Bài 18. Sự lai hóa các obitan nguyên tử. Sự hình thành liên kết dơn. Liên kết đôi và liên kết ba

I - KHÁI NIỆM VỀ SỰ LAI HÓA

Để hiểu được khái niệm về sự lai hóa các obitan, ta xét liên kết trong phân tử  CH₄. Công thức cấu tạo:

Cấu hình electron nguyên tử  C  (ở trạng thái kích thích):

Trong phân tử  CH₄  có  4  liên kết  C−H  tạo thành bởi 4  obitan hóa trị (mỗi obitan có một electron độc thân)  của nguyên tử  C  (một obitan  2s  và  ba obitan  2p)  xen phủ với  4  obitan  1s  của  4  nguyên tử  H. Như vậy đáng lẽ trong phân tử  CH₄  phải có  2  loại liên kết khác nhau là:  1  liên kết  s−s  và  3  liên kết  p−s. Tuy nhiên thực nghiệm  cho biết  4  liên kết  C−H  trong phân tử  CH₄  giống hệt nhau có góc liên kết là  109^o28'

Để giải thích trường hợp trên đây và các trường hợp tương tự, các nhà hóa học Mĩ Slây-tơ (J.Staler)  và  Pau-linh  đã đề ra thuyết lai hóa.

Theo thuyết này, khi nguyên tử  C  tham gia liên kết với bồn nguyên tử  H  tạo thành phân tử  CH4  thì obitan  2s  đã tổ hợp "trộn lẫn"  với ba obitan  2p  tạo thành bốn obitan mới giống hệt nhau.

Như vậy: Sự lai hóa obitan nguyên tử là sự tổ hợp  "trộn lẫn"  một số obitan trong một nguyên tử để được từng ấy obitan lai hóa giống nhau nhưng định hướng khác nhau trong không gian.

Nguyên nhân của sự lai hóa là các obitan hóa trị ở các phân lớp khác nhau có năng lượng và hình dạng khác nhau cần phải đồng nhất để tạo được liên kết bền với các nguyên tử khác.

II - CÁC KIỂU LAI HÓA THƯỜNG GẶP

1. Lai hóa  sp

Lai hóa  sp  là sự tổ hợp  1 obitan  s  với  1  obitan  p  của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành  2  obitan lai hóa  sp  nằm thẳng hàng  với nhau về  2  phía, đối xứng nhau (hình  3.6).

Lai hóa  sp  được gặp trong phân tử  BeH₂  (hình  3.7)  và trong các phân tử  C₂H₂,BeCl₂,...

Như thế, sự lai hóa  sp  là nguyên nhân dẫn đến tính thẳng hàng (góc liên kết bằng  1800)  của các liên kết trong những phân tử nêu trên.

2. Lai hóa  sp²

Lai hóa  sp²  là sự tổ hợp  1  obitan  s  với  2  obitan  p  của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành  3  obitan lai hóa  sp2  nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ tâm đến đỉnh của tam giác đều. lai hóa  sp²  được gặp trong các phân tử  BF₃  (hình  3.8),C₂H₄,...

Sự lai hóa  sp²  là nguyên nhân dẫn đến các góc liên kết phẳng  1200  trong  BF₃.

3. Lai hóa  sp³

Lai hóa  sp³  là sự tổ hợp  1  obitan  s  với  3  obitan  p  của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành  4  obitan lai hóa  sp³   định hướng tử tâm đến  4  đỉnh của hình tứ diện đều, các trục đối xứng của chúng tạo với nhau một góc109^o28'  (hình  3.9).

Lai hóa  sp3  được gặp ở các nguyên tử  O,N,C  nằm trong các phân tử  H₂O,NH₃,CH₄   và  ankan.

Chú ý: Các obitan chỉ lai hóa được với nhau khi năng lượng của chúng xấp xỉ bằng nhau.

III - NHẬN XÉT CHUNG VỀ LAI HÓA

Thuyết lai hóa có vai trò giải thích hơn là tiên đoán dạng hình học của phân tử. Thường chỉ sau khi biết phân tử có dạng hình học gì, có những góc liên kết xác định được bằng thực nghiệm là bao nhiêu, mới dùng sự lai hóa để giải thích. Nếu cho một phân tử hay ion, chẳng hạn  AB₄  mà không có dữ kiện nào, thì thuyết lai hóa sẽ không tiên đoán được là có sự lai hóa tứ diện hay vuông phẳng.

IV - SỰ XEN PHỦ TRỤC VÀ XEN PHỦ BÊN

1. Sự xen phủ truc

Sự xen phủ trong đó trục của các obiatn tham gia liên kết trùng với đường nối tâm của hai nguyên tử liên kết được gọi là sự xen phủ trục. Sự xen phủ trục tạo liên kết  σ  (hình  3.10a).

2. Sự xen phủ bên

Sự xen phủ trong đó trục của các obitan tham gia liên kết song song với nhau và vuông góc với đường nối tâm của hai nguyên tử liên kết được gọi là sự xen phủ bên. Sự xen phủ bên tạo liên kết  π  (hình  3.10b).

V - SỰ TẠO THÀNH LIÊN KẾT ĐƠN, LIÊN KẾT ĐÔI, LIÊN KẾT BA

1. Liên kết đơn

Ta đã biết, mỗi cặp electron chung của hai nguyên tử được tính là một liên kết và được biểu diễn bằng một gạch nối giữa kí hiệu của hai nguyên tử đó. Các nguyên tử trong các phân tử đã xét như  H−H,H−Cl  đều liên kết với nhau bằng liên kết đơn. Liên kết đơn luôn luôn là liên kết  σ , được tạo thành từ sự xen phủ trục và thường bền vững.

2. Liên kết đôi

Trong phân tử  etilen(C2H4), mỗi nguyên tử cacbon có sự lai hóa giữa một obitan  s  với hai obitan  p  theo kiểu lai hóa  sp2. Các obitan lai hóa tạo một liên kết  σ  giữa hai nguyên tử cacbon và hai liên kết  σ  vơi hai nguyên tử hiđro. Mỗi nguyên tử cacbon còn một obitan  p không tham gia lai hóa sẽ xen phủ bên với nhau tạo liên kết  π. Liên kết giữa hai nguyên tử cacbon là liên kết đôi gồm một liên kết  σ  và một liên jết  π. Các liên kết  π  kém bền hơn so với liên kết  σ  (hình  3.11).

3. Liên kết ba

Nguyên tử  N  có  5  electron lớp ngoài cùng, khi hình thành phân tử  N2, mỗi nguyên tử góp  3  electron độc thân tạo thành ba liên kết. Người ta gọi đó là liên kết ba.

Chúng ta có thể dựa vào cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nitơ để giải thích liên kết trong phân tử nitơ.

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nitơ:

Mỗi nguyên tử nitơ dùng một obitan  2p_z  (quy ước lấy trục  z  làm trục liên kết)  để tạo kiểu liên kết giữa hai nguyên tử theo kiểu xen phủ trục tạo liên kết  σ.

Hai obitan  p  còn lại  (2p_x,2p_y)  sẽ xen phủ bên với nhau từng đôi một tạo ra hai liên kết  π. Mỗi liên kết kí hiệu bằng một gạch nối, công thức cấu tạo của phân tử nitơ có dạng liên kết ba: gồm một liên kết  σ  và hai liên kết  π.

N≡N

Công thức cấu tạo của phân tử nitơ

Liên kết giữa hai nguyên tử được thực hiện bởi một liên kết  σ  và một hay hai liên kết  π  được gọi là liên kết bội.