Orbital hóa trị là gì

Phần I. MỘT SỐ KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Cơ sở hình thành các liên kết hóa học là lực hút giữa các hạt mang điện, do đó liên kết hóa học có bản chất điện.

II. Electron hóa trị

Electron hóa trị là electron trên lớp ngoài cùng và electron trên các phân lớp d, f đang xây dựng, như ns, np, [n$-$1]d, [n$-$2]f, với n là số thứ tự lớp ngoài cùng.

Chỉ có electron hóa trị tham gia liên kết.

Số electron hóa trị của các nguyên tố:

• Phân nhóm chính: electron hóa trị nằm ở lớp ngoài cùng, số electron hóa trị bằng số thứ tự nhóm. [trừ He thuộc nhóm VIIIA nhưng có 2e hóa trị]

• Phân nhóm phụ: electron hóa trị nằm ở lớp ngoài cùng và trên các phân lớp cuối cùng đang xây dựng. Nhóm IIB có 2 electron hóa trị [Hg có thể có 1e hóa trị]. Nhóm IIIB có 3e hóa trị. Các phân nhóm khác không thể xác định chính xác số e hóa trị.

Ví dụ:

• Mg [Z=12]: 1s2^222s2^222p6^663s2^22, electron hóa trị là 2e trên lớp ngoài cùng 3s2^22.

• Sc [Z=34]: [Ar]3d10^{10}103s2^224p4^44, electron hóa trị là 6e lớp ngoài cùng 4s2^224p4^44.

• Fe [Z=26]: [Ar]3d6^{6}64s2^22, electron hóa trị là 2e trên lớp ngoài cùng 4s2^22 và 6e và trên phân lớp 3d6^66. Tổng là 8e hóa trị.

III. Độ dài liên kết

Độ dài liên kết là khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai nguyên tử liên kết.

IV. Góc hóa trị [góc liên kết]

Góc hóa trị là góc tạo bởi 2 đoạn thẳng nối nguyên tử trung tâm và 2 nguyên tử liên kết.

Phân tử có 3 nguyên tử trở lên mới có góc hóa trị.

V. Bậc liên kết

Bậc liên kết là số liên kết tạo thành giữa hai nguyên tử.

VI. Năng lượng liên kết

Năng lượng liên kết là năng lượng cần tiêu tốn để phá hủy liên kết hóa học, đơn vị thường gặp là kJ/mol.

Năng lượng liên kết càng lớn khi:

• Liên kết càng bền.

• Liên kết càng ngắn [xét cùng 2 nguyên tử tạo liên kết].

• Bậc liên kết càng lớn [xét cùng 2 nguyên tử tạo liên kết].

Ví dụ 1

Cho biết bán kính cộng hóa trị của các nguyên tố:

C [$\text{A˚}$]: 0.77 [bậc liên kết 1]; 0.67 [bậc liên kết 2]; 0.60 [bậc liên kết 3]

O [$\text{A˚}$]: 0.66 [bậc liên kết 1]; 0.55 [bậc liên kết 2]

H [$\text{A˚}$]: 0.30

Độ dài liên kết của các nhóm: C$=$O, C$-$O, C$-$H, C$-$C trong phân tử CH3_33​COOH có giá trị lần lượt là:

Lời giải.

Độ dài liên kết C$=$O: bậc liên kết 2 nên độ dài liên kết bằng tổng bán kính cộng hóa trị của C ứng với bậc liên kết 2 và bán kính cộng hóa trị của O ứng với bậc liên kết 2. $⟶$ C$=$O: $0.67+0.55=1.22$

Tương tự đối với các liên kết còn lại.

C$-$O: $0.77+0.66=1.43$

C$-$H: $0.77+0.3=1.07$

C$-$C: $0.77+0.77=1.54$

Chọn đáp án A.

Ví dụ 2

So sánh độ dài liên kết các chất sau: ICl [1], ClF [2], ClBr [3], FBr[4].

Lời giải.

Để so sánh độ dài liên kết ta so sánh tổng bán kính nguyên tử của hai nguyên tố tạo thành liên kết.

ICl, ClF, ClBr đều có nguyên tử Cl, ta sẽ đi so sánh nguyên tử còn lại: RI_\text{I}I​ > RBr_\text{Br}Br​ > RF_\text{F}F​ $⟶$ [2] < [3] < [1].

