A. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ
4. Một số vấn đề của thuyết obitan phân tử (MO)
4.4. Thành công và hạn chế của thuyết MO
* Thành công: Với mô hình liên kết giải tỏa (về sau bổ sung thêm mô hình liên kết định cư). Thuyết MO giải thích được các kết quả thực nghiệm mà các thuyết trước đó chưa giải thích được như sự tồn tại ion phân tử H 2+, tính thuận từ của phân tử O2, B2H6 là mô hình liên kết thiếu electron. Với phương diện làm toán, cùng với sự trợ giúp của máy tính, thuyết MO cho phép tính được những kết quả về tính chất hóa học lượng tử như: năng lượng, mật độ e, hình học phân tử... các kết quả đó một mặt giải thích kết quả thực nghiệm, mặt khác tiên đoán được chiều hướng của thực nghiệm.
* Hạn chế: Khá trìu tượng và khó về thuật toán nên không thuận lợi cho người học.
C. HỆ THỐNG BÀI TẬP
I. Bài tập tự luận (có lời giải và không có lời giải) I.1. Bài tập có lời giải
Bài 1. Hãy biểu diễn liên kết cộng hóa trị của các phân tử H2S, BeCl2 , N2
theo sơ đồ lewis. Cho: 1H, 4Be, 7N, 17Cl Lời giải
Muốn biểu diễn liên kết cộng hóa trị của phân tử, trước tiên phải viết cấu hình electron của nguyên tử của các nguyên tố tham gia tạo liên kết.
H: 1s1→ H⋅
Be: 1s2 2s2 ở trạng thái kích thích B*: 1s2 2s12p1→ Be* có 2 e độc thân:
⋅Be ⋅
C: 1s2 2s22p2 ở trạng thái kích thích C*: 1s2 2s12p3 → C* có 4 e độc thân.
⋅C ⋅
N: 1s2 2s22p3 → N có 1 cặp e ghép đôi, 3 e độc thân.
:N ⋅ hay N
O: 1s2 2s42p4 → O có 2 cặp e ghép đôi, 2 e độ c thân.
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅ ⋅
⋅
:O: hay O
S: 1s2 2s22p6 3s2 3p4 → S có 2 cặp e ghép đôi, 2 e độc thân.
:S: hay S
Cl: 1s2 2s22p6 3s23p5 → Cl có 3 cặp e ghép đôi, 1 e độc thân
:Cl⋅ hay Cl⋅
Từ cấu hình electron ở trên ta sẽ xây được được sơ đồ liên kết của các phân tử theo lewis:
H2S: H:S:H hay H − S − H BeCl2: Cl: Be :Cl hay Cl − Be − H N2: N ::: N hay N ≡ N
Bài 2. Với phân tử CO có điện tích dư trên C và O. Hãy biểu diễn sơ đồ cấu tạo lewis và chỉ hướng của momen lưỡng cực. Cho: 6C, 8O
Lời giải
Từ cấu hình electron của C, O ở bài 1, ta có:
C :: O hay C = O
Với cách biểu diễn này, C không thỏa mãn quy tắc bát tử. Vì vậy ở C sẽ xuất hiện điện tích dư: − và +
C- ≡ O+ hay C = O C O
Bài 3. Biết phân tử O3 là phân tử có góc, không đóng vòng, cho biết sơ đồ lewis của phân tử này.
Lời giải
Đối với O3 giả thiết phân tử đóng vòng
Song thực nghiệm cho biết O3 không đóng vòng, Vậy sơ đồ cấu tạo của O3 là:
Bài 4. Hai phân tử NH3 và NF3 đều có cấu trúc hình tháp tam giác.
a) Hãy cho biết trạng thái lai hóa của N trong cả 2 trường hợp và biểu diễn chúng bằng sơ đồ.
⋅
⋅ ⋅
⋅
⋅⋅ ⋅⋅
μr
O
O O
O O
O O
O
O +
− +
− Các dạng hỗ biến (mesome)
b) Giải thích tại sao momen lưỡng cực của NH3 (1,46D) lớn hơn nhiều so với NF3 (0,2D). Cho: ZH = 1 ; ZN = 7; ZF = 9; và góc liên kết đo bằng thực nghiệm HNH = 1070 ; FNF = 1020 ; χF >χN >χH
Lời giải
a) H: 1s1 biểu diễn ở dạng ô lượng tử N: 1s2 2s22p3 hay
F: 1s2 2s22p5 hay
Khi hình thành liên kết, N trong cả 2 phân tử đều ở trạng thái lai hóa sp3, vì góc liên kết của 2 phân tử gần với góc 109028′.
