Đang tải... (xem toàn văn)
Thuyết lai hóa orbital
Thuyết lai hóa orbital : • Các kiểu lai hóa AO : - Lai hóa sp : 1 AO s trộn lẫn với 1 AO p tạo ra 2 AO lai hóa nằm thẳng hàng với nhau tạo thành góc 180 0 s p 2 AO lai hóa sp - Lai hóa sp 2 : 1 AO s trộn lẫn với 2 AO p tạo ra 3 AO lai hóa sp 2 nằm trong cùng mặt phẳng tạo với nhau những góc bằng nhau và bằng 120 0 s 2 AO p 3 AO lai hóa sp 2 - Lai hóa sp 3 : 1 AO s trộn lẫn với 3 AO p tạo thành 4 AO lai hóa hướng theo 4 đỉnh của hình tứ diện đều, các góc HCH bằng nhau và bằng 109 0 28’ s 3 AO p 4 AO lai hóa sp 3 Ngồi các kiểu lai hóa trên còn các kiểu lai hóa khác như : dsp 2 (hình vng) sp 3 d 2 (hình bát diện đều) … • Điều kiện lai hóa bền : - Năng lượng các orbital tham gia lai hóa phải xấp xỉ nhau. - Mật độ electron của AO tham gia lai hóa phải đủ lớn - Mật độ xen phủ của các AO lai hóa với các AO của các ngun tử khác tham gia liên kết phải đủ lớn để tạo thành liên kết bền. Đặc điểm AO lai hóa - Số lượng AO lai hóa thu được bằng tổng số AO tham gia lai hóa - Các AO lai hóa có cùng mức năng lượng - Mỗi AO lai hóa gồm 2 phần: phần nở rộng và phần thu hẹp; hai phần này cách nhau mặt nút tại hạt nhân ngun tử (phần nở rộng thường có dấu +, phần thu hẹp thường có dấu -) - Mỗi AO lai hóa được phân bố trên một trục xác định đi qua hạt nhân ngun tử (có thể trùng hoặc khơng trùng với trục tọa độ Đecac). Người ta nói AO lai hóa có tính đối xứng trục Từ các điều kiện trên ta có thể thấy : Trong một chu kì hiệu năng lượng của AO s với AO p tăng lên khi đi từ đầu đến cuối chu kì nên khả năng tham gia lai hóa giảm xuống. Khi tăng kích thước ngun tử, khả năng lai hóa của các AO hóa trị giảm xuống. * Liên kết xich ma liên kết pi : a. Liên kết xich ma : Là liên kết cộng hóa trị hình thành do sự xen phủ 2 orbital dọc theo trục nối 2 hạt nhân ngun tử. Do mật độ xen phủ các orbital lớn nên liên kết xich ma bền (có năng lượng liên kết lớn) b. Liên kết pi : Là liên kết hình thành do sự xen phủ các orbital p, vùng xen phủ các orbital p vng góc với trục nối 2 hạt nhân ngun tử. Sự xen phủ này gọi là sự xen phủ bên. Do mật độ xen phủ các orbital p thấp nên liên kết pi kém bền hơn liên kết xich ma. Các kiểu xen phủ trục của liên kết xich ma : Xen phủ s – s : TD : phân tử H 2 Xen phủ s – p : TD : phân tử HCl, HF, HI 1 δ π Xen phủ p – p : TD : phân tử Cl 2 , Br 2 Các kiểu xen phủ bên tạo liên kết pi : Mô hình các phân tử : CH 4 , C 2 H 6 , C 2 H 4 , C 2 H 2 Nguyên tử C lai hóa sp 3 Nguyên tử C lai hóa sp 2 Nguyên tử C lai hóa sp 3/ Cấu trúc hình học của phân tử : Công thức nguyên của một chất cho ta biết tổng quát số nguyên tử mà nó có. Biết công thức này là cần thiết nhưng rỏ ràng là không đủ để tiên đoán những tính chất của nó, vì nhiều tính chất là suy trực tiếp từ các đặc trưng hình