Lai hóa obitan nguyên tử Khái niệm lai hoá: Để đưa khái niệm lai hoá, sách giáo khoa đưa ví dụ phân tử CH Từ công thức cấu tạo phân tử CH4 : H H C H C H H H H H Nguyên tử C làm tâm nguyên tử H đỉnh tứ diện góc liên kết HCH 1090 28’ Mà từ cấu hình electron nguyên tử C* C* 2s1 2p3 Thấy electron hoá trị tạo liên kết C- H không giống ( gồm electron s electron p ) mà tạo liên kết giống hệt Để giải thích tượng nhà hoá học Slây – tơ Pau – linh đề thuyết lai hoá , theo thuyết có tổ hợp “trộn lẫn” số obitan nguyên tử, trường hợp obitan 2s tổ hợp “ trộn lẫn” với obitan 2p để tạo obitan lai hoá sp giống hệt nhau, bốn obitan lai hoá xen phủ với obitan 1s nguyên tử H tạo liên kết C- H hoàn toàn giống Sự lai hoá obitan nguyên tử tổ hợp “ trộn lẫn” số obitan nguyên tử để obitan lai hoá giống định hướng khác không gian Điều kiện để trạng thái lai hoá obitan nguyên tử xảy tạo liên kết bền: - Các obitan lai hoá với lượng chúng xấp xỉ - Mật độ electron obitan nguyên tử tham gia lai hoá phải đủ lớn để độ xen phủ obitan lai hoá với obitan nguyên tử khác đủ lớn để tạo liên kết bền Các kiểu lai hóa thường gặp: a Lai hoá sp: Là tổ hợp obitan s với obitan p nguyên tử tham gia liên kết tạo thành obitan lai hoá sp nằm thẳng hàng với hướng hai phía- lai hoá đường thẳng Cần cho học sinh thấy rõ loại hợp chất có kiểu lai hoá sp thường gặp có dạng AB như: BeCl2, ZnCl2, BeH2 hay C2H2… Lai hoá sp nguyên nhân dẫn đến tính thẳng hàng ( góc liên kết 180 ) liên kết phân tử b Lai hoá sp2: Là tổ hợp obitan s với obitan p nguyên tử tạo thành obitan lai hoá sp2 nằm mặt phẳng, định hướng từ tâm đến đỉnh tam giác – Cách xác định lai hóa lai hoá tam giác.Thực tế hình dạng phân tử BF hình dạng tam giác nên ta chọn kiểu lai hoá sp2 để giải thích liên kết Giáo viên giới thiệu hợp chất AB có kiểu lai hoá sp2 thường gặp BF3, BCl3, SO3 hay C2H4… c Lai hoá sp3: Là tổ hợp obitan s với obitan p nguyên tử tham gia liên kết tạo thành obitan lai hoá sp3 định hướng từ tâm đến đỉnh tứ diện – lai hoá tứ diện Sách giáo khoa giới thiệu kiểu lai hoá sp thường gặp nguyên tử O,N,C phân tử H 2O, NH3,, CH4.…Giáo viên cần giới thiệu dạng phân tử thường gặp kiểu lai hoá AB 4, ví dụ: CCl4, NH4+ … *Ngoài ba kiểu lai hoá sp, sp2, sp3 có kiểu lai hoá sau: - Lai hoá sp3d ( lưỡng chóp tam giác) 1AO s + 3AO p + 1AO d => AO sp3d - Lai hoá dsp2 ( vuông phẳng ) 1AO d + 1AO s + 2AO p => AO sp2d - Lai hoá sp3d2 ( lưỡng chóp tứ giác hay bát diện ) 1AOs + 3AO p + 2AO d => AO sp3d2 Thành tựu to lớn thuyết lai hoá giải thích hình dạng số phân tử Chẳng hạn: Kiểu Kiểu Hình dạng Góc Các phân tử ví dụ phân tử lai hoá A Phân tử hoá trị AB2 sp Đường 1800 BeCl2, ZnCl2, CO2 thẳng AB3 sp Tam giác 1200 BF3, BCl3, SO3 ’ AB4 sp Tứ diện 109 28 CH4, CCl4, NH4+, AB4 dsp2 Vuông 900 PtCl42-, Cu(NH3)42AB5 sp3d Lưỡng chóp 900 1200 PCl5 AB6 sp d Bát diện 90 SF6, SiF62Kiểu lai hoá phụ thuộc vào cấu tao nguyên tử nguyên tố trung tâm nên phụ thuộc vào vị trí nguyên tố bảng tuần hoàn Bảng hệ thống lại khả lai hoá obitan nguyên tử nguyên tố số phối trí tối đa mà nguyên tử có theo chu kỳ Nguyên tố chu kỳ Chu Kỳ II Chu kỳ III Chu kỳ IV Chu kỳ V Chu kỳ VI Kiểu lai hoá số phối trí ( viết dấu ngoặc ) sp (2), sp2 (3), sp3 (4) sp3 (4), dsp3 (5), d2sp3 (6), sp3d2 (6) sp3 (4), dsp3 (5), d2sp3 (6), sp3d2 (6) d2sp3 (6), d2sp3f (7) d2sp3 (6), d2sp3f (7) Cách phát kiểu lai hoá dạng hình học số phân tử đơn giản: Cách xác định lai hóa Việc chọn kiểu lai hoá để giải thích liên kết phân tử tuỳ thuộc vào cấu trúc hình học thực nghiệm phân tử Tuy nhiên dùng số lý thuyết hay hoá lượng tử để xác định kiểu lai hoá mà không dựa vào giá trị thực nghiệm: Kiểu lai hoá hình dạng phân tử phụ thuộc vào số liên kết σ số cặp electron hoá trị không tham gia liên kết nguyên tử trung tâm Xét phân tử có dạng: A XnEm , với A nguyên tử trung tâm liên kết với n nguyên tử X n liên kết σ A có m cặp electron hoá trị không tham gia liên kết thì: -Nếu n + m = => A có lai hoá sp -Nếu n + m = => A có lai hoá sp2 -Nếu n + m = => A có lai hoá sp3 -Nếu n + m = => A có lai hoá sp3d -Nếu n + m = => A có lai hoá sp3d2 Cụ thể: +)Trường hợp n + m = Nguyên tử trung tâm A trạng thái lai hoá sp Như: BeX2 , ZnX2 , BeH2, CO2…Phân tử có dạng đường thẳng, góc liên kết là1800 +) Trường hợp n + m= Nguyên tử trung tâm A trạng thái lai hoá sp2 Nếu phân tử hay ion có dạng AX chẳng hạn BF3 , AlCl3, SO3…phân tử có dạng tam giác đều, góc liên kết 1200 Nếu phân tử có dạng AX 2E chẳng hạn SnCl2, SO2…do cặp electron tự chiếm không gian lớn cặp electron liên kết nên góc liên kết hẹp lại < 1200 +) Trường hợp n + m = Nguyên tử trung tâm A trạng thái lai hoá sp3 Nếu phân tử ion có dạng AX chẳng hạn CH4, NH4+, SO42-…thì có dạng tứ diện đều, góc liên kết 109028’ Nếu phân tử có dạng: AX 3E chẳng hạn NH3, PH3… Phân tử có dạng tháp tam giác, cặp electron tự chiếm không gian lớn cặp electron liên kết nên góc liên kết < 109028’ Nếu phân tử có dạng AX 2E2 chẳng hạn phân tử H2O, cặp electron tự chiếm không gian lớn cặp electron liên kết nên góc liên kết < 109028’ Nếu phân tử có dạng AXE3 chẳng hạn phân tử HF ; Phân tử có cấu tạo thẳng, góc liên kết 180 +) Trường hợp n + m = 5: Nguyên tử trung tâm trạng thái lai hoá sp 3d chẳng hạn phân tử có dạng AX5 PCl5 – phân tử có hình lưỡng tháp tam giác +) Trường hợp n + m = 6: Nguyên tử trung tâm trạng thái lai hoá sp3d2 Nếu phân tử ion có dạng AX6 chẳng hạn SF6 phân tử có dạng bát diện Nếu phân tử ion có dạng AX5E chẳng hạn BrF5 phân tử có dạng tháp vuông Nếu phân tử ion có dạng AX4E2 chẳng hạn XeF4 phân tử có dạng vuông phẳng Có thể coi tổng m + n tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm Lúc đó: - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm => lai hoá sp - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm => lai hoá sp2 - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm => lai hoá sp3 - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm => lai hoá sp3d Cách xác định lai hóa - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm => lai hoá sp3d2 * Để áp dụng lý thuyết lai hoá obitan nguyên tử, giải thích hình thành liên kết cộng hoá trị phân tử cần cho học sinh làm bước sau: - Thiết lập công thức cấu tạo phân tử, có lưu ý đến cặp electron tự - Xác định tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm Mỗi nguyên tử hay (nhóm nguyên tử) liên kết với nguyên tử trung tâm cặp electron tự nguyên tử trung tâm coi nhóm định cư - Dựa số nhóm định cư, xác định kiểu lai hoá nguyên tử trung tâm để từ dự đoán hình dạng phân tử *Việc xác định dạng hình học phân tử phụ thuộc vào số cặp electron tự nguyên tử trung tâm: -Lai hoá sp2 tạo dạng tam giác ba nhóm định cư nguyên tử hay nhóm nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm Nếu có cặp electron tự do, phân tử có dạng chữ V -Lai hoá sp3 tạo