Khóa luận Giảng dạy một số nội dung liên kết hóa học ở trường THPT

tron 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 :: 20 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 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)   PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 21 1.4.2.1. Phân tử có dạng AXn Giá trị n thường gặp nhất là những giá trị từ 2
6 và nguyên tử trung tâm A không có ñôi electron riêng. - Theo như nội dung thuyết VSEPR, sự phân bố các ñôi electron liên kết dẫn ñến hình dạng phân tử tương ứng trong mỗi trường hợp từ n = 2 ñến n = 6 (sự phân bố các ñôi electron liên kết cách xa nhau nhất có thể ñược ñể tương tác giữa chúng là cực tiểu khi ñó phân tử mới bền vững). - Các trường hợp ñó ứng với các hình dạng như sau: TH 1: n = 2
phân tử có dạng AX2, hai ñôi electron phân bố trên ñường thẳng. Hình dạng phân tử tương ứng sẽ thẳng và góc hóa trị XAX = 1800. Thí dụ như phân tử BeH2, BeCl2, CO2, CS2… TH 2: n = 3
phân tử có dạng AX3, ba ñôi electron ñược phân bố trên ba ñỉnh của một tam giác ñều, khi ñó nguyên tử trung tâm A sẽ nằm ở trọng tâm của tam giác ñều. phân tử có cấu tạo phẳng, góc liên kết AXA = 1200. Thí dụ như phân tử BF3, AlCl3… TH 3: n = 4
phân tử có dạng AX4, bốn ñôi electron ñược phân bố ở bốn ñỉnh của hình tứ diện ñều, tâm của hình tứ diện là nguyên tử trung tâm A, phân tử tồn tại dạng không gian ba chiều. Góc liên kết XAX bằng 109029’. Thí dụ như phân tử CH4, NH4+,SiX4+… n = 2 n = 3 n = 4 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 22 TH 4: n = 5
phân tử có dạng AX5, ta tưởng tượng năm ñôi electron phân bố trên mặt cầu vỏ hóa trị như sau: Thí dụ PCl5… - Ba ñôi electron cùng với hạt nhân nguyên tử trung tâm A nằm trong một mặt phẳng, ba ñôi electron này hướng về ba ñỉnh của một tam giác ñều và hạt nhân A là trọng tâm của tam giác ñều ñó. Ba ñôi electron này tạo nên liên kết xích ñạo. - Hai ñôi electron còn lại ñược phân bố trên hai ñầu của ñoạn thẳng vuông góc với mặt phẳng tam giác ñều trên tại tâm A. Hai ñôi electron này tạo nên liên kết trục. Như vậy ta có: Liên kết trục sẽ có ñộ dài lớn hơn liên kết xích ñạo (ñộ dài liên kết xích ñạo là 202 pm, ñộ dài liên kết trục là 214 pm. Kết quả của sự sắp xếp ñó ñưa ñến một lưỡng tháp tam giác. Xuất hiện 2 loại góc hóa trị: Góc 0 0120 , 90α β= = . P 1200 900 Cl Cl Cl Cl Cl TH 5: n = 6
phân tử có dạng AX6, sáu ñôi electron này ñược phân bố trên vỏ hóa trị của nguyên tử A ở sáu ñỉnh của một hình bát diện ñều. Trong trường hợp này ta không có sự phân biệt giữa liên kết ngang với liên kết trục về ñộ dài. Góc giữa hai trục liên kết cạnh nhau bằng 900. Thí dụ SF6… 900 S F F F F F F 1.4.2.2. Phân tử có dạng AXnEm Nguyên tử trung tâm A vừa có n ñôi electron liên kết vừa có m ñôi electron riêng (kí hiệu E). Ở ñây cần lưu ý sự không tương ñương giữa mây electron của ñôi electron liên kết với ñôi electron riêng: cụ thể là ñôi electron riêng có mây electron n = 5 n = 6 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 23 chiếm khoảng không gian lớn. Do ñó trong hai trường hợp AXn với AXnEm có cùng số ñôi electron hóa trị nhưng hình dạng hai phân tử không hoàn toàn giống nhau. - AX2E