Ba AO lai hóa sp3 của N xen phủ với 3 AO - 1s của H đôi một tạo ra 3 liên kết σ trong phân tử NH3.
Ba AO lai hóa sp3 của N xen phủ với 3 AO - 2p của F đôi một tạo ra 3 liên kết σ trong phân tử NF3.
Cả 2 trường hợp này, N vẫn còng đôi e không liên kết nằm trên 1 AO - sp3. 2 phân tử này được biểu diễn bằng sơ đồ.
b) Nhìn từ hình vẽ ta nhận thấy hướng của véc tơ momen lưỡng cực của các liên kết N − H và của cặp electron không phân chia cùng chiều với nhau.
Trong khi đó hướng của véc tơ momen lưỡng cực của các liên kết N − F và của cặp electron không phân chia ngược chiều với nhau, do χF >χN >χH. Khi tổng hợp các véc tơ thì thu được momen lưỡng cực của phân tử NH3 lớn hơn của NF3.
Bài 5. Dùng thuyết lai hóa mô tả dạng hình học của phân tử NO2 tồn tại ở 2 dạng, cho ZN = 7 ; ZO = 8 và góc thực nghiệm đo được NON = 1190. Biết phân tử có một liên kết π.
↑
↑↓ ↑ ↑ ↑
↑
↑↓ ↑↓
↑↓
E
4AO lai hóa sp3 2p
2s
N H
H
N F F
N
F
⋅⋅ ⋅⋅
Lời giải
Cấu hình electron của N và O
N: 1s2 2s22p3 biểu diễn bằng ô lượng tử
O: 1s2 2s22p4 biểu diễn bằng ô lượng tử
Biểu diễn phân tử NO2 bằng ô lượng tử. Để có một liên kết π thì N và một nguyên tử oxi phải ở trạng thái lai hóa sp2.
Sơ đồ chung mô tả sự hình thành liên kết trong phân tử NO2
(Mũi tên 1 chiều để chỉ liên kết cộng hóa trị cho nhận, 2 chiều chỉ liên kết cộng hóa trị thuần túy).
Từ mô hình phân tử NO2, nhận thấy NO2 có 1 liên kết cộng hóa trị σN-O
thuần túy, 1 liên kết cộng hóa trị σN→O cho nhận, 1 liên kết πN-O. Ở nguyên tử N còn 1 e độc thân chiếm AO -sp2, Vậy phân tử NO2 thuận từ.
↓↑
↑↓
↑↓ ↑ ↑
↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑
↑↓
↑ ↑
↑ ↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
3AO lai hóa sp2
p Lai hóa sp2
N
↑↓
↑↓ ↑ ↑ ↑
3AO lai hóa sp2 Lai hóa sp2
↑↓ ↑↓ ↑
p Lai hóa sp2
O
O
↑↓
↓↑ ↑↓ Lai hóa sp3 ↑↓ ↑↓ ↑↓
4AO lai hóa sp3
O (sp3) O (sp2)
N (sp2)
↑↓ ↓↑
↑↓
↑
↑
p
↓ ↓
↑↓
↓
↑↓
↑↓
p π
σ
σ NO2
Do đó, biểu diễn công thức cấu tạo của NO2 bằng 2 dạng hỗ biến sau (vì không phân biệt được nguyên tử O nào mang liên kết π).
Cũng có thể biểu diễn bằng cách sau:
Từ 2 dạng hỗ biến này, có thể thay bằng 1 công thức sau:
(Gạch --- biểu diễn liên kết π không định chỗ) Bài 6. Từ công thức cấu tạo của NO2 hãy:
a) suy ra công thức cấu tạo của SO2.
b) Giải thích tại sao phân tử NO2 lại đi me hóa cho N2O4, trong khi đó SO2 lại không có được điều này?
c) Suy ra công thức cấu tạo của N2O5, HNO3.