dạng tứ diện bốn nhóm định cư nguyên tử hay nhóm nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm Nếu có cặp electron tự do, phân tử dạng tháp đáy tam giác có hai cặp electron tự phân tử có dạng chữ V Trong số trường hợp có sai lệch góc liên kết thực tế có khác so với lý thuyết Ví dụ: phân tử H2O, NH3 góc liên kết HOH(104,50) góc HNH (107,00) nguyên tử trung tâm O, N trạng thái lai hoá sp cần phải hiểu sai lệch góc hoá trị cặp electron không tham gia liên kết chiếm obitan lai hoá khuếch tán tương đối rộng so với obitan lai hoá chiếm cặp electron liên kết (tạo thành liên kết) nên có tác dụng đẩy cặp electron khác mạnh so với cặp electron liên kết Tuy nhiên để giải thích hình dạng phân tử, lai hoá vận dụng thêm số giả thiết Ví dụ liên kết đôi, ba xét cấu trúc hình học phân tử chủ yếu người ta ý đến liên kết σ liên kết σ định hướng liên kết, nhiên theo quy tắc Gillespie ( Di- let- pi) đám mây electron liên kết đôi xốp chiếm khoảng không gian lớn đám mây liên kết đơn Vì vậy, phân tử AX ( lai hoá sp2 ) có liên kết ∏ góc liên kết lớn 1200 tất nhiên góc lại bé 1200 Chẳng hạn phân tử HCHO có góc liên kết sau: H 116 1220 C O H Còn phân tử sau đây, nguyên tử trung tâm kiểu lai hoá sp obitan biến đổi góc hoá trị giải thích sau: Góc hoá trị giảm xuống vai trò s lai hoá sp3 giảm xuống Cách xác định lai hóa Góc hoá trị Giảm xuống số cặp electron tự tăng lên H2O H2S H2Se H2Te 0 105 92 91 900 NH3 PH3 AsH3 SbH3 0 107 94 92 900 CH4 1090 28’ Vai trò xen phủ obitan thuyết lai hoá: Như đặt vấn đề đưa khái niệm lai hoá, thuyết lai hoá giải thích hình dạng số phân tử mà theo thuyết liên kết cộng hoá trị tuý không giải thích giải thích thuyết lai hoá sát với thực nghiệm Dựa vào lý thuyết xen phủ giải thích trường hợp hình thành hay không hình thành liên kết hoá học; liên kết tạo bền ( liên kết σ ) hay không bền ( liên kết Π ) Một số tập vận dụng: Ví dụ 1: Dựa vào lai hoá, mô tả cấu trúc phân tử sau dạng xen phủ obitan nguyên tử cho biết dạng hình học phân tử: a BeH2 b BF3 c CH4 HD: muốn dựa vào lai hóa để mô tả cấu trúc phân tử trước hết phải xét cấu tạo nguyên tử trung tâm Be, B, C; xác định công thức cấu tạo phẳng phân tử – xác định tổng số liên kết số cặp electron không liên kết nguyên tử trung tâm, kết hợp với cấu hình electron hoá trị nguyên tử đó, từ xác định trạng thái lai hoá nguyên tử trung tâm cách hình thành liên kết cộng hoá trị BeH2 Cấu hình electron Be ∗ 2s1 BF3 B∗ 2p1 2s1 H CH4 C∗ 2p2 2s1 F 1s Công thức câú tạo H Be 2s H 2p3 2p F B H 1s1 H F H C F Nhóm định cư Lai hoá sp H sp2 sp3 H Cách xác định lai hóa Dạng hình học Đường thẳng Tam giác Tứ diện Ví dụ 2: Hãy mô tả hình thành liên kết cấu tạo phân tử etan C2H6 HD: C* 2s1 2p3 Trong phân tử C2H6 hai nguyên tử C trạng thái lai hoá sp 3, obitan lai hoá có electron độc thân nguyên tử C, ba obitan lai hoá sp xen phủ với ba obitan1s H có electron độc thân tạo thành ba liên kết C- H Hai obitan lai hoá sp lại hai nguyên tử C xen phủ với tạo thành liên kết C-C Tất liên kết C – H C – C liên kết σ liên kết đơn Các góc liên kết CCH, HCH có giá trị 109 28’ Phân tử C2H6 có cấu tạo không gian: C C Ví dụ : Hãy cho biết dạng hình học phân tử sau đây: CO 2, HNO3, SO2, H2SO4 , NH3, H2O HD: cần xác định số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm: C, N, S, O… -Trong phân tử CO2 xung quanh nguyên tử trung tâm C có nhóm định cư ngưyên tử O -Trong phân tử