phân tử gồm nguyên tử trung tâm A, 2 phối tử X (có tương ứng 2 cặp electron liên kết), 1 cặp electron riêng (vì m = 1). Chú ý trường hợp của phân tử AX2 vừa xét ở trên, ta thấy hình dạng phân tử thẳng, nhưng trong trường hợp này phân tử có một ñôi electron tự do không tham gia liên kết. Áp dụng lý thuyết không tương ñương giữa các cặp electron liên kết và không liên kết ta dự ñoán hình học của phân tử sẽ không còn nằm trên một ñường thẳng. Thí dụ SO2, SnCl2-, NO2… A X X1200 Hình dạng tương tác ñẩy là tam giác ñều, ta thấy mây ñôi electron riêng gây hiệu ứng ñẩy hai mây ñôi electron liên kết làm cho góc hóa trị XAX ≈ 1200 (hơi nhỏ hơn 1200) - AX3E
nguyên tử trung tâm A có tổng cộng 4 ñôi electron (giống như trường hợp của phân tử AX4) nhưng phân tử này không có hình dạng tứ diện giống như phân tử AX4 (CH4) mà lại có hình tháp tam giác (hình tháp chóp). Thí dụ NH3, AsF3, SO32-…Hình dạng tương tác ñẩy là hình tứ diện, như vậy về nguyên tắc thì các góc hóa trị XAX = 109028’ nhưng trên thực tế các góc XAX < 109028’ một chút. Ta xem xét trường hợp cụ thể ñối với phân tử NH3 H H 1070 H - AX2E2
nguyên tử trung tâm A cũng có 4 ñôi electron, nhưng do có hai ñôi electron riêng nên hình dạng phân tử khác với phân tử AX4 hay AX3E (cũng có 4 ñôi electron). ðôi electron riêng 1 ñôi electron riêng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 24 Phân tử này có góc nhỏ hơn góc tứ diện 109028’, và nhất là góc hóa trị XAX cũng nhỏ hơn cả góc XAX của phân tử AX3E. 1070 H H Ta nhận thấy góc liên kết HOH trong phân tử H2O nhỏ hơn góc liên kết HNH trong phân tử NH3, nguyên nhân của hiện tượng trên là do trong phân tử H2O thì nguyên tử Oxi còn 2 cặp electron riêng nên gây ra hiệu ứng ñẩy mạnh hơn, nên sẽ thu hẹp góc hóa trị của liên kết lại. - AX4E
sự phân bố 1 ñôi electron riêng và 4 ñôi electron liên kết tạo ra hình dạng phân tử là hình tháp chóp (hình cái bập bênh – một số sách của PGS.TS Trần Thành Huế). Thí dụ SF4… - AX3E2
3 ñôi electron liên kết tạo 3 liên kết A – X, sự ñẩy tương hổ giữa 3 ñôi electron này với nhau và với 2 ñôi electron không liên kết, kết quả hình học phân tử có dạng hình chữ T. Thí dụ ClF3, HClO2… - AX2E3
có 2 cặp electron liên kết và 3 cặp electron không liên kết, tổng số là 5. Vậy hình dạng tương tác ñẩy là song tháp tam giác, tuy nhiên 3 cặp electron không liên kết chiếm không gian rộng hơn nên phân bố theo vị trí xích ñạo, còn 2 cặp electron liên kết chiếm vị trí trục. Do ñó mà cấu trúc hình học của phân tử là thẳng. - AX5E
4 trong năm ñôi electron liên kết ñược phân bố trên một mặt phẳng, một ñôi electron liên kết còn lại ñược phân bố trên trục gần như vuông góc với mặt phẳng trên. Do ñó 5 ñôi electron liên kết tạo thành hình tháp vuông. ðôi electron riêng còn lại trong trường hợp này cũng phân bố trên trục gần như vuông góc với mặt phẳng trên, sự tương tác ở ñây không ñáng kể lắm. Do ñó kết luận hình học phân tử ñối với AX5E là hình tháp vuông. Thí dụ BrF5… 2 ñôi electron riêng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 25 - AX4E2