ClF và FBr đều có nguyên tử F, RCl_\text{Cl}Cl​ < RBr_\text{Br}Br​ $⟶$ [2] < [4].

ClBr và FBr đều có nguyên tử Br, RF_\text{F}F​ < RCl_\text{Cl}Cl​ $⟶$ [4] < [3].

Chọn đáp án C.

Phần 2. CÁC LOẠI LIÊN KẾT HÓA HỌC

Dựa vào năng lượng liên kết, người ta chia các loại liên kết thành các loại:

• Liên kết mạnh: liên kết cộng hóa trị, liên kết ion, liên kết kim loại.

• Liên kết yếu: liên kết Van der Waals, liên kết hydro.

Sau đây, hãy cùng chúng mình tìm hiểu mỗi loại liên kết hóa học nha.

I. Liên kết cộng hóa trị

Để giải thích cho liên kết cộng hóa trị, người ta quan tâm đến hai thuyết "siêu to khổng lồ" mà chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sau đây: Thuyết VB [Valence Bond - liên kết hóa trị] và thuyết MO [Molecular Orbital - orbital phân tử - sẽ tiếp tục ở phần 2].

1. Thuyết VB

a. Luận điểm cơ bản của thuyết VB

Để tạo liên kết cộng hóa trị thì 2 electron hóa trị có spin trái dấu và có sự che phủ giữa hai AO hóa trị của các nguyên tử tạo liên kết.

Liên kết cộng hóa trị càng bền khi mật độ che phủ các AO càng lớn.

Điều kiện để tạo liên kết hóa trị bền: Các AO hóa trị có:

• Năng lượng gần bằng nhau.

• Mật độ e đủ lớn

• Cùng tính định hướng.

b. Cơ chế tạo thành liên kết cộng hóa trị:

Cơ chế ghép đôi: sự xen phủ của 2 orbital hóa trị chứa electron độc thân của 2 nguyên tố.

Số electron độc thân tăng lên khi nguyên tử ở trạng thái kích thích.

Ví dụ:

Cơ chế cho nhận: sự xen phủ giữa 1 orbital hóa trị chứa 2e và 1 orbital hóa trị trống.

Số AO trống có thể tăng lên nhờ kích thích.

Ví dụ:

c. Tính chất của liên kết cộng hóa trị

Tính định hướng: để tạo được liên kết bền vững thì các AO phải định hướng sao cho mức độ che phủ giữa các AO cực đại.

Tính bão hòa: số liên kết cộng hóa trị tối đa một nguyên tố tạo được = số orbital hóa trị của nó.

• Chu kỳ 1: 1 AO hóa trị [1s] $\to$ tối đa 1 liên kết cộng hóa trị.

• Chu kỳ 2: 4 AO hóa trị [1 orbital 2s, 3 orbital 2p] $\to$ tối đa 4 liên kết cộng hóa trị.

• Chu kỳ 3: 9 AO hóa trị [1 orbital 3s, 3 orbital 3p, 5 orbital 3d] $\to$ tối đa 9 liên kết cộng hóa trị.

Tính phân cực:

• Liên kết giữa hai nguyên tử giống nhau: liên kết không phân cực.

• Liên kết giữa hai nguyên tử khác nhau: liên kết phân cực, nguyên tử nào có độ âm điện lớn hơn là cực âm, nguyên tử có độ âm điện nhỏ hơn là cực dương.

• Điều kiện để phân tử phân cực:

  • Có liên kết cộng hóa trị phân cực.

  • Cấu tạo phân tử không đối xứng cao.

• Cần phân biệt giữa liên kết cộng hóa trị phân cực và phân tử phân cực.

Ví dụ 3

Xét các phân tử sau: SF6_66​, BrF7_77​, IF7_77​, ClF3_33​, OF6_66​, I7_77​F. Có bao nhiêu phân tử không tồn tại?

Lời giải.

Để xem xét phân tử có tồn tại hay không, cần lưu ý đến tính bão hòa của liên kết cộng hóa trị.

SF6_66​: S thuộc chu kì 3, có 9 AO hóa trị, tạo được tối đa 9 liên kết cộng hóa trị nên liên kết được với 6 nguyên tử F $\to$ tồn tại.

BrF7_77​: Br thuộc chu kì 4, có 16 AO hóa trị, tạo được tối đa 16 liên kết cộng hóa trị nên liên kết được với 7 nguyên tử F $\to$ tồn tại.

Tương tự với phân tử IF7_77​, ClF3_33​.

OF6_66​: O thuộc chu kì 2, có 4 AO hóa trị, tạo được tối đa 4 liên kết cộng hóa trị nên không thể liên kết được với 6 nguyên tử F $\to$ không tồn tại.

I7_77​F: F thuộc chu kì 2, có 4 AO hóa trị, tạo được tối đa 4 liên kết cộng hóa trị nên không thể liên kết được với 7 nguyên tử I $\to$ không tồn tại.

Chọn đáp án B.

Ví dụ 4

Trong các liên kết sau, liên kết nào phân cực nhất: C$-$H, C$-$O, C$-$N, C$-$F.

Lời giải.

Liên kết cộng hóa trị càng phân cực khi hiệu độ âm điện hai nguyên tử càng lớn. Hiệu độ âm điện: C$-$H < C$-$N < C$-$O < C$-$F $\Rightarrow$ liên kết C$-$F phân cực nhất.

Chọn đáp án A.

d. Các loại liên kết cộng hóa trị

Liên kết sigma [$\sigma$]:

• Hai AO che phủ dọc theo trục liên kết.

• Nhận trục liên kết làm trục đối xứng.

• Liên kết $\sigma$ không làm cản trở sự quay tự do của các nguyên tử quanh trục liên kết.

• Gồm 3 loại: ns$-$ns, ns$-$np, np$-$np.

• Độ bền: $>\left[2\text{e tự do}\leftrightarrow 2\text{e lieˆn keˆˊt}\right]>\left[2\text{e lieˆn keˆˊt}\leftrightarrow 2\text{e lieˆn keˆˊt}\right]>\left[1\text{e tự do}\leftrightarrow 2\text{e lieˆn keˆˊt}\right]$ $\Rightarrow$ dựa vào đây có thể dự đoán hình học phân tử và so sánh góc liên kết của các chất cộng hóa trị tương đồng.

$\text{So saˊnh goˊc lieˆn keˆˊt caˊc phaˆn tử cộng hoˊa trị}$

• Xét các phân tử khác trạng thái lai hóa: góc liên kết sp > sp2^22 > sp3^33.

• Xét các phân tử cùng trạng thái lai hóa:

  • Xét 2 phân tử AXn_nn​ và AYn_nn​ [cùng nguyên tử trung tâm A, n bằng nhau]: góc liên kết XAX^>YAY^\widehat{\text{XAX}} > \widehat{\text{YAY}}XAX>YAY nếu độ âm điện: X < Y.

  • Xét 2 phân tử AXn_nn​ và BXn_nn​ [cùng phối tử X, n bằng nhau]: góc liên kết XAX^>XBX^\widehat{\text{XAX}} > \widehat{\text{XBX}}XAX>XBX nếu độ âm điện: A > B.

  • Xét các phân tử AXn_nn​ [A thay đổi cùng chu kì, n thay đổi theo A]: đi từ trái sang phải của chu kì, số cặp e tự do tăng, góc liên kết giảm.

$\text{Caˊc dạng hıˋnh học phaˆn tử}$

Trạng thaˊi lai hoˊa của ALoại phaˆn tửSoˆˊ cặp e treˆn lieˆn keˆˊt σSoˆˊ cặp e tự doDạng hıˋnh họcVıˊ dụspAB220Đường thẳngCO2,BeH2sp2AB330Tam giaˊc phẳngBF3,SO3,CO32−sp2AB221GoˊcNO2,SO2,O3,NO2−sp3AB440Tứ diệnCH4,SO2Cl2,SO42−,NH4+sp3AB331Thaˊp tam giaˊcNH3,SO32−sp3AB222GoˊcH2O,OF2,Cl2O\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Trạng thái lai hóa của A} & \text{Loại phân tử} & \text{Số cặp e trên liên kết} \text{ }\sigma & \text{Số cặp e tự do} & \text{Dạng hình học} & \text{Ví dụ} \\ \hline \text{sp} & \text{AB}_2 & 2 &0 & \text{Đường thẳng} & \text{CO}_2, \text{BeH}_2\\ \hline \text{sp}^2 & \text{AB}_3 & 3 & 0 & \text{Tam giác phẳng} & \text{BF}_3, \text{SO}_3, \text{CO}_3^{2-} \\ \hline \text{sp}^2 & \text{AB}_2 & 2 & 1 & \text{Góc} & \text{NO}_2, \text{SO}_2, \text{O}_3, \text{NO}_2^- \\ \hline \text{sp}^3 & \text{AB}_4 & 4 & 0 & \text{Tứ diện} & \text{CH}_4, \text{SO}_2\text{Cl}_2, \text{SO}_4^{2-}, \text{NH}_4^+ \\ \hline \text{sp}^3& \text{AB}_3 & 3 & 1 & \text{Tháp tam giác} & \text{NH}_3, \text{SO}_3^{2-} \\ \hline \text{sp}^3 & \text{AB}_2 & 2 & 2 & \text{Góc} & \text{H}_2\text{O}, \text{OF}_2, \text{Cl}_2\text{O} \\ \hline \end{array}Trạng thaˊi lai hoˊa của Aspsp2sp2sp3sp3sp3​Loại phaˆn tửAB2​AB3​AB2​AB4​AB3​AB2​​Soˆˊ cặp e treˆn lieˆn keˆˊt σ232432​Soˆˊ cặp e tự do001012​Dạng hıˋnh họcĐường thẳngTam giaˊc phẳngGoˊcTứ diệnThaˊp tam giaˊcGoˊc​Vıˊ dụCO2​,BeH2​BF3​,SO3​,CO32−​NO2​,SO2​,O3​,NO2−​CH4​,SO2​Cl2​,SO42−​,NH4+​NH3​,SO32−​H2​O,OF2​,Cl2​O​​

Ví dụ 12

Cấu hình không gian và góc liên kết của anion methyl CH3−_3^-3−​ là:

Lời giải.

Dễ dàng tính được số orbital lai hóa của C = 4, lai hóa sp3^33, ion thuộc dạng AB3_33​ $\Rightarrow$ dạng hình học tháp tam giác $\Rightarrow$ góc liên kết nhỏ hơn góc tứ diện [ClPCl^>FPF^\widehat{\text{BrPBr}} > \widehat{\text{ClPCl}} > \widehat{\text{FPF}}BrPBr>ClPCl>FPF.

Chọn đáp án A.

Ví dụ 14

Chọn các phát biểu đúng. Trong phân tử axit formic HCOOH:

[1] Nguyên tử C lai hóa sp3^33.

[2] Nguyên tử O liên kết với H lai hóa sp2^22.

[3] Góc COH^ 120^\circHCO>120∘.

Lời giải.

[1] sai, C lai hóa sp2^22. [2] sai, O liên kết H lai hóa sp3^33. Chọn đáp án D.

i. Một số ví dụ giải thích hình thành phân tử theo thuyết VB

Ví dụ 1. CH4_44​

• Đầu tiên, C bị kích thích, chuyển thành cấu hình e là 2s1^{1}12p3^33.

• Sau đó, 1 AOs và 3 AOp lai hóa, tạo thành 4 AO lai hóa sp3^33, mỗi AO chứa 1 e tự do.

• Cuối cùng, 4 AO lai hóa sp3^33 tạo liên kết $\sigma$ với 4 AOs của 4 nguyên tử H theo cơ chế ghép đôi.

Ví dụ 2. NH3_33​

• Cấu hình e của N là 2s2^{2}22p3^33.

• 1 AOs và 3 AOp lai hóa, tạo thành 4 AO lai hóa sp3^33, trong đó 3 AO chứa 1 e tự do, 1 AO chứa cặp e tự do.

• Cuối cùng, 3 AO lai hóa sp3^33 chứa 1 e tự do tạo liên kết $\sigma$ với 3 AOs của 3 nguyên tử H theo cơ chế ghép đôi.

Ví dụ 3. NH4+_4^+4+​

Hoàn toàn tương tự NH3_33​, ngoài ra còn có: 1 AO lai hóa sp3^33 chứa cặp e tự do tạo liên kết $\sigma$ với 1 AOs trống của một ion H+^++ theo cơ chế cho nhận.

Ví dụ 15

Chọn phương án đúng và đầy đủ nhất. Theo thuyết VB, những phân tử/ion nào sau đây có liên kết cộng hóa trị hình thành theo cơ chế cho nhận?

