Hóa học đại cương 1 Giảng viên: Ths Nguyễn Văn Quang CHƯƠNG X: MỘT SỐ VẤN ĐỀ CỦA THUYẾT OBITAN PHÂN TỬ ( THUYẾT MO ) 7 tiết ( 4 lí thuyết, 3 bài tập ) Ngày soạn: 02/11/2010 Ngày giảng: 27/12/2010 – 31/12/2010 I. Mục tiêu giờ dạy 1. Kiến thức - Luận điểm cơ sở của thuyết MO. - Các loại giản đồ năng lượng và áp dụng thuyết MO để giải thích liên kết hoá học trong hệ A 2 và một số phân tử hợp chất AB n và các ion. - Nội dung và áp dụng phương pháp gần đúng MO Hucken. 2. Kĩ năng - Xác định đúng dạng giản đồ , viết cấu hình e của các phân tử A 2 , AB n và các ion. - Giải thích được sự tồn tại phân tử va ion, các tính thuận từ, nghịch từ - Dùng thuyết MO giải thích sự hình thành liên kết trong các phân tử. - Áp dụng phương pháp MO Hucken cho các hệ liên hợp mạch thẳng, mạch vòng. 3. Thái độ tình cảm - Tin tưởng vào khoa học, chân lí khoa học - Tinh thần làm việc nghiêm túc, sáng tạo - Đức tính cần cù, tỉ mỉ, chịu khó - Lòng ham mê khoa học, yêu thích bộ môn hoá học II. Chuẩn bị - GV: Giáo án, giáo trình, bảng HTTH - SV: bài chuẩn bị, giáo trình III. Phương pháp giảng dạy - Phương pháp dạy học nêu vấn đề - Phương pháp đàm thoại gợi mở - Phương pháp thuyết trình, kèm theo giải thích minh hoạ - Phương pháp luyện tập Khoa Tự Nhiên – Trường Cao đẳng Sư phạm Quảng Ninh Húa hc i cng 1 Ging viờn: Ths Nguyn Vn Quang IV. Ni dung bi ging Hoạt động của GV và SV Nội dung bài dạy GV: thuyết MO dựa trên một số luận điểm cớ sở nào? SV nghiên cứu tài liệu rồi trình bày GV: Lời giải phơng trình Srodinger cho hệ ion phân tử hiđro, 2 H + ? SV: trình bày các nội dung cơ bản BàI 1: CáC LUậN ĐIểM CƠ Sở 1. Phân tử gồm một số có hạn các hạt nhân nguyên tử và các e chuyển động không ngừng, liên kết với nhau thành một thể thống nhất trong đó các e đợc phân bố trên các obitan chung của toàn bộ phân tử là các obitan phân tử (MO). 2. Một cách gần đúng, các MO đợc xây dựng nh sau: MO chung của toàn phân tử là tổ hợp tuyến tính các MO chỉ chứa 1e, đợc lấy gần đúng nh sau: khi 1e chuyển động gần hạt nhân hơn so với các hạt nhân khác của phân tử thì AO của e đó đợc coi là MO 1e của e này. Nh vậy MO chung của toàn bộ phân tử là tổ hợp tuyến tính các AO. Biểu thức cụ thể là: r 1 i r r r C = = Trong đó: là MO của phân tử, r là AO thứ r, c r là hệ số tổ hợp hàm sóng. 3. Các MO của 1 phân tử đợc xếp theo thứ tự năng l- ợng từ thấp đến cao thành giản đồ năng lợng MO; MO ứng với năng lợng thấp đợc gọi là MO liên kết, MO ứng với năng lợng cao đợc gọi là MO phản liên kết, số lợng 2 loại MO này bằng nhau. Các e đợc điền vào MO trên cơ sở của nguyên lí năng lợng cực tiểu, nguyên lí Pauli và qui tắc Hund, kết quả ta có cấu hình e của phân tử. BàI 2: THUYếT MO Về MộT Số PHÂN Tử ĐƠN CHấT 1. Sơ lợc về bài toán ion phân tử hiđro, 2 H + a. Các nội dung - Mô hình của hệ: hệ gồm 2 hạt nhân của 2 nguyên tử H (kí hiệu là a,b) và 1e. Khoa T Nhiờn Trng Cao ng S phm Qung Ninh Húa hc i cng 1 Ging viờn: Ths Nguyn Vn Quang - Toán tử Hamintơn. Trong hệ đvn ta có: à 2 1 1 1 1 2 a b H r r R = + - Hàm sóng: từ 2 hàm không gian 1s, kí hiệu a , b