mở đầu về liên kết hóa học Từ lâu, người ta coi phân tử như là nhóm giới hạn các nguyên tử kết hợp với nhau theo một luật kết nối xác định. Trong phân tử không tổn tại các nguyên tử riêng biệt mà chúng chịu sự tương tác lẫn nhau, nối kết lại thành phân tử. Số lượng các nguyên tử trong phân tử không hể thay đổi khi trạng thái vật lý của nó thay đổi. Ví dụ phân tử HạO gồm 2 nguyên tử hidro liên kết với một nguyên tử oxi luôn luôn không đổi.
Cho dù nước đá tan hay nước lỏng đun sôi thì hai nguyên tử hidro vẫn luôn luôn gắn với một nguyên tử oxi. Ngày nay, người ta quan niệm phân tử như là một hệ gồm một số giới hạn các hạt nhân nguyên tử và các electron phân bố theo một quy luật xác định trong không gian tạo thành một cấu trúc bển vững. Cấu trúc phân tử tổn tại dưới nhiều dạng khác nhau như: phân tử trung hòa, ion phân tử, ion phức chất, tinh thể. Trong những điều kiện xác định về nhiệt độ và áp suất, các phân tử còn chịu sự tương tác qua lại, tương tác yếu giữa các phân tử ở những trạng thái khác nhau.
Muốn hiểu rõ về cấu tạo của phân tử cũng như sự tương tác giữa các phân tử với nhau ta phải xét đến bản chất của liên kết hóa học: liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử, liên kết giữa các phân tử với nhau. Học thuyết về liên kết hóa học và cấu tạo phân tử đã trở thành vấn dé trung tâm của hóa học ngày nay. Bản chất của liên kết hoá học Luận văn tốt nghiệp Trang 10 GVHD: TS Trang Thị Lân SVTH: Bùi Thủy Linh Theo quan điểm hiện đại, liên kết hóa học có bản chất điện vì cơ sở tổn tại của mọi liên kết hóa học đều là lực hút giữa các hạt tích điện chính là các electron và hạt nhân nguyên tử. Electron thực hiện liên kết hóa học chủ yếu là các electron thuộc những lớp ngoài cùng gọi là electron hóa trị.
Theo quan điểm cơ học lượng tử, thực chất việc nghiên cứu liên kết là khảo sát sự phân bố mật độ electron trong trường hạt nhân của các nguyên tử tạo nên hợp chất. Sự phân bố mật độ electron khác nhau đưa đến xuất hiện các kiểu liên kết khác nhau, trong đó chủ yếu là liên kết cộng hóa trị và liên kết ion 2. Lịch sử hình thành và phát triển các khái niệm hóa trị và liên kết hóa học Trong lịch sử phát triển của hoá học, tri thức của con người về hóa trị và liên kết hóa học ngày càng sâu sắc và phong phú. Cho đến hiện nay có rất nhiều quan điểm, lý thuyết song song tổn tại; tuy nhiên không có quan điểm, lý thuyết nào có thể giải thích tốt mọi vấn để đặt ra trong thực tiễn.
Vì vậy trong mỗi trường hợp cụ thể cần có sự vận dụng khác nhau. Thuyết hấp dẫn đầu TK XIX của Berma (Thụy Điển) và Béctôle (Pháp): Tương tác giữa các hạt nhân là do lực hấp dẫn vũ trụ. Lực này gọi là lực hóa học, nó không tỷ lệ thuận với khối lượng các nguyên tử và chỉ ảnh hưởng trong khoảng 0. Lực hóa học có tinh chất bảo hòa và có tính chọn lọc.
Diéu này giải thích tại sao nguyên tố A tác dụng với nguyên tố B mà không tác dụng với nguyên tố C; với một nguyên tử A chỉ tác dụng với một số nhất định nguyên tử B. Thuyết điện hóa 1810 của Beczeliuyt (Thụy Điển): Nguyên tử của mỗi nguyên tố có hai cực dương và âm. Ở một số nguyên tử cực dương trội hơn, ở một số nguyên tử khác cực âm trội hơn. Đây là sự phát triển tư tưởng của Dévi (1806) cho rằng liên kết hóa học xuất hiện do lực hút lẫn nhau giữa các vật thể mang điện trái dấu.
Thuyết này giải thích được sự tạo thành các hợp chất phân tử ion nhưng không giải thích được sự tạo thành các phân tử H;, Cl;. ; cũng không giải thích được tại sao các nguyên tố có các cực khác nhau lại có thể thay thế nhau trong các hợp chất. Khái niệm hóa trị (nguyên tử số) 1852 của Franklan (Anh): Luận văn tốt nghiệp Trang 11 GVHD: TS Trang Thi Lan SVTH: Bui Thủy Linh Hóa trị là con sé biểu diễn kha năng của nguyên tử của nguyên tố tham gia kết hợp với một số nhất định nguyên tử của các nguyên tố khác. Điều này giải thích tại sao phân tử có cấu tạo xác định và cũng là cơ sở cho kết luận về hóa trị ở lớp 8: "Hóa trị của một nguyên tố được qui định bằng số nguyên tử hidro liên kết với một nguyên tử của nguyên tế trong hợp chất của nó với hidro” d.
Thuyết điện tử về liên kết hóa học của Liuyt và Cotxen 1916: *Thuyết điện hóa trị của Cotxen (Đức): các nguyên tố có tính chất rất khác nhau, khi tham gia vàoliên kết có sự cho hoặc nhận electron để tạo thành ion có lớp vỏ bén vững giống khí trợ. Các nguyên tố âm điện sinh ra ion âm, các nguyên tố dương điện sinh ra ion dương. Các ion dương và ion âm hút nhau bởi lực hút tĩnh điện tạo thành liên kết điện hóa trị (còn gọi là liên kết dị cực hay liên kết ion). Hóa trị của nguyên tố được tính bằng số electron mà một nguyên tử của chúng cho hay nhận.
