc xoắn giữa 4 nguyên tử (ta không ñề cặp trong ñề tài này) Thí dụ: Trong phân tử H2O, Oxi tạo hai liên kết với hai nguyên tử H, góc liên kết (góc hoá trị) HOH = 104’50 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 10 1.2. Liên kết cộng hoá trị: - ðiều kiện tạo thành: + Liên kết cộng hoá trị phân cực: Nếu ∆χ < 2 thì cặp electron liên kết lệch về phía nguyên tử của nguyên tố có χ lớn hơn, như: HCl, SO2… + Liên kết cộng hoá trị không phân cực: Khi ∆χ = 0 thì cặp electron liên kết không bị lệch về phía nguyên tử của nguyên tố nào, như: H2, Cl2... Lưu ý một ñiều là do các electron luôn ở trạng thái dao ñộng, nên ñôi khi ñôi electron dùng chung này cũng bị lệch sang một nguyên tử. chẳng hạn, trong phân tử H2, sự lệch ñôi electron này chiếm khoảng 30%, tức là liên kết phân cực cũng ñã xuất hiện. - ðặc ñiểm liên kết: + Lực liên kết cộng hóa trị có tính ñịnh hướng (ñiểm khác biệt so với lực liên kết ion). Vì hai nguyên tử tham gia liên kết ñều có tác dụng lực hút lên ñôi electron dùng chung nên lực này có phương trùng với phương của ñường nối tâm hai hạt nhân nguyên tử. + Chính vì lí do trên mà các phân tử ñược tạo thành nhờ liên kết cộng hóa trị có thể tồn tại ñộc lập (riêng lẽ) ñược. Thực nghiệm có thể xác ñịnh ñược vị trí ñôi electron dùng chung giữa hai nguyên tử. 1.3. Thuyết VB và sự giải thích các vấn ñề về liên kết: Như chúng ta ñã biết có nhiều kiểu liên kết hoá học khác nhau: Cộng hoá trị, ion, kim loại,…Nhưng quan trọng nhất là kiểu liên kết cộng hoá trị. Vì vậy chúng ta tiếp tục xét kiểu liên kết này theo quan ñiểm CHLT ñể hiểu cơ chế tạo thành và các ñặc ñiểm của nó. Vì việc giải chính xác phương trình sóng Schrodinger ñối với các hệ phân tử không thực hiện ñược nên ñể khảo sát liên kết cộng hoá trị người ta ñã ñưa ra nhiều phương pháp giải gần ñúng, trong ñó có 2 phương pháp ñược phổ biến rộng rãi là: Phương pháp liên kết hoá trị của Heitler, London và phương pháp orbitan phân tử của PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 11 Muliken, Hund. Trong phần này chúng ta chỉ tiến hành xem xét liên kết cộng hoá trị theo phương pháp của Heitler, London. 1.3.1. Cơ sở lý thuyết Một cách gần ñúng coi cấu tạo electron của nguyên tử vẫn ñược bảo toàn khi hình thành phân tử từ nguyên tử, nghĩa là trong phân tử vẫn có sự chuyển ñộng của các e trong AO, tuy nhiên khi 2 OA hóa trị của nguyên tử xen phủ nhau tạo liên kết hóa học thì vùng xen phủ là vùng chung của hai nguyên tử. Mỗi liên kết hoá học giữa hai nguyên tử ñược bảo ñảm bởi 2 e spin ñối song mà trong trường hợp chung, trước khi tham gia liên kết mỗi nguyên tử ñó có một e ñộc thân trong một AO hóa trị của nguyên tử, mỗi liên kết hóa học ñược tạo thành ñó là một liên kết hai tâm ( 2 nguyên tử). Tuy nhiên cũng có một số trường hợp liên kết cộng hóa trị ñược ñảm bảo bởi cặp electron của một nguyên tử (liên kết cho nhận) thí dụ như trường hợp ion NH4+… và nhiều phân tử , ion khác nữa. Liên kết ñó không thể hình thành từ một e (thiếu e) hoặc từ 3e trở lên (tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị). Theo thuyết VB không thể có hệ H2+ (1e) hoặc ( 3e). Sự xen phủ giữa 2 AO có 2e của hai nguyên tử càng mạnh thì liên kết tạo ra càng bền (nguyên lý xen phủ cực ñại) Liên kết hóa học ñược phân bố theo phương có khả năng lớn về xen phủ các AO ( thuyết hóa trị ñính hướng ) 1.3.2. Sự tạo thành phân tử H2 từ hai nguyên tử H: Năm 1927 hai nhà bác học Heitler và London ñã áp dụng CHLT ñể giải bài toán tính năng lượng liên kết trong phân tử H2, kết quả cho thấy: - Liên kết giữa hai nguyên tử H ñược hình thành khi 2 electron của 2 nguyên tử H có spin ngược dấu (cặp electron ghép ñôi có spin ñối song) - Khi hình thành liên kết, mật ñộ mây electron ở khu vực không gian giữa hai hạt nhân tăng lên. Do ñó ñiện tích âm của mây electron sẽ có tác dụng hút hai hạt nhân và liên kết chúng lại với nhau. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 12 Sự hình thành phân tử H2 từ 2 nguyên tử H 2 obitan 1s - Nếu hai electron có spin cùng dấu thì mật ñộ mây electron ở khu vực giữa hai hạt nhân giảm xuống, mật ñộ electron ở khu vực ngoài hai hạt nhân tăng lên và các mây này có tác dụng ñẩy nhau làm hai hạt nhân tách xa nhau. Như vậy, phân tử H2 ñược hình thành là do sự ghép ñôi của 2 electron có spin ngược chiều nhau. Sau ñó người ta ñã khái quát hoá các kết quả trên và mở rộng thành phương pháp cặp electron liên kết áp dụng cho mọi phân tử. 1.3.3. Nôi dung cơ bản của thuyết VB: - Mỗi liên kết cộng hoá trị ñược hình thành là do sự ghép ñôi của 2 electron ñộc thân có spin ngược dấu của 2 nguyên tử tham gia liên kết. Khi ñó xảy ra sự xen phủ giữa 2 mây electron liên kết (xen phủ lẫn nhau giữa các orbitan nguyên tử hoá trị) - Về phương diện toán học sự xen phủ giữa các orbitan nguyên tử chính là sự tổ hợp tuyến tính của các hàm sóng nguyên tử. Mức ñộ và kết quả che phủ phụ thuộc vào dấu của các hàm sóng nguyên tử tham gia tổ hợp và ñược ñặc trưng bằng tích phân che phủ. + Nếu trong vùng che phủ các hàm sóng có dấu giống nhau thì sự che phủ ñược gọi là che phủ dương vì nó dẫn ñến sự tạo thành liên kết. Hay Xen phủ dương + Ngoài ra nếu hai hàm sóng có dấu ñối nhau khi che phủ sẽ bị triệt tiêu và liên kết sẽ không hình thành. Hay Liên kết triệt tiêu PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 13 - Khi hai mây electron xen phủ nhau càng mạnh thì liên kết càng bền (ñộ xen phủ càng mạnh khi các mây electron tham gia xen phủ có năng lượng càng xấp xỉ nhau). 1.3.3.1. Nguyên lí xen phủ cực ñại: Liên kết giữa hai nguyên tử càng bền nếu mức ñộ xem phủ của các orbitan càng lớn. Vì vậy sự xen phủ các orbitan tuân theo một nguyên lí ñược gọi là nguyên lí xen phủ cực ñại. Theo nguyên lí xen phủ cực ñại thì: Liên kết sẽ ñược phân bố theo phương hướng nào mà mức ñộ xen phủ các orbitan có giá trị lớn nhất. Như vậy, theo nguyên lí xen phủ cực ñại thì: - ðối với liên kết H – Cl, tâm của nguyên tử H phải nằm trên trục của orbitan p - ðối với liên kết Cl – Cl, trục của hai orbitan pz phải trùng nhau.
Sự hình thành các liên kết theo nguyên lí xen phủ cực ñại ñược mô tả như sau: pz AO s z AO p AO p AO p x 1.3.3.2. Tính bão hoà của liên kết cộng hoá trị: Liên kết cộng hoá trị trên cơ sở cặp electron ghép ñôi có thể ñược hình thành theo 2 cơ chế: Góp chung và cho – nhận - Theo cơ chế góp chung: Liên kết cộng hoá trị ñược hình thành do sự góp chung 2 electron hoá trị ñộc thân có spin ngược nhau của 2 nguyên tử tương tác, trong ñó mỗi nguyên tử ñưa ra một e. Từ ñây chúng ta thấy khả năng tạo liên kết cộng hoá trị của mỗi nguyên tố ñược quyết ñịnh bởi số orbitan nguyên tử hoá trị 1 (hay ñơn giản là bởi số electron ñộc thân). Tuy nhiên số orbitan hoá trị 1 electron của các nguyên tử trong nhiều trường hợp có thể tăng lên do sự kích thích nguyên tử, như trường