học của phân tử. TD : Các phân tử H 2 O, H 2 S có dạng góc, cho nên ở trạng thái lỏng chúng là dung môi tốt đối với các chất ion, trong khi các chất tương tự chúng như CO 2 , CS 2 có dạng thẳng và chỉ làm dung môi cho các phân tử cộng hóa trị, Trong thực tế, biết số m nguyên tử X kết hợo với nguyên tử trung tâm A chưa đủ để xác định cấu trúc phân tử AX m , vì vhính số electron hóa trị tổng cộng mới đóng vai trò quyết định. Cải tiến mô hình Lewis, thuyết VSEPR (Valen Shell Electronic Pair Repulsions) dựa trên sự đẩy các cặp electron của những lớp hóa trị cho phép xác định cấu trúc hình học của phân tử. Lý thuyết VSEPR : Xuất phát từ ý tưởng đưa ra lần đầu bởi N. Sidgwick và H.Powel là : các cặp electron hóa trị của một nguyên tử luôn đẩy lẫn nhau. R.J. Gillespie đã đưa ra qui tắc tiên đoán sự định hướng các liên kết xung quanh 1 nguyên tử gọi là nguyên tử trung tâm của phân tử hoặc ion. Mô hình Gillespie là một quá trình suy luận đơn giản và hiệu quả trên cơ sở sau : Mọi cặp electron liên kết và không liên kết và có khi là electron độc thân ở lớp ngoài đều cư trú một cách thống kê ở cùng một khoảng cách xác định so với hạt nhân, như là chúng được xếp trên bề mặt hình cầu mà nhân mằm ở tâm. Các electron tương ứng đẩy lẫn nhau và định vị ở những vị trí làm cực tiểu lực đẩy electron. Vì lý do đối xứng, các cặp electron ở lớp ngoài của nguyên tử trung tâm tạo ra những mô hình hình học đều mà tùy trường hợp là nội tiếp trong vòng tròn hay trong hình cầu. Trong mô hình VSEPR một cặp electron tự do (hay 1 electron độc thân) cũng được coi như là những liên kết giữa các nguyên tử. Vì trục liên kết không phụ thuộc vào liên kết là đơn hay bội, nên chỉ cần biết tổng số nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm mà không cần biết đến bản chất của liên kết này. - Nguyên tử cần nhiều electron hơn để tạo octet được gọi là nguyên tử trung tâm A - Phối tử có hai loại: * Nguyên tử liên kết hóa học với A được kí hiệu là phối tử X Ta có công thức AX m (m ≥ 1, nguyên). TD: CO 2 , BeH 2 thuộc dạng AX 2 , BH 3 thuộc dạng AX 3 * Đôi electron chưa tham gia liên kết của nguyên tử trung tâm (nếu có) được gọi là phối tử E Trong các điều kiện như trên công thức VSEPR của hợp chất biểu thị bằng cách viết : AX m E n trong đó : m là số nguyên tử X liên kết với nguyên tử trung tâm A. n : là số thực thể không liên kết (đôi electron tự do và electron độc thân) mà nó có Tổng số : (m + n) quyết định cấu trúc hình học của phân tử Có một số phương pháp khác nhau để giải thích cấu trúc hình học của phân tử như : Phương pháp mô hình sự đẩy giữa các đôi electron vỏ hóa trị – VSEPR, phương pháp mô hình liên kết bị uốn cong hoặc phương 2 pháp mô hình lai hóa orbital nguyên tử. Sau đây ta xét cấu trúc hình học của phân tử trên cơ sở mô hình