ta có thể có các tổ hợp: ( ) a b c + + = = + ; * ( ) a b c = = Các hàm + , cần kết hợp với hàm spin để đợc hàm sóng toàn phần phản đối xứng mô tả trạng thái của hệ. 1 1 E S E S + + = + = - Phơng trình Srodinger và cách giải à H E = Thay biểu thức của à H , + , vào phơng trình trên và giải ta thu đợc kết quả sau: - Kết quả: ứng với hàm + hay ta có: 1 E S + + = + ứng với hàm hay * ta có: 1 E S = b. Giải thích liên kết trong 2 H + theo thuyết MO 2. Phân tử A 2 a. Sự tạo thành các MO - Xét một cách đầy đủ, ở mỗi nguyên tử A có 1s, 2s, 2p x , 2p y , 2p z . Nếu chú ý AO hóa trị thì AO-1s đợc ghép vào phần lõi nguyên tử cùng với hạt nhân. - Các MO của A 2 + 2AO-1s tạo ra 2MO 1s : 1s và 1s * + 2AO-2s tạo ra 2MO 2s : 2s và 2s * + 2AO-2p z tạo ra 2MO z : z và z * + 2AO-2p x , 2AO-2p y tạo ra 4MO : x , y và x *, y * Khoa T Nhiờn Trng Cao ng S phm Qung Ninh Húa hc i cng 1 Ging viờn: Ths Nguyn Vn Quang GV yêu cầu SV viết giản đồ năng lợng của N 2 và O 2 theo các kiên thức ở trên Hoạt động 1: Thuyết MO về một số phân tử 2 nguyên tử AB - GV: Ví dụ hợp chất, ion nào có cùng số e với phân tử A 2 ? - SV: BF, CO, NO + - GV: Có gì khác khi dùng giản đồ MO? - SV: Sự khác biệt các mức năng l- ợng. - VD: Viết cấu hình e và vẽ giản đồ MO của phân tử CO? - GV: Hợp chất HF có bao nhiêu b. Giản đồ năng lợng các MO - Xét một cách chặt chẽ, các MO trên đợc xếp theo thứ tự năng lợng theo 2 giản đồ sau đây: + Giản đồ 1: thứ tự bình thờng + Giản đồ 2: thứ tự bất thờng - Nếu qui ớc chiều từ dới lên trên hay là chiều tăng dần năng lợng MO thì ta có thể viết 2 giản đồ đó nh sau: + Giản đồ 1: + Giản đồ 2: c. áp dụng. Xét 2 trờng hợp điển hình - N 2 + Từ cấu hình e của N: 1s 2 2s 2 2p 3 suy ra mỗi nguyên tử N có 4 AO hóa trị, 5e hóa trị. + Với N 2 : có 10AO (8AO hóa trị), 14e hóa trị (10e hóa trị) + Điền e vào MO, ta đợc cấu hình e của N 2 là: 2 *2 2 *2 4 2 1 1 2 2 ,s s s s x y z + Tính N lk = 1 (6 0) 3 2 = - O 2 + Từ cấu hình e của O: 1s 2 2s 2 2p 4 suy ra mỗi nguyên tử N có 4AO hóa trị, 6e hóa trị. + Với O 2 : có 12AO (8AO hóa trị), 16e hóa trị (10e hóa trị) + Điền e vào MO, ta đợc cấu hình e của O 2 là: 2 *2 2 *2 2 4 *1 *1 1 1 2 2 ,s s s s z x y x y + Tính N lk = 1 (6 2) 2 2 = Bài 3: LIÊN kết xichma, liên kết pi. Thuyết Mo về một số phân tử hợp chất. Mô hình liên kết theo thuyết mo Khoa T Nhiờn Trng Cao ng S phm Qung Ninh Húa hc i cng 1 Ging viờn: Ths Nguyn Vn Quang e? - SV: 10 - GV: Vậy công thức e của HF có giống B 2 ? - SV: Không - GV: sự khác biệt giữa hai trờng hợp? - SV: do độ âm điện khác nhau - GV: Vì 2 nguyên tố thuộc 2 chu kì khác nhau, các mức năng lợng AO khác nhau, do đó không có sự tổ hợp các AO tạo thành MO nh giản đồ 1, 2. Phải tổ hợp lại Hoạt động 2: Một số phân tử có từ 3 nguyên tử trở lên GV: phức tạp hơn nhiều GV: giới thiệu sự hình thành phân tử CH 4 , CO 2 Hoạt động: Liên kết xich ma, pi. Mô hình liên kết theo MO - Giải thích liên kết trong phân tử CH 4 , N 2 , H 2 O? I. Thuyết MO về một số phân tử các hợp chất 1. Phân tử 2 nguyên tử AB a. Các phân tử đẳng e với các phân tử A 2 - Sự