Chuơng II CẤU TẠO PHÂN TỬ VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC 11. KHÁI QUÁT VỀ PHÂN TỬ VÀ LIÊN KẾT HÓA HỌC CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN 11. KHÁI NIỆM PHÂN TỬ Khái niệm phân tử được Avogađro, nhà bác học Ỷ đưa ra đầu tiên năm 1811. Trong một định luật được gọi là định luật Avogadro, khái niệm phân tử được sử dụng để chì những hạt nhỏ nhất của một chất khí có khả năng tổn tại độc lập, chứa ít nhất là 2 nguyên tử^*).
Theo lí thuyết cấu tạo kinh điển thì "phân tử gồm một số có giới hÕ hạn các nguyên tử kết Hình 11. Sự hình thành phân tử hợp với nhau bằng những H 2 từ 2 nguyên tử H liên kết hóa học". Để cố một quan niệm chính xác hơn về phân tử, ta xét sự hình thành phân tử H 2 từ hai nguyên tử H. Khi 2 nguyên tử hiđro tiến lại gần nhau thì sự tương tác giữa các hạt này dẫn đến sự hình thành một cáu trúc mới tức là phân tử H2 (H.l) có năng lượng cực tiểu, thấp hơn tổng náng lượng của 2 nguyên tử hiđro riêng rẽ Ha và Hb.
(*) Trừ các khí trơ. tồn tại dưới dạng nguyên từ (khi dó chưa được biết) http://tieulun.org 121 Trong phân tử H 2 hai điện tử không phải chuyển động riêng rẽ chỉ trong trường lực của một proton mà cùng chuyển động trong trường lực của cả hai hạt nhân trong không gian chung của cả phân tử. Ta dễ dàng nhận thấy rằng, nếu nổi một cách chính xác thì trong phân tử không còn tổn tại những nguyên tử xuất phát với cấu trúc ban đầu và sự liên kết trong phân tử không phải đơn giản là sự nối kết giữa nguyên tử này với nguyên tử khác. Theo quan niệm hiện nay : Phăn tử gôm một số có giới hạn các hạt nhăn nguyên tử và các điện tử tương tác vói nhau và được phân bố một cách xác định trong không gian tạo thành m ột cáu trúc vững bên.
Hiểu theo nghĩa rộng, khái niệm phân tử không phải chi bao gồm những phân tử trung hòa (H2, CO) mà còn bao gổm cả nh ữ ng ion phân tử (NO 3 , H j, .) và nh ữ ng gốc tự do (. Trong các tinh thể (ví dụ : tinh thể natri, tinh thể cacbon, tinh thể muối ăn), số nguyên tử hay số ion là vô hạn định, chúng không tạo thành những phân tử độc lập. Những phân tử riêng lẻ (Na2, C2, NaCl) chỉ tổn tại ở nhiệt độ cao. Giữa các phân tử cũng co' một tương tác yếu gọi là tương tác Van der Waals (Van đec Van).
Vì vậy, tùy theo các điểu kiện về nhiệt độ và áp suất, các phân tử không chỉ tổn tại ở trạng thái khí, phân tán mà còn tồn tại ở những trạng thái ngưngytụ (lỏng; rắn). THUYẾT ĐIỆN TỬ VÉ HÓA TRỊ (1916) Thuyết điện tử về hóa trị xuất hiện sau khi có mô hlnh nguyên tử Bohr (1913) và trước khi cổ CHLT (1926). Vì vậy thuyết này vẫn được coi là thuyết kinh điển hay một thuyết phi 122 http://tieulun.org cơ học lượng tử. Kết hợp với các dữ liệu về quang phổ nghiệm, thuyết Bohr đã cho phép xác định số điện tử trên các lớp và phân lớp quỹ đạo.