lai hóa orbital nguyên tử. TD : Dạng AX 2 E 0 có (m + n) = 2 có cấu trúc thẳng, nguyên tử trung tâm có kiểu lai hóa sp như phân tử : BeH 2 , CO 2 , ZnCl 2 … Cấu trúc thẳng Dạng AX 3 E 0 có (m + n) = 3 có cấu trúc tam giác, nguyên tử trung tâm có kiểu lai hóa sp 2 như phân tử BF 3 , SO 3 , CO 3 2- … Cấu trúc tam giác Cấu trúc tứ diện Dạng AX 4 E 0 có (m + n) = 4 có cấu trúc tứ diện, nguyên tử trung tâm có kiểu lai hóa sp 3 như : CH 4 , CF 4 , SO 4 2- , NH 4 + … Dạng AX 5 E 0 có (m + n) = 5 có cấu trúc dạng lưỡng tháp tam giác, nguyên tử trung tâm có dạng lai hóa sp 3 d như: PCl 5 , PF 5 3 Dưới đây là một số mô hình cấu trúc hình học của phân tử : AX n E m Dạng công thức Tổng (m + n) Số cặp e không lk Kiểu lai hóa Cấu trúc hình học Các chất minh họa AX 2 E 0 2 0 sp Đường thẳng CO 2 , C 2 H 2 , BeH 2 , BeCl 2 , ZnCl 2 AX 3 E 0 3 0 sp 2 Tam giác phẳng SO 3 , BF 3 , AlCl 3 , O 3 , NO 2 , C 2 H 4 , CO 3 2- , NO 3 - AX 2 E 1 3 1 sp 2 Góc SO 2 , O 3 AX 4 E 0 4 0 sp 3 Tứ diện CH 4 , NH 3 , NH 4 + , SO 4 2- , CCl 4 , ClO 4 - , PO 4 3- AX 3 E 1 4 1 sp 3 Chóp tháp NH 3 , PH 3 , AsCl 3 AX 2 E 2 4 2 sp 3 Góc H 2 O, H 2 S, SF 2 , SCl 2 , F 2 O AX 5 E 0 5 0 sp 3 d lưỡng chóp PCl 5 , PF 5 AX 6 E 0 6 0 Sp 3 d 2 Bát diện SF 6 , AlF 6 3- , SiF 6 2- BÀI TẬP 1. Hãy cho biết kiểu lai hoá của các nguyên tố và loại liên kết (σ, π) trong các hợp chất sau: Cl-CH 2 -CH=O; CH 2 =CH-C≡N; CH 2 =C=O 2. Vì sao nước đá lại nhẹ hơn nước lỏng? Do có liên kết cầu Hidro nên nước đá có cấu trúc đặc biệt (các nguyên tử oxi nằm ở tâm và 4 đỉnh của 1 tứ diện đều). Mỗi ngtử H liên kết với chính 1 nguyên tử oxi và liên kết cầu hidro với 1 nguyên tử oxi khác. Cấu trúc nàyxốp nên tỉ khối nhỏ. Khi tan thành nước lỏng, cấu trúc này bị phá vỡ nên thể tích giảm ⇒ tỉ khối tăng lên. 3.Hãy vẽ rõ ràng dạng hình học của 3 anion[NiCl 4 ] 2- ,[PtCl 6 ] 2- ,[PdCl 4 ] 2- và cấu trúc của phân tử Pd(NH 3 ) 2 Cl 2 . Ghi đúng kí hiệu lập thể và giải thích. Anion[NiCl 4 ] 2- có chứa Ni 2+ với cấu hình electron ngoài cùng là 3d 8 và số phối trí 4 nên có cấu trúc: ⇒ Lai hóa sp 3 ⇒ Tứ diện, thuận từ. Anion PtCl 6 2- có chứa Pt 4+ với cấu hình e ngòai cùng là 5d 6 và số phối trí 6 nên có cấu trúc Lai hóa d 2 sp 3 ,có hình tám mặt, nghịch từ. Anion PdCl 4 2- có chứa Pd 2+ với cấu hình e ngoài cùng là 4d 8 và số phối trí 4 nên có cấu trúc Lai hóa dsp 2 ,có hình vuông phẳng, nghịch từ. 4 Cũng như PdCl 4 2- , Pd(NH 3 ) 2 Cl 2 có cấu trúc vuông phẳng.Tuy nhiên do hai phối tử khác nhau nên có 2 cấu hình hình học. Năng lượng trường tinh thể lớn hoặc nhỏ phụ thuộc vào: - phối tử:CN - >NO 2 - >NH 3 >H 2 O>OH - >F - >Cl - >Br - >I - . TRỪƠNG TINH THỂ LỚN THÌ SỐ SPIN NHỎ ,THUẬN TỪ ÍT -Ion trung tâm có điện tích cao thì TRỪƠNG TINH THỂ CÀNG LỚN 4 Hãy cho biết cấu trúc hình học của các phần tử sau: (nêu rõ trạng thái lai hóa của nguyên tố trung tâm) PtCl 4 2– , [Ni(CN) 4 ] 2– , SF 6 , [FeF 6 ] 3– , PtCl 6 2– ,[Fe(CN) 6 ] 4– . Giải: * PtCl 4 2– , [Ni(CN) 4 ] 2– lai hóa dsp 2 nên đều có 4 cặp e liên kết và có cấu trúc vuông phẳng, góc liên kết · XAX = 90 0 . * SF 6 , [FeF 6 ] 3– lai hóa sp 3 d 2 và PtCl 6 2– ,[Fe(CN) 6 ] 4– lai hóa nên đều có 6 cặp e liên kết và có cấu trúc bát diện đều. 5. 