Bài giảng Chương III: Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

neân khả năng lai hoaù giaûm.(H2O- 10405; H2S- 920; H2Se-910; H2Te -900)
b) Các kiểu lai hóa
- Lai hoaù sp – 1AO s + 1AO p ® 2AO lai hoaù sp ñònh höôùng thaúng haøng, goùc lieân keát taïo thaønh (goùc hoaù trò) laø 1800. 
 Kieåu lai hoaù naøy duøng ñeå giaûi thích caáu hình khoâng gian cuûa caùc phaân töû nhö : ZnCl2, CO2, BeH2, BeX2, CdX2, HgX2,.(X – halogen )
 - Lai hoaù sp2 – 1AO s + 2AO p ® 3AO lai hoaù sp2 höôùng ra ba ñænh cuûa tam giaùc ñeàu, goùc lieân keát taïo thaønh laø 1200 .
 Kieåu lai hoaù naøy duøng ñeå giaûi thích caáu hình khoâng gian cuûa caùc phaân töû hoaëc ion nhö : C2H4, BF3, NO3-..
 - Lai hoaù sp3 - 1AO s + 3AO p ® 4AO lai hoaù sp3 höôùng ra boán ñænh cuûa moät töù dieän ñeàu , goùc lieân keát laø 109028¢.
 Kieåu lai hoaù naøy duøng ñeå giaûi thích caáu hình khoâng gian cuûa caùc phaân töû hoaëc ion nhö : CH4, NH4+, NH3, SO42-, H2O ..
c) Dự đoán trạng thái lai hóa của nguyeân tử trung tâm trong phaân töû ABn
 * Döïa vaøo goùc thöïc nghieäm gaàn vôùi goùc cuûa kieåu lai hoaù naøo thì nguyeân töû trung taâm seõ ôû traïng thaùi lai hoaù ñoù. 
 Ví duï –goùc thöïc nghieäm cuûa phaân töû nöôùc laø HOH »10405 neân O ôû traïng thaùi lai hoaù sp3.
 *Thuyeát söùc ñaåy caëp ñieän töû hoaù trò VSEPR ( Valence shell electron pair repulsion)
Nguyeân taéc – trong phaân töû coäng hoaù trò ABn , caùc caëp ñieän töû hoaù trò lieân keát (s) vaø caëp ñieän töû hoaù trò töï do quanh A phaûi phaân boá xa nhau ôû möùc toái ña ñeå löïc ñaåy giöõa chuùng coù giaù trò nhoû nhaát.
 2 ´n (Hydro)
Soá caëp ñieän töû quanh A = {åtoång soá e hoaù trò cuûa ABn - 8´n } + n (soá lk s quanh A)
 = soá caëp ñieän töû töï do + soá caëp ñieän töû lieân keát s.
 = 2 ® A ôû traïng thaùi lai hoaù sp
 = 3 ® A ôû traïng thaùi lai hoaù sp2
 = 4 ® A ôû traïng thaùi lai hoaù sp3 
Phöông phaùp naøy xaùc ñònh chính xaùc goùc lieân keát cuûa phaân töû coù tính ñoái xöùng cao, ñònh tính goùc lieân keát cuûa phaân töû ít ñoái xöùng vaø xaùc ñònh caáu truùc khoâng gian cuûa phaân töû.
(ABnEm : n- soá nguyeân töû B lieân keát vôùi nguyeân töû trung taâm A; m-soá caëp e töï do quanh A)
Soá caëp e 
quanh A
Traïng thaùi
lai hoaù cuûa A
Loaïi phaân töû 
Daïng hình hoïc 
Phaân töû
Ví duï
2
sp
AB2
Thaúng 
CO2, BeH2
3
sp2
AB3
Phaúng tam giaùc ñeàu
BF3, SO3, CO32-
AB2E
Goùc
NO2, SO2, O3, NO2-
4
sp3
AB4
Töù dieän ñeàu
Töù dieän leäch
CH4, SO42-, CCl4, 
NH4+
SO2Cl2
AB3E
Thaùp tam giaùc
NH3, SO32-
AB2E2
Goùc
H2O, OF2, Cl2O-
d) Giaûi thích tröôøng hôïp goùc thöïc nghieäm sai leäch so vôùi lyù thuyeát
* Trong phaân töû coäng hoaù trò luoân toàn taïi caùc töông taùc ñaåy caùc ñoâi ñieän töû theo traät töï
yeáu daàn nhö sau : 
Ñoâi e khoâng lk « Ñoâi e khoâng lk > Ñoâi e khoâng lk « Ñoâi e lk > Ñoâi e lk « Ñoâi e lk
®Phaân töû coù chöùa caëp ñieän töû khoâng lieân keát seõ laøm giaûm goùc hoaù trò.
* Moät electron töï do ñaåy yeáu hôn moät caëp electron.
6.Nhận xét về phương pháp VB
Öu ñieåm - phương pháp VB giải quyết được một số vấn đề của lieân keát coäng hoaù trò như:
 +Khả năng tạo lieân keát coäng hoaù trò
+Các đặc trưng của lieân keát 
+Giải thích được cấu trúc và tính chất của nhiều ptử, vaø nhaát laø coù tính chaát roõ raøng dễ hình dung 
Nhược điểm - phương pháp VB laø chưa được tổng quát, còn nhiều hiện tượng thực nghiệm không thể giải thích được bằng phương pháp này như: tính thuận từ của O2; sự tồn tại khá bền
cuûa ion H2+; maøu saéc phaân töû . . 
B.Phương pháp orbital phân tử (phương pháp MO)
1.Quan niệm của phương pháp MO
*Thuyết MO quan niệm phân tử như một nguyên tử phức tạp đa nhân. Trong phaân töû tính chaát rieâng leû cuûa töøng nguyeân töû khoâng coøn nöõa, caùc nhaân vaø caùc ñieän töû laø thuoäc chung cho caû phaân töû. 
*Phương pháp MO tìm cách mô tả sự chuyển động của từng electron riêng biệt.
2.Caùc luaän ñieåm cô sôû của phương pháp MO
*Theo thuyết MO thì phaân tử phải được xem là một toå hôïp thống nhất bao gồm các hạt nhân và các electron của các nguyeân tử tương tác. Trong đó, mỗi electron sẽ chuyển động trong điện trường do các hạt nhân và các electron còn lại gây ra. 
*Tương tự như trong nguyeân tử, trạng thái của electron được moâ taû bôûi haøm orbital phaân töû (MO). 
Do vieäc giaûi phöông trình soùng SchrÖedinger cho heä phaân töû ñeå xaùc ñònh MO laø voâ cuøng phöùc taïp neân thöôøng giaûi gaàn ñuùng baèng phöông phaùp toå hôïp tuyeán caùc orbital nguyeân töû LCAO 
 (Linear combination of atomic orbitals). YMO = Ci.yAO (Ci laø heä soá caàn xaùc ñònh )
*Điều kiện caùc AO tham gia tổ hợp tuyeán tính:
Các AO tham gia tổ hợp phải coù năng lượng gần nhau.
Các AO phải có mức độ che phủ đáng kể.
Các AO phải có cuøng tính đối xứng đối với trục lieân nhaân.
* Caùc MO seõ ñöôïc taïo thaønh töø söï toå hôïp tuyeán tính caùc AO nguyeân töû trong phaân töû. Caùc MO thu ñöôïc seõ caøng gaàn vôùi MO thöïc söï cuûa phaân töû neáu soá AO söû duïng toå hôïp caøng lôùn, nghóa laø yeâu caàu tính toaùn cuõng lôùn.Trong thöïc teá, do caùc AO hoaù trò ñoùng goùp chuû yeáu vaøo söï hình thaønh phaân töû neân chæ giôùi haïn xeùt caùc AO hoaù trò.
*Các MO được hình thành do sự tổ hợp tuyến tính (cộng hay trừ) các AO veà phöông dieän hình aûnh là sự che phủ laãn nhau giöõa caùc AO. Mỗi một MO coù hình daïng vaø naêng löôïng xaùc ñònh được xác định bằng tổ hợp các số lượng tử. Töông öùng vôùi caùc orbital s, p, d, f trong nguyeân töû, trong phaân töû coù caùc MO teân s, p, d, j..tuyø thuoäc vaøo caùch che phuû cuûa caùc AO vaø tính ñoái xöùng cuûa MO taïo thaønh ñoái vôùi truïc lieân nhaân.
Söï che phuû cuûa caùc AO doïc theo cuûa truïc lieân nhaân ta coù MO teân s, nhaän truïc lieân nhaân laøm truïc ñoái xöùng
Söï che phuû cuûa caùc AO veà hai phía truïc lieân nhaân ta coù MO teân p, coù maët phaúng phaûn xöùng chöùa truïc lieân nhaân.
Sự tổ hợp tuyeán tính cộng các AO daãn ñeán söï che phuû döông tạo thành các MO liên kết (kyù hieäu s, p) có năng lượng nhỏ hơn năng lượng của các AO tham gia tổ hợp.
Sự tổ hợp tuyeán tính trừ các AO daãn ñeán söï che phuû aâm sẽ tạo thành các MO phản liên kết (kyù hieäu s* ,p* ) có năng lượng lớn hơn năng lượng của các AO tham gia tổ hợp.
MO lieân keát vaø phaûn lieân keát cuûa phaân töû coù hai nguyeân töû goïi laø MO hai taâm,töùc lieân keát ñònh cö.
MO lieân keát vaø phaûn lieân keát cuûa phaân töû coù töø ba nguyeân töû trôû leân goïi laø MO ña taâm, töùc lieân keát khoâng ñònh cö.
MO không liên kết hay MO moät tâm (s0, p0 ) ñöôïc hình thaønh töø AO khoâng tham gia toå hôïp orbital phaân töû. Caùc MO khoâng lieân keát coù naêng löôïng vaø hình daïng hoaøn toaøn gioáng caùc AO chuyeån thaønh noù.
Số MO tạo thành bằng tổng số AO tham gia tổ hợp tuyeán tính.
Sự tạo thành các MO từ các AO có thể biểu diễn bằng giản đồ năng lượng.