phân bố các e vào MO giống A 2 - Có thể dùng giản đồ 1 hoặc 2 đều đợc - Giản đồ AB khác A 2 ở chỗ: đối với phân tử AB thì A và B khác độ âm điện vì vậy giản đồ AO của nguyên tử nào có độ âm điện lớn hơn sẽ ở vị trí thấp hơn so với AO tơng ứng của nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn. b. Một số phân tử AB khác - Có AO tham gia tổ hợp hình thành MO liên kết và MO phản liên kết - Có AO không tham gia tổ hợp sẽ hình thành nên những MO không liên kết - Còn lại các AO khác hình thành nên lõi phân tử VD: Trình bày cấu hình e của phân tử HF 2. Một số phân tử có từ 3 nguyên tử trở lên (AB n ) - Các yếu tố đối xứng của phân tử ( tâm, trục ) - Sự tổ hợp của các AO trong nguyên tử B để tạo thành các tổ hợp cộng và tổ hợp trừ. Từ đó hình thành MO liên kết và MO phản liên kết - Những AO không tổ hợp hình thành MO không liên kết VD: Cấu hình e của CH 4 II. Liên kết xich ma, liên kết pi. Sơ lợc về mô hình liên kết theo MO 1. Liên kết xich ma, liên kết pi - Liên kết xich ma là liên kết đợc tạo thành do e phân tử đợc điền vào MO xich ma liên kết Khoa T Nhiờn Trng Cao ng S phm Qung Ninh Húa hc i cng 1 Ging viờn: Ths Nguyn Vn Quang Hoạt động: Sự gần đúng Hucken - áp dụng sự gần đúng MO- Hucken cho gốc allyl C 3 H 5 ? Hoạt động: nghiên cứu giản đồ pi GV: áp dụng tính mật độ e trân các nguyên tử cacbon trong gốc allyl? - Liên kết pi là liên kết đợc tạo thành do e phân tử điền vào MO pi liên kết 2. Sơ lợc về mô hình liên kết theo MO - Nguyên tắc: theo MO liên kết hoá học giải toả (không định c ) Bài 4: PHNG PHP MO HUCKEN I. Sự gần đúng Hucken - áp dụng cho hệ có liên kết pi liên hợp - Ngời ta coi hệ các liên kết là cứng nhắc, cố định nên chỉ xét hệ các e - tạo liên kết , đó là sự gần đúng e - - Các sự gần đúng: + Tất cả tích phân Culong H rr đều bằng nhau, kí hiệu là + Các tích phân trao đổi: H rs Nếu r, s cạnh nhau thì H rs kí hiệu là Nếu r ,s không cạnh nhau thì =0 + Tất cả các tích phân xen phủ S rs Nếu r = s thì S rs = 1 Nếu r khác s thì S rs =0 - Lu ý: <0, <0. II. Kết quả lời giải phơng trình Srođingơ cho hệ e- - Hai kết quả là năng lợng E i và hàm sóng i i . Chú ý đầy đủ các chỉ số AO và MO, ta có: 1 r r r C = - Hàm sóng r là MO của các e- đợc xây dựng bằng cách tổ hợp tuyến tính n AO - áp dụng nguyên lí biến phân và cực tiểu hoá năng l- ợng ta đợc: Khoa T Nhiờn Trng Cao ng S phm Qung Ninh Húa hc i cng 1 Ging viờn: Ths Nguyn Vn Quang SV: q 1 = n 1 .c 11 2 + n 2 .c 12 2 + n3.c 13 2 thay n 1 =2, n 2 = 1, n 3 = 0 ta đợc q 1 = q 2 = q 3 =1 - GV: Tính bậc liên kết pi giữa các nguyên tử C trong gốc allyl? - Kết quả: p 12 = 0,707= p 23 - Tính bậc liên kết toàn phần trong gốc allyl? - Tính chỉ số hoá trị tự do trên các nguyên tử C trong gốc allyl? GV: Giải thích các thông số trong giản đồ các phân tử sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 11 11 1 12 12 2 1 1 21 21 1 22 22 2 2 2 1 1 1 2 2 2 ( ) 0 ( ) 0 ( ) 0 n n n n n n n n n n nn nn n H ES C H ES C H ES C H ES C H ES C H ES C H ES C H ES C H ES C + + + = + + + = + + + = - Hệ phơng trình có nghiệm C khác 0, không tầm