Nguyên tố cho electron sẽ có hóa trị dương, nguyên tố nhận electron sẽ có hóa trị âm. *Thuyết cộng hóa trị của Liuyt (Mỹ) cùng thời với thuyết điện hóa trị của Cotxen. Thuyết điện hóa trị không giải thích được sự hình thành liên kết giữa các nguyên tử cùng loại hay các nguyên tử có độ âm điện như nhau hoặc gần như nhau. Liuyt đã cho rằng trong những trường hợp này có thể tạo thành liên kết bằng cách góp chung electron.
Chúng tạo thành các hợp chất cộng hóa trị trong đó hóa trị của nguyên tố được tính bằng số cặp electron dùng chung. Giải thích liên kết cộng hóa trị bằng cơ học lượng tử đầu TK XX: Cơ học cổ điển và thuyết điện tử về liên kết hóa học của Liuyt và Cotxen không giải thích được nguồn gốc của những lực hóa trị cũng như tính định hướng, tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị. Nhờ có cơ học lượng tử người ta mới vận dụng nó để giải thích bản chất lực liên kết và năng lượng liên kết cộng hóa trị. Theo cơ học lượng tử người ta không coi electron như một tiểu phân chuyển động với một vận tốc biết trước trong một quỹ đạo xác định mà chỉ tính xác suất có mặt một cách thống kê của electron tại thời điểm nào đó trong không gian.
Năm 1927 Hetle và London đã dùng phương pháp nhiễu loạn mà Haisenbec đã đưa vào cơ học lượng tử năm 1926 để giải bài tính về phân tử hidro. Phép tính của hai ông đã cho phép giải thích được bản chất của liên kết Luận văn tốt nghiệp Trang 12 GVHD: TS Trang Thi Lan SVTH: Bùi Thủy Linh cộng hóa tri. Nó cho thấy rằng khi hai nguyên tử hidro có spin ngược chiều tiến lại gần nhau thì giữa các hạt nhân xuất hiện khu vực có mật độ electron lớn hút các hạt nhân mang điện dương lại với nhau và làm giảm lực đẩy giữa chúng, kết quả là thế năng của hệ giảm, liên kết được hình thành. Hóa trị của nguyên tố bằng số electron chưa ghép đôi có trong vỏ nguyên tử.
Các electron này có thể ở trang thái cơ bản hay kích thích. Khi bị kích thích số electron độc thân tăng lên và có thể bằng số nhóm. Các nguyên tố chu kì II hoá trị không quá 4 vì không có obitan d, chỉ có 4 obitan gồm | obitan 2s và 3 obitan 2p. Các khái niệm của Hetle và London về cơ chế tạo thành liên kết hóa học đã được Skâytơ và Paoling (Mỹ) phát triển thêm thành thuyết liên kết hóa học có tên là “Phương pháp liên kết hóa trị" hay “Phuong pháp cặp electron”.
Phương pháp cặp electron chỉ giải thích được bản chất của liên kết cộng hóa trị trong trường hợp có sự góp chung của 2 electron có spin đối song song mà không giải thích được trường hợp liên kết được thực hiên bởi | electron (như ion phân tử hidro Hz") hoặc 3 electron (như liên kết của nguyên tử C trong phân tử benzen). Nó cũng không giải thích được tại sao phân tử oxi có tính thuận từ tương ứng với 2 electron không cặp đôi. Có | phương pháp khác giải thích được các trường hợp trên là phương pháp obitan phân tử (MO). Phương pháp obitan phân tử MO cho ta một khái niệm tổng quát hơn về bản chất của liên kết cộng hóa trị.
Theo phương pháp này 1 phân tử coi như có những obitan phân tử không khác gì những obitan của nguyên tử riêng rẽ. Mỗi electron trong phân tử nằm ở | obitan xác định được mô tả bằng hàm sóng tương ứng. Những obitan này cũng dan được lấp day theo một số quy tắc y hệt sự lấp đầy các obitan nguyên tử. Theo phương pháp MO thì obitan phân tử là tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử.
Từ N obitan nguyên tử sẽ có N obitan phân tử được tạo thành. Các obitan được mô tả bằng hàm sóng phản đối xứng làm cho phân tử không bén gọi là obitan phản liên kết. Ở các obitan này , xác xuất tìm thấy electron trong mặt đối xứng của phân tử bằng 0. Mây electron không tập trung ở giữa các hạt nhân dẫn đến sự đẩy nhau giữa các hạt nhân.
Ở các obitan được mô tả bằng ham sóng đối xứng, mật độ electron giữa các nguyên tử không bằng 0, độ lớn của mật độ electron này lớn hơn tổng mật độ electron của các Luận văn tốt nghiệp Trang 13 GVHD: TS Trang Thi Lan SVTH: Bùi Thủy Linh nguyên tử cô lập, dẫn đến sự hút nhau giữa hai hat nhân tức là tạo thành liên kết. Khi chuyển electron từ obitan nguyên tử đến obitan phân tử liên kết có kèm theo sự giảm năng lượng của hệ. Tính bén của phân tử quy về sự thăng bằng năng lượng của tất cả các obitan liên kết và phản liên kết. Theo MO đồng hóa trị của nguyên tố bằng tổng các obitan hóa trị tham gia vào liên kết gồm cả các obitan chứa electron chưa ghép đôi, các obitan chứa cặp electron và các obitan tự do.
Hoặc cũng có thể tính đồng hóa trị của nguyên tố bằng tổng các liên kết cộng hóa trị va các liên kết cho nhận. Một số khái niệm cơ bản về liên kết trong hóa học 2.