2 ñôi electron riêng ñược phân bố trans (phân bố về 2 phía của mặt phẳng) so với 4 ñôi electron liên kết, mặt khác 4 ñôi electron liên kết này ñược phân bố trong mặt phẳng nên tạo ra hình vuông phẳng. Thí dụ XeF4… F FF F PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 26 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: Bài 16 Khái niệm về liên kết hoá học liên kết ion I. Khái niệm về liên kết hoá học 1. Khái niêm về liên kết 2. Quy tắc bát tử (8 electron) Bài 17 Liên kết cộng hoá trị I. Sự hình thành liên kết cộng hoá trị bằng cặp electron chung 1. Sự hình thành phân tử ñơn chất - Sự hình thành phân tử H2 - Sự hình thành phân tử N2 2. Sự hình thành phân tử hợp chất - Sự hình thành phân tử HCl - Sự hình thành phân tử CO2 (có cấu tạo thẳng) - Liên kết cho nhận 3. Tính chất của các chất có liên kết cộng hoá trị II. Liên kết cộng hoá trị và sự xen phủ các orbitan nguyên tử 1. Sự xen phủ của các orbitan nguyên tử khi hình thành các phân tử ñơn chất - Sự hình thành phân tử H2 - Sự hình thành phân tử Cl2 2. Sự xen phủ của các orbitan nguyên tử khi hình thành các phân tử hợp chất - Sự hình thành phân tử HCl - Sự hình thành phân tử H2S PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 27 Bài 18 Sự lai hoá các orbitan nguyên tử. Sự hình thành liên kết ñơn, liên kết ñôi và liên kết ba I. Khái niệm về sự lai hoá II. Các kiểu lai hoá thường gặp 1. Lai hoá sp 2. Lai hoá sp2 3. Lai hoá sp3 III. Nhận xét chung về thuyết lai hoá IV. Sự xen phủ trục và xen phủ bên 1. Sư xen phủ trục 2. Sư xen phủ bên V. Sự tạo thành liên kết ñơn, liên kết ñôi và liên kết ba 1. Liên kết ñơn 2. Liên kết ñôi 3. Liên kết ba Bài 21 Hiệu ñộ âm ñiện và liên kết hoá học 1. Hiệu ñộ âm ñiện và liên kết cộng hoá trị không cực 2. Hiệu ñộ âm ñiện và liên kết cộng hoá tri có cực 3. Hiệu ñộ âm ñiện và liên kết ion Bài 22 Hoá trị và số oxi hoá I. Hoá trị 1. Hoá trị trong hợp chất ion 2. Hoá trị trong hợp chất cộng hoá trị II. Số oxi hoá (4 quy tắc xác ñịnh số oxi hoá) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 28 2.2. Một số nội dung về liên kết hoá học trong các bài của SGK hoá học 10, 11 2.2.1. Chương trình SGK hoá học 10 nâng cao Bài 41. Cấu tạo phân tử O2 Bài 42. Cấu tạo phân tử Ozon (O3) và hidro peoxit (H2O2) Bài 44. Cấu tạo phân tử hidro sunfua (H2S) Bài 45. Cấu tạo phân tử SO2, SO3, H2SO4 2.2.2. Chương trình SGK hoá học 11 nâng cao Bài 30. Cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ (Chương 4) - Thuyết cấu tạo hoá học - Liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ Bài 34. Cấu trúc phân tử Ankan Bài 39. Cấu trúc phân tử Anken Bài 41. Cấu trúc phân tử ankañien Bài 43. Cấu trúc phân tử Ankin Bài 46. Cấu trúc phân tử benzene 2.3. Một số khái niệm 2.3.1. Quy tắc octet (quy tắc bát tử) Từ sự phân tích kết quả thực nghiệm và cấu tạo hóa học của các phân tử, năm 1916 nhà hóa học Kossel và Lewis ñã ñưa ra nhận xét mà ngày nay ta gọi là quy tắc octet: “Khi tạo liên kết hóa học, các nguyên tử có xu hướng ñạt tới cấu hình lớp ngoài cùng bền vững của các nguyên tố khí trơ với 8 electron hoặc 2 electron ñối với He” Cần lưu ý là quy tắc trên chỉ áp dụng ñúng cho một số nguyên tố giới hạn thuộc chu kì 2, các chu kì khác quy tắc octet có sự sai lệch. 2.3.2. Liên kết cộng hóa trị Liên kết hóa học ñược hình thành nhờ ñôi electron dùng chung (hay góp chung) giữa hai nguyên tử PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 29 Thí dụ: Phân tử H2 có cấu tạo H – H. Vậy trong nguyên tử này có một ñôi electron dùng chung giữa hai nguyên tử H Phân tử N2 có cấu tạo N N≡ . Vậy trong phân tử này có ba ñôi electron dùng chung giữa hai nguyên tử N - Liên kết cộng hóa trị không phân cực (hay không có cực): Trong liên kết này ñôi electron dùng chung ở chính giữa khoảng cách hai hạt nhân. Thí dụ: Phân tử Cl2 Ta có: Cl : Cl hay Cl – Cl. ðó là phân tử ñơn chất (của các phi kim là chủ yếu). 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. - Liên kết cộng hóa trị phân cực (hay có cực) Trong liên kết này, ñôi electron dùng chung lệch về phía nguyên tử có ñộ âm ñiện lớn hơn (hay nguyên tử có tính phi kim mạnh hơn) Thí dụ: Xét phân tử HX (X là các nguyên tử Halogen), các nguyên tử Halogen là những phi kim có ñộ âm ñiện lớn hơn rất nhiều so với nguyên tử H. Nên trong trường hợp này, ñôi electron dùng chung bị lệch về phía các nguyên tử Halogen X Chú ý học sinh: Sự phân loại liên kết như trên là có tính quy ước, không có ranh giới rõ rệt giữa các loại liên kết trên. - Tiêu chuẩn về hiệu số ñộ âm ñiện χ∆ ñược áp dụng trong trường hợp trên ñể có thể phân loại liên kết một cách ñại cương. 2.3.3. Công thức cấu tạo Lewis (sơ ñồ Lewis) Mặc dù hiện nay ñã có các thuyết hiện ñại giải thích về liên kết hóa học, nhưng việc biểu diễn một cách trực quan gần ñúng công thức cấu tạo phân tử giúp cho người ñọc dễ dàng hình dung nhất (ñối với các phân tử phức tạp) là một ñiều rất cần thiết. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 30 2.3.3.1. Nội dung và phạm vi áp dụng của công thức Nội dung: quy ước dùng một dấu chấm () ñể biểu thị một electron; hai dấu chấm (:) hoặc một vạch (–) ñể chỉ một ñôi electron trong nguyên tử hay phân tử. Công thức hóa học có dùng kí hiệu trên ñược gọi là công thức cấu tạo Lewis. Thí dụ: Các cách viết công thức cấu tạo Lewis cho NH3, CO2 N H HH N HH H NH3NH3 _ _ CO O C OOHay Áp dụng: Phân tử liên kết cộng hóa trị hay liên kết ion ñều có thể ñược biểu diễn bằng công thức Lewis. Tuy nhiên, trong thực tế người ta thường dùng công thức Lewis cho các phân tử có liên kết cộng hóa trị. Trong ñó ta không cần chỉ rõ sự lệch của ñôi electron liên kết, “một công thức hóa học thực có thể ñược biểu diễn dưới dạng một hay nhiều công thức Lewis khác nhau”. 2.3.3.2. Ưu, khuyết ñiểm của công thức phân tử theo Lewis - Ưu ñiểm: ðơn giản, dễ hiểu, giải thích ñược sự hiện diện của một số ñông hợp chất. - Khuyết ñiểm: + Vì chỉ có tính cách hình thức nên thuyết ñiện tử về hóa trị của Kossel và Lewis ñưa ra không giải thích ñược cơ cấu không gian (hình học phân tử) của hóa chất (gốc liên kết, ñộ dài liên kết). Thí dụ: Liên kết O – H bị phân cực nhưng ta không thể biết ñược trong phân tử H2O có phân cực hay không? (NH3) (CO2) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 31 H – O – H O Không phân cực H H Phân cực + Chỉ áp dụng ñúng cho nguyên tố chu kỳ 2, còn các nguyên tử của các nguyên tố chu kỳ khác thì ñã không còn tuyệt ñối ñúng cho lớp electron ngoài cùng. Thí dụ: BeCl2 quanh Be chỉ có 4 ñiện tử ở lớp ngoài cùng AlCl3 quanh Al chỉ có 6 ñiện tử ở lớp ngoài cùng PCl5 quanh P có 10 