Bài giảng Hóa đại cương - Chương 4: Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử: Phương pháp orbital phân tử

Nội dung text: Bài giảng Hóa đại cương - Chương 4: Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử: Phương pháp orbital phân tử

1. Chương 4: LIÊN KẾT HÓA HỌC VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ PHƯƠNG PHÁP ORBITAL PHÂN TỬ
2. PHƯƠNG PHÁP ORBITAL PHÂN TỬ (MO) Phöông phaùp naøy do hai nhaø baùc hoïc Friedrich Hund vaø Robert S. Mulliken ñöa ra (1927-1928). + Khôûi ñieåm khaûo saùt vôùi tröôøng hôïp ion H2 thay vì H2 phaân töû . Trong tröôøng hôïp naøy haøm soá soùng ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: + [H2 ]= C1a+ C2b Giaûi phöông trình soùng Schrodinger treân cuõng cho hai lôøi giaûi: C1=C2 vaø C1=-C2
3. PHƯƠNG PHÁP ORBITAL PHÂN TỬ (MO) Töùc laø ta coù: S = CS(a+ b), laø haøm soùng bieåu dieãn caùc OP lieân keát. A = CA(a - b), laø haøm soùng bieåu dieãn caùc OP phaûn lieân keát. OP lieân keát coù naêng löôïng thaáp hôn OP phaûn lieân keát.
4. Các luận điểm cơ sở của phương pháp MO • Phân tử là tổ hợp bao gồm các hạt nhân ng tử và electron của các ng tử, trong đó electron chuyển động trong trường hạt nhân và electron còn lại. Các hạt nhân và electron là của chung phân tử. • Trong phân tử, các electron phân bố theo quy luật giống như AO. • MO tạo thành do sự tổ hợp tuyến tính của các AO. Số MO tạo thành bằng số AO.
5. Các luận điểm cơ sở của phương pháp MO • Sự tổ hợp tuyến tính + các ON → tạo thành MO liên kết có năng lượng thấp hơn ON ban đầu. • Sự tổ hợp tuyến tính - các ON → tạo thành MO phản liên kết có năng lượng cao hơn ON ban đầu EOP lieân keát EAO 0 0 o AO → MO không liên kết ( , ), EMO = EAO
6. SỰ TẠO THÀNH MO
7. Các luận điểm cơ sở của phương pháp MO Lieân keát trong phaân töû ñöôïc xaùc ñònh baèng soá e lieân keát khoâng bò trieät tieâu bôûi e phaûn lieân keát (moät e phaûn lieân keát trieät tieâu moät e lieân keát). Baäc lieân keát = [elk - eplk]/2 Lieân keát coù teân goïi cuûa OP chöùa elk khoâng bò trieät tieâu.
8. ĐIỀU KIỆN TẠO THÀNH MO • Các MO phải gần nhau về năng lượng. • Các MO phải che phủ nhau đáng kể. • Các MO phải đối xứng nhau đối với đường liên kết trong phân tử. • Mỗi MO chỉ chứa tối đa 2 e có spin đối nhau.
9. CÁC ĐẶC TRƯNG LIÊN KẾT MO ➢ Lk được quyết định bởi các e lk mà không bị triệt tiêu. ➢ Một bậc lk ứng với một cặp e lk không bị triệt tiêu ➢ Cho lk 2 tâm: Bậc lk ➢ Tên của lk được gọi bằng tên của cặp e lk không bị triệt tiêu ➢ Bậc lk tăng thì năng lượng lk tăng còn độ dài lk giảm
10. MÔ TẢ CẤU TẠO PHÂN TỬ THEO PHƯƠNG PHÁP MO • Xác định các MO. • Sắp xếp theo mức năng lượng tăng dần. • Sắp xếp electron vào các MO • Xét các đặc trưng liên kết
11. SỰ TẠO THÀNH MO • Các phân tử hai nguyên tử cùng loại của các ng tố chu kỳ I. • Các phân tử hai nguyên tử cùng loại của các ng tố chu kỳ II. • Các phân tử hai nguyên tử khác loại của các ng tố chu kỳ II. • Các phân tử nhiều nguyên tử.
