Bài 11: Liên kết cộng hóa trị

Mở đầu

Công thức của CH2O có thể biểu diễn ở dạng công thức (1) hoặc ở dạng công thức (2). Hãy viết công thức của N2 theo cách (2) và cho biết công thức này có thể hiện được quy tắc octet hay không?

Gợi ý

- Viết công thức của N2 theo cách (2): 2 nguyên tử N liên kết với nhau bằng 1 nối ba

⟹ Số cặp electron dùng chung

⟹ Công thức của N2 theo cách (2).

- Từ số cặp electron dùng chung ⟹ Kết luận công thức có thể hiện được quy tắc octet không.

Đáp án

- 2 nguyên tử N liên kết với nhau bằng 1 nối ba.

⟹ Có 3 cặp electron dùng chung

⟹ Công thức của N2 theo cách (2):

- Mỗi nguyên tử N cùng góp chung 3e để đạt cấu hình electron khí hiếm bền vững.

⟹ Công thức (2) thể hiện được quy tắc octet.

Câu hỏi 1

Mỗi nguyên tử trong phân tử HF (Hình 11.1) có bao nhiêu electron chung, bao nhiêu electron hóa trị riêng (electron thuộc về một nguyên tử).

Gợi ý

- Electron dùng chung là số electron các nguyên tử góp chung để đạt cấu hình electron bền vững.

- Electron hóa trị riêng (electron thuộc về một nguyên tử) là hóa trị cao nhất của nguyên tử.

Đáp án

- Nguyên tố H và F sẽ góp chung 1 electron để đạt cấu hình electron bền vững.

⟹ Số electron chung là: 2

- H có hóa trị cao nhất là I ⟹ Electron hóa trị riêng của H là 1.

- F có hóa trị cao nhất là IIV ⟹ Electron hóa trị riêng của F là 7.

Câu hỏi 2

Trong phân tử HCl, lớp electron ngoài cùng của Cl và H lần lượt có bao nhiêu electron?

Gợi ý

Dựa vào cấu hình electron lớp ngoài cùng của Cl và H ⟹ Tính số electron.

Đáp án

- Cấu hình electron của H: 1s1 ⟹ Có 1 electron ở lớp ngoài cùng.

- Cấu hình electron của Cl: [Ne]3s23p5 ⟹ Có 7 electron ở lớp ngoài cùng.

Câu hỏi 3

Nguyên tử fluorine (F) có cấu hình electron là [He]2s22p5. Khi các nguyên tử F liên kết với nhau, để thỏa mãn quy tắc octet, một bạn học sinh đề xuất như sau: Một nguyên tử F nhường 7 electron, tạo ion F7+ có cấu hình là [He]; 7 nguyên tử F khác, mỗi nguyên tử nhận 1 electron tạo 7 ion F- có cấu hình [Ne]. Sau đó 8 ion này hút nhau tạo thành chất có công thức (F7+)(F-)7. Vì sao đề xuất này không hợp lí trong thực tế? Hãy mô tả sự hình thành liên kết trong phân tử F2.

Gợi ý

- Giải thích đề xuất của bạn học sinh không hợp lí trong thực tế: dựa vào độ âm điện, khả năng nhường và nhận electron để đạt cấu hình khí hiếm bền vững và liên kết hình thành giữa 2 nguyên tử F.

- Mô tả sự hình thành liên kết trong phân tử F2 từ 2 nguyên tử F: dựa vào quy tắt octet để đạt được cấu hình của khí hiếm gần nhất.

Đáp án

- Cấu hình electron của F (Z = 9): 1s22s22p5

- Đề xuất của bạn học sinh không hợp lí trong thực tế vì:

+ Fluorine là nguyên tử có độ âm điện lớn nên khả năng nhận 1 electron dễ hơn nhường 7 electron.

+ Hai nguyên tử F có độ âm điện bằng nhau nên không hình thành được liên kết ion như công thức (F7+)(F-)7 mà chỉ tạo được liên kết cộng hóa trị không cực.

- Sự hình thành liên kết trong phân tử F2:

Để đạt cấu hình của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử F đều cần thêm 1 electron. Vì vậy mỗi nguyên tử N cùng góp 1 electron để tạo nên 1 cặp electron chung cho 2 nguyên tử N.