th- ờng khi định thức của chúng bằng 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 11 11 12 12 1 1 21 21 22 22 2 2 1 1 2 2 ( ) ( ) ( ) n n n n n n n n nn nn H ES H ES H ES H ES H ES H ES H ES H ES H ES = 0 III. Giản đồ pi 1. Một số khái niệm a. Mật độ e- của một nguyên tử đợc kí hiệu q r . Biểu thức tính là: 2 r i ri i q n c= r: thứ tự nguyên tử đang xét i: chỉ thứ tự MO n i : số e- ở MO- thứ i - Định lí: Đối với các hợp chất hữu cơ liên hợp có số chẵn nguyên tử C hay góc trung hoà (điện) có số lẻ nguyên tử C, mật độ e-p trên mỗi nguyên tử C đều bằng 1. - Điện tích thực trên nguyên tử r: kí hiệu là Q rs đợc xác định theo: Q r = Z r - q r b. Bậc liên kết : bậc liên kết e- giữa 2 nguyên tử Cr, s cạnh nhau đợc kí hiệu là p rs và đợc xác định theo biểu thức: rs i ri i si p n c c= - Bậc liên kết cho biết mức độ liên kết giữa 2 nguyên tử đang xét. - Mối liên hệ giữa bậc liên kết và độ dài liên kết d rs = 1,517 0,18. p rs - Bậc liên kết toàn phần giữa 2 nguyên tử C r,s =1 + p rs c. Chỉ số hoá trị tự do ở nguyên tử C thứ r, kí hiệu F r Khoa T Nhiờn Trng Cao ng S phm Qung Ninh Húa hc i cng 1 Ging viờn: Ths Nguyn Vn Quang Hoạt động: quy tắc tính thơm - GV: Quy tắc về tính thơm? Xác định hệ với k= 0, 1? k=1 , hệ có 2 e- là C 2 H 4 k=1, hệ có 6 e- là C 6 H 6 đợc xác định theo biểu thức: F r = N max - N r N r : cho biết số liên kết pi ở nguyên tử r: N r = rs s p 2 *2 2 *2 4 2 1 1 2 2 ,s s s s x y z N r : cho biết mức độ bão hoà của nguyên tử r. N r càng lớn, nguyên tử r càng bão hoà, N r càng nhỏ, nguyên tử r càng kém bão hoà, nghĩa là r càng có nhiều khả năng tạo liên kết N max là trị số cực đại của N r N max = 1, 732 2. Giản đồ phân tử pi a. Khái niệm Giản đồ phân tử pi là giản đồ phân tử ghi rõ: - Chỉ số hoá trị tự do F r ở đầu mũi tên xuất phát từ r - Bậc liên kết p rs ở trên giữa 2 nguyên tử r và s - Mật độ điện tích q r hay điện tích thực Q r ở dới chân nguyên tử r b. ý nghĩa - Giản đồ phân tử pi cho biết sự định lợng hệ các liên kết pi không định c của phân tử c. Một số thí dụ III. Sơ lợc về quy tắc tính thơm của Hucken 1. Quy tắc về tính thơm - Là các hệ phẳng 1 vòng chứa các nguyên tử C lai hoá sp 2 có ( 4k+2) e- ( với k 0, nguyên ) - Chẳng hạn: k=0 hệ có 2e- là C 2 H 4 k=1 hệ có 6e- là C 6 H 6 , 2. Năng lợng Mỗi e- trong hệ này có năng lợng đợc tính theo biểu thức: 2 2 2 2 8 l l h E mr = V. Rút kinh nghiệm giờ dạy: Khoa T Nhiờn Trng Cao ng S phm Qung Ninh . allyl? GV: Giải thích các thông số trong giản đồ các phân tử sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 11 11 1 12 12 2 1 1 21 21 1 22 22 2 2 2 1 1 1 2 2 2 ( ) 0 ( ) 0 ( ) 0 n n n n n n n n n n nn nn n H. lõi phân tử VD: Trình bày cấu hình e của phân tử HF 2. Một số phân tử có từ 3 nguyên tử trở lên (AB n ) - Các yếu tố đối xứng của phân tử ( tâm, trục ) - Sự tổ hợp của các AO trong nguyên tử B. nghiệm C khác 0, không tầm th- ờng khi định thức của chúng bằng 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 11 11 12 12 1 1 21 21 22 22 2 2 1 1 2 2 ( ) ( ) ( ) n n n n n n n n nn nn H ES H ES H ES H ES H