HNO3 xung quanh nguyên tử trung tâm N có nhóm định cư ngưyên tử O nhóm – OH -Trong phân tử SO2 xung quanh nguyên tử trung tâm S có nhóm định cư nguyên tử O cặp electron không tham gia liên kết -Với phân tử H2SO4 xung quanh nguyên tử trung tâm S có nhóm định cư gồm nguyên tử O nhóm OH -Với phân tử NH3 ,xung quanh nguyên tử trung tâm N có nhóm định cư bao gồm nguyên tử N môt cặp electron chưa tham gia liên kết -Phân tử H2O , xung quanh nguyên tử trung tâm O có nhóm định cư bao gồm nguyên tử O cặp electron không tham gia liên kết Nhóm định CO2 HNO3 SO2 H2SO4 NH3 H2O Cách xác định lai hóa cư Kiểu lai hoá sp2 sp sp2 sp3 sp3 sp3 S OH S N O O O=C=O HO Dạng hình học N O O Đường Tam giác thẳng O HO Chữ V O H H O H Tứ diện Tháp đáy tam giác H H Chữ V Ví dụ : Hãy cho biết cấu trúc hình học phân tử: PF , PCl3, PH3 so sánh góc liên kết nguyên tử P với nguyên tử khác phân tử HD: viết công thức cấu tạo: P P P Cl H H Cl H Cl F Các phân tử thuộc loại AX 3E( lai hoá tứ diện ) Tuy nhiên có cặp electron không liên kết nên góc liên kết nhỏ góc tứ diện ( 109 028’) Các góc liên kết không đồng phối tử có độ âm điện khác Độ âm điện phối tử lớn, đám mây liên kết bị đẩy phía phối tử góc liên kết nhỏ Vì độ âm điện giảm dần theo chiều: F > Cl > H Nên góc FPF < góc ClPCl < góc HPH Về vấn đề liên quan góc liên kết quan điểm trái ngược Chẳng hạn, xét đến phân tử H2S, số tài liệu cho từ thực nghiệm phân tử H 2S có góc liên kết HSH = 920 ~ 900 nên obitan S không lai hoá có lai hoá S trạng thái lai hoá sp 3, góc liên kết phải gần với giá trị 109028’ Bên cạnh số tài liệu lại nói phân tử H2S S trạng thái lai hoá sp nguyên tử S có cấu hình electron 3s 3p4 với electron p độc thân liên kết với nguyên tử H Như biết , trục obitan p vuông góc với nên góc HSH phải 90 thực tế góc liên kết HSH 92 Sự sai khác vài độ giải thích lai hoá yêú không rõ rệt.Trong phân tử H 2S, nguyên tử S trạng thái lai hoá sp3 F S F H Hai obitan lai hoá, có cặp electron không liên kết hai obitan lai hoá lai có electron độc thân che phủ với obitan 1s có electron độc thân hai nguyên tử H tạo thành hai liên kết cộng hoá trị Phân tử có cấu tạo: S 920 H H Cách xác định lai hóa Ví dụ 5: Dựa vào thuyết lai hoá cho biết dạng hình học hai phân tử: BeCl NF3 Tính định hướng liên kết cộng hoá trị tuý ( không xét lai hoá ) có giải thích dạng hình học chúng không? Vì sao? HD: Be : 1s2 2s2 Be* : 1s2 2s12p1 -> Be có electron độc thân tạo thành liên kết σ với nguyên tử clo, cặp electron hoá trị không tham gia liên kết -> Be BeCl lai hoá sp phân tử BeCl2 có cấu trúc thẳng Bằng liên kết cộng hoá trị tuý không khẳng định cấu trúc thẳng phân tử BeCl hướng xen phủ AO 2p Be với AO hoá trị Cl xác định, hướng xen phủ 2AO 2s Be với AO hoá trị Cl thứ hai không xác định AO s hình cầu nên xen phủ hướng có giá trị N: 1s2 2s22p3 -> N có electron độc thân AO 2p khác Các AO 2p nằm thẳng góc với hướng xen phủ lớn với hoá trị nguyên tử F Vậy theo thuyết liên kết cộng hoá trị tuý, phân tử có hình tháp tam giác với góc liên kết FNF khoảng 900 Theo thuyết lai hoá : N NF có lai hoá sp3 N tạo liên kết σ với nguyên tử F cặp electron hoá trị chưa tham gia liên kết Vậy phân tử NF có hình tháp tam giác góc FNF gần góc tứ diện ( 1090 28’ ) Thực nghiệm xác nhận góc FNF gần 1020, nghĩa gần với góc tứ diện -> hai thuyết giải thích cấu hình phân tử NF3 thuyết lai hoá dự đoán góc FNF gần sát với kết thực nghiệm