Bài 7. Cho các hợp chất: OF2, NF3, BF3 biết góc thực nghiệm đo được FOF = 103015’ ; FNF = 109028’ ; FBF = 1200. Hãy cho biết:
Số cặp electron liên kết và không liên kết.
Kiểu lai hoá.
Dạng tổng quát AXnEm
Cấu trúc không gian.
Giải thích tại sao góc hoá trị tăng dần từ OF2 đến BF3.
Bài 8. Biểu diễn liên kết cộng hoá trị bằng sơ đồ lewis của : SO2, SF4, Al2(CO3)2, NO2, AlCl4 .
Bài 9. Dựa vào quan điểm lai hoá trong thuyết VB cho biết trạng thái lai hoá của Be trong BeH2, của B trong BF3, của C trong CH4.
N
O O
N
O O
⋅ ⋅
N
O O
N
O O
⋅ ⋅
N
O O
⋅
Bài 10. Viết công thức cấu tạo lewis, tính điện tích hình thức ở mỗi nguyên tử và cả hệ; tính bậc liên kết cho mỗi liên kết của hệ (phân tử hay ion) sau đây:
a. C2H4 ; C4H6 ; C6H6
b. CH3OH ; CH3CHO ; CH3COOH c. NH4+ ; SO32- ; CO32-.
Bài 11. Hãy viết công thức cấu tạo lewis cho mỗi hệ sau, sự cộng hưởng cấu tạo thể hiện ở đây như thế nào ? phân tích cụ thể: NO3− , CO.
Phần bài tập của Tâm Đan
Bài 12. Căn cứ vào quan niệm hiện đại về sự tạo thành liên kết hóa học hãy cho biết ý nghĩa của dấu và độ lớn của sự xen phủ các obitan nguyên tử (AO) trong quá trình khảo sát sự hình thành liên kết hóa học giữa các nguyên tử.
Thế nào là sự xen phủ dương, sự xen phủ âm, sự xen phủ bằng không? Cho hai thí dụ minh họa về mỗi loại đó.
Bài 13. Dựa vào thuyết liên kết hóa trị (thuyết VB) họa mô tả sự hình thành liên kết trong các phân tử PH3, AsH3. Biết góc liên kết của PH3 là 930, của AsH3
là 920.
Bài 14. Dựa vào thuyết liên kết hoá trị hãy mô tả sự hình thành liên kết trong các phân tử H2S, H2Se, H2Te. So sánh độ dài liên kết và góc liên kết của chúng.
Bài 15. Căn cứ vào thuyết liên kết hoá trị và vào cấu tạo nguyên tử của các nguyên tố họ p, hãy cho biết:
1) Vì sao các electron ở các lớp thứ hai, thứ ba kể từ bên ngoài không thể than gia vào việc hình thành liên kết hóa học.
2) Vì sao đa số các nguyên tố họ p có nhiều hóa trị và các giá trị của chúng chênh lệch nhau 2 đơn vị
3) Không thể khẳng định được rằng: các nguyên tử có cấu trúc vỏ electron ngoài cùng như nhau sẽ có cùng hóa trị.
4) Khuynh hướng biểu hiện hóa trị cực đại, số oxi hóa cực đại của các nguyên tố này thay đổi như thế nào trong phạm vi một phân nhóm.
Bài 16. Dựa vào thuyết spin về hóa trị hãy:
1) Trình bày các hóa trị có thể có của các nguyên tố thuộc chu kỳ 2 của bảng hệ thống tuần hoàn.
2) Giải thích vì sao các nguyên tố Cl, S, P và nói chung các nguyên tố đứng dươí chúng trong cùng một phân nhóm có thể có hoá trị cực đại bằng số thứ tự nhóm, trong khi đó các nguyên tố đầu nhóm (F, N, O) không có khả năng đó.
Bài 17. Dùng ô lượng tử hãy biểu diễn quá trình hình thành liên kết hóa học trong các phân tử FO, F2O2, HOF, HFO2, H3N.BF3, (từ NH3 và BF3). Từ đó viết công thức electron của các phân tử và cho biết phân tử nào có khả năng phản ứng mạnh nhất? phân tử nào có khuynh hướng đime hoá.