⟹ Hai nguyên tử F liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị không cực tạo phân tử F2:

F - F

Câu hỏi 4

Viết công thức Lewis của CO2. Giữa nguyên tử carbon và mỗi nguyên tử oxygen có bao nhiêu cặp electron chung?

Gợi ý

- Xác định số cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử trong CO2.

- Viết công thức Lewis của CO2:

Giữa 2 nguyên tử có:

+ 1 cặp e dùng chung: biểu diễn liên kết bằng 1 nối đơn –

+ 2 cặp e dùng chung: biểu diễn bằng 1 nối đôi = hay liên kết đôi

+ 3 cặp e dùng chung: biểu diễn bằng 1 nối hay liên kết ba

Đáp án

- Từ công thức electron của CO2:

⟹ Mỗi nguyên tử O có 2 cặp electron dùng chung với nguyên tử C.

- Viết công thức Lewis của CO2: O = C = O

Câu hỏi 5

Mô tả sự hình thành phân tử N2 từ hai nguyên tử N. Phân tử N2 có bao nhiêu cặp electron dùng chung? Viết công thức Lewis của N2.

Gợi ý

- Mô tả sự hình thành phân tử N2 từ hai nguyên tử N: dựa vào quy tắt octet để đạt được cấu hình của khí hiếm gần nhất.

- Dựa vào cấu tạo electron, xác định số cặp electron dùng chung giữa các nguyên tử.

⟹ Công thức Lewis của N2.

Đáp án

- Cấu hình electron của N (Z = 7): 1s22s22p3

- Để đạt cấu hình của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử N đều cần thêm 3 electron. Vì vậy mỗi nguyên tử N cùng góp 3 electron để tạo nên 3 cặp electron chung cho 2 nguyên tử N.

⟹ Số cặp electron dùng chung là 3.

⟹ Công thức Lewis của N2:

Câu hỏi 6

Những nguyên tử nào trong cation ammonium thỏa mãn quy tắc octet?

Gợi ý

Những nguyên tử nào góp chung electron để đạt cấu hình khí hiếm bền vững thì thỏa mãn quy tắc octet.

Đáp án

- Ta thấy các nguyên tử H và N trong phân tử NH3 đều góp chung 1 electron để đạt cấu hình khí hiếm bền vững và tạo các liên kết đơn giữa mỗi nguyên tử.

- Trên nguyên tử N còn 1 cặp electron riêng, khi hình thành NH4+ cặp electron này trở thành cặp electron dùng chung cho cả N và H.

⟹ Cả N và các nguyên tử H đều thỏa mãn quy tắc octet.

Câu hỏi 7

Liên kết giữa nguyên tử N trong NH3 với H+ có phải là liên kết ion hay không? Vì sao?

Gợi ý

Liên kết ion được hình thành bởi lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu

Đáp án

Liên kết giữa nguyên tử N trong NH3 với H+ không phải là liên kết ion vì: không được hình thành bởi các ion trái dấu (N trong NH3 không mang điện, H+ mang điện tích dương)

Luyện tập 1

Hãy biểu diễn sự hình thành các cặp electron chung cho phân tử NH3. Từ đó, viết công thức Lewis của phân tử này.

Gợi ý

Bước 1: Viết cấu hình electron của N (Z = 7) và H (Z = 1)

Bước 2: Biểu diễn sự hình thành các cặp electron chung cho NH3

Dựa vào cấu hình electron lớp ngoài cùng, biểu diễn sự hình thành các cặp electron chung cho phân tử NH3 theo quy tắc octet.

Bước 3: Công thức Lewis của NH3

- Công thức Lewis là công thức biểu diễn cấu tạo phân tử qua các liên kết (cặp e dùng chung) và các electron riêng.

- Giữa 2 nguyên tử có:

+ 1 cặp e dùng chung: biểu diễn liên kết bằng 1 nối đơn –

+ 2 cặp e dùng chung: biểu diễn bằng 1 nối đôi = hay liên kết đôi

+ 3 cặp e dùng chung: biểu diễn bằng 1 nối hay liên kết ba

Đáp án

Bước 1: Viết cấu hình electron của N (Z = 7) và H (Z = 1)

N (Z = 7): 1s22s22p3

H (Z = 1): 1s1

Bước 2: Biểu diễn sự hình thành các cặp electron chung cho NH3

H có 1e ở lớp electron ngoài cùng, N có 5e ở lớp electron ngoài cùng.

⟹ Mỗi nguyên tử góp chung 1e để đạt cấu hình khí hiếm bền vững.

Bước 3: Công thức Lewis của NH3

Luyện tập 2

Trình bày sự hình thành ion hydronium (H3O+) từ H2O và H+

Đáp án

- Trên nguyên tử O còn 2 cặp electron riêng, khi hình thành H3O+, 1 cặp electron trở thành cặp electron chung cho cả O và H. Như vậy, liên kết đơn giữa nguyên tử O trong H2O và H+ được tạo thành bởi 1 cặp electron góp chung của nguyên tử O.

- Liên kết cho nhận tạo bởi cặp electron của O và ion H+ được kí hiệu là mũi tên (→) xuất phát từ O.

Luyện tập 3

Dựa theo độ âm điện, hãy cho biết loại liên kết trong các phân tử: H2S, CH4, K2O, F2O, NaBr.

Gợi ý

- Từ độ âm điện, tính \(\Delta \chi \)= \(\chi (B) - \chi (A)\), trong đó \(\chi (B) \geqslant \chi (A)\)

- Phân loại liên kết theo độ âm điện:

- \(0 \leqslant \Delta \chi < 0,4\)⟹ Liên kết cộng hóa trị không cực.

- \(0,4 \leqslant \Delta \chi < 1,7\)⟹ Liên kết cộng hóa trị có cực.

- \(\Delta \chi \geqslant 1,7\)⟹ Liên kết ion.

Đáp án

- H2S: \(\Delta \chi \)= \(\chi (S) - \chi (H)\)= 2,58 - 2,20 = 0,38

⟹ Liên kết cộng hóa trị không cực.

- CH4: \(\Delta \chi \)= \(\chi (C) - \chi (H)\)= 2,55 - 2,20 = 0,35

⟹ Liên kết cộng hóa trị không cực.

- K2O: \(\Delta \chi \)= \(\chi (O) - \chi (K)\)= 3,44 - 0,82 = 2,62

⟹ Liên kết ion.

- F2O: \(\Delta \chi \)= \(\chi (F) - \chi (O)\)= 3,98 - 3,44 = 0,54

⟹ Liên kết cộng hóa trị có cực.

- NaBr: \(\Delta \chi \)= \(\chi (Br) - \chi (Na)\)= 2,96 - 0,93 = 2,03

⟹ Liên kết ion.

Luyện tập 4

Viết ô orbital của lớp electron ngoài cùng cho nguyên tử H và F. Từ đó chỉ ra những AO nào có thể xen phủ tạo liên kết đơn trong các phân tử H2, F2 và HF.

Gợi ý

Bước 1: Viết cấu hình electron và ô orbital của lớp electron ngoài cùng cho nguyên tử H, F.

Bước 2: Chỉ ra các AO có thể xen phủ tạo liên kết đơn trong các phân tử H2, F2, HF.

Liên kết đơn hay liên kết được tạo nên từ xen phủ trục của 2 AO, có 3 khả năng xen phủ trục: xen phủ giữa AO s với AO s; giữa AO s với AO p; giữa AO p với AO p.

Đáp án

Bước 1: Viết cấu hình electron và ô orbital của lớp electron ngoài cùng cho nguyên tử H, F

Bước 2: Chỉ ra các AO có thể xen phủ tạo liên kết đơn trong các phân tử H2, F2, HF.

- Trong phân tử H2: 2 AO s xen phủ trục tạo liên kết đơn.

- Trong phân tử F2: 2 AO p xen phủ trục tạo liên kết đơn.

- Trong phân tử HF: 1 AO s của H và 1 AO p của F xen phủ trục tạo liên kết đơn

Luyện tập 5

Viết ô orbital của lớp electron ngoài cùng cho nguyên tử N. Từ đó chỉ ra những AO nào có thể xen phủ tạo liên kết ba trong các phân tử N2.

Gợi ý

Bước 1: Viết cấu hình electron và ô orbital của lớp electron ngoài cùng cho nguyên tử H, F.