ñiện tử lớp ngoài cùng SF6 quanh S có 12 ñiện tử lớp ngoài cùng P Cl Cl Cl Cl Cl F F F F F S F + Không thể giải thích ñược sự hiện diện của những phân tử như Benzen (C6H6): Nếu biểu diễn Benzen như sau thì Benzen gồm 3 liên kết ñơn và 3 liên kết ñôi, trong khi ñó thực nghiệm các phép ño vật lý cho thấy C6H6 có 6 liên kết C – C hoàn toàn giống nhau và có ñộ dài liên kết là trung gian giữa bề dài của một liên kết ñơn và của một liên kết ñôi. + Không giải thích ñược sự hiện diện của những phân tử có chứa một số ñiện tử lẻ như NO, NO2…ðặc biệt với công thức Lewis, người ta không thể hình dung ñúng ñặc tính của oxigen (trên thực tế thì O2 có tính chất thuận từ vì có electron ñộc thân trên phân tử) Thực tế công thức cấu tạo của Benzen phải có dạng như sau   PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 32 + Và cuối cùng cần nhớ rằng, trước khi viết công thức Lewis cho một chất bất kì như ñã nói ở các mục trước ta cần phải biết rõ thứ thứ tự liên kết của các nguyên tử trong phân tử chất ñó, nghĩa là biết rõ cấu tạo hóa học của nó. Thí dụ: Ứng với công thức phân tử CHNO có ñến 2 công thức Lewis ứng với 2 chất khác nhau: O CH N H O C NHay NH C O Hay H N C O (Axit xianic) (Axit isoxianic) 2.3.3.3. Thành lập công thức cấu tạo Lewis của các chất Hiện nay, ở chương trình hóa học phổ thông (ñặc biệt là chương trình hóa học 10) vẫn còn sử dụng công thức Lewis, cụ thể là yêu cầu học sinh viết công thức electron của một phân tử từ ñó say ra công thức cấu tạo của chúng. ðể có thể viết ñược cấu tạo Lewis cho một công thức bất kì, ta hãy làm quen với một số khái niệm sau: - Nguyên tử trung tâm và phối tử Trong một công thức hóa học, nguyên tử trung tâm là nguyên tử cần nhiều nhất số electron ñể tạo ñược octet cho lớp ngoài cùng của nó (hay nguyên tử có số oxi hóa cao nhất). các nguyên tử khác và cả ñôi electron riêng của nguyên tử trung tâm gọi là phối tử. - ðiên tích lõi nguyên tử: là một số nguyên dương, có trị số bằng số electron hóa trị (electron lớp ngoài cùng) vốn có của nguyên tử ñó. Ví dụ ta xét ñiện tích lõi của các nguyên tử C, S, Cl, O… C: +4, S: +6; Cl: +7; O: +6… - ðiện tích hình thức của nguyên tử ñược xác ñịnh theo công thức sau: - ðiện tích giải tỏa (trên một nguyên tử) ðiện tích giải tỏa trên một nguyên ðiện tích giải tỏa trên một nguyên tử Số cấu tạo cộng = ðiện tích hình thức của nguyên tử ðiện tích lõi của nguyên tử Tổng số e riêng của nguyên tử = - - Số liên kết nguyên tử ñó tham gia PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 33 - Cấu tạo giới hạn, cấu tạo cộng hưởng + Cấu tạo giới hạn: chính là công thức cấu tạo ñược viết theo quy ước Lewis + Cấu tạo cộng hưởng: nếu một công thức hóa học mà có nhiều công thức Lewis (công thức giới hạn) thì các công thức giới hạn ñó là các công thức cấu tạo cộng hưởng của công thức ñó (như chúng ta ñã nói ở trên, một công thức hóa học có thể có một hoặc nhiều công thức Lewis) Nội dung thuyết cấu tạo cộng hưởng: Có 3 nội dung chính - Bất kì một phân tử hoặc ion nào cũng có thể ñược biểu diễn bởi hai hoặc nhiều công thức Lewis (chỉ khác nhau là ở vị trí các electron), gọi là công thức cộng hưởng hay công thức giới hạn. - Không một công thức nào trong chúng biểu diễn ñúng ñược hình học phân tử. Không một công thức cộng hưởng nào phù hợp hoàn toàn với tính chất vật lí hoặc tính chất hóa học của chất. - Phân tử hoặc ion ñó sẽ ñược biểu diễn tốt hơn bằng sự “lai hóa” giữa các công thức cộng hưởng. Thí dụ: ta có thể lấy dẫn chứng như trường hợp các ion CO32-, NO3-… những trường hợp này ta sẽ xem xét trong phần bài tập áp dụng bên dưới. 2.3.3.4. Các bước viết công thức cấu tạo Lewis