1) Cho các phân tử sau: POF 3 ; BF 3 ; SiHCl 3 ; O 3 . Nêu trạng thái lai hóa của các nguyên tử trung tâm và vẽ cấu trúc hình học của các phân tử trên. 2) Kim loại đồng có cấu trúc mạng tinh thể kiểu lập phương tâm diện. - Cho biết số nguyên tử đồng chứa trong tế bào sơ đẳng này. - Tính độ dài cạnh lập phương a (nm) của mạng tinh thể, biết rằng nguyên tử đồng có bán kính bằng 0,128 nm. Đáp án Công thức phân tử Trạng thái lai hóa của nguyên tử trung tâm Cấu trúc hình học POF 3 sp 3 P O F F F BF 3 sp 2 B F F F HSiCl 3 sp 3 Si H Cl Cl Cl O 3 sp 2 O O O . . 2) - Số nguyên tử Cu = 8 8 1 × + 6 2 1 × = 4 (0,5 đ) - Xét đường chéo của 1 mặt, ta có độ dài đường chéo = 4 Cu r × = a 2 5 ⇒ a = 2 4 Cu r × = 2 128,04 × = 0,362 nm (0,5 đ 6.Khi nghiên cứu cấu trúc của PCl 5 (r) , PBr 5 (r) ở trạng thái tinh thể bằng tia X người ta thấy: a) PCl 5 gồm các ion [PCl 4 ] + ; [PCl 6 ] – phân bố trong tinh thể. b) PBr 5 gồm các ion [PBr 4 ] + ; Br – . Hãy cho biết cấu trúc không gian của các phần tử và giải thích tại sao có sự khác nhau trên? Giải: a) Nguyên tử P trong PCl 5 và PBr 5 đều ở trạng thái kích thích, lai hóa sp 3 d → phân tử có cấu trúc lưỡng tháp tam giác(hai liên kết trục dài hơn các liên kết xích đạo).Nguyên tử Ptrong[PCl 6 ] – ở trạng thái kích thích (lai hoá sp 3 d 2 ) → có cấu trúc bát diện. b) Không có quá trình PBr 5 + Br – → PBr 6 − do yếu tố lập thể 7.Dùng cấu trúc của ion SO 3 2– để giải thích khả năng phản ứng: 2Na 2 SO 3 + O 2 → 2Na 2 SO 4 . và Na 2 SO 3 + S → Na 2 S 2 O 3 . Giải: Nguyên tử trung tâm S ở trạng thái kích thích thứ nhất (có 4 e độc thân) và lai hóa sp 3 , phát sinh liên kết π do sự xen phủ p – d → ion SO 2 3 − có cấu trúc tháp. Sự có mặt obital sp 3 hai electron ở nguyên tử S trung tâm tạo khả năng cho ion SO 2 3 − kết hợp được với O và S để tạo thành SO 2 4 − và S 2 O 2 3 − . 8 Sự hình thành liên kết, hình dạng và từ tính của các phức [Ni(CN) 4 ] 2– và [NiCl 4 ] 2– có khác nhau không? Giải thích. Biết rằng tương tác giữa Ni 2+ với CN – mạnh hơn so với Cl – . Giải: - Do tương tác giữa Ni 2+ và phối tử CN – khá mạnh nên 2e độc thân ở AO-3d được ghép đôi (xuất hiện 1 ô trống ở AO-3d). Các AO trống này sẽ nhận cặp e tự do của phối tử CN – để tạo phức, các AO này đã bị lai hoá dsp 2 → các e đã ghép đôi nên phức nghịch từ và có dạng vuông phẳng. Do ion Cl – có bán kính lớn, tương tác với ion trung