Bài 18. Trong trường hợp tổng quát hóa trị của một nguyên tố được xác định bằng số các obitan được dùng để tạo ra liên kết hóa học. Theo quan điểm đó hãy:
1) Xác định hóa trị của các nguyên tố trong các trường hợp đã đưa ra ở bài 17.
2) Cho biết cộng hóa trị cực đại của các nguyên tố ở chu kỳ 2 có thể bằng bao nhiêu? Không kể khí hiếm, những nguyên tố nào của chu kỳ thực tế không có được giá trị này? vì sao?
Bài 18. 1) Dựa vào thuyết liên kết hóa trị mô tả sự hình thành liên kết trong các trường hợp sau:
a, CF4, CCl4, CBr4.
b, Si(CH3)4, Sn(CH3)4, Pb(CH3)4.
2) So sánh độ dài và năng lượng liên kết của các liên kết trong mỗi dãy.
Bài 19. Khảo sát phân tử CO2 theo thuyết liên kết hóa trị. Từ kết quả khảo sát hãy dự đoán nhiệt độ hóa lỏng và hóa rắn của khí cacbonic.
Bài 20. Khảo sát phân tử SO2 theo thuyết liên kết hóa trị. Từ đó kết hợp với bài 19 hãy so sánh nhiệt độ hóa lỏng và hóa rắn của SO2 và CO2.
Bài 21. 1) Hãy mô tả sự hình thành liên kết trong phân tử BF3 và cấu tạo của phân tử theo thuyết liên kết hoá trị.
2) Với cách mô tả hãy đưa ra ở phần (1) có giải thích thỏa đáng sự rút ngắn rất nhiều khoảng cách giữa các nguyên tử B, F liên kết hay không? Cho
,29 0
1 A
d B −F = , rB =0 ,759 A0, rF =0 ,709 A0 .
Bài 22. 1) Hãy mô tả sự hình thành liên kết ở các phân tử BCl3, BBr3.
2) So sánh độ rút ngắn của các liên kết B − X khi X thay đổi từ F đến I.
Bài 23. 1) Có thể xếp H vào cùng một phân nhóm với các nguyên tố halogen được không? Hãy giải thích.
a, Tại sao có các phân tử BF3, BCl3, BBr3 nhưng lại không có phân tử BH3?
b, Tại sao lại tồn tại được phân tử B2H6.
2) B, Al là 2 nguyên tố nằm liền kề nhau ở phân nhóm chính nhóm III. Giải thích tại sao có phân tử Al2Cl6 nhưng lại không có phân tử B2Cl6.
CHƯƠNG 4
CÁC TRẠNG THÁI TẬP HỢP CỦA VẬT CHẤT A. MỤC TIÊU, NHIỆM VỤ
1. MỤC TIÊU
Học xong chương 4 sinh viên phải trả lời được các câu hỏi:
- Lực tương tác giữa các phân tử là gì? Lực Van đe Van là gì? Nguồn gốc củ lực Van đe Van?
- Liên kết hiđro là gì?
- Vật chất tồn tại ở các trạng thái nào?
Sinh viên phải nắm vững các kiến thức sau:
- Lực tương tác giữa các phân tử, lực Van đe Van, Liên kết hiđro, các trạng thái tập hợp của vật chất.
- Các kiểu liên kết hiđro: Liên kết hiđro đơn phân tử và liên kết hiđro nội phân tử.
2. NHIỆM VỤ
Học xong chương này người học phải giải thích được:
- Sự khác nhau về trạng thái tập hợp của các chất?
- Sự khác nhau về nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi.
- Các hiện tượng như hiện tượng đa hình, hiện tượng đồng hình, sự chậm sôi, sự chậm hóa rắn,...
3. PHƯƠNG PHÁP
Nắm vững các kiến thức cơ bản từ đó có khả năng vận dụng các kiến thức được học vào thực tiễn.
B.NỘI DUNG
Mở đầu: Một trong những vấn đề của hoá học cần trả lời là các phân tử tương tác với nhau như thế nào, cũng như ảnh hưởng của tương tác giữa các phân tử đến trạng thái tập hợp của vật chất?
Chương này cung cấp cho người học một số vấn đề sau: