Đề tài Giảng dạy một số nội dung liên kết hóa học ở trường trung học phổ thông

1 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cảm ơn Trang Mục lục: ..................................................................................................................... 1 Danh mục các cụm từ viết tắt: .................................................................................... 4 PHẦN I: MỞ ðẦU 1. Lí do chọn đề tài:.................................................................................................... 5 2. Mục tiêu nghiên cứu: .............................................................................................. 5 3. Nhiệm vụ nghiên cứu: ............................................................................................ 6 4. Các phương pháp nghiên cứu: ................................................................................ 6 5. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu:.......................................................................... 6 PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT HỐ HỌC – CẤU TRÚC HÌNH HỌC PHÂN TỬ 1.1. Các đặc trưng cơ bản của liên kết hố học: .......................................................... 7 1.1.1. Khái niệm liên kết:...................................................................................... 7 1.1.2. Năng lượng liên kết:.................................................................................... 8 1.1.3. ðộ dài liên kết:............................................................................................ 9 1.1.4. Gĩc liên kết:................................................................................................ 9 1.2. Liên kết cộng hố trị: ......................................................................................... 10 1.3. Thuyết VB và sự giải thích các vấn đề về liên kết: ............................................. 10 1.3.1. Cơ sở lý thuyết:........................................................................................ 11 1.3.2. Sự tạo thành phân tử H2 từ hai nguyên tử H: ............................................. 11 1.3.3. Nơi dung cơ bản của thuyết VB: ............................................................... 12 1.3.3.1. Nguyên lí xen phủ cực đại: ............................................................ 13 1.3.3.2. Tính bão hồ của liên kết cộng hố trị: .......................................... 13 1.3.3.3. Tính định hướng của liên kết cộng hố trị: .................................... 14 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 2 1.3.3.4. Thuyết lai hố các orbitan nguyên tử: ............................................ 15 1.4. Mơ hình sự đẩy cặp electron vỏ hố trị (thuyết VSEPR): ................................... 19 1.4.1. Các luận điểm cơ sở:................................................................................. 19 1.4.2. Mơ hình VSEPR (qui tắc kinh nghiệm Gilexpi): ....................................... 20 1.4.2.1. Phân tử cĩ dạng AXn: .................................................................... 21 1.4.2.2. Phân tử cĩ dạng AXnEm:................................................................ 22 Chương 2: GIẢNG DẠY NỘI DUNG LIÊN KẾT Ở TRƯỜNG THPT 2.1. Một số nội dung về liên kết hố học ở chương 3 SGK hố học 10 nâng cao: ..... 26 2.2. Một số nội dung về liên kết hố học trong các bài của SGK hố học 10, 11:...... 28 2.2.1. Chương trình SGK hố học 10 nâng cao: ................................................ 28 2.2.2. Chương trình SGK hố học 11 nâng cao: ................................................ 28 2.3. Một số khái niệm: .............................................................................................. 28 2.3.1. Quy tắc octet (quy tắc bát tử): ................................................................. 28 2.3.2. Liên kết cộng hĩa trị: .............................................................................. 28 2.3.3. Cơng thức cấu tạo Lewis (sơ đồ Lewis):.................................................. 29 2.3.3.1. Nội dung và phạm vi áp dụng của cơng thức: ............................ 30 2.3.3.2. Ưu, khuyết điểm của cơng thức phân tử theo Lewis:.................. 30 2.3.3.3. Thành lập cơng thức cấu tạo Lewis của các chất:....................... 32 2.3.3.4. Các bước viết cơng thức cấu tạo Lewis:..................................... 33 2.4. Khảo sát hình học phân tử một số hợp chất cộng hố trị: ................................... 37 2.5. Lai hố AO nguyên tử: ...................................................................................... 40 2.5.1. Lai hố sp3: .............................................................................................. 40 2.5.2. Lai hố sp2: .............................................................................................. 42 2.5.3. Lai hố sp: ............................................................................................... 43 2.6. Mối liên hệ giữa cơng thức Lewis – VSEPR – Lai hố AO:............................... 44 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 3 Chương 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ BAN ðẦU 3.1. Kết quả khảo sát: ............................................................................................... 46 3.1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của việc khảo sát: ................................................ 46 3.1.2. Kế hoạch khảo sát: ................................................................................. 46 3.1.3. Thống kê số liệu:................................................................................... 46 3.1.4. ðồ thị:.................................................................................................... 48 3.1.5. Nhận xét: ............................................................................................... 49 3.2. Một số giáo án giảng dạy nội dung “liên kết hĩa học”: ...................................... 50 PHẦN III: KẾT LUẬN 1. Kết luận chung: .................................................................................................... 64 2. Ý kiến đề xuất: ..................................................................................................... 64 2.1. ðối với sinh viên trường sư phạm:..................................................................... 64 2.2. ðối với giáo viên trường THPT: ........................................................................ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO: ....................................................................................... 65 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Mẫu phiếu phỏng vấn giáo viên về thực trạng dạy và học nội dung “liên kết hố học “ ở trường THPT. Phụ lục 2: ðề kiểm tra 10 phút dạng bài tập trắc nghiệm khách quan về “liên kết hố học” cho học sinh lớp 10 nâng cao. Phụ lục 3: Mẫu phiếu học tập bài 17 “Liên kết cộng hĩa trị” Phụ lục 4: Hệ thống một số bài tập trắc nghiệm hồn thiện kiến thức “liên kết hố học – cấu tạo phân tử” PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 4 DANH MỤC CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT 1. CHLT: Cơ học lượng tử 2. GV: Giáo viên 3. HS: Học sinh 4. THPT: Trung học phổ thơng 5. SGK: Sách giáo khoa PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 5 PHẦN I: MỞ ðẦU 1. Lí do chọn đề tài Ngày nay cùng với sự phát triển khơng ngừng của các ngành khoa học, hố học nĩi riêng đã bước sang một trang mới, cĩ rất nhiều các thành tựu tốn học, vật lý, triết học… đã được vận dụng vào trong hố học giúp hiểu sâu sắc hơn về bản chất của hố học cũng như đưa ra các định luật mới về hố học. Do đĩ việc nhận thức một cách đúng đắn và đầy đủ các thành tựu khoa học hố học là một điều rất quan trọng. ðối tượng của hố học là chất, liên kết giữa các nguyên tử, phân tử, do đĩ vấn đề về bản chất liên kết của các chất, cấu tạo phân tử… đã được nghiên cứu từ rất lâu. Tuy nhiên, kết quả đạt được vẫn cịn rất hạn chế. Bước ngoặc lớn nhất làm thay đổi diện mạo của khoa học nĩi chung và hố học nĩi riêng là khi vận dụng CHLT vào hố học, dưới ánh sáng của khoa học hiện đại đã xuất hiện nên những lí thuyết mới giải thích một cách tương đối thỏa đáng các vấn đề hố học. Từ những luận điểm trên ta thấy rằng việc giảng dạy nội dung liên kết hĩa học là vơ cùng quan trọng. Tuy nhiên, thực trạng hiện nay GV phổ thơng cũng như sinh viên sư phạm nĩi riêng vẫn cịn mơ hồ về các lí thuyết liên kết, về ý nghĩa thực tiễn và vai trị của nĩ trong việc giảng dạy, do đĩ một bộ phận khơng nhỏ GV đứng lớp dạy các bài liên quan đến vấn đề liên kết hố học vẫn giải thích cho HS một cách chung chung, khơng hiểu rõ nguồn gốc, bản chất của vấn đề từ đĩ làm cho HS cảm thấy bài học rời rạc khơng liên tục thống nhất, khơng biết học phần này ứng dụng để làm gì… Xuất phát từ những lí do trên, tơi đã quyết định chọn đề tài “Giảng dạy một số nội dung liên kết hĩa học ở trường THPT” làm đề tài khĩa luận tốt nghiệp. 2. Mục tiêu nghiên cứu Hệ thống một số cơ sở lí thuyết về liên kết hố học, cấu tạo phân tử của các hợp chất trong chương trình hố học 10, 11 ( SGK nâng cao). Rèn luyện cho học sinh kĩ năng giải thích đúng bản chất liên kết hố học, hình học phân tử một số chất. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 6 Cung cấp tư liệu cho giáo viên dùng để tham khảo, hỗ trợ việc giảng dạy các bài, các mục cĩ liên quan đến việc giải thích sự hình thành liên kết và dạng hình học phân tử của một số chất. Khảo sát thực tế HS về khả năng vận dụng kiến thức giải thích liên kết hố học, hình học phân tử. Tham khảo ý kiến của GV về việc giảng dạy nội dung này ở trường THPT hiện nay. 3. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu, hệ thống cơ sở các lí thuyết về liên kết hĩa học - Nghiên cứu chương trình SGK hố học 10,11, tài liệu giáo khoa chuyên hố học. - Khảo sát thực tế GV và HS ở trường THPT TP Cao Lãnh về thực trạng dạy và học nội dung “liên kết hố học của các hợp chất cộng hố trị”. - Vận dụng hệ thống các lí thuyết liên kết vào việc giảng dạy các bài, mục trong chương trình hố học ở trường THPT. - Tiến hành khảo sát sư phạm, đánh giá một số kết quả ban đầu. 4. Các phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu các tài liệu lí luận như: Nghiên cứu SGK hố học 10, 11 và các tài liệu tham khảo. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Tham khảo ý kiến GV và khảo sát HS các lớp khối 10. Một số phương pháp khác: Test, thống kê tốn học, nhận xét đánh giá. 5. ðối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ thống cơ sở lí thuyết và một số dạng bài tập về nội dung liên kết hố học và hình học phân tử các hợp chất cộng hố trị. Trọng tâm của đề tài là giải thích sự hình thành liên kết và dạng hình học phân tử của các hợp chất cộng hố trị. Tiến hành tham khảo ý kiến giáo viên và khảo sát học sinh ở trường THPT TP Cao Lãnh, chưa thực hiện được trên diện rộng hơn. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 7 PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT HỐ HỌC – CẤU TRÚC HÌNH HỌC PHÂN TỬ 1.1. Các đặc trưng cơ bản của liên kết hố học 1.1.1. Khái niệm liên kết Khái niệm liên kết hố học đã được hình thành từ lí thuyết cấu tạo kinh điển. ðối với phân tử, khái niệm này luơn luơn gắn liền với sự tương tác chỉ giữa 2 nguyên tử xác định trong phân tử. Theo lí thuyết hiện đại thì sự hình thành phân tử xuất hiện do tác dụng tương hỗ của tất cả các hạt nhân và các electron của các nguyên tử tham gia tạo thành phân tử, tác dụng tương hỗ này dẫn đến sự hình thành một cấu trúc mới vững bền với một năng lượng cực tiểu. Vì phân tử là một hệ thống nhất nên về nguyên tắc người ta khơng thể cơ lập hồn tồn một tương tác nào đĩ trong phân tử ra khỏi các tương tác khác. Tuy nhiên, vì phân tử là một hệ phức tạp nên trong việc mơ tả định tính về phân tử, đối với những trường hợp được phép (chủ yếu là các liên kết xích ma (σ ) và các liên kết (pi ) cơ lập) người ta cũng nĩi đến mơ hình liên kết định cư hai tâm ứng với quan niệm kinh điển về liên kết (đối với những trường hợp đặc biệt đã nĩi ở trên, lí thuyết kinh điển gặp khĩ khăn khơng giải quyết nổi thì người ta sử dụng mơ hình liên kết khơng định cư nhiều tâm gần với nguyên tắc của CHLT) ðối với một số tính chất của phân tử người ta cĩ thể coi tính chất của phân tử bằng tổng tính chất của các nguyên tử (hay) của các liên kết cĩ trong phân tử. Người ta gọi đĩ là nguyên lí cộng tính. Nguyên lí cộng tính như vậy đã chấp nhận tính độc lập của các liên kết riêng rẽ trong phân tử. Nguyên lí cộng tính do đĩ chỉ cĩ tính gần đúng và tính hạn chế của nguyên lí này thể hiện rất rõ khi được áp dụng để xác định các tính chất của hệ cĩ liên kết khơng định cư (cụ thể hố trong bài tốn tính năng lượng liên kết của phân tử benzene, đề cặp trong mục tiếp theo). PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 8 1.1.2. Năng lượng liên kết (E) Liên kết được đặc trưng bởi độ bền hay năng lượng liên kết. Quá trình hình thành phân tử từ các nguyên tử luơn luơn gắn liền với sự giải phĩng năng lượng (thường tính với dấu trừ). Năng lượng này được gọi là năng lượng hình thành phân tử. Ngược lại, sự phá vỡ phân tử thành những nguyên tử riêng rẽ luơn luơn gắn liền với sự thu nhận năng lượng (thường tính với dấu +). Năng lượng này được gọi là năng lượng nguyên tử hố phân tử Ví dụ: C + 4H CH4 Về trị số tuyệt đối, năng lượng nguyên tử hố bằng năng lượng hình thành phân tử. Năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết A – B được gọi là năng lượng phân li liên kết A – B. Về trị số tuyệt đối, năng lượng này chính là năng lượng hình thành liên kết A – B. Từ sự tổng hợp các dữ liệu thực nghiệm người ta xác định một giá trị trung bình về năng lượng phân li liên kết cho mỗi loại liên kết A – B xác định và thường gọi là năng lượng liên kết A - B (đối với các phân tử nhiều nguyên tử) Bảng 1.1. Năng lượng liên kết (kJ/mol) Liên kết A – B Năng lượng liên kết Liên kết A – B Năng lượng liên kết C – H 418,4 C – F 439,3 C – C 343,4 C – Cl 328,5 C = C 597,7 C – Br 276,1 CC ≡ 811,7 N – H 389,1 C – O 351,1 N – N 159,0 C = O 761,5 NN ≡ 418,4 Hình thành phân tử Nguyên tử hố phân tử PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 9 Từ bảng trên ta thấy năng lượng liên kết giữa hai nguyên tử xác định tăng cùng bậc liên kết (đơn, đơi, ba) Thí dụ: Khi ta tính năng lượng nguyên tử hố của benzen dựa vào cơng thức kinh điển: molkJEEEE HCCCCCA /7,53334,418.67,597.34,343.3633 =++=++= −=− Ta thấy giá trị ở trên sai lệch nhiều so với giá trị thực tế (EA = 5497 kJ/mol) molkJEEE AA /3,1637,53335497' =−=−=∆ ðiều đĩ chứng tỏ cơng thức kinh điển khơng phản ánh đúng cấu tạo thực của benzen và việc áp dụng nguyên lí cộng tính dựa trên mơ hình về liên kết định cư kinh điển cho một kết quả sai lệch quá lớn. 1.1.3. ðộ dài liên kết: Khoảng cách giữa hai tâm (hai hạt nhân) của hai nguyên tử tham gia liên kết trực tiếp với nhau (theo cơng thức cấu tạo kinh điển) được gọi là độ dài liên kết (d). Thí dụ: Trong phân tử H2O thì dO-H = 0,94A0. Giữa hai nguyên tử xác định, độ dài liên kết giảm khi bậc liên kết cũng như năng lượng liên kết tăng. Liên kết C – C C = C CC ≡ E (kJ/mol) 343,4 597,7 811,7 d (A0) 1,54 1,34 1,2 1.1.4. Gĩc liên kết: Gĩc liên kết hay gĩc hố trị là gĩc tạo bởi hai nửa đường thẳng xuất phát từ hạt nhân của một nguyên tử và đi qua hai hạt nhân của hai nguyên tử khác liên kết trực tiếp với nguyên tử trên. Cĩ 2 loại gĩc liên kết: - Gĩc phẳng hay gĩc giữa 3 nguyên tử (2 trục của liên kết cắt nhau tại một hạt nhân nguyên tử) đây là trường hợp thường gặp nhất. - Gĩc nhị diện hay gĩc xoắn giữa 4 nguyên tử (ta khơng đề cặp trong đề tài này) Thí dụ: Trong phân tử H2O, Oxi tạo hai liên kết với hai nguyên tử H, gĩc liên kết (gĩc hố trị) HOH = 104’50 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 10 1.2. Liên kết cộng hố trị: - ðiều kiện tạo thành: + Liên kết cộng hố trị phân cực: Nếu χ∆ < 2 thì cặp electron liên kết lệch về phía nguyên tử của nguyên tố cĩ χ lớn hơn, như: HCl, SO2… + Liên kết cộng hố trị khơng phân cực: Khi χ∆ = 0 thì cặp electron liên kết khơng bị lệch về phía nguyên tử của nguyên tố nào, như: H2, Cl2... Lưu ý một điều là do các electron luơn ở trạng thái dao động, nên đơi khi đơi electron dùng chung này cũng bị lệch sang một nguyên tử. chẳng hạn, trong phân tử H2, sự lệch đơi electron này chiếm khoảng 30%, tức là liên kết phân cực cũng đã xuất hiện. - ðặc điểm liên kết: + Lực liên kết cộng hĩa trị cĩ tính định hướng (điểm khác biệt so với lực liên kết ion). Vì hai nguyên tử tham gia liên kết đều cĩ tác dụng lực hút lên đơi electron dùng chung nên lực này cĩ phương trùng với phương của đường nối tâm hai hạt nhân nguyên tử. + Chính vì lí do trên mà các phân tử được tạo thành nhờ liên kết cộng hĩa trị cĩ thể tồn tại độc lập (riêng lẽ) được. Thực nghiệm cĩ thể xác định được vị trí đơi electron dùng chung giữa hai nguyên tử. 1.3. Thuyết VB và sự giải thích các vấn đề về liên kết: Như chúng ta đã biết cĩ nhiều kiểu liên kết hố học khác nhau: Cộng hố trị, ion, kim loại,…Nhưng quan trọng nhất là kiểu liên kết cộng hố trị. Vì vậy chúng ta tiếp tục xét kiểu liên kết này theo quan điểm CHLT để hiểu cơ chế tạo thành và các đặc điểm của nĩ. Vì việc giải chính xác phương trình sĩng Schrodinger đối với các hệ phân tử khơng thực hiện được nên để khảo sát liên kết cộng hố trị người ta đã đưa ra nhiều phương pháp giải gần đúng, trong đĩ cĩ 2 phương pháp được phổ biến rộng rãi là: Phương pháp liên kết hố trị của Heitler, London và phương pháp orbitan phân tử của PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 11 Muliken, Hund. Trong phần này chúng ta chỉ tiến hành xem xét liên kết cộng hố trị theo phương pháp của Heitler, London. 1.3.1. Cơ sở lý thuyết Một cách gần đúng coi cấu tạo electron của nguyên tử vẫn được bảo tồn khi hình thành phân tử từ nguyên tử, nghĩa là trong phân tử vẫn cĩ sự chuyển động của các e trong AO, tuy nhiên khi 2 OA hĩa trị của nguyên tử xen phủ nhau tạo liên kết hĩa học thì vùng xen phủ là vùng chung của hai nguyên tử. Mỗi liên kết hố học giữa hai nguyên tử được bảo đảm bởi 2 e spin đối song mà trong trường hợp chung, trước khi tham gia liên kết mỗi nguyên tử đĩ cĩ một e độc thân trong một AO hĩa trị của nguyên tử, mỗi liên kết hĩa học được tạo thành đĩ là một liên kết hai tâm ( 2 nguyên tử). Tuy nhiên cũng cĩ một số trường hợp liên kết cộng hĩa trị được đảm bảo bởi cặp electron của một nguyên tử (liên kết cho nhận) thí dụ như trường hợp ion NH4+… và nhiều phân tử , ion khác nữa. Liên kết đĩ khơng thể hình thành từ một e (thiếu e) hoặc từ 3e trở lên (tính bão hịa của liên kết cộng hĩa trị). Theo thuyết VB khơng thể cĩ hệ H2+ (1e) hoặc ( 3e). Sự xen phủ giữa 2 AO cĩ 2e của hai nguyên tử càng mạnh thì liên kết tạo ra càng bền (nguyên lý xen phủ cực đại) Liên kết hĩa học được phân bố theo phương cĩ khả năng lớn về xen phủ các AO ( thuyết hĩa trị đính hướng ) 1.3.2. Sự tạo thành phân tử H2 từ hai nguyên tử H: Năm 1927 hai nhà bác học Heitler và London đã áp dụng CHLT để giải bài tốn tính năng lượng liên kết trong phân tử H2, kết quả cho thấy: - Liên kết giữa hai nguyên tử H được hình thành khi 2 electron của 2 nguyên tử H cĩ spin ngược dấu (cặp electron ghép đơi cĩ spin đối song) - Khi hình thành liên kết, mật độ mây electron ở khu vực khơng gian giữa hai hạt nhân tăng lên. Do đĩ điện tích âm của mây electron sẽ cĩ tác dụng hút hai hạt nhân và liên kết chúng lại với nhau. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 12 2 obitan 1s - Nếu hai electron cĩ spin cùng dấu thì mật độ mây electron ở khu vực giữa hai hạt nhân giảm xuống, mật độ electron ở khu vực ngồi hai hạt nhân tăng lên và các mây này cĩ tác dụng đẩy nhau làm hai hạt nhân tách xa nhau. Như vậy, phân tử H2 được hình thành là do sự ghép đơi của 2 electron cĩ spin ngược chiều nhau. Sau đĩ người ta đã khái quát hố các kết quả trên và mở rộng thành phương pháp cặp electron liên kết áp dụng cho mọi phân tử. 1.3.3. Nơi dung cơ bản của thuyết VB: - Mỗi liên kết cộng hố trị được hình thành là do sự ghép đơi của 2 electron độc thân cĩ spin ngược dấu của 2 nguyên tử tham gia liên kết. Khi đĩ xảy ra sự xen phủ giữa 2 mây electron liên kết (xen phủ lẫn nhau giữa các orbitan nguyên tử hố trị) - Về phương diện tốn học sự xen phủ giữa các orbitan nguyên tử chính là sự tổ hợp tuyến tính của các hàm sĩng nguyên tử. Mức độ và kết quả che phủ phụ thuộc vào dấu của các hàm sĩng nguyên tử tham gia tổ hợp và được đặc trưng bằng tích phân che phủ. + Nếu trong vùng che phủ các hàm sĩng cĩ dấu giống nhau thì sự che phủ được gọi là che phủ dương vì nĩ dẫn đến sự tạo thành liên kết. + Ngồi ra nếu hai hàm sĩng cĩ dấu đối nhau khi che phủ sẽ bị triệt tiêu và liên kết sẽ khơng hình thành. Sự hình thành phân tử H2 từ 2 nguyên tử H Hay Xen phủ dương Hay Liên kết triệt tiêu PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 13 - Khi hai mây electron xen phủ nhau càng mạnh thì liên kết càng bền (độ xen phủ càng mạnh khi các mây electron tham gia xen phủ cĩ năng lượng càng xấp xỉ nhau). 1.3.3.1. Nguyên lí xen phủ cực đại: Liên kết giữa hai nguyên tử càng bền nếu mức độ xem phủ của các orbitan càng lớn. Vì vậy sự xen phủ các orbitan tuân theo một nguyên lí được gọi là nguyên lí xen phủ cực đại. Theo nguyên lí xen phủ cực đại thì: Liên kết sẽ được phân bố theo phương hướng nào mà mức độ xen phủ các orbitan cĩ giá trị lớn nhất. Như vậy, theo nguyên lí xen phủ cực đại thì: - ðối với liên kết H – Cl, tâm của nguyên tử H phải nằm trên trục của orbitan p - ðối với liên kết Cl – Cl, trục của hai orbitan pz phải trùng nhau.
Sự hình thành các liên kết theo nguyên lí xen phủ cực đại được mơ tả như sau: pz AO s AO p AO p AO p z x 1.3.3.2. Tính bão hồ của liên kết cộng hố trị: Liên kết cộng hố trị trên cơ sở cặp electron ghép đơi cĩ thể được hình thành theo 2 cơ chế: Gĩp chung và cho – nhận - Theo cơ chế gĩp chung: Liên kết cộng hố trị được hình thành do sự gĩp chung 2 electron hố trị độc thân cĩ spin ngược nhau của 2 nguyên tử tương tác, trong đĩ mỗi nguyên tử đưa ra một e. Từ đây chúng ta thấy khả năng tạo liên kết cộng hố trị của mỗi nguyên tố được quyết định bởi số orbitan nguyên tử hố trị 1 (hay đơn giản là bởi số electron độc thân). Tuy nhiên số orbitan hố trị 1 electron của các nguyên tử trong nhiều trường hợp cĩ thể tăng lên do sự kích thích nguyên tử, như trường hợp của Be, C… PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 14 - Theo cơ chế cho – nhận: Sự hình thành cặp electron ghép đơi của liên kết cộng hố trị chỉ do một trong hai nguyên tử tương tác đưa ra, cịn nguyên tử kia nhận lấy. Cặp electron này là cặp electron hố trị ghép đơi sẵn cĩ của nguyên tử đưa ra và được gọi là cặp electron hố trị tự do. → Từ những điều trên ta rút ra: Trong trường hợp tổng quát khả năng tạo thành số liên kết cộng hố trị cực đại của một nguyên tố được xác định bởi số orbitan nguyên tử hố trị của nguyên tố. Chính khả năng tạo thành số liên kết cộng hố trị hạn chế như vậy của các nguyên tố được gọi là tính bão hồ của liên kết cộng hố trị. Chính tính chất này làm cho các phân tử cĩ thành phần và cĩ cấu trúc nhất định. 1.3.3.3. Tính định hướng của liên kết cộng hố trị: - Ở trên ta vừa xét sự xen phủ các orbitan liên kết trong phân tử hai nguyên tử (như H2). Như chúng ta đều biết, đối với các phân tử nhiều nguyên tử các gĩc liên kết trong phân tử cĩ những giá trị xác định và chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố. ðặc tính này gọi là “tính định hướng hĩa trị”. Tính định hướng hĩa trị được giải thích trên cơ sở nguyên lý xen phủ cực đại. - Muốn cĩ liên kết cộng hĩa trị tạo thành bền vững thì mức độ che phủ của các orbitan nguyên tử tương tác phải cực đại. Sự che phủ cực đại này chỉ xảy ra theo những hướng nhất định đối với các nguyên tử tương tác (đây chính là lí do vì sao ở trên ta nĩi “tính định hướng hĩa trị” được giải thích trên cơ sở nguyên lý xen phủ cực đại). Từ đĩ các liên kết cộng hĩa trị sẽ được tạo thành theo những hướng nhất định trong khơng gian, vì vậy phân tử phải cĩ cấu hình khơng gian xác định, đĩ chính là tính định hướng. ðể hiểu rõ hơn vấn đề này, ta xét trường hợp phân tử H2S: PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 15 Cấu hình electron lớp vỏ hĩa trị của nguyên tử S cĩ dạng S 2H+ S H H 3s 3p Các obitan S Các obitan H Hình dạng xen phủ các obitan được mơ tả như sau: HH S - Tuy nhiên trong thực tế, nếu chỉ dựa vào việc phân tích sự xen phủ giữa các orbitan nguyên tử tương tác như vậy để xác định cấu hình khơng gian của phân tử (gĩc hĩa trị, tính đối xứng…) nhiều khi sẽ đi đến kết luận khơng đúng. Chẳng hạn như đối với các phân tử H2O, NH3… theo cách lý luận trên thì gĩc hĩa trị HOH và HNH phải bằng 900. Trong thực thế, các tính tốn dựa trên CHLT cho kết quả khác xa với lí thuyết. (HOH = 104,50, HNH = 107,30) 1.3.3.4. Thuyết lai hố các orbitan nguyên tử: * ðiều kiện ra đời của thuyết lai hố: Ở mục trên chúng ta đã thấy sự mâu thuẫn giữa lí thuyết và thực nghiệm của phương pháp liên kết cộng hố trị (VB) (phương pháp cặp electron liên kết). Thuyết lai hố ra đời nhằm giải quyết được hai khĩ khăn: Cho phép giải thích được hình học phân tử và độ bền của liên kết. Thuyết lai hố nằm trong khuơn khổ của phương pháp liên kết hố trị (VB). Theo thuyết này các nguyên tử khi tương tác với nhau cĩ thể khơng dùng những PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 16 orbitan hố trị thuần tuý s, p, d…mà dùng những orbitan nguyên tử “trộn lẫn” mới được tạo thành trong nội bộ nguyên tử của mình để che phủ với các orbitan của các nguyên tử khác. * Nội dung của thuyết lai hố: Lai hố AO là sự tổ hợp tuyến tính các AO hố trị của một nguyên tử để tạo thành một số tương đương các AO mới cĩ cùng mức năng lượng (các AO suy biến) định hướng xác định trong khơng gian. Các AO lai hố mơ tả một trạng thái đặc biệt của nguyên tử khi hình thành liên kết đĩ là: Các liên kết tạo bởi các AO lai hố sẽ bền vững hơn là tạo bởi các AO khơng tham gia lai hố. Các AO tham gia tổ hợp cĩ thể cĩ 1e, 2e, hoặc là một ơ lượng tử trống. Chú ý khi sử dụng thuyết lai hố: Lí thuyết lai hố chỉ là một khái niệm giả định được dùng để giải thích các kết quả thực nghiệm cĩ thực, do đĩ thuyết lai hố hồn tồn khơng cĩ khả năng tiên đốn hình học phân tử của một chất bất kì. * Các kiểu lai hố thường gặp: 1. Lai hố sp: Lai hố thẳng Lai hố sp là lai hố được thực hiện do sự tổ hợp tuyến tính giữa 1 orbitan s với 1 orbitan p (của cùng một nguyên tử) cho 2 orbitan lai hố sp phân bố đối xứng với hai trục nằm trên cùng một đường thẳng. z y x orbitan s orbitan p z y x z y x 2 orbitan lai hoa sp z y x Thí dụ: Dạng lai hố này thường gặp trong nguyên tử Be của phân tử BeF2, BeH2, BeCl2…nên các phân tử này cĩ dạng thẳng. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 17 2. Lai hố sp2: Lai hố tam giác Lai hố sp2 là sự tổ hợp tuyến tính giữa 1 orbitan s và 2 orbitan p tạo thành 3 orbitan lai hố, cịn được gọi là lai hố tam giác vì 3 orbitan lai hố này nằm trên một mặt phẳng, trục của chúng tạo với nhau một gĩc bằng 1200 và hướng về ba đỉnh của một tam giác đều, gĩc tạo thành giữa các AO lai hố là 1200. orbitan s orbitan p z y x z y x orbitan p z y x 3 orbitan lai hoa Thí dụ: Dạng lai hố này thường gặp trong nguyên tử B của phân tử BF3, BCl3… 3. Lai hố sp3: Lai hố tứ diện Lai hố sp3 là sự tổ hợp tuyến tính giữa 1 orbitan s và 3 orbitan p tạo thành 4 orbitan lai hố, 4 orbitan lai hố này hướng về 4 đỉnh của một hình tứ diện đều, gĩc tạo thành giữa các AO lai hố là 109029’ orbitan s orbitan p z y x z y x orbitan p z y x 4 orbitan lai hoa orbitan p z y x Thí dụ: Dạng lai hố này gặp trong nguyên tử O của H2O, N trong NH3 và ion NH4+… PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 18 4. Các kiểu lai hĩa khác: Ta chỉ tiến hành xem xét khái niệm lai hĩa với các nguyên tử của các nguyên tố chu kì 2, tuy nhiên đối với các nguyên tử chu kì khác (lớn hơn 2), đặc biệt là các nguyên tử chuyển tiếp, xuất hiện các orbitan hĩa trị d nên các orbitan này cũng cĩ khả năng tham gia lai hĩa. Do đĩ, ta sẽ cĩ một số dạng lai hĩa phức tạp hơn: sp2d, sp3d2, sp3d... * ðặc điểm của AO lai hố và điều kiện lai hố bền: - ðặc điểm của các AO lai hố: + Số lượng các AO lai hĩa thu được phải đúng bằng số AO đã tham gia lai hĩa lúc đầu + Các AO lai hĩa sẽ giống nhau về hình dạng, và cĩ cùng mức năng lượng (sự suy biến năng lượng) + Mỗi một AO lai hĩa gồm 2 phần: phần mở rộng và phần thu hẹp. hai phần này cách nhau mặt nút tại hạt nhân nguyên tử (phần mở rộng cĩ dấu +, phần thu hẹp cĩ dấu -) + Mỗi AO lai hĩa được phân bố trên một trục xác định đi qua hạt nhân nguyên tử (cĩ thể trùng hoặc khơng trùng với trục tọa độ ðecac). Do đĩ người ta nĩi AO lai hĩa cĩ đối xứng trục. - ðiều kiện các AO tham gia lai hĩa: + Các orbitan tham gia lai hĩa phải cĩ năng lượng thấp và xấp xỉ nhau. Do đĩ khơng thể nào xẩy ra hiện tượng lai hĩa AO của 2 lớp khác nhau, bởi vì năng lượng của chúng quá xa nhau hay các AO ở lớp thứ 2 (2s, 2p) lai hố cĩ hiệu quả hơn cịn các AO ở lớp thứ 3 (3s, 3p) hiệu quả lai hố kém hơn, lớp thứ 4 (4s, 4p) lai hố khơng đáng kể. + Khi nĩi đến phần này, ta phải làm quen với khái niệm “trạng thái kích thích” đây cũng là một trạng thái giả định, khi xét các quá trình lai hĩa ta sẽ gặp phải. Trạng thái kích thích là trạng thái mà electron ở các phân lớp gần nhau, cĩ mức năng lượng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 19 xấp xỉ nhau cĩ thể chuyển lên các phân lớp trên (chú ý các AO này cũng phải thuộc cùng một lớp). Và năng lượng tiêu tốn cho quá trình kích thích đĩ sẽ được bù đắp gần như hồn tồn khi liên kết được hình thành. + Các orbitan lai hĩa phải phù hợp với nhau về vị trí khơng gian hay nĩi đúng hơn là phù hợp nhau về tính đối xứng. 1.4. Mơ hình sự đẩy cặp electron vỏ hố trị (thuyết VSEPR) 1.4.1. Các luận điểm cơ sở: - ðể giải thích và tiên đốn hình dạng, độ dài liên kết, gĩc liên kết của các phân tử bất kì là một trong những vấn đề quan tâm của hĩa học. Cũng cĩ nhiều thuyết giải quyết vấn đề trên nhưng thơng dụng nhất là “mơ hình sự đẩy giữa các cặp electron vỏ hĩa trị” (thuyết VSEPR) - Phạm vi ứng dụng của thuyết: Ta khơng xét vấn đề hình dạng từng phân tử được tạo ra từ liên kết ion (loại liên kết này sẽ được xét ở chương về mạng tinh thể). Do đĩ, từ đây chỉ chú ý đến hình học phân tử của các hợp chất cộng hĩa trị. Nhận xét cơng thức Lewis của một số chất đã trình bày ở trên ta thấy rằng: + Ở vỏ hĩa trị của các nguyên tử (trong hợp chất cộng hĩa trị) cĩ đơi electron liên kết và đơi electron khơng liên kết. Khi đĩ người ta dùng hình ảnh mây electron để mơ tả chuyển động của các đơi electron này (hay nĩi cách khác mỗi cặp electron sẽ cĩ một đơi mây tương ứng) + Như vậy ta sẽ đưa 2 dạng cơng thức phân tử: AXn và AXnEm. Mỗi mây electron này cĩ một trục xuất phát từ tâm hạt nhân và kéo dài đến mặt ngồi khối cầu. + Các khảo sát CHLT cho thấy cĩ sự khơng tương đương giữa mây đơi electron riêng và mây đơi electron liên kết. Mây đơi electron riêng chỉ chịu lực hút duy nhất của hạt nhân, cịn mây đơi electron liên kết chịu đồng thời lực hút của hai hạt nhân (của 2 nguyên tử). Do đĩ mây đơi electron riêng chiếm vùng khơng gian rộng hơn mây đơi electron liên kết. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 20 Như vậy, ở một mức độ nhất định, hình dạng của phân tử sẽ phụ thuộc vào khoảng khơng gian chiếm bởi mây electron vỏ hĩa trị của nguyên tử trung tâm A. ðiều đĩ đồng nghĩa với sự khẳng định: “hình dạng phân tử phụ thuộc chủ yếu vào sự phân bố các cặp electron hay các mây electron vỏ hĩa trị của nguyên tử. 1.4.2. Mơ hình VSEPR (qui tắc kinh nghiệm Gilexpi) - Nội dung: Trong một phân tử, các cặp electron vỏ hĩa trị (các mây electron vỏ hĩa trị) phân bố xa nhau nhiều nhất cĩ thể được để lực đẩy giữa chúng là nhỏ nhất, phân tử khi đĩ sẽ bền nhất. - Áp dụng cụ thể như sau: Trong phần dưới đây ta sẽ giải thích (hay tiên đốn) dạng hình học phân tử của các cơng thức bất kì. Trong đĩ ta sẽ tiến hành xét hai loại phân tử như đã nĩi ở trên: Dạng 1: AXn
A: là nguyên tử trung tâm X: là phối tử n: là số lượng phối tử Dạng 2: AXnEm
A: là nguyên tử trung tâm X: là phối tử n: là số lượng phối tử E: nguyên tử trung tâm A cĩ m đơi electron riêng, mỗi đơi electron được kí hiệu là E 4 đơi electron liên kết tương đương nhau 1 đơi electron khơng liên kết (đơi electron riêng) chiếm khơng gian rộng hơn 3 đơi electron liên kết (hiệu ứng khơng gian)   PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 21 1.4.2.1. Phân tử cĩ dạng AXn Giá trị n thường gặp nhất là những giá trị từ 2
6 và nguyên tử trung tâm A khơng cĩ đơi electron riêng. - Theo như nội dung thuyết VSEPR, sự phân bố các đơi electron liên kết dẫn đến hình dạng phân tử tương ứng trong mỗi trường hợp từ n = 2 đến n = 6 (sự phân bố các đơi electron liên kết cách xa nhau nhất cĩ thể được để tương tác giữa chúng là cực tiểu khi đĩ phân tử mới bền vững). - Các trường hợp đĩ ứng với các hình dạng như sau: TH 1: n = 2
phân tử cĩ dạng AX2, hai đơi electron phân bố trên đường thẳng. Hình dạng phân tử tương ứng sẽ thẳng và gĩc hĩa trị XAX = 1800. Thí dụ như phân tử BeH2, BeCl2, CO2, CS2… TH 2: n = 3
phân tử cĩ dạng AX3, ba đơi electron được phân bố trên ba đỉnh của một tam giác đều, khi đĩ nguyên tử trung tâm A sẽ nằm ở trọng tâm của tam giác đều. phân tử cĩ cấu tạo phẳng, gĩc liên kết AXA = 1200. Thí dụ như phân tử BF3, AlCl3… TH 3: n = 4
phân tử cĩ dạng AX4, bốn đơi electron được phân bố ở bốn đỉnh của hình tứ diện đều, tâm của hình tứ diện là nguyên tử trung tâm A, phân tử tồn tại dạng khơng gian ba chiều. Gĩc liên kết XAX bằng 109029’. Thí dụ như phân tử CH4, NH4+,SiX4+… n = 2 n = 3 n = 4 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 22 TH 4: n = 5
phân tử cĩ dạng AX5, ta tưởng tượng năm đơi electron phân bố trên mặt cầu vỏ hĩa trị như sau: Thí dụ PCl5… - Ba đơi electron cùng với hạt nhân nguyên tử trung tâm A nằm trong một mặt phẳng, ba đơi electron này hướng về ba đỉnh của một tam giác đều và hạt nhân A là trọng tâm của tam giác đều đĩ. Ba đơi electron này tạo nên liên kết xích đạo. - Hai đơi electron cịn lại được phân bố trên hai đầu của đoạn thẳng vuơng gĩc với mặt phẳng tam giác đều trên tại tâm A. Hai đơi electron này tạo nên liên kết trục. Như vậy ta cĩ: Liên kết trục sẽ cĩ độ dài lớn hơn liên kết xích đạo (độ dài liên kết xích đạo là 202 pm, độ dài liên kết trục là 214 pm. Kết quả của sự sắp xếp đĩ đưa đến một lưỡng tháp tam giác. Xuất hiện 2 loại gĩc hĩa trị: Gĩc 0 0120 , 90α β= = . P 1200 900 Cl Cl Cl Cl Cl TH 5: n = 6
phân tử cĩ dạng AX6, sáu đơi electron này được phân bố trên vỏ hĩa trị của nguyên tử A ở sáu đỉnh của một hình bát diện đều. Trong trường hợp này ta khơng cĩ sự phân biệt giữa liên kết ngang với liên kết trục về độ dài. Gĩc giữa hai trục liên kết cạnh nhau bằng 900. Thí dụ SF6… 900 S F F F F F F 1.4.2.2. Phân tử cĩ dạng AXnEm Nguyên tử trung tâm A vừa cĩ n đơi electron liên kết vừa cĩ m đơi electron riêng (kí hiệu E). Ở đây cần lưu ý sự khơng tương đương giữa mây electron của đơi electron liên kết với đơi electron riêng: cụ thể là đơi electron riêng cĩ mây electron n = 5 n = 6 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 23 chiếm khoảng khơng gian lớn. Do đĩ trong hai trường hợp AXn với AXnEm cĩ cùng số đơi electron hĩa trị nhưng hình dạng hai phân tử khơng hồn tồn giống nhau. - AX2E
phân tử gồm nguyên tử trung tâm A, 2 phối tử X (cĩ tương ứng 2 cặp electron liên kết), 1 cặp electron riêng (vì m = 1). Chú ý trường hợp của phân tử AX2 vừa xét ở trên, ta thấy hình dạng phân tử thẳng, nhưng trong trường hợp này phân tử cĩ một đơi electron tự do khơng tham gia liên kết. Áp dụng lý thuyết khơng tương đương giữa các cặp electron liên kết và khơng liên kết ta dự đốn hình học của phân tử sẽ khơng cịn nằm trên một đường thẳng. Thí dụ SO2, SnCl2-, NO2… A X X1200 Hình dạng tương tác đẩy là tam giác đều, ta thấy mây đơi electron riêng gây hiệu ứng đẩy hai mây đơi electron liên kết làm cho gĩc hĩa trị XAX ≈ 1200 (hơi nhỏ hơn 1200) - AX3E
nguyên tử trung tâm A cĩ tổng cộng 4 đơi electron (giống như trường hợp của phân tử AX4) nhưng phân tử này khơng cĩ hình dạng tứ diện giống như phân tử AX4 (CH4) mà lại cĩ hình tháp tam giác (hình tháp chĩp). Thí dụ NH3, AsF3, SO32-…Hình dạng tương tác đẩy là hình tứ diện, như vậy về nguyên tắc thì các gĩc hĩa trị XAX = 109028’ nhưng trên thực tế các gĩc XAX < 109028’ một chút. Ta xem xét trường hợp cụ thể đối với phân tử NH3 H H 1070 H - AX2E2
nguyên tử trung tâm A cũng cĩ 4 đơi electron, nhưng do cĩ hai đơi electron riêng nên hình dạng phân tử khác với phân tử AX4 hay AX3E (cũng cĩ 4 đơi electron). ðơi electron riêng 1 đơi electron riêng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 24 Phân tử này cĩ gĩc nhỏ hơn gĩc tứ diện 109028’, và nhất là gĩc hĩa trị XAX cũng nhỏ hơn cả gĩc XAX của phân tử AX3E. 1070 H H Ta nhận thấy gĩc liên kết HOH trong phân tử H2O nhỏ hơn gĩc liên kết HNH trong phân tử NH3, nguyên nhân của hiện tượng trên là do trong phân tử H2O thì nguyên tử Oxi cịn 2 cặp electron riêng nên gây ra hiệu ứng đẩy mạnh hơn, nên sẽ thu hẹp gĩc hĩa trị của liên kết lại. - AX4E
sự phân bố 1 đơi electron riêng và 4 đơi electron liên kết tạo ra hình dạng phân tử là hình tháp chĩp (hình cái bập bênh – một số sách của PGS.TS Trần Thành Huế). Thí dụ SF4… - AX3E2
3 đơi electron liên kết tạo 3 liên kết A – X, sự đẩy tương hổ giữa 3 đơi electron này với nhau và với 2 đơi electron khơng liên kết, kết quả hình học phân tử cĩ dạng hình chữ T. Thí dụ ClF3, HClO2… - AX2E3
cĩ 2 cặp electron liên kết và 3 cặp electron khơng liên kết, tổng số là 5. Vậy hình dạng tương tác đẩy là song tháp tam giác, tuy nhiên 3 cặp electron khơng liên kết chiếm khơng gian rộng hơn nên phân bố theo vị trí xích đạo, cịn 2 cặp electron liên kết chiếm vị trí trục. Do đĩ mà cấu trúc hình học của phân tử là thẳng. - AX5E
4 trong năm đơi electron liên kết được phân bố trên một mặt phẳng, một đơi electron liên kết cịn lại được phân bố trên trục gần như vuơng gĩc với mặt phẳng trên. Do đĩ 5 đơi electron liên kết tạo thành hình tháp vuơng. ðơi electron riêng cịn lại trong trường hợp này cũng phân bố trên trục gần như vuơng gĩc với mặt phẳng trên, sự tương tác ở đây khơng đáng kể lắm. Do đĩ kết luận hình học phân tử đối với AX5E là hình tháp vuơng. Thí dụ BrF5… 2 đơi electron riêng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 25 - AX4E2
2 đơi electron riêng được phân bố trans (phân bố về 2 phía của mặt phẳng) so với 4 đơi electron liên kết, mặt khác 4 đơi electron liên kết này được phân bố trong mặt phẳng nên tạo ra hình vuơng phẳng. Thí dụ XeF4… F FF F PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 26 Chương 2: GIẢNG DẠY NỘI DUNG LIÊN KẾT Ở TRƯỜNG THPT 2.1. Một số nội dung về liên kết hố học ở chương 3 SGK hố học 10 nâng cao: Bài 16 Khái niệm về liên kết hố học liên kết ion I. Khái niệm về liên kết hố học 1. Khái niêm về liên kết 2. Quy tắc bát tử (8 electron) Bài 17 Liên kết cộng hố trị I. Sự hình thành liên kết cộng hố trị bằng cặp electron chung 1. Sự hình thành phân tử đơn chất - Sự hình thành phân tử H2 - Sự hình thành phân tử N2 2. Sự hình thành phân tử hợp chất - Sự hình thành phân tử HCl - Sự hình thành phân tử CO2 (cĩ cấu tạo thẳng) - Liên kết cho nhận 3. Tính chất của các chất cĩ liên kết cộng hố trị II. Liên kết cộng hố trị và sự xen phủ các orbitan nguyên tử 1. Sự xen phủ của các orbitan nguyên tử khi hình thành các phân tử đơn chất - Sự hình thành phân tử H2 - Sự hình thành phân tử Cl2 2. Sự xen phủ của các orbitan nguyên tử khi hình thành các phân tử hợp chất - Sự hình thành phân tử HCl - Sự hình thành phân tử H2S PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 27 Bài 18 Sự lai hố các orbitan nguyên tử. Sự hình thành liên kết đơn, liên kết đơi và liên kết ba I. Khái niệm về sự lai hố II. Các kiểu lai hố thường gặp 1. Lai hố sp 2. Lai hố sp2 3. Lai hố sp3 III. Nhận xét chung về thuyết lai hố IV. Sự xen phủ trục và xen phủ bên 1. Sư xen phủ trục 2. Sư xen phủ bên V. Sự tạo thành liên kết đơn, liên kết đơi và liên kết ba 1. Liên kết đơn 2. Liên kết đơi 3. Liên kết ba Bài 21 Hiệu độ âm điện và liên kết hố học 1. Hiệu độ âm điện và liên kết cộng hố trị khơng cực 2. Hiệu độ âm điện và liên kết cộng hố tri cĩ cực 3. Hiệu độ âm điện và liên kết ion Bài 22 Hố trị và số oxi hố I. Hố trị 1. Hố trị trong hợp chất ion 2. Hố trị trong hợp chất cộng hố trị II. Số oxi hố (4 quy tắc xác định số oxi hố) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 28 2.2. Một số nội dung về liên kết hố học trong các bài của SGK hố học 10, 11 2.2.1. Chương trình SGK hố học 10 nâng cao Bài 41. Cấu tạo phân tử O2 Bài 42. Cấu tạo phân tử Ozon (O3) và hidro peoxit (H2O2) Bài 44. Cấu tạo phân tử hidro sunfua (H2S) Bài 45. Cấu tạo phân tử SO2, SO3, H2SO4 2.2.2. Chương trình SGK hố học 11 nâng cao Bài 30. Cấu trúc phân tử hợp chất hữu cơ (Chương 4) - Thuyết cấu tạo hố học - Liên kết trong phân tử hợp chất hữu cơ Bài 34. Cấu trúc phân tử Ankan Bài 39. Cấu trúc phân tử Anken Bài 41. Cấu trúc phân tử ankađien Bài 43. Cấu trúc phân tử Ankin Bài 46. Cấu trúc phân tử benzene 2.3. Một số khái niệm 2.3.1. Quy tắc octet (quy tắc bát tử) Từ sự phân tích kết quả thực nghiệm và cấu tạo hĩa học của các phân tử, năm 1916 nhà hĩa học Kossel và Lewis đã đưa ra nhận xét mà ngày nay ta gọi là quy tắc octet: “Khi tạo liên kết hĩa học, các nguyên tử cĩ xu hướng đạt tới cấu hình lớp ngồi cùng bền vững của các nguyên tố khí trơ với 8 electron hoặc 2 electron đối với He” Cần lưu ý là quy tắc trên chỉ áp dụng đúng cho một số nguyên tố giới hạn thuộc chu kì 2, các chu kì khác quy tắc octet cĩ sự sai lệch. 2.3.2. Liên kết cộng hĩa trị Liên kết hĩa học được hình thành nhờ đơi electron dùng chung (hay gĩp chung) giữa hai nguyên tử PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 29 Thí dụ: Phân tử H2 cĩ cấu tạo H – H. Vậy trong nguyên tử này cĩ một đơi electron dùng chung giữa hai nguyên tử H Phân tử N2 cĩ cấu tạo N N≡ . Vậy trong phân tử này cĩ ba đơi electron dùng chung giữa hai nguyên tử N - Liên kết cộng hĩa trị khơng phân cực (hay khơng cĩ cực): Trong liên kết này đơi electron dùng chung ở chính giữa khoảng cách hai hạt nhân. Thí dụ: Phân tử Cl2 Ta cĩ: Cl : Cl hay Cl – Cl. ðĩ là phân tử đơn chất (của các phi kim là chủ yếu). Lưu ý một điều là do các electron luơn ở trạng thái dao động, nên đơi khi đơi electron dùng chung này cũng bị lệch sang một nguyên tử. chẳng hạn, trong phân tử H2, sự lệch đơi electron này chiếm khoảng 30%, tức là liên kết phân cực cũng đã xuất hiện. - Liên kết cộng hĩa trị phân cực (hay cĩ cực) Trong liên kết này, đơi electron dùng chung lệch về phía nguyên tử cĩ độ âm điện lớn hơn (hay nguyên tử cĩ tính phi kim mạnh hơn) Thí dụ: Xét phân tử HX (X là các nguyên tử Halogen), các nguyên tử Halogen là những phi kim cĩ độ âm điện lớn hơn rất nhiều so với nguyên tử H. Nên trong trường hợp này, đơi electron dùng chung bị lệch về phía các nguyên tử Halogen X Chú ý học sinh: Sự phân loại liên kết như trên là cĩ tính quy ước, khơng cĩ ranh giới rõ rệt giữa các loại liên kết trên. - Tiêu chuẩn về hiệu số độ âm điện χ∆ được áp dụng trong trường hợp trên để cĩ thể phân loại liên kết một cách đại cương. 2.3.3. Cơng thức cấu tạo Lewis (sơ đồ Lewis) Mặc dù hiện nay đã cĩ các thuyết hiện đại giải thích về liên kết hĩa học, nhưng việc biểu diễn một cách trực quan gần đúng cơng thức cấu tạo phân tử giúp cho người đọc dễ dàng hình dung nhất (đối với các phân tử phức tạp) là một điều rất cần thiết. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 30 2.3.3.1. Nội dung và phạm vi áp dụng của cơng thức Nội dung: quy ước dùng một dấu chấm () để biểu thị một electron; hai dấu chấm (:) hoặc một vạch (–) để chỉ một đơi electron trong nguyên tử hay phân tử. Cơng thức hĩa học cĩ dùng kí hiệu trên được gọi là cơng thức cấu tạo Lewis. Thí dụ: Các cách viết cơng thức cấu tạo Lewis cho NH3, CO2 N H HH N HH H NH3NH3 _ _ CO O C OOHay Áp dụng: Phân tử liên kết cộng hĩa trị hay liên kết ion đều cĩ thể được biểu diễn bằng cơng thức Lewis. Tuy nhiên, trong thực tế người ta thường dùng cơng thức Lewis cho các phân tử cĩ liên kết cộng hĩa trị. Trong đĩ ta khơng cần chỉ rõ sự lệch của đơi electron liên kết, “một cơng thức hĩa học thực cĩ thể được biểu diễn dưới dạng một hay nhiều cơng thức Lewis khác nhau”. 2.3.3.2. Ưu, khuyết điểm của cơng thức phân tử theo Lewis - Ưu điểm: ðơn giản, dễ hiểu, giải thích được sự hiện diện của một số đơng hợp chất. - Khuyết điểm: + Vì chỉ cĩ tính cách hình thức nên thuyết điện tử về hĩa trị của Kossel và Lewis đưa ra khơng giải thích được cơ cấu khơng gian (hình học phân tử) của hĩa chất (gốc liên kết, độ dài liên kết). Thí dụ: Liên kết O – H bị phân cực nhưng ta khơng thể biết được trong phân tử H2O cĩ phân cực hay khơng? (NH3) (CO2) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 31 H – O – H O Khơng phân cực H H Phân cực + Chỉ áp dụng đúng cho nguyên tố chu kỳ 2, cịn các nguyên tử của các nguyên tố chu kỳ khác thì đã khơng cịn tuyệt đối đúng cho lớp electron ngồi cùng. Thí dụ: BeCl2 quanh Be chỉ cĩ 4 điện tử ở lớp ngồi cùng AlCl3 quanh Al chỉ cĩ 6 điện tử ở lớp ngồi cùng PCl5 quanh P cĩ 10 điện tử lớp ngồi cùng SF6 quanh S cĩ 12 điện tử lớp ngồi cùng P Cl Cl Cl Cl Cl F F F F F S F + Khơng thể giải thích được sự hiện diện của những phân tử như Benzen (C6H6): Nếu biểu diễn Benzen như sau thì Benzen gồm 3 liên kết đơn và 3 liên kết đơi, trong khi đĩ thực nghiệm các phép đo vật lý cho thấy C6H6 cĩ 6 liên kết C – C hồn tồn giống nhau và cĩ độ dài liên kết là trung gian giữa bề dài của một liên kết đơn và của một liên kết đơi. + Khơng giải thích được sự hiện diện của những phân tử cĩ chứa một số điện tử lẻ như NO, NO2…ðặc biệt với cơng thức Lewis, người ta khơng thể hình dung đúng đặc tính của oxigen (trên thực tế thì O2 cĩ tính chất thuận từ vì cĩ electron độc thân trên phân tử) Thực tế cơng thức cấu tạo của Benzen phải cĩ dạng như sau   PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 32 + Và cuối cùng cần nhớ rằng, trước khi viết cơng thức Lewis cho một chất bất kì như đã nĩi ở các mục trước ta cần phải biết rõ thứ thứ tự liên kết của các nguyên tử trong phân tử chất đĩ, nghĩa là biết rõ cấu tạo hĩa học của nĩ. Thí dụ: Ứng với cơng thức phân tử CHNO cĩ đến 2 cơng thức Lewis ứng với 2 chất khác nhau: O CH N H O C NHay NH C O Hay H N C O (Axit xianic) (Axit isoxianic) 2.3.3.3. Thành lập cơng thức cấu tạo Lewis của các chất Hiện nay, ở chương trình hĩa học phổ thơng (đặc biệt là chương trình hĩa học 10) vẫn cịn sử dụng cơng thức Lewis, cụ thể là yêu cầu học sinh viết cơng thức electron của một phân tử từ đĩ say ra cơng thức cấu tạo của chúng. ðể cĩ thể viết được cấu tạo Lewis cho một cơng thức bất kì, ta hãy làm quen với một số khái niệm sau: - Nguyên tử trung tâm và phối tử Trong một cơng thức hĩa học, nguyên tử trung tâm là nguyên tử cần nhiều nhất số electron để tạo được octet cho lớp ngồi cùng của nĩ (hay nguyên tử cĩ số oxi hĩa cao nhất). các nguyên tử khác và cả đơi electron riêng của nguyên tử trung tâm gọi là phối tử. - ðiên tích lõi nguyên tử: là một số nguyên dương, cĩ trị số bằng số electron hĩa trị (electron lớp ngồi cùng) vốn cĩ của nguyên tử đĩ. Ví dụ ta xét điện tích lõi của các nguyên tử C, S, Cl, O… C: +4, S: +6; Cl: +7; O: +6… - ðiện tích hình thức của nguyên tử được xác định theo cơng thức sau: - ðiện tích giải tỏa (trên một nguyên tử) ðiện tích giải tỏa trên một nguyên ðiện tích giải tỏa trên một nguyên tử Số cấu tạo cộng = ðiện tích hình thức của nguyên tử ðiện tích lõi của nguyên tử Tổng số e riêng của nguyên tử = - - Số liên kết nguyên tử đĩ tham gia PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 33 - Cấu tạo giới hạn, cấu tạo cộng hưởng + Cấu tạo giới hạn: chính là cơng thức cấu tạo được viết theo quy ước Lewis + Cấu tạo cộng hưởng: nếu một cơng thức hĩa học mà cĩ nhiều cơng thức Lewis (cơng thức giới hạn) thì các cơng thức giới hạn đĩ là các cơng thức cấu tạo cộng hưởng của cơng thức đĩ (như chúng ta đã nĩi ở trên, một cơng thức hĩa học cĩ thể cĩ một hoặc nhiều cơng thức Lewis) Nội dung thuyết cấu tạo cộng hưởng: Cĩ 3 nội dung chính - Bất kì một phân tử hoặc ion nào cũng cĩ thể được biểu diễn bởi hai hoặc nhiều cơng thức Lewis (chỉ khác nhau là ở vị trí các electron), gọi là cơng thức cộng hưởng hay cơng thức giới hạn. - Khơng một cơng thức nào trong chúng biểu diễn đúng được hình học phân tử. Khơng một cơng thức cộng hưởng nào phù hợp hồn tồn với tính chất vật lí hoặc tính chất hĩa học của chất. - Phân tử hoặc ion đĩ sẽ được biểu diễn tốt hơn bằng sự “lai hĩa” giữa các cơng thức cộng hưởng. Thí dụ: ta cĩ thể lấy dẫn chứng như trường hợp các ion CO32-, NO3-… những trường hợp này ta sẽ xem xét trong phần bài tập áp dụng bên dưới. 2.3.3.4. Các bước viết cơng thức cấu tạo Lewis
Thí dụ: Thiết lập cơng thức Lewis cho ion CO32- Bước 1: ðưa ra cơng thức cấu tạo Lewis giả định (dựa vào kinh nghiện bản thân, giả sử rằng các liên kết tạo thành là liên kết đơn) C O O O Bước 2: Tính tổng số electron hĩa trị của cơng thức giả định (kí hiệu n1) n1 = 4.1 + 6.3 + 2 = 24 (vì ở đây CO32- là một anion điện tích (--) nên ta cộng thêm 2 vào trong tổng trên) (a) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 34 Bước 3: Tính số electron cịn lại (kí hiệu n2) n2 = n1 – n’ (n’ là tổng số electron đã tạo liên kết trong cơng thức giả định a) n2 = 24 – 2.3 = 18 Dùng n2 tạo octet cho nguyên tử âm điện nhất (nguyên tử cần nhiều hơn số electron để tạo được octet) trong cơng thức giả định (a)
khi đĩ ta được cơng thức sơ bộ (b) C O O O Octet Cho Oxi C O O O Bước 4: Lập cơng thức Lewis đúng Tính số electron cịn lại (kí hiệu n3) sau khi đã tạo octet ở bước 3: n3 = n2 – noctet = 18 – 18 = 0. Nếu trường hợp n3 ≠ 0 thì ta cần đưa số electron này vào nguyên tử trung tâm rồi mới làm tiếp bước sau đây - Tính điện tích hình thức trên mỗi nguyên tử trong cơng thức (b) dùng cơng thức đã giới thiệu ở trên C: 4 – (3 + 0) = 1+ O: 6 – (1 + 6) = 1- Ta biểu diễn kết quả thu được trên cơng thức sau C O O O -1 -1 -1+1 Chuyển đơi electron riêng của oxi thành đơi electron liên kết để: - Tạo octet cho nguyên tử O (nguyên tử trung tâm A nĩi chung) - Trung hịa điện tích hình thức trên một số nguyên tử liên quan (chuyển một đơi electron trên 1 trong 3 nguyên tử O bất kì thành đơi e liên kết) C O O O C O O O (0) (0) -1 -1 (b) (c) (d) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 35 Tính lại điện tích hình thức, kết luận O bên trái cĩ điện tích hình thức là: 6 – (2 + 4) = 0 C cĩ điện tích hình thức là: 4 – (4 + 0) = 0 Hai O cịn lại đều cĩ điện tích hình thức là: 6 – (6 + 1) = 1- Vậy điện tích hình thức của cả cơng thức (d) là: 1- + 1- = 2- Như ta đã nĩi, cĩ 3 nguyên tử O và cả 3 nguyên tử O này đều cĩ khả năng chuyển đơi electron riêng của mình để tạo octet cho nguyên tử C do đĩ thay vào việc cĩ một cấu tạo (d) thì ta sẽ cĩ 3 cấu tạo tương ứng (d1), (d2), (d3) C O O O C O O OC O O O (d1) (d2) (d3) Vậy ion CO32- cĩ 3 cấu tạo giới hạn (hay 3 cấu tạo cộng hưởng), điện tích được giải tỏa trên mỗi nguyên tử O của ion CO32- là 23− Thí dụ: Hãy viết cơng thức cấu tạo Lewis cho PCl3 Áp dụng các bước trên ta sẽ cĩ lần lượt các kết quả sau: P Cl Cl Cl Từ (a) ta cĩ số elctron đã tham gia liên kết n2 = 6e Số electron cịn lại n3 = 26 – 6 = 20e Lấy số electron cịn lại ở trên tạo octet cho nguyên tử âm điện hơn (Cl), số electron cần tạo octet là n4 = 6.3 = 18e P Cl Cl Cl Số electron cịn lại sau khi đã tạo octet ở trên là n5 = 20 – 18 = 2e (a) (b) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 36 Ta thấy, n5 > 0 nên ta dùng n5 điền vào nguyên tử P (chú ý chỉ được điền vào các nguyên tố chu kì 3 trở lên, vì quy tắc octet khơng cịn phù hợp) P Cl Cl Cl Từ cơng thức (c) ta tính điện tích hình thức của mỗi nguyên tử trong phân tử P: 5 – 2 – 3 = 0 Cl: 7 – 6 – 1 = 0 Kết luận: Cơng thức (c) ở trên là cơng thức Lewis đúng của PCl3 2.4. Khảo sát hình học phân tử một số hợp chất cộng hố trị ðể dự đốn hình học phân tử, cĩ thể dùng mơ hình tương tác đẩy VSEPR (quy tắc kinh nghiệm gilexpi). Chúng ta cĩ thể hệ thống quy tắc kinh nghiệm gilexpi trên theo bảng sau đây, kết hợp cả hai loại phân tử (AXn và AXnEm). Chú ý đặc biệt đến 2 khái niệm “hình dạng tương tác đẩy” và khái niệm “cấu trúc hình học phân tử”. Bảng 2.1. Cấu hình khơng gian của một số phân tử Phân tử Tổng số cặp e Hình dạng tương tác đẩy Số cặp e liên kết Cấu trúc hình học phân tử Phân tử điển hình AX2 2 Thẳng 2 Thẳng BeCl2, BeH2. Tam giác đều BF3 AX3 AX2E 3 3 3 2 Chữ V SO2 Tứ diện CH4 Hình tháp chĩp NH3 AX4 AX3E AX2E2 4 4 4 4 3 2 Chữ V H2O Song tháp PCl5 Hình tháp chĩp SF4 Chữ T ClF3 (c) Tam giác đều AX5 AX4E AX3E2 5 5 5 5 4 3 Song tháp tam giác Tứ diện PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 37 Bát diện SF6 Hình chĩp BrF5 AX6 AX5E AX4E2 6 6 6 Bát diện 6 5 4 Vuơng phẳng XeF4
Nhận xét: Ta thấy đối với các trường hợp trong phân tử khơng cĩ cặp electron riêng nên hình dạng tương tác đẩy đối với các cặp electron cũng chính là hình học phân tử của chúng. Trong trường hợp ngược lại, các phân tử cĩ đơi electron riêng thì do tương hổ giữa chúng với các cặp electron liên kết nên hình học phân tử của chúng sẽ biến đổi theo các quy luật như đã trình bày ở phần trên. Như vậy, khi bạn đã xác định tổng số cặp electron của cơng thức Lewis, từ đĩ suy ra mơ hình tương tác đẩy của chúng, tiếp theo là dựa vào mức độ tương quan giữa các cặp e liên kết và các cặp e riêng (của nguyên tử trung tâm) ta suy ra hình học phân tử của các cơng thức đĩ. Thí dụ: Dựa vào cơng thức Lewis một số chất vừa xác định ở trên, chúng ta sẽ suy ra hình học phân tử của chúng. Phân tử PCl3: cĩ cơng thức Lewis đúng là P Cl Cl Cl Tổng số cặp e hĩa trị là 4 (trong đĩ cĩ 3 cặp e liên kết và 1 cặp e khơng liên kết) Kết luận: - Hình dạng tương tác đẩy là tứ diện, nhưng do trên nguyên tử P cịn một đơi e riêng nên hình học phân tử cĩ hình tháp chĩp (hay hình tháp tam giác) giống trường hợp của phân tử NH3 AX2E3 5 2 Thẳng XeF2 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 38 - Theo nguyên tắc hình dạng tương tác đẩy là hình tứ diện, tức là các đơi mây e của nguyên tử trung tâm phân bố cĩ dạng là hình tứ diện đều, các gĩc tứ diện bằng nhau và bằng 109029’. Tuy nhiên cĩ một đơi e riêng trong số đĩ chiếm khoảng khơng gian lớn, dẫn đến sự thu hẹp các mây e liên kết nên từ hình tứ diện (dạng tương tác đẩy) chuyển sang dạng tháp tam giác (hình tháp chĩp) 109028' (Mơ hình tương tác đẩy tứ diện đều) 109028' P Cl Cl Cl Ta suy luận chắc chắn rằng: Gĩc hĩa trị ClPCl sẽ nhỏ hơn gĩc tứ diện 109029’, cịn cụ thể là bao nhiêu thì cần phải cĩ thực nghiệm chứng minh.