Thí dụ: Thiết lập công thức Lewis cho ion CO32- Bước 1: ðưa ra công thức cấu tạo Lewis giả ñịnh (dựa vào kinh nghiện bản thân, giả sử rằng các liên kết tạo thành là liên kết ñơn) C O O O Bước 2: Tính tổng số electron hóa trị của công thức giả ñịnh (kí hiệu n1) n1 = 4.1 + 6.3 + 2 = 24 (vì ở ñây CO32- là một anion ñiện tích (--) nên ta cộng thêm 2 vào trong tổng trên) (a) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 34 Bước 3: Tính số electron còn lại (kí hiệu n2) n2 = n1 – n’ (n’ là tổng số electron ñã tạo liên kết trong công thức giả ñịnh a) n2 = 24 – 2.3 = 18 Dùng n2 tạo octet cho nguyên tử âm ñiện nhất (nguyên tử cần nhiều hơn số electron ñể tạo ñược octet) trong công thức giả ñịnh (a)
khi ñó ta ñược công thức sơ bộ (b) C O O O Octet Cho Oxi C O O O Bước 4: Lập công thức Lewis ñúng Tính số electron còn lại (kí hiệu n3) sau khi ñã tạo octet ở bước 3: n3 = n2 – noctet = 18 – 18 = 0. Nếu trường hợp n3 ≠ 0 thì ta cần ñưa số electron này vào nguyên tử trung tâm rồi mới làm tiếp bước sau ñây - Tính ñiện tích hình thức trên mỗi nguyên tử trong công thức (b) dùng công thức ñã giới thiệu ở trên C: 4 – (3 + 0) = 1+ O: 6 – (1 + 6) = 1- Ta biểu diễn kết quả thu ñược trên công thức sau C O O O -1 -1 -1+1 Chuyển ñôi electron riêng của oxi thành ñôi electron liên kết ñể: - Tạo octet cho nguyên tử O (nguyên tử trung tâm A nói chung) - Trung hòa ñiện tích hình thức trên một số nguyên tử liên quan (chuyển một ñôi electron trên 1 trong 3 nguyên tử O bất kì thành ñôi e liên kết) C O O O C O O O (0) (0) -1 -1 (b) (c) (d) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 35 Tính lại ñiện tích hình thức, kết luận O bên trái có ñiện tích hình thức là: 6 – (2 + 4) = 0 C có ñiện tích hình thức là: 4 – (4 + 0) = 0 Hai O còn lại ñều có ñiện tích hình thức là: 6 – (6 + 1) = 1- Vậy ñiện tích hình thức của cả công thức (d) là: 1- + 1- = 2- Như ta ñã nói, có 3 nguyên tử O và cả 3 nguyên tử O này ñều có khả năng chuyển ñôi electron riêng của mình ñể tạo octet cho nguyên tử C do ñó thay vào việc có một cấu tạo (d) thì ta sẽ có 3 cấu tạo tương ứng (d1), (d2), (d3) C O O O C O O OC O O O (d1) (d2) (d3) Vậy ion CO32- có 3 cấu tạo giới hạn (hay 3 cấu tạo cộng hưởng), ñiện tích ñược giải tỏa trên mỗi nguyên tử O của ion CO32- là 23− Thí dụ: Hãy viết công thức cấu tạo Lewis cho PCl3 Áp dụng các bước trên ta sẽ có lần lượt các kết quả sau: P Cl Cl Cl Từ (a) ta có số elctron ñã tham gia liên kết n2 = 6e Số electron còn lại n3 = 26 – 6 = 20e Lấy số electron còn lại ở trên tạo octet cho nguyên tử âm ñiện hơn (Cl), số electron cần tạo octet là n4 = 6.3 = 18e P Cl Cl Cl Số electron còn lại sau khi ñã tạo octet ở trên là n5 = 20 – 18 = 2e (a) (b) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 36 Ta