Xét về mật cấu trúc, ta đã biết, trừ nguyên tử hêli có 2 điện tử ở lớp thứ nhất (bão hòa) còn các nguyên tử khí trơ khác đều có 8 điện tử ở lớp ngoài cùng (s2p6). Xét vể mặt tính chất, các khí trơ rất ít hoạt động hóa học : nguyên tử của chúng không liên kết với nhau tạo thành phân tử, chúng tổn tại trong tự nhiên dưới dạng nguyên tử tự do riêng rẽ. Vì vậy, cấu trúc với 8 điện tử ở lớp ngoài cùng là một cấu trúc đặc biệt vững bền. Theo quy tấc bát tử (Octet) thì các nguyên tử của các nguyên tố có khuynh hướng liên kết vói các nguyên tử khác dể dạt dược cáu trúc diện tử vững bền của các khí trơ với 8 (hoặc dối vói hêli là 2) diện tử ỏ lớp ngoài cùng.
Tùy theo tương quan về tính chất của các nguyên tử tham gia liên kết, có thể co' 2 cách chính đạt được cấu hình vững bển của các khí trơ : - Sự chuyển điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác - Sự góp chung các điện tử Từ đo' xuất hiện hai loại liên kết cơ bản là liên kết ion và liên kết cộng hóa trị. Quy tấc bát tử cũng như giả thuyết về sự hình thành liên kết cộng ho'a trị và liên kết ion của Lewis (Liuyt) và Kossel (Côtxen) được Langmuir (Lăngmuya) phát triển thành thuyết diện tử về hóa trị Langmuir phân biệt hai loại ho'a trị : 1. Hóa trị ion của một nguyên tô là số điện tử mà nguyên tử của nguyên tố đo' đâ bỏ ra (ho'a trị dương) hay thu thêm (hđa trị âm) 123 http://tieulun. Cộng hóa trị của một nguyên tố là số cặp điện tử chung mà nguyên tử tương ứng có chung với các nguyên tử khác.
Sự PHÂN LOẠI CÁC LIÊN KỂT Ngoài liên kết ion và liên kết cộng hđa trị, theo lí thuyết kinh điển còn loại liên kết thứ ba được gọi là liên kết kim loại và cuối cùng người ta còn kể đến loại liên kết yếu giữa các phân tử thường được gọi là tương tác giữa các phân tử. Liên két ion Trên cơ sở của quy tắc bát tử, Kossel nhà bác học Đức cho rằng một loại liên kết có thể được hình thành :. - Bằng sự chuyển điện tử từ nguyên tử này sang nguyên tử khác - Bằng lực hút tĩnh điện giữa các ion tích điện trái dấu được hình thành Sự hình thành liên kết ion trong phân tử NaCl được tóm tắt trong sơ đổ sau : (+) (-) :Nai •• T.C1: •• -> :Nk: •I + : â• • : Sự hình thành liên kết ion trong phân tử nhiều nguyên tử MgCl2 được tóm tắt trong sơ đồ dưới đây : (-) (++) (-) : C1. + : Mg: + : c i : : c i : + :Mg: + : d : Lực hút tĩnh điện giữa các ion không định hướng, một ion dương có tác dụng hút đối vổi nhiều ion âm và ngược lại, vì vậy các hợp chất ion thường tổn tại ở dạng tinh thể.
Các phân tử ion riêng rẽ chỉ tổn tại ở nhiệt độ cao (1440°c đối với NaCl). Trên thực tế, liên kết ion điển hình chỉ hình 124 http://tieulun.org thành trong tinh thể giữa các kim loại điển hình và các phi kim điển hình. Hóa trị của một nguyên tố trong hợp chất ion được gọi là điện hóa trị hay hóa trị ion của nguyên tố đo'. Tương đương với định nghỉa của Langmuir, người ta còn có thể định nghĩa : Hóa trị ion của một nguyên tố là số diện tích của ion dó.