Tuy nhiên ta cĩ một cách khác để tính tốn số lượng các cặp e liên kết và các cặp e riêng (khơng cần phải viết cơng thức Lewis) - Việc xác định số liên kết σ hay số cặp e liên kết khơng cĩ gì là khĩ khăn cả. Hễ cĩ bao nhiêu nguyên tử biên liên kết với nguyên tử trung tâm thì cĩ bấy nhiêu liên kết σ . Thí dụ PH3 (số liên kết σ = 3
cĩ 3 cặp e liên kết vì cĩ 3 nguyên tử H liên kết với nguyên tử trung tâm P…) - Việc xác định số electron hĩa trị tự do cĩ thể dùng phương pháp đơn giản sau: + Tính tổng số electron hĩa trị của các nguyên tử trong phân tử (ion ban đầu) (kí hiệu X) + Tính số electron hĩa trị bảo hịa dành cho các nguyên tử biên liên kết với nguyên tử trung tâm (kí hiệu Y), (bát tử đối với mỗi nguyên tử biên nĩi chung và 2 electron đối với mỗi nguyên tử biên là nguyên tử H). PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 39 + Tính hiệu số giữa tổng số electron hĩa trị của phân tử và số electron hĩa trị dành cho các phân tử biên (X – Y). Hiệu số này chính là số electron hĩa trị tự do của nguyên tử trung tâm cần tìm. Bảng 2.2. Kết quả tính tốn số cặp electron hĩa trị tự do của các nguyên tử trung tâm đối với một số phân tử và ion. Nguyên tử Trung tâm Số cặp e tự do 0 0 0 0 0 0 0 2 2 2 2 2 2 4 4 4 6 CO2 NO2+ BF3 CO32- CCl4 NH4+ PCl5 SO2 NO2- SO32- SF4 TeCl4 BrF5 H2O ClF3 XeF4 XeF2 C N B C C N P S N S S Te Br O Cl Xe Xe 4 + 2.6 5 + 2.6 – 1 3 + 3.7 4 + 3.6 + 2 4 + 4.7 5 + 4.1 – 1 5 + 5.7 3.6 5 + 2.6 + 1 4.6 + 2 6 + 4.7 6 + 4.7 6.7 2 + 6 4.7 8 + 4.7 8 + 2.7 2.8 2.8 3.8 3.8 4.8 4.2 5.8 2.8 2.8 3.8 4.8 4.8 5.8 2.8 3.8 4.8 2.8 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 2 2 2 3 X - Y X Y Phân tử, ion PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 40 Như vậy, việc giải thích hình học phân tử đã được giải quyết một cách đơn giản với mơ hình VSEPR ( hay cịn cĩ thêm tên gọi là mơ hình tĩnh điện hoặc mơ hình Gilexpia) 2.5. Lai hố AO nguyên tử 2.5.1. Lai hố sp3 Ta xét 2 hai trường hợp điển hình nhất là CH4, H2O TH 1: phân tử CH4 (chú ý phân tử cĩ dạng AX4) 2s 2p C trang thai kích thích 2s 2p C* 4 orbitan lai hoa Nếu như 4 AO 1s của 4 nguyên tử H tiến vào xen phủ với 4 AO hĩa trị 1 electron của nguyên tử C thì sẽ tạo thành 4 liên kết cộng hĩa trị (sự gĩp chung đơi electron hình thành liên kết). ðặc điểm của 4 liên kết này sẽ khác nhau (khác nhau về tính định hướng, về năng lượng các liên kết), nhưng trên thực tế các số liệu thực nghiệm chứng minh rằng 4 liên kết này hồn tồn giống nhau và gĩc hĩa trị luơn luơn bằng 109029’. Như vậy, để giải thích sự mẫu thuẫn trên, ta sẽ áp dụng khái niệm lai hĩa trong trường hợp này. Mà cụ thể là dạng lai hĩa sp3, 4 AO lai hoa tạo thành hồn tồn giống nhau, khi xen phủ với 4 AO 1s của 4 nguyên tử H sẽ cho các liên kết giống nhau
và chúng định hướng trong khơng gian hình tứ diện đều. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 41 109029' H CH4 H H H TH 2: phân tử H2O (phân tử cĩ dạng AX2E2) 2s 2p O 2s 2p O* kích thích Nếu như 2 AO 1s của 2 nguyên tử H xen phủ với 4 AO hĩa trị 1 electron của nguyên tử O, sẽ hình thành hai liên kết cộng hĩa trị. Tuy nhiên, như đã nĩi ở trên, các AO lai hĩa tạo thành những liên kết bền vững hơn các AO “nguyên chất”. Vì vậy trong những trường hợp mà nguyên tử trung tâm cĩ những cặp điện tử khơng phân chia và khi hiệu năng lượng của các AO khơng quá lớn, các liên kết trong phân tử cũng được giải thích bằng các AO lai hĩa. H H 104,50 O H2O Vì gĩc liên kết trong nước 104,50 (gần xấp xỉ bằng gĩc tứ diện 109029’), nên người ta giải thích trong phân tử nước các AO “nguyên chất” của nguyên tử O đã tham gia lai hĩa, cụ thể là lai hĩa tứ diện sp3. Nhưng sở dĩ, cĩ sự chênh lệch đơi chút giữa gĩc liên kết và gĩc tứ diện là do 2 cặp điện tử tự do của O đã chiếm cứ 2 trong số 4 AO lai hĩa của nguyên tử O, và lực đẩy của 2 mây electron tự do này mạnh hơn so với các mây electron liên kết làm giảm độ lớn của gĩc. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 42 Như đã nĩi ở phần trước đây, trong phân tử H2O xuất hiện momen lưỡng cực. Mơmen lưỡng cực xuất hiện ở đây khơng phải chỉ do sự phân cực của H2O, mà cịn do mơmen lưỡng cực của các cặp điện tử tự do, trọng tâm đám mây điện tử khơng trùng với hạt nhân nguyên tử trung tâm. (ta tham khảo thêm một số giáo trình khác) Chính vì những lí do trên mà phân tử nước khơng cĩ dạng tứ diện đều mà cĩ hình dạng gĩc. 2.5.2. Lai hố sp2 Ta xét trường hợp phân tử BCl3 (phân tử cĩ dạng AX3) 2s 2p B kích thích B* Thực nghiệm cho biết rằng gĩc liên kết trong phân tử BCl3 bằng 1200 cĩ dạng gĩc của tam giác đều. Do đĩ, nguyên tử B trong phân tử BCl3 phải tham gia lai hĩa sp2 Quá trình lai hĩa giải thích như sau: Nguyên tử B bị kích thích cĩ cấu hình electron vỏ hĩa trị là 2s1 2p2 và khi tham gia tạo liên kết với các nguyên tử Cl nĩ ở trạng thái lai hĩa sp2, ta sẽ cĩ hình dạng tương ứng là hình tam giác đều (chúng phân bố trên cùng một mặt phẳng, 3 đỉnh của tam giác đều là 3 nguyên tử Cl) Mơ hình hĩa như sau: 1200 Cl Cl Cl B Cl ClCl (a) (b) B Tuy nhiên, trong trường hợp của phân tử BCl3, các liên kết B – Cl khơng phải là các liên kết đơn. Liên kết này cĩ bậc lớn hơn 1 do cĩ sự che phủ bổ sung giữa obitan hĩa trị tự do của B và AO chứa cặp electron hĩa trị tự do của Cl. Tạo thành các liên kết pi khơng định cư (chuyển động trên tồn bộ khung nguyên tử - hình (b)). PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 43 2.5.3. Lai hố sp Một số trường hợp nguyên tử trung tâm cho lai hĩa sp như BeX2, ZnX2, CdX2 (X là các nguyên tử halogen)…đặc biệt là C2H2 (phân tử này ta sẽ dạy phần ankin). Khi đĩ gĩc liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử thẳng là 1800. Bảng 2.3. Mối quan hệ giữa cấu hình khơng gian ABn (cĩ chứa cặp electron hĩa trị tự do) và số cặp electron liên kết Sốcặp electron Phân tử Số liên kết e hĩa trị tự do Tổng số Kiểu lai hĩa nguyên tử trung tâm Cấu hình phân tử Ví dụ AB3 AB2 3 2 0 1 3 3 sp2 Tam giác đều Gĩc BF3,SO3, CO32 SO2, O3, NO2- AB2 AB3 AB4 2 3 4 2 1 0 4 4 4 sp3 Gĩc Tháp tam giác Tứ diện đều AB2 AB3 AB4 AB5 2 3 4 5 3 2 1 0 5 5 5 5 sp3d AB4 AB5 AB6 4 5 6 2 1 0 6 6 6 sp3d2 H2O, ClO2, OF2 NH3, SO32- CH4, CCl4.. XeF2… ClF3... SF4, TeCl4… AsF5, PCl5 ðường Thẳng Chữ T Tứ diện lệch Lưỡng tháp tam giác Vuơng phẳng XeF4… CrF5… SF6… Tháp vuơng Bát diện đều PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 44 2.6. Mối liên hệ giữa cơng thức Lewis – VSEPR – Lai hố AO Cơng thức Lewis AXn AXnEm. Nhận xét: Ta chú ý đến một số cơng thức đã xét dạng lai hĩa của chúng (CH4, BCl3, H2O…). so sánh chúng với phần mơ hình tương tác đẩy (VSEPR), ta thấy sẽ cĩ sự tương ứng giống nhau. - Phân tử CH4 : Nguyên tử trung tâm C cĩ dạng lai hĩa sp3
hình học phân tử là hình tứ diện đều + Theo VSEPR hình dạng tương tác đẩy là tứ diện
hình học phân tử là tứ diện đều + Nguyên tử trung tâm C khơng cĩ cặp electron riêng - Phân tử H2O: Nguyên tử trung tâm lai hĩa sp3
hình học phân tử cĩ dạng gĩc + Theo VSEPR hình dạng tương tác đẩy là tứ diện
hình học phân tử cũng cĩ dạng gĩc Cĩ n đơi e liên kết Khơng cĩ đơi e riêng Cĩ n đơi electron liên kết Cĩ m đơi e riêng Hình dạng tương tác đẩy (của các cặp electron) Gồm 5 dạng phổ biến Thẳng Tam giác đều Tứ diện Bát diện Song tháp tam giác Dạng lai hố Hình học phân tử Hình học phân tử PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 45 + Nguyên tử trung tâm O cĩ 2 cặp electron riêng.
Từ những dẫn chứng trên, ta thấy rằng cĩ mối quan hệ giữa 2 thuyết VSEPR – thuyết lai hĩa. Chỉ khác nhau ở chổ là việc giải thích sẽ khác nhau tùy từng loại phân tử nhất định.