tâm yếu nên 2e độc thân ở AO-3d vẫn giữ nguyên. Các cặp e tự do của phối tử Cl – sẽ chiếm các AO trống ở 4s và 4p để tạo phức, các AO này đã lai hoá sp 3 → số e độc thân vẫn giữ nguyên nên phức thuận từ và có dạng tứ diện. 9.Hãy cho biết: cấu tạo lewis; dạng lai hóa(nếu có); hình dạng phân tử theo mô hình VSEPR; mô men lưỡng cực của mỗi phân tử sau: SF 4 ; HClO 2 ; HOCl; ICl 4 − ; IF 7 ; BrF 5 ; HNO 3 ; C 2 H 6 . 2) Có benzen, pyridin, borơzol (B 3 N 3 ), ion pyrilium (C 5 H 5 O + ), Furan (C 4 H 4 O), Pyrol (C 4 H 5 N). Hãy xác nhận rằng chúng đều là chất thuộc hệ thơm theo đúng qui tắc Hucken 4n+2 (có minh họa bằng công thức cấu tạo thu gọn) ♣ 1) * SF 4 : (AX 4 E) ; lai hóa sp 3 d; hình dạng cái bập bênh; µ ≠ 0 ; 1 đôi e không liên kết được phân bố trong mặt phẳng → kết quả tạo ra hình cái bập bênh * HClO 2 : (AX 3 E 2 ) lai hóa sp 3 d; hình dạng chữ T; µ ≠ 0 ; 2 đôi e riêng được phân bố trong mặt phẳng, 3 đôi e liên kết tạo ra 3 liên kết A – X sắp xếp thành hình chữ T. * HClO : (AX 2 E 3 ) lai hóa sp 3 d ; hình dạng đường thẳng; µ ≠ 0 ; 3 đôi e riêng được phân bố trong mặt phẳng, còn 2 đôi e liên kết tạo 2 liên kết A – X được phân bố trên trục vuông góc với mặt phẳng trên. Hai liên kết A – X nằm trên đường thẳng nên phân tử có dạng đường thẳng. * ICl 4 − : (AX 4 E 2 ) ; hình dạng vuông phẳng; µ = 0 ; theo mô hình sức đẩy cặp e trong vỏ hóa trị : 2 đôi e riêng được phân bố trans- so với nhau. Do đó 4 cặp e liên kết tạo 4 liên kết A – X trong mặt phẳng → phân tử có dạng vuông phẳng. * IF 7 : (AX 7 ), lai hóa sp 3 d 3 , dạng lưỡng chóp ngũ giác ; µ ≠ 0 ; * BrF 5 : (AX 5 E) lai hóa sp 3 d 2 , hình dạng tháp vuông, µ ≠ 0 ; 5 đôi e liên kết được phân bố 4 đôi trong mặt phẳng và một đôi trên trục tạo ra hình dạng tháp vuông. Một đôi e không liên kết được phân bố phía còn lại của trục. Do sự biến dạng như vậy nên độ dài liên kết ngang và trục không tương đương hình học. * HNO 3 : (AX 3 ) lai hóa sp 2 , hình tam giác phẳng, µ ≠ 0 ; 3 đôi e được phân bố trên mặt phẳng là 3 đỉnh của tam giác đều. 6 π * C 2 H 6 : (AX 4 ) lai hóa sp 3 , hình tứ diện, µ ≠ 0 ; 4 đôi e được phân bố trên 4 đỉnh của tứ diện đều, tâm tứ diện là A. 2) Từ 4n + 2 nếu n = 1 thì 4 + 2 = 6 (eπ) → các hệ đã cho đều phù hợp. C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C N B B B N N N C C C C C O Benzen Pyridin Borazol ion pyrilium Furan Pyrol 7 A E X X X X (AX 4 E) A X X X E E (AX 3 E 2 ) A X X E E (AX 2 E 3 ) E A X E X (AX 4 E 2 ) X X E A X X (AX 5 E) X X E X . Thuyết lai hóa orbital : • Các kiểu lai hóa AO : - Lai hóa sp : 1 AO s trộn lẫn với 1 AO p tạo ra 2 AO lai hóa nằm thẳng hàng với. đều) … • Điều kiện lai hóa bền : - Năng lượng các orbital tham gia lai hóa phải xấp xỉ nhau. - Mật độ electron của AO tham gia lai hóa phải đủ lớn -