hợp của Be, C… PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 14 - Theo cơ chế cho – nhận: Sự hình thành cặp electron ghép ñôi của liên kết cộng hoá trị chỉ do một trong hai nguyên tử tương tác ñưa ra, còn nguyên tử kia nhận lấy. Cặp electron này là cặp electron hoá trị ghép ñôi sẵn có của nguyên tử ñưa ra và ñược gọi là cặp electron hoá trị tự do. → Từ những ñiều trên ta rút ra: Trong trường hợp tổng quát khả năng tạo thành số liên kết cộng hoá trị cực ñại của một nguyên tố ñược xác ñịnh bởi số orbitan nguyên tử hoá trị của nguyên tố. Chính khả năng tạo thành số liên kết cộng hoá trị hạn chế như vậy của các nguyên tố ñược gọi là tính bão hoà của liên kết cộng hoá trị. Chính tính chất này làm cho các phân tử có thành phần và có cấu trúc nhất ñịnh. 1.3.3.3. Tính ñịnh hướng của liên kết cộng hoá trị: - Ở trên ta vừa xét sự xen phủ các orbitan liên kết trong phân tử hai nguyên tử (như H2). Như chúng ta ñều biết, ñối với các phân tử nhiều nguyên tử các góc liên kết trong phân tử có những giá trị xác ñịnh và chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. ðặc tính này gọi là “tính ñịnh hướng hóa trị”. Tính ñịnh hướng hóa trị ñược giải thích trên cơ sở nguyên lý xen phủ cực ñại. - Muốn có liên kết cộng hóa trị tạo thành bền vững thì mức ñộ che phủ của các orbitan nguyên tử tương tác phải cực ñại. Sự che phủ cực ñại này chỉ xảy ra theo những hướng nhất ñịnh ñối với các nguyên tử tương tác (ñây chính là lí do vì sao ở trên ta nói “tính ñịnh hướng hóa trị” ñược giải thích trên cơ sở nguyên lý xen phủ cực ñại). Từ ñó các liên kết cộng hóa trị sẽ ñược tạo thành theo những hướng nhất ñịnh trong không gian, vì vậy phân tử phải có cấu hình không gian xác ñịnh, ñó chính là tính ñịnh hướng. ðể hiểu rõ hơn vấn ñề này, ta xét trường hợp phân tử H2S: PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 15 Cấu hình electron lớp vỏ hóa trị của nguyên tử S có dạng H S S 2H + 3s H 3p Các obitan S Các obitan H Hình dạng xen phủ các obitan ñược mô tả như sau: S H H - Tuy nhiên trong thực tế, nếu chỉ dựa vào việc phân tích sự xen phủ giữa các orbitan nguyên tử tương tác như vậy ñể xác ñịnh cấu hình không gian của phân tử (góc hóa trị, tính ñối xứng…) nhiều khi sẽ ñi ñến kết luận không ñúng. Chẳng hạn như ñối với các phân tử H2O, NH3… theo cách lý luận trên thì góc hóa trị HOH và HNH phải bằng 900. Trong thực thế, các tính toán dựa trên CHLT cho kết quả khác xa với lí thuyết. (HOH = 104,50, HNH = 107,30) 1.3.3.4. Thuyết lai hoá các orbitan nguyên tử: * ðiều kiện ra ñời của thuyết lai hoá: Ở mục trên chúng ta ñã thấy sự mâu thuẫn giữa lí thuyết và thực nghiệm của phương pháp liên kết cộng hoá trị (VB) (phương pháp cặp electron liên kết). Thuyết lai hoá ra ñời nhằm giải quyết ñược hai khó khăn: Cho phép giải thích ñược hình học phân tử và ñộ bền của liên kết. Thuyết lai hoá nằm trong khuôn khổ của phương pháp liên kết hoá trị (VB). Theo thuyết này các nguyên tử khi tương tác với nhau có thể không dùng những PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 16 orbitan hoá trị thuần tuý s, p, d…mà dùng những orbitan nguyên tử “trộn lẫn” mới ñược tạo thành trong nội bộ nguyên tử của mình ñể che phủ với các orbitan của các nguyên tử khác. * Nội dung của thuyết lai hoá: Lai hoá AO là sự tổ hợp tuyến tính các AO hoá trị của một nguyên tử ñể tạo thành một số tương ñương các AO mới có cùng mức năng lượng (các AO suy biến) ñịnh hướng xác ñịnh trong không gian. Các AO lai hoá mô tả một trạng thái ñặc biệt của nguyên tử khi hình thành liên kết ñó là: Các liên kết tạo bởi các AO lai hoá sẽ bền vững hơn là tạo bởi các AO không tham gia lai hoá. Các AO tham gia tổ hợp có thể có 1e, 2e, hoặc là một ô lượng tử trống. Chú ý khi sử dụng thuyết lai hoá: Lí thuyết lai hoá chỉ là một khái niệm giả ñịnh ñược dùng ñể giải thích các kết quả thực nghiệm có thực, do ñó thuyết lai hoá hoàn toàn không có khả năng tiên ñoán hình học phân tử của một chất bất kì. * Các kiểu lai hoá thường gặp: 1. Lai hoá sp: Lai hoá thẳng Lai hoá sp là lai hoá ñược thực hiện do sự tổ hợp tuyến tính giữa 1 orbitan s với 1 orbitan p (của cùng một nguyên tử) cho 2 orbitan lai hoá sp phân bố ñối xứng với hai trục nằm trên cùng một ñường thẳng. z y x z z orbitan s y y x x orbitan p z y x 2 orbitan lai hoa sp Thí dụ: Dạng lai hoá này thường gặp trong nguyên tử Be của phân tử BeF2, BeH2, BeCl2…nên các phân tử này có dạng thẳng. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 17 2. Lai hoá sp2: Lai hoá tam giác Lai hoá sp2 là sự tổ hợp tuyến tính giữa 1 orbitan s và 2 orbitan p tạo thành 3 orbitan lai hoá, còn ñược gọi là lai hoá tam giác vì 3 orbitan lai hoá này nằm trên một mặt phẳng, trục của chúng tạo với nhau một góc bằng 1200 và hướng về ba ñỉnh của một tam giác ñều, góc tạo thành giữa các AO lai hoá là 1200. z y z x orbitan p z y x orbitan s y 3 orbitan lai hoa x orbitan p Thí dụ: Dạng lai hoá này thường gặp trong nguyên tử B của phân tử BF3, BCl3… 3. Lai hoá sp3: Lai hoá tứ diện Lai hoá sp3 là sự tổ hợp tuyến tính giữa 1 orbitan s và 3 orbitan p tạo thành 4 orbitan lai hoá, 4 orbitan lai hoá này hướng về 4 ñỉnh của một hình tứ diện ñều, góc tạo thành giữa các AO lai hoá là 109029’ z y z z x orbitan p z y y x x orbitan s orbitan p y 4 orbitan lai hoa x orbitan p Thí dụ: Dạng lai hoá này gặp trong nguyên tử O của H2O, N trong NH3 và ion NH4+… PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 18 4. Các kiểu lai hóa khác: Ta chỉ tiến hành xem xét khái niệm lai hóa với các nguyên tử của các nguyên tố chu kì 2, tuy nhiên ñối với các nguyên tử chu kì khác (lớn hơn 2), ñặc biệt là các nguyên tử chuyển tiếp, xuất hiện các orbitan hóa trị d nên các orbitan này cũng có khả năng tham gia lai hóa. Do ñó, ta sẽ có một số dạng lai hóa phức tạp hơn: sp2d, sp3d2, sp3d... * ðặc ñiểm của AO lai hoá và ñiều kiện lai hoá bền: - ðặc ñiểm của các AO lai hoá: + Số lượng các AO lai hóa thu ñược phải ñúng bằng số AO ñã tham gia lai hóa lúc ñầu + Các AO lai hóa sẽ giống nhau về hình dạng, và có cùng mức năng lượng (sự suy biến năng lượng) + Mỗi một AO lai hóa gồm 2 phần: phần mở rộng và phần thu hẹp. hai phần này cách nhau mặt nút tại hạt nhân nguyên tử (phần mở rộng có dấu +, phần thu hẹp có dấu -) + Mỗi AO lai hóa ñược phân bố trên một trục xác ñịnh ñi qua hạt nhân nguyên tử (có thể trùng hoặc không trùng với trục tọa ñộ ðecac). Do ñó người ta nói AO lai hóa có ñối xứng trục. - ðiều kiện các AO tham gia lai hóa: + Các orbitan tham gia lai hóa phải có năng lượng thấp và xấp xỉ nhau. Do ñó không thể nào xẩy ra hiện tượng lai hóa AO của 2 lớp khác nhau, bởi vì năng lượng của chúng quá xa nhau hay các AO ở lớp thứ 2 (2s, 2p) lai hoá có hiệu quả hơn còn các AO ở lớp thứ 3 (3s, 3p) hiệu quả lai hoá kém hơn, lớp thứ 4 (4s, 4p) lai hoá không ñáng kể. + Khi nói