Mơ hình ở trên cĩ thể xem là khái quát hĩa mối quan hệ giữa: cơng thức Lewis – VSEPR – Lai hố AO trong việc xét đốn hình học phân tử của các chất. Khi bạn đã xác định tổng số cặp electron của cơng thức, từ đĩ suy ra mơ hình tương tác đẩy của chúng, tiếp theo là dựa vào mức độ tương quan giữa các cặp e liên kết và các cặp e riêng ta suy ra hình học phân tử của các cơng thức đĩ. Như vậy, ðể chọn kiểu lai hố cho nguyên tử trung tâm ta dựa vào n (tổng số liên kết xích ma (σ ) của nguyên tử trung tâm với số cặp electron hố trị khơng phân chia. - Nếu tổng đĩ bằng 2 thì nguyên tử trung tâm cĩ lai hố dạng sp - Nếu tổng đĩ bằng 3 thì nguyên tử trung tâm cĩ lai hố dạng sp2 - Nếu tổng đĩ bằng 4 thì nguyên tử trung tâm cĩ lai hố dạng sp3 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 46 Chương 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ BAN ðẦU 3.1. Kết quả khảo sát 3.1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của việc khảo sát ðánh giá khả năng nắm vững kiến thức “liên kết hố học” của HS các lớp 10, 11 trường THPT TP Cao Lãnh. So sánh kết quả khảo sát giữa các lớp, từ đĩ đánh giá sơ bộ việc dạy và học nội dung “liên kết hố học” của GV và HS. Xử lí và phân tích kết quả, để đưa ra nhận xét. 3.1.2. Kế hoạch khảo sát Xây dựng mẫu phiếu điều tra tham khảo ý kiến của GV về việc giảng dạy các bài, mục cĩ nội dung liên quan đến khái niệm “liên kết hĩa học” Xây dựng mẫu đề trắc nghiệm 10 phút để kiểm tra mức độ nắm vững kiến thức của HS các lớp 3.1.3. Thống kê số liệu Thơng qua bài kiểm tra 10 phút cho HS các lớp 10 ở trường THPT TP Cao Lãnh (lớp 10H, lớp 10T, lớp 10A1) ta cĩ kết quả ban đầu như sau: Bảng 3.1. ðiểm và số lượng HS của lớp 10H (tổng số học sinh n = 37) ðiểm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Số lượng 0 0 0 1 3 10 7 8 7 0 1 Bảng 3.2. ðiểm và số lượng HS của lớp 10T (tổng số học sinh n = 37) ðiểm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Số lượng 0 0 0 0 2 12 9 5 6 2 1 PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 47 Bảng 3.3. ðiểm và số lượng HS của lớp 10L (tổng số học sinh n = 24) ðiểm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Số lượng 0 0 0 1 3 7 8 2 2 1 0 Bảng 3.4. ðiểm và số lượng HS của lớp 10A1 (tổng số học sinh n = 48) ðiểm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Số lượng 0 0 5 6 9 8 13 6 1 0 0 Bảng 3.5. Phân phối tần suất (fi (%) = số lượng/n) Tần suất fi (%) ðiểm 10H 10T 10L 10A1 0 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 1 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 2 0.00% 0.00% 0.00% 10.42% 3 2.70% 0.00% 4.17% 12.50% 4 8.11% 5.41% 12.50% 18.75% 5 27.03% 32.43% 29.17% 16.67% 6 18.92% 24.32% 33.33% 27.08% 7 21.62% 13.51% 8.33% 12.50% 8 18.92% 16.22% 8.33% 2.08% 9 0.00% 5.41% 4.17% 0.00% 10 2.70% 2.70% 0.00% 0.00% Tổng 100% 100% 100% 100% PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 48 3.1.4. ðồ thị Dựa vào số liệu đã trình bày ở trên ta cĩ các đồ thị và biểu đồ biểu diễn như sau: 0.00% 5.00% 10.00% 15.00% 20.00% 25.00% 30.00% 35.00% 10H 10T 10L 10A1 Hình 3.1. Biểu đồ cột biểu thị tần suất fi(%) Dựa vào bảng 3.5. ta tính được tần suất luỹ tích như sau: Bảng 3.6. Biểu diễn tần suất luỹ tích Tần suất luỹ tích ðiểm 10H 10T 10L 10A1 0 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 1 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 2 0.00% 0.00% 0.00% 10.42% 3 2.70% 0.00% 4.17% 22.92% 4 10.81% 5.41% 16.67% 41.67% 5 37.84% 37.84% 45.84% 58.34% 6 56.76% 62.16% 79.17% 85.34% 7 78.38% 75.67% 87.5% 97.92% 8 97.3% 91.89% 95.83% 100% PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 49 9 97.3% 97.3% 100% 100% 10 100% 100% 100% 100% Tổng 100% 100% 100% 100% 0.00% 20.00% 40.00% 60.00% 80.00% 100.00% 120.00% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10H 10T 10L 10A1 Hình 3.2. Biểu đồ cột biểu thị tần suất luỹ tích 3.1.5. Nhận xét Thơng qua các số liệu và đồ thị trên ta nhận thấy: Nhìn chung mức độ nắm vững kiến thức về “liên kết hố học” của HS khối 10 ở mức độ trung bình. Cụ thể đối với lớp 10H (chuyên hố), 10T (chuyên tốn) số HS cĩ điểm từ trung bình trở xuống (điểm 5≤ ) chiếm khoảng 37,84%, lớp 10L tỉ lệ đĩ là 45,84% cịn đối với lớp 10A1 thì tỉ lệ cịn thấp hơn nữa là 58,34%. Thơng qua số liệu thống kê như trên ta thấy: Tỉ lệ HS từ trung bình trở xuống gần như 50% tổng số HS được khảo sát trong đợt thực tập sư phạm. Con số thực nghiệm đưa ra như trên đã phản ánh một phần mức độ nắm vững kiến thức của các em vẫn cịn hạn chế. Do đĩ cần phải cĩ phương pháp dạy và học nội dung này hợp lí hơn để các em cĩ thể tiếp thu bài chủ động hơn. Thơng qua việc lấy ý kiến của các GV trường THPT TP Cao Lãnh tơi nhận thấy hầu hết các GV lâu năm đều cho rằng các kiến thức ở chương 3 (SGK hố học 10 nâng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 50 cao) trừu tượng (nhất là khái niệm về lai hố…). Những khái niệm này GV cảm thấy khĩ truyền đạt cho HS, làm cho các tiết dạy trở nên thụ động. 3.2. Một số giáo án giảng dạy nội dung liên kết hĩa học Bài 17 (Tiết 1) I. Mục tiêu: 1. Kiến thức: - Học sinh biết: + Sự tạo thành cặp electron chung là xu hướng đạt cấu hình electron bền giữa các nguyên tử phi kim liên kết nhau. Sự phân cực của liên kết cộng hố trị. + Thế nào là liên kết cộng hố trị, liên kết cho – nhận. + Tính chất của hợp chất cộng hố trị. - Học sinh hiểu: + Nguyên nhân hình thành liên kết cộng hố trị. + ðịnh nghĩa liên kết cộng hố trị và liên kết cho – nhận. + ðặc điểm của liên kết cộng hố trị. 2. Kỹ năng: + Củng cố kỹ năng viết cấu hình electron của nguyên tử và ion. + Viết sơ đồ minh hoạ sự tạo thành liên kết cộng hố trị. 3. Thái độ: Nhận thức sự đa dạng của liên kết hố học. II. ðồ dùng dạy học: - Giáo viên: + Giáo án, kế hoạch lên lớp. + Máy chiếu, phiếu học tập, phim mơ tả phân tử Cl2 và HI. - Học sinh: Chuẩn bị bài trước ở nhà. III. Phương pháp dạy học: Hoạt động nhĩm, trao đổi – đàm thoại. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 51 IV. Các hoạt động dạy học: Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh I. Sự hình thành liên kết cộng hố trị bằng cặp electron chung
Phân tử đơn chất HOẠT ðỘNG 1 - Yêu cầu HS xác định: + Xu hướng đạt cấu hình electron bền của các nguyên tử phi kim là gì? + Hình thức liên kết giữa các nguyên tử phi kim là như thế nào? - Phân nhĩm (khoảng 8 HS) và phát phiếu học tập cho các nhĩm. - Thảo luận câu hỏi trong phiếu (10 phút). HOẠT ðỘNG 2 - Gọi 3 HS nhĩm 1 trình bày sự tạo thành cặp electron chung của H2, O2, N2. - Gọi 3 HS nhĩm 2 lên bảng viết sơ đồ electron tạo thành H2, O2, N2. - Nhận xét, chỉnh lý. - Gọi 1 HS nhĩm 2 nêu định nghĩa liên kết cộng hố trị, liên kết đơn, liên kết đơi, liên kết ba. - Nhận xét, chỉnh lý. - Gọi 1 HS nhĩm 1 trình bày tính phân cực.
Phân tử đơn chất HOẠT ðỘNG 1 - HS trả lời: + Nhận thêm electron vào lớp ngồi cùng. + Gĩp chung electron tạo thành cặp electron chung. - Tổ chức nhĩm theo hướng dẫn của GV. - Thảo luận. HOẠT ðỘNG 2 2.1. Sự hình thành phân tử H2 - Nguyên tử H cĩ 1 electron, cĩ xu hướng nhận vào 1 electron để cĩ cấu hình electron bền của 2He. - Mỗi nguyên tử H gĩp 1 electron, tạo thành 1 cặp electron chung. Trong phân tử H2, mỗi nguyên tử H cĩ 2 electron. H . + . H → H : H - Cơng thức H : H là c.thức electron. Cơng thức H – H là c.thức cấu tạo. - Liên kết được tạo bởi 1 cặp electron chung giữa 1 nguyên tử là liên kết đơn. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 52 - Nhận xét, chỉnh lý. 2.2. Sự hình thành phân tử O2: - Nguyên tử O cĩ 6 electron lớp ngồi cùng nên cĩ xu hướng nhận vào 2 electron để cĩ cấu hình electron bền của 10Ne. - Mỗi nguyên tử O gĩp 2 electron, tạo thành 2 cặp electron chung. Trong phân tử O2, mỗi nguyên tử O cĩ 8 electron. O : + : O → : O :: O : - Cơng thức electron là :O :: O: Cơng thức cấu tạo là O = O - Liên kết được tạo bởi 2 cặp electron chung giữa 2 nguyên tử là liên kết đơi. 2.3. Sự hình thành phân tử N2: - Nguyên tử N cĩ 5 electron lớp ngồi cùng nên cĩ xu hướng nhận vào 3 electron để cĩ cấu hình electron bền của 10Ne. - Mỗi nguyên tử N gĩp 3 electron, tạo thành 3 cặp electron chung. Trong phân tử N2, mỗi nguyên tử N cĩ 8 electron. N N N N Cơng thức trên là c.thức electron. Cơng thức N ≡ N là c.thức cấu tạo. - Liên kết được tạo bởi 3 cặp electron chung giữa 2 nguyên tử là liên kết ba. . PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 53
Phân tử hợp chất HOẠT ðỘNG 3 - Gọi 3 HS nhĩm 3 trình bày sự tạo thành cặp electron chung của HCl, H2O và CO2. - Gọi 3 HS nhĩm 4 lên bảng viết sơ đồ electron tạo thành HCl, H2O, CO2. - Nhận xét, chỉnh lý. - Gọi 1 HS nhĩm 4 chỉ rõ sự phân cực trong các phân tử trên. HOẠT ðỘNG 4 - Gọi 1 HS nhĩm 5 trả lời câu hỏi 1, 2 phiếu 3. - Nhận xét, chỉnh lý. - Gọi 1 HS nhĩm 6 trình bày tính chất chung của các chất tạo thành bởi liên kết cộng hố trị. - Nhận xét, chỉnh lý. 2.4. ðịnh nghĩa liên kết cộng hố trị. Liên kết đơn, liên kết đơi, liên kết ba.
Phân tử hợp chất HOẠT ðỘNG 3 3.1. Sự hình thành phân tử hợp chất: 3.1.1. Sự hình thành phân tử HCl: “Hình thành cơng thức electron Suy ra CTCT” 3.1.2. Sự hình thành phân tử H2O: “Hình thành cơng thức electron Suy ra CTCT” 3.1.3. Sự hình thành phân tử CO2: “Hình thành cơng thức electron Suy ra CTCT” 3.1.4. Liên kết cho – nhận: ptử SO2. “Hình thành cơng thức electron Suy ra CTCT” - “Liên kết cho – nhận là liên kết cộng hố trị đặc biệt, trong đĩ cặp electron chung do 1 nguyên tử đưa ra”. + Nguyên tử cho: đã cĩ cấu hình electron bền của khí hiếm. + Nguyên tử nhận: phải cĩ orbitan trống. 3.2. Tính chất của các chất cĩ liên kết cộng hố trị: (SGK./73) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 54 Bài 17 (Tiết 2) HOẠT ðỘNG 1: GV ơn tập lại nội dung kiến thức của tiết trước: - Liên kết cộng hố trị là gì? - Liên kết cộng hố trị được tạo thành từ những nguyên tử của nguyên tố nào? - Liên kết đơn, liên kết đơi, liên kết ba là gì? - Thế nào là liên kết cộng hố trị khơng cực? Liên kết cộng hố trị cĩ cực? - Thế nào là liên kết cho – nhận? - Hợp chất tạo bởi liên kết cộng hố trị cĩ những tính chất chung nào? Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh II. Liên kết cộng hố trị và sự xen phủ các orbitan nguyên tử
Các phân tử đơn chất: HOẠT ðỘNG 2 - Trình chiếu mơ phỏng sự tạo thành phân tử H2, Cl2, - Yêu cầu HS nhận xét trong quá trình tạo cặp electron chung của các phân tử trên cĩ sự xen phủ của những orbitan nguyên tử nào?
Các phân tử hợp chất: - Trình chiếu mơ phỏng sự tạo thành phân tử HI, HCl, H2O, H2S…
Các phân tử đơn chất: HOẠT ðỘNG 2 - Xem trình chiếu. - Trả lời: + Phân tử H2 cĩ xen phủ của 2 obitan s. H H H H + Phân tử Cl2 cĩ xen phủ của 2 obitan p. Cl Cl Cl-Cl
Các phân tử hợp chất: + Phân tử HI ( hay HCl) cĩ xen phủ của 1 obitan s và 1 obitan p. H I H-I PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 55 HOẠT ðỘNG 3 3.1. Củng cố: - Khi tạo thành cặp electron chung giữa các nguyên tử phi kim thì orbitan chứa electron độc thân của những nguyên tử này cĩ hoạt động gì? - Khoảng cách cân bằng giữa hạt nhân của 2 nguyên tử được duy trì bởi yếu tố nào? - Cho biết “hướng của trục liên kết” trong các phân tử tạo bởi liên kết cộng hố trị? 3.2. Yêu cầu HS: Xem trước nội dung bài 18: “Sự lai hố các obitan nguyên tử. Sự hình thành liên kết đơn, liên kết đơi và liên kết ba” + Phân tử H2O (hay H2S) cĩ xen phủ của 2 obitan s và 2 obitan p. HOẠT ðỘNG 3 3.1. HS trả lời - Cĩ sự xen phủ của orbitan chứa electron độc thân. - Lực hút giữa hạt nhân của các nguyên tử tạo thành liên kết và vùng xen phủ orbitan giữa 2 hạt nhân. - ði qua tâm các nguyên tử tạo thành liên kết.