12. PHƯƠNG PHÁP ORBITAL PHÂN TỬ (MO)
13. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ I • Ví dụ:H2 Caùc OP taïo thaønh töø caùc ON 1s trong ñoù coù 1 OP 1s plk (*) coù naêng löôïng cao hôn OP 1s lk () . MO AO AO H 1s 1s H Năng lượng 2 H2 : [(σ1s) ] Bậc liên kết = 1
14. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ I • Ví dụ: He2 AO MO AO He He2 He 1s 1s Năng lượng 2 * 2 He2:[(σ1s) (σ1s ) ] Bậc liên kết = 0
15. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ I • Ví dụ: He2+ 1s 1s Năng lượng + 2 * 1 He2 :[(σ1s) (σ1s ) ] Bậc liên kết = ½
16. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ I
17. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Ngoaøi AO 1s coøn coù 4 AO 2s, 2px,2py,2pz , do ñoù beân caïnh lieân keát  coøn taïo lieân keát . Do söï sai khaùc veà naêng löôïng neân söï che phuû chæ xaûy ra giöõa caùc ON s vôùi nhau vaø p vôùi nhau. Töùc laø töø 10 ON toå hôïp tuyeán tính taïo 10 OP, ôû ñaây caùc OP 1s ñaõ ñieàn ñaày vaø ñöôïc xaùc ñònh nhö caùc nguyeân toá chu kyø 1 neân chæ xeùt töø caùc ON lôùp 2.
18. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II * 1s 1s → σ1s , σ1s Trục x là trục 2s 2s → σ , σ * 2s 2s liên nhân * 2px 2px → σ2px , σ2px * 2py 2py → 2py , 2py * 2pz 2pz → 2pz , 2pz Töø 10 ON toå hôïp tuyeán tính taïo 10 OP, caùc OP 1s ñaõ ñieàn ñaày vaø ñöôïc xaùc ñònh nhö caùc nguyeân toá chu kyø 1 neân chæ xeùt töø caùc ON lôùp 2.
19. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II OP cuûa caùc ON 2p
20. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II ✓ Các phân tử của nguyên tố cuối chu kỳ (O2 – Ne2) ✓ Các phân tử của nguyên tố đầu chu kỳ (từ Li2 – N2) ✓ Các phân tử hai nguyên tử khác loại của những nguyên tố chu kỳ 2
21. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II ✓ Các phân tử của nguyên tố cuối chu kỳ (O2 – Ne2): Do bán kính ng tử nhỏ nên không có xáo trộn năng lượng. ✓ Các phân tử của nguyên tố đầu chu kỳ (từ Li2 – N2): Do có bán kính ng tử lớn nên có xáo trộn năng * lượng do tương tác đẩy giữa các cặp MO: (σ2s σ2s ) * (σx σx ). ✓ Các phân tử hai nguyên tử khác loại: Các MO tạo thành tương tự trường hợp phân tử 2 nguyên tử cùng loại chu kỳ 2. Chỉ cần có một nguyên tử có bán kính lớn (Li → N) thì phân tử có xáo trộn năng lượng.
22. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Chu kỳ 2 Li Be B C N O F E2p-E2s 1,85 2,73 3,75 4,18 10,9 15,6 20,8 = E [eV]
23. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Khi möùc naêng löôïng 2s vaø 2p caùch xa nhau (s vaø p aûnh höôûng yeáu, ñoái vôùi caùc nguyeân toá cuoái chu kyø coù ñoä aâm ñieän lôùn, O, F vaø Ne) caùc OP phaân boá theo chieàu taêng daàn naêng löôïng nhö sau.
24. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Ví duï: phaân töû O2 O: 2s2 2p4
25. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II
26. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Ñoái vôùi caùc nguyeân toá ñaàu chu kyø, naêng löôïng 2s vaø 2p gaàn nhau (s vaø p aûnh höôûng nhau maïnh) vaø ñoä aâm ñieän nhoû, caùc OP phaân boá nhö sau:
27. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Ví duï:Li2 Li: 1s2 2s1
28. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Ví duï:Nitrogen, N2
29. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Ví duï: C2 C: 1s2 2s22p2
30. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II
31. + MO Li2 Be2 B2 C2 N2 N2 Toång soá e 6(2) 8(4) 10(6) 12(8) 14(10) 13(9) 2px* ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 2py*, 2pz* ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯ 2px ⎯ ⎯ ⎯ ⎯   2py, 2pz ⎯ ⎯ ⎯ ⎯         2s* ⎯      2s       1s*       1s       Baäc lieân keát 1 0 1 2 3 2,5 Chieàu daøi lk (A0) 2,67 – 1,59 1,24 1,10 1,12 NL lieân keát 105 – 289 599 940 828 (kJ/mol) Töø tính nghòch – thuaän nghòch nghòch thuaän
32. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Nhaän xeùt Taêng caùc e hoùa trò → taêng baäc lieân keát vaø naêng löôïng lieân keát, giaûm chieàu daøi lieân keát trong daõy B2 - C2 – N2, laø do vieäc taêng e hoùa trò vaøo caùc OP lieân keát. Ngöôïc laïi trong daõy O2 – F2 – Ne2, laø do söï taêng e hoaù trò seõ ñieàn vaøo caùc OP phaûn lieân keát. Ôû phaân töû khí trô soá electron lieân keát baèng soá electron phaûn lieân keát neân caùc phaân töû khí trô khoâng theå toàn taïi ôû ñieàu kieän bình thöôøng.
33. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Töø tính – Chaát thuaän töø khi phaân töû coù chöùa e ñoäc thaân (do e taïo töø tröôøng khi chuyeån ñoäng). – Chaát coù hai e gheùp ñoâi thì hai e sinh ra töø tröôøng ngöôïc nhau (do spin ngöôïc nhau) daãn ñeán trieät tieâu nhau vaø daãn ñeán nghòch töø. Maøu saéc – Caùc electron khi bò kích thích seõ chuyeån töø OP naøy sang OP khaùc coù naêng löôïng cao hôn, söï chuyeån naøy keøm theo söï haáp thuï naêng löôïng töông öùng vôùi böôùc soùng (A0) öùng vôùi caùc tia ñôn saéc → taïo maøu. – Ví duï: Coù maøu tím khi electron chuyeån töø * sang * öùng vôùi =5200 A0, töùc vaøng – luïc – tím.
34. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Coâng thöùc electron phaân töû theo phöông phaùp MO, bieåu dieãn ñôn giaûn nhö sau: lk 2 plk 2 lk 4 lk 2 N2 : ( ) ( ) ( ) ( ) s s y,z x lk 2 plk 2 lk 2 lk 4 plk 4 F2 : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) s s x y,z y,z
35. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Caùc phaân töû caáu taïo töø hai nguyeân töû khaùc nhau cuûa chu kyø 2. – Cuõng gioáng treân, tuy nhieân do caùch bieät naêng löôïng giöõa caùc ON s vaø p cuûa 2 nguyeân töû giaûm neân ta duøng tröôøng hôïp caùc nguyeân töû ñaàu chu kyø. – Ví duï: Xeùt caùc tröôøng hôïp – CO, CN, CN- – NO+, NO, NO- – Do caáu truùc saép xeáp 10e hoùa trò CO gioáng N2 neân chuùng coù nhieàu ñaëc tröng lyù hoùa gioáng nhau.
36. AO PHÂN TỬ THUỘCMO CHU KỲ II AO B BN N 2p 2p 2s 2s 1s nonbonding 1s
37. PHÂN TỬ THUỘC CHU KỲ II Ví dụ: CH4