Bài giảng Hóa vô cơ đại cương - Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử

1. Tính chất điện cuả phân tử  Sự định hướng cuả các phân tử cĩ cực trong điện trường Tại sao các hợp chất ion tan được trong nước? Water Boiling point = 100 ˚C Methane Boiling point = -161 ˚C Tại sao nước và metan cĩ nhiệt độ sơi rất khác biệt nhau? Phân tử cĩ cực và khơng cực 2. Momen lưỡng cực và phân tử cĩ cực H F electron rich region electron poor region d+ d- Momen lưỡng cực m = d x l d Điện tích [đơn vị tĩnh điện] l - khoảng cách giữa hai điện tích[cm] 1 D = 3.36 x 10-30 C m = 10-18 đvtđ.cm 3. Momen lưỡng cực phân tử H Cl •• •• +d -d •• Momen lưỡng cực cuả phân tử là tổng vectơ momen lưỡng cực cuả các liên kết và cặp electron hố trị tự do trong các AO lai hĩa cĩ trong phân tử. Carbon Dioxide Ptử CO2 khơng cực mặc dù liên kết CO cĩ cực. CO2 cĩ cấu tạo đối xứng . +1.5 -0.75 -0.75 Nguyên tử C trong ptử CO2 bị phân cực dương nên pứ với H2O tạo thành H2CO3 Phân tử chất nào cĩ cực và khơng cĩ cực? So sánh giữa CO2 và H2O, phân tử nào cĩ cực ? Trong số các phân tử sau đây, phân tử nào cĩ momen lưỡng cực? H2O, CO2, SO2, và CH4 O Cĩ momen lưỡng cực Phân tử cĩ cực S C O O Khơng cĩ momen lưỡng cực Phân tử khơng cực Cĩ momen lưỡng cực Phân tử cĩ cực C H H H H Khơng cĩ momen lưỡng cực Phân tử khơng cực Một phân tử cộng hĩa trị cĩ cực khi: liên kết cộng hĩa trị cĩ cực cấu taọ phân tử khơng đối xứng Tất cả các phân tử cht này đều khơng cực Cĩ cực hay khơng cực? BF3, Cl2CO, và NH3. Phân tử khơng cực,BF3 F F F B Nguyên tử B bị phân cực dương và nguyên tử Fbị phân cực âm. Liên kết B—F trong ptử BF3 là cĩ cực. Nhưng phân tử cĩ cấu tạo đối xứng nên khơng cực. HBF2 B bị phân cực dương nhưng H & F bị phân cực âm. H F F B Liên kết B—F và B—H trong HBF2 là cĩ cực. Nhưng do ptử khơng đối xứng nên cĩ cực. CH2Cl2 cĩ momen lưỡng cực hay khơng ? CH 4 CCl 4 Cĩ cực hay khơng cực?  Only CH 4 and CCl 4 are NOT polar. These are the only two molecules that are “symmetrical.”  Liên kết C—F phân cực mạnh hơn liên kết C—H.  Do cả hai liên kết C—F ở cùng một phía ,phân tử cĩ cực.  Liên kết C—F phân cực mạnh hơn liên kết C—H.  Do cả hai liên kết C—F nằm ở hai phía đối nhau , phân tử khơng phân cực Dipole Moments Momen lưỡng cực 4. Tính chất từ của phân tử - Chất thuận từ (Paramagnetic): chất cĩ electron độc thân .Chất này khi đặt trong từ trường sẽ bị nam châm hút. - Chất nghịch từ (Diamagnetic):chất khơng cĩ điện tử độc thân .Chất này khi đặt trong từ trường sẽ bị đẩy. III. CÁC MỐI LIÊN KẾT YẾU 1. Liên kết ion a. Hình thành liên kết ion Giai đoạn 1:  Các nguyên tử sẽ chuyển electron hoá trị cho nhau, các nguyên tử cho electron sẽ biến thành ion dương, các nguyên tử nhận electron sẽ chuyển thành ion âm. Hình thành liên kết ion Giai đoạn 2:  Các ion trái dấu sẽ hút nhau thành các phân tử ion nếu ở trạng thái khí.  Ở trạng thái rắn (tinh thể) phân tử tồn tại dưới dạng phân tử liên hợp khổng lồ.  Ơû trong dung dịch phân tử ion bị phân ly thành các ion trái dấu. Hình thành liên kết ion Lưu ý  Ban đầu các ion hút nhau nhưng khoảng cách ngắn đủ để các electron lớp ngoài của 2 nguyên tử đẩy nhau thì sẽ có được một khoảng cách cân bằng r giữa 2 ion b. Lực hút giữa hai ion c. Tính chất của liên kết ion  Các ion được xem như là các quả cầu mang điện nên có 2 tính chất là:  Tính không định hướng.  Tính không bão hòa.  Các tính chất này giúp liên hợp các phân tử ion thành phân tử liên hợp khổng lồ. d. Cách tính độ ion của liên kết (%ion) Độ ion của lk (hay % ion của lk) = mthực nghiệm mlý thuyết X 100% Trong đĩ: mthực nghiệm do đo đạc được mlý thuyết = l.d e. Khả năng tạo liên kết ion của các nguyên tố  Mật độ electron giữa các nguyên tử không bao giờ bằng không  không bao giờ có LK ion thuần tuý.  Trong LK ion luôn có một độ cộng hóa trị nào đó  Khả năng tạo thành ion của nguyên tử:  Độ ion (%)  Độ ion (%)  Độ ion (%) 0,2 0,6 1,0 1 9 22 1,4 1,8 2,2 39 55 70 2,6 3,0 3,2 82 89 92 f. Chuyển từ liên kết cộng hố trị sang liên kết ion Độ âm điện của các nguyên tố Các nguyên tố thuộc phân nhóm IA, IIA và VIIA dễ tạo thành hợp chất liên kết ion với nhau hơn cả. Sự chênh lệch về độ âm điện của các nguyên tố: sự chênh lệch càng lớn thì độ ion càng lớn g. Sự phân cực ion  Khi các ion hút nhau  chuyển dịch xảy ra mạnh nhất ở đám mây electron lớp ngoài cùng, tức chúng bị lệch so với tâm hạt nhân của chính ion. + - Sự phân cực ion: (1) Định nghĩa:  Là sự dịch chuyển vị trí đám mây electron so với nhân của một ion này dưới tác dụng điện trường của một ion khác  Ion có đám mây electron bị biến dạng gọi là ion bị phân cực.  Ion tạo điện trường tác dụng lên ion kia gọi là ion phân cực. h.Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân cực ion  Ion bịï phân cực càng mạnh khi lực hút giữa hạt nhân và electron lớp ngoài cùng càng yếu. Lực hút này phụ thuộc vào các yếu tố sau:  Điện tích, kích thước và cấu hình electron của ion  Cùng một phân nhóm (cấu hình electron lớp ngoài cùng giống nhau), khi điện tích như nhau, đi từ trên xuống bán kính ion tăng lên  lớp electron càng xa nhân, hiệu ứng chắn càng mạnh  lực hút hạt nhân, electron hóa trị giảm  nên độ bị phân cực sẽ tăng.  Thí dụ: Độ bị phân cực tăng theo trình tự  Li+ < Na+ < K+ < Rb+ < Cs+  F– < Cl– < Br– < I– Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân cực ion  Nếu điện tích như nhau và kích thước gần bằng nhau thì các ion có cấu hình ns 2 np 6 bị phân cực ít nhất và cấu hình ns 2 (n – 1)d10 np6 bị phân cực nhiều nhất Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân cực ion  Ion phân cực càng mạnh khi tạo ra điện trường càng mạnh.  Khi điện tích ion tăng độ phân cực tăng  Khi có cấu trúc electron và điện tích như nhau khi bán kính ion tăng làm giảm tác dụng điện trường, khả năng phân cực giảm  Thí dụ: Khả năng phân cực kim loại kiềm giảm: Li + > Na + > K + > Rb + > Cs + Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân cực ion Cation Anion Độ bị phân cực Nhỏ hơn anion  Lớn, thường là ion bị phân cực.  Tăng khi kích thước tăng Độ phân cực  Lớn, thường là ion phân cực  Tăng khi điện tích tăng và kích thước giảm Nhỏ hơn cation (3) Ảnh hưởng của sự phân cực ion đến tính chất các hợp chất ion  Sự điện ly: Phân cực làm xuất hiện độ cộng hóa trị trong liên kết ion, làm giảm khả năng điện ly  Độ bền: Phân cực làm tăng độ cộng hóa trị  giảm điện tích hiệu dụng các ion  giảm lực hút tĩnh điện giữa các ion  độ bền tinh thể giảm  năng lượng cần để phá hủy tinh thể giảm  nhiệt độ phân ly, nhiệt độ nóng chảy của hợp chất ion giảm. (3) Ảnh hưởng của sự phân cực ion đến tính chất các hợp chất ion (3) Ảnh hưởng của sự phân cực ion đến tính chất các hợp chất ion Chất LiF LiCl LiBr LiI Nhiệt nóng chảy ( 0 C) 848 607 550 469 Chất MgCO 3 CaCO 3 SrCO 3 BaCO 3 Nhiệt nóng chảy ( 0 C) 600 897 1100 1400 (3) Ảnh hưởng của sự phân cực ion đến tính chất các hợp chất ion Độ tan: Khả năng hoà tan chất ion phụ thuộc vào:  Năng lượng mạng tinh thể (U)  Năng lượng hydrat hóa của cation (E h ).  Nếu U > E h  muối khó tan và ngược lại.  Khi phân cực làm giảm năng lượng hydrat hóa Muối CaSO 4 SrSO 4 BaSO 4 Độ tan (mol/l) 8.10 -3 5.10 -4 1.10 -5 U (kJ/mol) 2347 2339 2262 E h (Kj/mol) 1703 1598 1444 2. Liên kết hydro 2.1. Khái niệm, bản chất của liên kết hydro:  Khi nguyên tử hydro liên kết với các nhóm âm điện, cặp electron dùng chung có khuynh hướng chuyển mạnh về phía nguyên tử kia, do đó hydro có thể xem tích điện dương (H d+ ) gọi là hydro linh động.  Các tử các nguyên tố có độ âm điện lớn (F, Cl, O,N, S...) hay các nguồn điện tử  (liên kết bội, nhân thơm...) được gọi là các nguồn dư điện tử, do đó có thể xem chúng tích điện âm X d– . Khái niệm, bản chất của liên kết hydro:  Là liên kết đặc biệt của các nguyên tử hydro linh động vẫn còn liên kết thêm được với các nguồn dư điện của phân tử khác (liên kết hydro liên phân tử) hay nguyên tử khác trong chính phân tử đó (liên kết hydro nội phân tử).  Bản chất liên kết hydro là lực hút tĩnh điện giữa Hd+ với các nhóm tích điện âm X d– Dạng liên kết hydro Chiều dài liên kết (Angstrom) O-H ... O - 2.63 O-H ... O 2.70 O-H ... N 2.88 N + -H ... O 2.93 N-H ... O 3.04 N -H ... N 3.10 2.2. Tính chất của liên kết hydro:  Liên kết hydro là liên kết yếu E = 8 – 40 kJ/mol.  Liên kết hydro càng bền khi Xd– có giá trị d– càng lớn. Chất Chất Chất Chất cho nhận cho nhận - O - H . . . N - - N - H . . . . O- 2.88 A 0 3.04 A 0 2.3. Ảnh hưởng của liên kết hydro đến tính chất phân tử  Liên kết hydro làm tăng nhiệt độ sôi, nhiệt độ nóng chảy, của các chất có liên kết hydro, làm giảm độ acid của dung dịch, làm tăng độ tan trong dung môi và có vai trò trong sinh học, giúp tạo các cấu trúc bậc cao cho glucid, protid... ethanol ( Cĩ liên kết hydro) 78.5°C methoxymethane (Khơng cĩ liên kết hydro) -24.8°C 3.Liên kết Van der Waals 3.1. Khái niệm  Giữa các phân tử do chuyển động của các electron trên các orbital phân tử có thể xuất hiện các lực sau:  Tương tác định hướng: Là lực hút tĩnh điện giữa các cực tích điện của các phân tử lưỡng cực.  Tương tác cảm ứng: Là lực hút tĩnh điện giữa cực tích điện của phân tử lưỡng cực với lưỡng cực cảm ứng. Lưỡng cực cảm ứng xuất hiện khi một phân tử lưỡng cực lại gần một phân tử không cực sẽ làm phân tử không cực bị “cảm ứng” .  Tương tác khuếch tán: Là lực hút tĩnh điện giữa các lưỡng cực nhất thời xuất hiện của các phân tử không cực và cả có cực.  Kết hợp cả 3 tương tác trên, giữa các phân tử sẽ tạo thành 1 liên kết gọi là liên kết Van der Waals. Phân tử không cực Phân tử lưỡng cực Tương tác định hướng Tương tác cảm ứng Tương tác khuếch tán 3.2. Tính chất:  Bản chất liên kết Van der Waals là liên kết tĩnh điện.  Năng lượng liên kết nhỏ E = 1 – 2 kcal/mol  Không chọn lọc và không bão hòa  Có tính cộng 3.3. Ảnh hưởng của lực Van der Waals:  Tạo sự khác nhau giữa khí thật và khí lý tưởng.  Giúp các chất dễ hóa lỏng, hóa rắn, hòa tan, hấp phụ ... Liên kết Van der Waals Helium -269°C Neon -246°C Argon -186°C Krypton -152°C Xenon -108°C Radon -62°C CHCl 3 61.2°C CCl 4 76.8°C 4. Các tính chất của kim loại  4.1. Các tính chất của kim loại:  Không trong suốt  Có ánh kim  Dẫn điện tốt  Dẫn nhiệt tốt  Dẻo  Không thể giải thích theo các kiểu liên kết đã nêu trên  Cách giải thích là nguyên khối nguyên tử ở trạng thái đặc biệt gọi là trạng thái tinh thể kim loại 4.2. Cấu tạo kim loại và liên kết kim loại  Kim loại nói chung có cấu tạo dạng rắn ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường. Các nguyên tử kim loại sắp xếp trật tự theo quy luật xác định gọi là mạng tinh thể kim loại  Nguyên tử kim loại có kích thước lớn  electron hoá trị nằm xa nhân liên kết yếu dễ bị bứt khỏi nguyên tử.  Mạng tinh thể kim loại gồm:  Những ion dương cố định ở nút mạng  Những electron hóa trị bứt ra khỏi nguyên tử chuyển động hỗn loạn trong toàn mạng tinh thể  khí electron  Kiểu liên kết rất nhiều tâm có độ không định chỗ rất cao  liên kết kim loại Cấu tạo kim loại và liên kết kim loại 4.3. Lý thuyết miền năng lượng và cấu tạo kim loại.  Giải phương trình sóng Schrodinger cho hệ 1023 nguyên tử theo phương pháp OM  Xem tinh thể kim loại như một nguyên tử rất lớn có 1023 tâm  Hai OA tổ hợp với nhau thành 2 OM có mức năng lượng khác nhau  Nếu có n OA tham gia tổ hợp sẽ có n OM có mức năng lượng khác nhau. Nếu n rất lớn thì các mức năng lượng rất gần nhau (chênh lệch khoảng 10- 22eV)tạo thành các“miền năng lượng” được xem như là giải năng lượng liên tục Lý thuyết miền năng lượng và cấu tạo kim loại.  Tương ứng với các trạng thái năng lượng s,p,d,f trong tinh thể kim loại sẽ hình thành các miền năng lượng s, p, d, f Lý thuyết miền năng lượng và cấu tạo kim loại.  Trong miền năng lượng, các orbital trải đều trong toàn bộ tinh thể kim loại và cũng có đầy đủ các tính chất giống các OM  Các electron phân bố trên các orbital của miền năng lượng theo các quy luật giống như trên các orbital nguyên tử gồm: Nguyên lý vững bền; Nguyên lý Pauli; Quy tắc Hund  Miền năng lượng chứa các electron hoá trị được gọi là miền hoá trị.  Miền năng lượng không chứa các electron nằm trên miền hoá trị gọi là miền dẫn  Nếu miền hoá trị và miền dẫn không che phủ nhau, khoảng cách giữa hai miền gọi là miền cấm 4.4. Aùp dụng thuyết miền kim loại giải thích các chất bán dẫn, cách điện và dẫn điện.  a. Kim loại  Trong kim loại, miền hoá trị và miền dẫn che phủ nhau, không có miền cấm  Miền hoá trị của kim loại có thể được điền đầy hay không được điền đầy electron  Các kim loại nhóm IA có cấu hình electron ns1   Miền hoá trị là miền s chỉ điền đầy một nửa  Miền dẫn bao gồm nửa miền hoá trị s còn trống và miền p   Miền dẫn và miền hoá trị che phủ nhau, dưới tác dụng của điện trường, các electron từ miền hoá trị rất dễ chuyển lên những orbital trạng thái năng lượng cao hơn một chút, tạo thành dòng electron có hướng, kim loại có tính dẫn điện. Các kim loại nhóm IIA có cấu hình electron ns 2  Miền hoá trị là miền s được điền đầy electron, miền dẫn là miền p. Đối với các nguyên tố đầu chu kỳ, chênh lệch năng lượng giữa ns và np nhỏ  miền dẫn và miền hoá trị che phủ nhau, dưới tác dụng của điện trường, các electron từ miền hoá trị dễ chuyển lên những orbital trạng thái năng lượng cao hơn một chút, tạo thành dòng electron có hướng, kim loại có tính dẫn điện. b. Chất cách điện Miền hoá trị điền đầy electron Miền dẫn cách miền hoá trị bằng miền cấm có DE lớn  điện trường thường không đủ năng lượng kích thích electron chuyển từ miền hoá trị sang miền dẫn  không thể dẫn điện được  chất cách điện c. Chất bán dẫn Miền hoá trị điền đầy electron Miền dẫn cách miền hoá trị bằng miền cấm có DE không lớn  Khi kích thích bằng cách đốt nóng, chiếu sáng hay pha thêm một ít nguyên tố khác  electron có thể chuyển từ miền hoá trị sang o1 có thể dẫn điện được  chất bán dẫn