ñến phần này, ta phải làm quen với khái niệm “trạng thái kích thích” ñây cũng là một trạng thái giả ñịnh, khi xét các quá trình lai hóa ta sẽ gặp phải. Trạng thái kích thích là trạng thái mà electron ở các phân lớp gần nhau, có mức năng lượng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 19 xấp xỉ nhau có thể chuyển lên các phân lớp trên (chú ý các AO này cũng phải thuộc cùng một lớp). Và năng lượng tiêu tốn cho quá trình kích thích ñó sẽ ñược bù ñắp gần như hoàn toàn khi liên kết ñược hình thành. + Các orbitan lai hóa phải phù hợp với nhau về vị trí không gian hay nói ñúng hơn là phù hợp nhau về tính ñối xứng. 1.4. Mô hình sự ñẩy cặp electron vỏ hoá trị (thuyết VSEPR) 1.4.1. Các luận ñiểm cơ sở: - ðể giải thích và tiên ñoán hình dạng, ñộ dài liên kết, góc liên kết của các phân tử bất kì là một trong những vấn ñề quan tâm của hóa học. Cũng có nhiều thuyết giải quyết vấn ñề trên nhưng thông dụng nhất là “mô hình sự ñẩy giữa các cặp electron vỏ hóa trị” (thuyết VSEPR) - Phạm vi ứng dụng của thuyết: Ta không xét vấn ñề hình dạng từng phân tử ñược tạo ra từ liên kết ion (loại liên kết này sẽ ñược xét ở chương về mạng tinh thể). Do ñó, từ ñây chỉ chú ý ñến hình học phân tử của các hợp chất cộng hóa trị. Nhận xét công thức Lewis của một số chất ñã trình bày ở trên ta thấy rằng: + Ở vỏ hóa trị của các nguyên tử (trong hợp chất cộng hóa trị) có ñôi electron liên kết và ñôi electron không liên kết. Khi ñó người ta dùng hình ảnh mây electron ñể mô tả chuyển ñộng của các ñôi electron này (hay nói cách khác mỗi cặp electron sẽ có một ñôi mây tương ứng) + Như vậy ta sẽ ñưa 2 dạng công thức phân tử: AXn và AXnEm. Mỗi mây electron này có một trục xuất phát từ tâm hạt nhân và kéo dài ñến mặt ngoài khối cầu. + Các khảo sát CHLT cho thấy có sự không tương ñương giữa mây ñôi electron riêng và mây ñôi electron liên kết. Mây ñôi electron riêng chỉ chịu lực hút duy nhất của hạt nhân, còn mây ñôi electron liên kết chịu ñồng thời lực hút của hai hạt nhân (của 2 nguyên tử). Do ñó mây ñôi electron riêng chiếm vùng không gian rộng hơn mây ñôi electron liên kết. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com 20  4 ñôi electron liên kết tương ñương nhau 1 ñôi electron không liên kết (ñôi electron  riêng) chiếm không gian rộng hơn 3 ñôi electron liên kết (hiệu ứng không gian) Như vậy, ở một mức ñộ nhất ñịnh, hình dạng của phân tử sẽ phụ thuộc vào khoảng không gian chiếm bởi mây electron vỏ hóa trị của nguyên tử trung tâm A. ðiều ñó ñồng nghĩa với sự khẳng ñịnh: “hình dạng phân tử phụ thuộc chủ yếu vào sự phân bố các cặp electron hay các mây electron vỏ hóa trị của nguyên tử. 1.4.2. Mô hình VSEPR (qui tắc kinh nghiệm Gilexpi) - Nội dung: Trong một phân tử, các cặp electron vỏ hóa trị (các mây electron vỏ hóa trị) phân bố xa nhau nhiều nhất có thể ñược ñể lực ñẩy giữa chúng là nhỏ nhất, phân tử khi ñó sẽ bền nhất. - Áp dụng cụ thể như sau: Trong phần dưới ñây ta sẽ giải thích (hay tiên ñoán) dạng hình học phân tử của các công thức bất kì. Trong ñó ta sẽ tiến hành xét hai loại phân tử như ñã nói ở trên: Dạng 1: AXn
A: là nguyên tử trung tâm X: là phối tử n: là số lượng phối tử Dạng 2: AXnEm
A: là nguyên tử trung tâm X: là phối tử n: là số lượng phối tử E: nguyên tử trung tâm A có m ñôi electron riêng, mỗi ñôi electron ñược kí hiệu là E PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: http://www.docudesk.com