Moãi MO chæ chöùa toái ña hai ñieän töû coù spin ñoái song.
Vieäc xaây döïng caáu hình ñieän töû cuûa phaân töû cuõng tuaân theo nhöõng nguyeân lyù vaø qui taéc nhö ñoái vôùi nguyeân töû : nguyên lý vững bền, nguyên lý ngoại trừ của Paoli và quy tắc Hund. 
*Baäc liên kết
 Liên kết được quyết định bởi các electron liên kết (electron nằm trên các MO liên kết) mà không bị triệt tiêu bởi caùc electron phản liên kết (electron nằm trên các MO phaûn liên kết)
Caùch xaùc ñònh baäc lieân keát cho liên kết 2 tâm( phaân töû coù hai nguyeân töû ) 
 	 ® Bậc liên kết tăng thì năng lượng lieân keát tăng còn độ dài lieân keát giảm.
 ® Tên của liên kết được gọi bằng tên của cặp electron liên kết không bị triệt tiêu. 
3. Áp dụng phương pháp MO cho các phân tử hai nguyeân töû cuøng loaïi thuoäc chu kyø 1 vaø 2.
a)Caùc phaân töû hai nguyeân töû cuûa nguyeân toá thuoäc chu kyø 1.
Coâng thöùc ñieän töû cuûa phaân töû H2 : [(s1s)2] Baäc lieân keát = 1
Coâng thöùc ñieän töû cuûa phaân töû He : [(s1s)2 (s*1s)2] Baäc lieân keát = 0 neân He2 khoâng toàn taïi.
p2p, p2p
s2p
p2p, p2p
s2p
s2s*
s2s
b)Các phaân tử hai nguyeân tử của các nguyeân tố đầu chu kỳ II (Li, Be, B, C, N )
Phân tử, ion
Li2
Be2
B2
C2
N2
Tổng số e hóa trị
2
4
6
8
10
11
s2p
¾
¾
¾
¾
¾
¾
p2p, p2p
¾ ¾
¾ ¾
¾ ¾
¾ ¾
¾ ¾
¾ ¾
s2p
¾
¾
¾
¾
¯­
­
p2p, p2p
¾ ¾
¾ ¾
­ ­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
s2s*
¾
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
s2s
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
Bậc liên kết
1
0
1
2
3
2,5
Độ dài liên kết (Å)
2,67
–
1,59
1,24
1,10
1,12
Năng lượng lk (kJ/mol)
105
–
289
599
940
828
Từ tính
nghịch từ
–
thuận từ
nghịch từ
nghịch từ
thuận từ
Coâng thöùc ñieän töû cuûa phaân töû Li2 : [(s2s )2]
Coâng thöùc ñieän töû cuûa phaân töû B2: [(s2s )2(s2s*)2(p2p)1(p2p)1] (choïn x laø truïc lieân nhaân )
Coâng thöùc ñieän töû cuûa phaân töû C2 : [ (s2s )2(s2s*)2(p2p)2(p2p)2] 
Coâng thöùc ñieän töû cuûa phaân töû N2 : [ (s2s )2(s2s*)2(p2p)2(p2p)2(s2p)2] 
Coâng thöùc ñieän töû cuûa ion N2+ : [(s2s )2(s2s*)2(p2p)2(p2p)2(s2p)2(s2p)1]
c)Các phaân tử hai nguyeân tử cùng loại của những nguyeân tố cuối chu kỳ II (O, F, Ne )
Phân tử, ion
Tổng số e hóa trị
11
12
13
14
15
16
s2p
¾
¾
¾
¾
­
¯­
p2p, p2p
­ ¾
­ ­
¯­ ­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
p2p, p2p
¯­ ¯­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
s2p
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
s2s*
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
s2s
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
¯­
Bậc liên kết
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Độ dài liên kết (Å)
1,12
1,21
1,26
1,41
–
Năng lượng lk (kJ/mol)
629
494
328
154
–
Từ tính
thuận từ
thuận từ
thuận từ
nghịch từ
thuận từ
–
 (choïn x laø truïc lieân nhaân )
d)Các phaân tử hai nguyeân tử khác loại của những nguyeân tố chu kỳ II
Các MO tạo thành tương tự trường hợp phân tử 2 nguyên tử cùng loại chu kỳ II
Phân tử, ion
N2
CO
CN–
NO+
Tổng số e hóa trị
10
10
10
10
s2p
¾
¾
¾
¾
p2p, p2p
¾ ¾
¾ ¾
¾ ¾
¾ ¾
s2p
¯­
¯­
¯­
¯­
p2p, p2p
¯­ ¯­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
¯­ ¯­
s2s*
¯­
¯­
¯­
¯­
s2s
¯­
¯­
¯­
¯­
Bậc liên kết
3
3
3
3
Độ dài liên kết (Å)
1,10
1,13
1,14
1,06
Năng lượng lk (kJ/mol)
940
1076
1004
1051
Từ tính
nghịch từ
nghịch từ
nghịch từ
nghịch từ
(choïn x laø truïc lieân nhaân )
e)Nhận xét
Khi thêm electron trên các MO li