thấy, n5 > 0 nên ta dùng n5 ñiền vào nguyên tử P (chú ý chỉ ñược ñiền vào các nguyên tố chu kì 3 trở lên, vì quy tắc octet không còn phù hợp) P Cl Cl Cl Từ công thức (c) ta tính ñiện tích hình thức của mỗi nguyên tử trong phân tử P: 5 – 2 – 3 = 0 Cl: 7 – 6 – 1 = 0 Kết luận: Công thức (c) ở trên là công thức Lewis ñúng của PCl3 2.4. Khảo sát hình học phân tử một số hợp chất cộng hoá trị ðể dự ñoán hình học phân tử, có thể dùng mô hình tương tác ñẩy VSEPR (quy tắc kinh nghiệm gilexpi). Chúng ta có thể hệ thống quy tắc kinh nghiệm gilexpi trên theo bảng sau ñây, kết hợp cả hai loại phân tử (AXn và AXnEm). Chú ý ñặc biệt ñến 2 khái niệm “hình dạng tương tác ñẩy” và khái niệm “cấu trúc hình học phân tử”. Bảng 2.1. Cấu hình không gian của một số phân tử Phân tử Tổng số cặp e Hình dạng tương tác ñẩy Số cặp e liên kết Cấu trúc hình học phân tử Phân tử ñiển hình AX2 2 Thẳng 2 Thẳng BeCl2, BeH2. Tam giác ñều BF3 AX3 AX2E 3 3 3 2 Chữ V SO2 Tứ diện CH4 Hình tháp chóp NH3 AX4 AX3E AX2E2 4 4 4 4 3 2 Chữ V H2O Song tháp PCl5 Hình tháp chóp SF4 Chữ T ClF3 (c) Tam giác ñều AX5 AX4E AX3E2 5 5 5 5 4 3 Song tháp tam giác Tứ diện PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 37 Bát diện SF6 Hình chóp BrF5 AX6 AX5E AX4E2 6 6 6 Bát diện 6 5 4 Vuông phẳng XeF4
Nhận xét: Ta thấy ñối với các trường hợp trong phân tử không có cặp electron riêng nên hình dạng tương tác ñẩy ñối với các cặp electron cũng chính là hình học phân tử của chúng. Trong trường hợp ngược lại, các phân tử có ñôi electron riêng thì do tương hổ giữa chúng với các cặp electron liên kết nên hình học phân tử của chúng sẽ biến ñổi theo các quy luật như ñã trình bày ở phần trên. Như vậy, khi bạn ñã xác ñịnh tổng số cặp electron của công thức Lewis, từ ñó suy ra mô hình tương tác ñẩy của chúng, tiếp theo là dựa vào mức ñộ tương quan giữa các cặp e liên kết và các cặp e riêng (của nguyên tử trung tâm) ta suy ra hình học phân tử của các công thức ñó. Thí dụ: Dựa vào công thức Lewis một số chất vừa xác ñịnh ở trên, chúng ta sẽ suy ra hình học phân tử của chúng. Phân tử PCl3: có công thức Lewis ñúng là P Cl Cl Cl Tổng số cặp e hóa trị là 4 (trong ñó có 3 cặp e liên kết và 1 cặp e không liên kết) Kết luận: - Hình dạng tương tác ñẩy là tứ diện, nhưng do trên nguyên tử P còn một ñôi e riêng nên hình học phân tử có hình tháp chóp (hay hình tháp tam giác) giống trường hợp của phân tử NH3 AX2E3 5 2 Thẳng XeF2 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 38 - Theo nguyên tắc hình dạng tương tác ñẩy là hình tứ diện, tức là các ñôi mây e của nguyên tử trung tâm phân bố có dạng là hình tứ diện ñều, các góc tứ diện bằng nhau và bằng 109029’. Tuy nhiên có một ñôi e riêng trong số ñó chiếm khoảng không gian lớn, dẫn ñến sự thu hẹp các mây e liên kết nên từ hình tứ diện (dạng tương tác ñẩy) chuyển sang dạng tháp tam giác (hình tháp chóp) 109028' (Mô hình tương tác ñẩy tứ diện ñều) 109028' P Cl Cl Cl Ta suy luận chắc chắn rằng: Góc hóa trị ClPCl sẽ nhỏ hơn góc tứ diện 109029’, còn cụ thể là bao nhiêu thì cần phải có thực nghiệm chứng minh.
Tuy nhiên ta có một cách khác ñể tính toán số lượng các cặp e liên kết và các cặp e riêng (không cần phải viết công thức Lewis) -