Trong hợp chất MgCl2, magie co' hóa trị dương hai, clo co' hóa trị âm m ột^. Liên kẽt cộng hóa trị (liên kểt nguyên tủ) Cùng năm 1916, nhà khoa học Mỹ Lewis (Liuyt) nêu lên giả thuyết cho rằng trong những phân tử như H2, Cl2, CH4 (các hợp chất phi ion), sự hình thành liên kết giữa hai nguyên tử được thực hiện bằng một hay nhiểu cặp điện tử chung cho hai nguyên tử và với sự hình thành những cập điện tử chung, các nguyên tử tương tác co' cấu hình diện tử vững bền của các khí trơ tương ứng. Loại liên kết này được gọi là liên kết cộng hóa trị hay liên kết nguyên tử. Sự hình thành liên kết cộng hđa trị trong các phân tử hai nguyên tử H2, Cl-., HC1 được mô tả bằng các sơ đổ sau : H.
+ -C1: - > H:CĨ Các công thức trên gọi là công thức diện tử. Đồi điện tử chung được gọi là đôi hay cặp diện tử liên kết. Theo quy ước*2 (1) Vì hóa trị là một số (số điện tử. số liên kết) nên nếu viết hóa trị cùa magie là 2 + của clo là 1 - thì không đúng vi đó là nhũng điện tích, ngược lại nếu viết + 2 hay ~1 thì cũng không đúng vì đó là một số đại so.
quy ước vể số oxi hoa.org chung, mỗi cặp điện tử chung được tính là một liên kết và được biểu diễn bằng một gạch (vạch) nối giữa ký hiệu các nguyên tử H - H, C1 - Cl, H - Cl. Các công thức này thường được gọi là công thức cáu tạo. Xét công thức điện tử của Cl2 và của HC1 ta thấy chung quanh các nguyên tử còn những cập điện tử hóa trị không tham gia liên kết được gọi là cặp điện tử không liên kết, hay Gặp điện tử tự do. Người ta còn thường biểu diễn mỗi cặp điện tử tự do bằng một vạch ngắn vẽ chung quanh ký hiệu của nguyên tử tương ứng : ịã - ÕT| , H - U\ Công thức này cũng như công thức cấu tạo nói trên thường được gọi là công thức vạch hóa trị hay sơ đồ Leivis.
Sự hình thành liên kết cộng hóa trị trong các phân tử nhiều nguyên tử H 2S, HoO, CH4, NH3 được mô tả bằng các Sơ đổ sau : H' + : s : + 'H H :S: H H - s - H H - s - H H + ■. H —N H H H Trong các phân tử được xét ở trên, các nguyên tử đều liên kết với nhau bằng một liên kết cộng hóa trị. Các liên kết này được gọí là các liên kết dơn. Trong phân tử khí C 0 2 , nguyên tử c liên kết với mỗi nguyên tử o bằng hai liên kết.
Đó là liên kết đôi.org :0: + :C: + :0: :0: :C: :0: |0 = c = 0| -* o = c = o Nguyen tử N có 5 điện tử hóa trị, khi hình thành phân tử N 2 , mỗi nguyên tử góp 3 điện tử tạo thành 3 liên kết. Người ta gọi đổ là liên kết ba. Số liên kết giữa hai nguyên tử gọi là bậc liên kết. Số liên kết cộng hóa trị xuất phát từ một nguyên tử trong phân tử được gọi là s ố liên kết của nguyên tử đó.
Tương đương với định nghĩa của Langmuir người ta còn co' thể định nghỉa : Hóa trị của một nguyên tố trong một hợp chất cộng hóa trị la số liên kết hình thành giữa một nguyên tử của nguyên tố dó vói các nguyên tử khác trong phân tử. Như vậy s ố liên kết X U. phát từ một nguyên tử chính là cộng ho'a trị của nguyên tử tương ứng. Trong các hợp chất CO-», NH3, HC1, clo và hiđro co' ho'a trị một, ôxi co' ho'a trị hai, nitơ co' ho'a trị ba, cacbon co' ho'a trị bốn.