Củng cố bài: 1. Chọn câu đúng nhất về liên kết cộng hĩa trị . Liên kết cộn hĩa trị là liên kết : A. Giữa các phi kim với nhau. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 56 B. Trong đĩ cặp electron chung bị lệch về một nguyên tử. C. ðược hình thành do sự dùng chung electron của 2 nguyên tử khác nhau. D. ðược tạo thành giữa 2 nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron chung. 2. Cho các phân tủ : N2 ; SO2 ; H2 ; HBr. Phân tử nào trong các phân tử trên cĩ liên kết cộng hĩa trị khơng phân cực ? A. N2 ; SO2 B. H2 ; HBr C. SO2 ; HBr D. H2 ; N2 3. Sự so sánh nào sau đây là đúng? A. Liên kết ion và liên kết CHT khơng cĩ điểm nào giống nhau. B. Liên kết CHT khơng cực và liên kết CHT phân cực khơng cĩ điểm nào khác nhau C. Liên kết CHT khơng cực và liên kết CHT phân cực khơng cĩ điểm nào giống nhau D. Liên kết CHT phân cực là dạng trung gian giữa liên kết CHT khơng cực và liên kết ion 4. Liên kết hố học trong phân tử nào sau đây được hình thành bởi sự xen phủ p – p : A. H2 B. Cl2 C. N2 D. B và C 5. Liên kết ion khác với liên kết cộng hĩa trị ở: A. Tính định hướng và tính bão hịa . B. Việc tuân theo quy tắc bát tử. C. Việc tuân theo nguyên tắc xen phủ đám mây electron nhiều nhất. D. Tính định hướng. Hãy chọn đáp án đúng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 57 Bài 18 (Tiết 1) I. Mục tiêu: 1. Kiến thức: - Học sinh biết: + Khái niệm về lai hố. Một số kiểu lai hố phổ biến. + Sự xen phủ trục, xen phủ bên và các liên kết hố học tạo ra bởi các sự xen phủ đĩ. - Học sinh hiểu: + Nguyên nhân cĩ sự lai hố orbitan nguyên tử. + Nguyên nhân sự xen phủ trục tạo liên kết bền hơn xen phủ bên. 2. Kỹ năng:Vận dụng thuyết lai hố giải thích dạng hình học của 1 số phân tử. 3. Thái độ: Nhận thức sự đa dạng của liên kết cộng hố trị. II. ðồ dùng dạy học: 1. Giáo viên: Giáo án điện tử, kế hoạch lên lớp, máy chiếu. 2. Học sinh: Sách giáo khoa, tập ghi bài. III. Phương pháp dạy học chủ yếu: Trình bày minh hoạ, diễn giảng, trao đổi – đàm thoại. IV. Các hoạt động dạy học: Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh I. Khái niệm về sự lai hố HOẠT ðỘNG 1 - Trình chiếu, diễn giải trạng thái nguyên tử C trong phân tử CH4 để HS thấy rằng theo lý luận HOẠT ðỘNG 1 - Nghe giảng, nhận xét. - Xem trình chiếu, nhận xét. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 58 bình thường, liên kết trong phân tử CH4 cĩ 2 loại với dạng khác nhau. - Trình chiếu mơ hình phân tử CH4 được xác định trong thực nghiệm để HS thấy rằng phân tử CH4 cĩ 4 liên kết như nhau về hình dạng và năng lượng. - Từ đĩ, phải cĩ 1 lí thuyết để giải thích điều này đĩ là thuyết lai hố. (giống như hoạt động dẫn vào bài học) - Giới thiệu khái niệm và nguyên nhân lai hố của các orbitan. - Tìm hiểu khái niệm và nguyên nhân lai hố các orbitan ngtử theo hướng dẫn của GV. (SGK/77) II. Các kiểu lai hố thường gặp Lai hố sp HOẠT ðỘNG 2 - Trình chiếu mơ phỏng lai hố sp2 cho HS nhận xét: AO tham gia lai hố, số orbitan lai hố tạo thành, phân bố của các orbitan sau khi lai hố. - Trình chiếu các dạng khơng gian của BeH2, BeCl2 cho HS nhận xét và phân tích trạng thái lai hố của nguyên tử Be. z y x orbitan s orbitan p z y x z y x 2 orbitan lai hoa sp z y x BeH2 Be* Lai hố sp HOẠT ðỘNG 2 - Xem và nhận xét: lai hố sp là sự tổ hợp (trộn lẫn) giữa 1 AO-s và 1 AO-px, tạo 2 orbitan lai hố thẳng hàng và đối xứng nhau. - Nhận xét: + Nguyên tử Be* tổ hợp từ 1 AO-2s và 1 AO-2px, cĩ lai hố sp + Hình dạng 2 AO lai hố tạo thành giống nhau (gồm 2 thùy: thuỳ lớn và thuỳ nhỏ) + Gĩc lai hố (gĩc hố trị 1800) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 59 Lai hố sp2 HOẠT ðỘNG 3 - Trình chiếu mơ phỏng lai hố sp2 cho HS nhận xét: AO tham gia lai hố, số orbitan lai hố tạo thành, phân bố của các orbitan sau khi lai hố. - Trình chiếu các dạng khơng gian của BH3, BCl3 cho HS nhận xét và phân tích trạng thái lai hố của nguyên tử B. orbitan s orbitan p z y x z y x orbitan p z y x 3 orbitan lai hoa 1200 Cl Cl Cl B Cl ClCl (a) (b) B Lai hố sp3 HOẠT ðỘNG 4 - Trình chiếu mơ phỏng lai hố sp3 cho HS nhận xét: AO tham gia lai hố, số orbitan lai hố tạo thành, phân bố của các orbitan sau khi lai hố. - Trình chiếu các dạng khơng gian của NH3, H2O Lai hố sp2 HOẠT ðỘNG 3 - Xem và nhận xét: lai hố sp2 từ AO-s và AO-px,y, tạo 3 orbitan lai hố phân bố từ tâm ra 3 đỉnh tam giác đều. - Nhận xét: + Nguyên tử B* tổ hợp AO-2s và 2 AO-2px,y, cĩ lai hố sp2 + Gĩc lai hố (gĩc hố trị 1200) Lai hố sp3 HOẠT ðỘNG 4 - Xem và nhận xét: lai hố sp3 từ AO-s và AO-px,y,z, tạo 4 orbitan lai hố phân bố từ tâm ra 4 đỉnh tứ diện đều. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 60 cho HS nhận xét và phân tích trạng thái lai hố của nguyên tử N, O. orbitan s orbitan p z y x z y x orbitan p z y x 4 orbitan lai hoa orbitan p z y x 109028' H CH4 H H H H H 104,50 O H2O Chú ý: Giới thiệu vai trị của thuyết lai hố: Nhấn mạnh đây là lý thuyết để giải thích kết quả thực nghiệm chứ khơng phải là lý thuyết để tiên đốn. HOẠT ðỘNG 5 - Củng cố: Thuyết lai hố AO cĩ vai trị gì? - Yêu cầu HS xem nội dung cịn lại chuẩn bị cho tiết sau. - Nhận xét: Nguyên tử N, O tổ hợp AO-2s và 3 AO-2px,y,z, cĩ lai hố sp3 - Gĩc lai hố (gĩc hố trị 109029’) HOẠT ðỘNG 5 - Giải thích sự đồng nhất về năng lượng của AO khi tạo liên kết bền và dạng hình học của phân tử. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 61 Bài 18 (Tiết 2) Hoạt động của giáo viên Hoạt động của học sinh III. Sự xen phủ trục và xen phủ bên HOẠT ðỘNG 6 - Trình chiếu các hình thức xen phủ của các AO–s và AO–p cho HS thấy thế nào là xen phủ trục và xen phủ bên. - Lưu ý HS về hướng của trục orbitan và đường nối tâm. - Yêu cầu HS phát biểu nhận xét về xen phủ trục và xen phủ bên. Xen phủ trục Xen phủ bên - Giới thiệu loại liên kết và độ bền của liên kết tạo bởi 2 loại xen phủ trên. + Xen phủ trục tạo liên kết xích ma ( )σ bền. + Xen phủ bên tạo liên kết pi )(pi kém bền. HOẠT ðỘNG 6 - Xem trình chiếu, nhận xét. - Phát biểu: + Khi trục của orbitan tham gia liên kết trùng với đường nối tâm của 2 nguyên tử liên kết thì gọi là xen phủ trục. + Khi trục của orbitan tham gia liên kết song song nhau và vuơng gĩc với đường nối tâm của 2 nguyên tử liên kết thì gọi là xen phủ bên. - Nghe giảng. - Xem trình chiếu, nhận xét. PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 62 IV. Sự tạo thành liên kết đơn, liên kết đơi, liên kết ba HOẠT ðỘNG 7 - Trình chiếu cho HS xem hình ảnh xen phủ để tạo liên kết đơn, đơi, ba. - Yêu cầu HS nhận xét thành phần liên kết xíchma ( )σ và liên kết pi )(pi trong mỗi loại liên kết. - Yêu cầu HS giới thiệu một số phân tử lần lượt cĩ các loại liên kết trên Thí dụ: H2, HCl, Cl2…cĩ liên kết ( )σ C2H4…cĩ liên kết đơi N2…cĩ liên kết ba - Giúp HS giải thích sự hình thành các loại liên kết trên. HOẠT ðỘNG 8 - Củng cố: + Các AO s và p xen phủ nhau như thế nào? + Bản chất hình thành liên kết đơn, liên kết đơi, liên kết ba? - Yêu cầu HS ơn các bài về liên kết và lai hố. Tiết 32 luyện tập. HOẠT ðỘNG 7 - Phát biểu: Liên kết đơn là liên kết σ. Liên kết đơi gồm 1 liên kết σ và 1 liên kết pi. Liên kết ba gồm 1 liên kết σ và 2 liên kết pi. HOẠT ðỘNG 8 - HS trả lời các câu hỏi.
Củng cố bài: 1. Nhận xét nào sau đây là đúng: A. Sự lai hố obitan nguyên tử để được số orbitan khác nhau và cĩ định hướng khơng gian khác nhau PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 63 B. Sự lai hố sp của mỗi nguyên tử C là nguyên nhân dẫn đến tính thẳng hàng trong phân tử C2H2 C. Sự lai hố sp2 của mỗi nguyên tử C là nguyên nhân dẫn đến tính thẳng hàng trong phân tử C2H4 D. Phân tử CH4 cĩ lai hố sp3, cịn phân tử NH3 cĩ lai hố sp2 2. Phân tử nào cĩ sự lai hĩa sp2 ? A. BF3 B. BeF2 C. NH3 D. CH4. 3. Phân tử H2O cĩ gĩc liên kết bằng 104,50 do nguyên tử oxi ở trạng thái lai hĩa : A. sp B. sp2 C. sp3 D. khơng xác định được. 4. Các liên kết trong phân tử N2 được tạo thành là do sự xen phủ của : A. các obitan s với nhau và các obitan p với nhau. B. 3 obitan p với nhau . C. 1 obitan s và 2 obitan p với nhau. D. 3 obitan p giống nhau về hình dạng và kích thước nhưng khác nhau về định hướng khơng gian với nhau. Hãy chọn đáp án đúng . 5. Nguyên tử P trong phân tử PH3 ở trạng thái lai hĩa : A. sp. B. sp2 C. sp3. D. khơng xác định được Hãy chọn đáp án đúng PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 64 PHẦN III: KẾT LUẬN 1. Kết luận chung Thơng qua cơ sở lí luận và thực tế việc tham khảo ý kiến một số GV và khảo sát HS các khối lớp 10 (3 lớp chuyên và 1 lớp 10A1) ta cĩ một số kết luận như sau: - ðã nêu lên được tổng quan lí luận về “liên kết hố học và hình học phân tử”, đưa ra một số dạng cụ thể (cĩ ví dụ minh hoạ). Hệ thống một số bài tập vận dung nội dung trên (cĩ đáp án kèm theo). - ðã khảo sát thực tế HS ở trường THPT TP Cao Lãnh (qua bài kiểm tra 10 phút) về khả năng nắm vững kiến thức của các em. - Tĩm lại qua đề tài khố luận này tơi nhận thấy vấn đề giảng dạy nội dung “liên kết hố học” là quan trọng. Tuy nhiên do một số nguyên nhân khách quan và chủ quan nên hiệu quả giảng dạy của GV vẫn chưa cao.làm cho HS tiếp thu bài kém (cụ thể kết quả khảo sát qua bài kiểm tra 10 phút trong đợt thực tập sư phạm). 2. Ý kiến đề xuất 2.1. ðối với sinh viên trường sư phạm Sinh viên nên hệ thống lại các kiến thức đã học và vận dụng các nội dung đĩ vào chương trình SGK 10, 11, 12. Nĩ sẽ giúp ích cho bản thân trong quá trình thực tập tốt nghiệp, đồng thời sẽ là hành trang sư phạm cho các bạn trong tương lai. 2.2. ðối với trường THPT Khi dạy học các nội dung này GV nên sử dụng các phương tiện trực quan (máy chiếu, ảnh…) để HS dễ hình dung vấn đề nhất là các bài trong chương 3 SGK hố học 10, (các đoạn Flash mơ tả hình ảnh các AO, sự xen phủ các AO, sự lai hĩa các AO…) PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial :: 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ngơ Ngọc An (2007), Giải tốn hĩa học 10, Nxb Giáo dục, Hà Nội 2. Nguyễn ðức Chung (2002), Hĩa học đại cương, Nxb ðại học quốc gia Tp.HCM. 3. Nguyễn ðức Chuy (1995), Hĩa học đại cương, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 4. Trần Thành Huế (2003), Hĩa học đại cương 1 Cấu tạo chất, Nxb ðại học sư phạm, Hà Nội 5. Trần Thành Huế (2008), Tư liệu hố học 10, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 6. Nguyễn ðình Huề, Nguyễn ðức Chuy (2003), Thuyết lượng tử về nguyên tử và phân tử, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 7. Nguyễn Trọng Thọ (2005), Hĩa ðại Cương, Nxb Giáo Dục, Hà Nội. 8. ðào ðình Thức (2006), Nguyên tử và liên kết hĩa học tập 2, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 9. ðào ðình Thức (1999), ðối xứng phân tử và ứng dụng lí thuyết nhĩm trong hĩa học, Nxb Giáo dục, Hà Nội. 10. Chu Phạm Ngọc Sơn (1995), Cơ sở lí thuyết hĩa đại cương cấu tạo chất, Nxb ðại học tổng hợp Tp.HCM. 11. Website www.ebook.com.vn www.hoahocvietnam.com.vn PDF Created with deskPDF PDF Writer - Trial ::