[1] H3O+[2] NH4+[3] BF4−[4] BF3[5] BeF42−[6] Al[H2O]63+[7] H3NBF3\begin{array}{l l l l} [1]\text{ } \text{H}_3\text{O}^+ & [2] \text{ }\text{NH}_4^+ & [3]\text{ }\text{BF}_4^- & [4] \text{ }\text{BF}_3 \\ [5] \text{ }\text{BeF}_4^{2-} & [6]\text{ } \text{Al}[\text{H}_2\text{O}]_6^{3+} & [7] \text{ }\text{H}_3\text{NBF}_3 \\ \end{array}[1] H3​O+[5] BeF42−​​[2] NH4+​[6] Al[H2​O]63+​​[3] BF4−​[7] H3​NBF3​​[4] BF3​

Lời giải.

[1] O trong H2_22​O cho một cặp e tự do vào AO trống của H+^++.

[2] N trong NH3_33​ cho một cặp e tự do vào AO trống của H+^++.

[3] F−^-− cho một cặp e tự do vào AO trống của B trong BF3_33​.

[5] 2 F−^-− cho 2 cặp e tự do vào 2 AO trống của Be trong BeF2_22​.

[6] 6 O trong 6 phân tử H2_22​O cho 6 cặp e tự do vào 6 AO trống của Al3+^{3+}3+. [ý này phức tạp, không cần quan tâm]

[7] N trong NH3_33​ cho một cặp e tự do vào AO trống của B trong BF3_33​.

Chọn đáp án D.

Ví dụ 16

Phân tử nào sau đây có khả năng nhị hợp?

Lời giải.

Phân tử có khả năng nhị hợp khi nó còn một e độc thân tự do.

Một số phân tử có khả năng nhị hợp thường gặp: NO2_22​, ClO3_33​, ...

Chọn đáp án B.

j. Tính chất của phân tử cộng hóa trị

$\text{Moment lưỡng cực - Tıˊnh phaˆn cực}$

• Moment lưỡng cực phân tử là đại lượng đặc trưng cho tính phân cực của phân tử, bằng tổng vector moment lưỡng cực các liên kết và các cặp e hóa trị tự do trong các AO lai hóa của phân tử.

• Moment lưỡng cực xác định bởi:

μ→=δ×l→\overrightarrow{\mu} = \delta \times \overrightarrow{l}μ​=δ×l

Trong đó:

$\delta$ là độ lớn điện tích.

l→\overrightarrow{l}l là vector khoảng cách giữa 2 điện tích trái dấu, có chiều từ thường chọn từ dương sang âm.

$\Rightarrow$ moment lưỡng cực phân tử là một vector hướng từ dương sang âm.

• Moment lưỡng cực bằng 0: phân tử cộng hóa trị không cực.

• Moment lưỡng cực khác 0: phân tử cộng hóa trị có cực [phân cực].

Lưu ý: Cần phân biệt phân tử phân cực và liên kết phân cực.

$\text{Tıˊnh thuận từ, nghịch từ}$

• Phân tử có e độc thân: thuận từ.

• Phân tử không có e độc thân: nghịch từ.

Thuyết VB chưa giải thích được tính thuận từ, nghịch từ của nhiều phân tử. Chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu tính chất này thông qua thuyết MO trong phần 2 của chương này nha.

Ví dụ 18

Phân tử nào có moment lưỡng cực lớn nhất

Lời giải.

Mẹo phân biệt phân tử có cực hay không cực: Các phân tử không phân cực là các phân tử:

• Có tính đối xứng cao trong không gian [tứ diện đều, tam giác đều, đường thẳng] và các nguyên tử xung quanh nguyên tử trung tâm giống nhau.

• Phân tử $2$ nguyên tử giống nhau: N2_22​, O2_22​,...

Như vậy, trong ví dụ trên, các phân tử không cực là: CS2_22​ [đường thẳng], CBr4_44​ [tứ diện đều], AlCl3_33​ [tam giác đều], C2_22​H2_22​ [phân tử đối xứng cao].

Các phân tử còn lại có cực.

Chọn đáp án A.

Ví dụ 19

Chọn các phát biểu đúng. Trong phân tử SO2_22​Cl2_22​:

[1] Nguyên tử trung tâm S lai hóa sp3^33.

[2] Các orbital lai hóa của S có năng lượng khác nhau do các AO 3s và 3p chênh lệch năng lượng với nhau.

[3] Phân tử SO2_22​Cl2_22​ có dạng tứ diện không đều.

[4] Phân tử SO2_22​Cl2_22​ có moment lưỡng cực bằng 0.

[5] Góc liên kết tăng dần theo trật tự: OSO^