Bước 2: Chỉ ra các AO có thể xen phủ tạo liên kết ba trong phân tử N2.

Liên kết ba gồm 1 liên kết và 2 liên kết , liên kết hình thành do sự xen phủ bên giữa 2 AO p song song; liên kết hình thành do sự xen phủ trục.

Đáp án

Bước 1: Viết cấu hình electron và ô orbital của lớp electron ngoài cùng cho nguyên tử H, F

N (Z = 7): 1s22s22p3

Bước 2: Chỉ ra các AO có thể xen phủ tạo liên kết ba trong phân tử N2.

Trong phân tử N2, liên kết ba được hình thành do:

- 2 AO p xen phủ trục tạo 1 liên kết .

- 4 AO p xen phủ bên tạo 2 liên kết .

Vận dụng

Xây dựng mô hình phân tử

Sử dụng đất sét nặn (hoặc hộp xây dựng mô hình) để tạo hình nguyên tử và các đoạn ống hút để biểu diễn liên kết hóa học. Xây dựng mô hình các phân tử: CH2 = CH2, CHCl = CHCl. Biết rằng các nguyên tử đều nằm trên cùng một mặt phẳng.

Gợi ý

- Đối với phân tử CH2 = CH2: liên kết giữa nguyên tử C và H là liên kết đơn, liên kết giữa 2 nguyên tử C là liên kết đôi.

- Đối với phân tử CHCl = CHCl: liên kết giữa nguyên tử C và Cl là liên kết đôi; liên kết giữa 2 nguyên tử C, giữa C và H đều là liên kết đơn.

Đáp án

Học sinh sử dụng đất sét nặn (hoặc hộp xây dựng mô hình) để tạo hình nguyên tử và các đoạn ống hút để biểu diễn liên kết hóa học, xây dựng mô hình các phân tử: CH2 = CH2, CHCl = CHCl.

Luyện tập 6

Sắp xếp năng lượng của các loại liên kết: liên kết đơn, liên kết đôi, liên kết ba của cùng một cặp nguyên tố theo chiều tăng dần. Giải thích?

Gợi ý

Dựa vào lý thuyết năng lượng của liên kết cộng hóa trị:

Liên kết càng bền thì năng lượng liên kết càng lớn.

Đáp án

Ta có độ bền các liên kết của cùng một cặp nguyên tử lần lượt là: liên kết đơn < liên kết đôi < liên kết ba.

⟹ Năng lượng liên kết liên kết đơn, liên kết đôi, liên kết ba của cùng một cặp nguyên tử tăng dần.

Bài tập 1

Những phát biểu nào sau đây đúng?

(a) Nếu cặp electron chung bị lệch về phía một nguyên tử thì đó là liên kết cộng hóa trị không cực.

(b) Nếu cặp electron chung bị lệch về phía một nguyên tử thì đó là liên kết cộng hóa trị có cực.

(c) Cặp electron chung luôn được tạo nên từ 2 electron của cùng một nguyên tử.

(d) Cặp electron chung được tạo nên từ 2 electron hóa trị.

Gợi ý

Dựa vào lý thuyết liên kết cộng hóa trị.

Đáp án

(a) Sai, nếu cặp electron chung bị lệch về phía một nguyên tử thì đó là liên kết cộng hóa trị có cực.

(b) Đúng.

(c) Sai, cặp electron chung được tạo nên từ 2 electron của 2 nguyên tử.

(d) Đúng, cặp electron chung được tạo nên từ 2 electron hóa trị (electron ngoài cùng là những electron ở các orbital ngoài cùng và có thể tham gia vào các liên kết của nguyên tử).

Bài tập 2

Những phát biểu nào sau đây đúng?

(a) Liên kết đôi được tạo nên từ 2 liên kết \(\sigma\).

(b) Liên kết ba được tạo nên từ 2 liên kết \(\sigma\)và 1 liên kết \(\pi\).

(c) Liên kết đôi được tạo nên từ 1 liên kết \(\sigma\)và 1 liên kết \(\pi\).

(d) Liên kết đôi được tạo nên từ 1 liên kết \(\sigma\)và 2 liên kết \(\pi\).

Gợi ý

Dựa vào lý thuyết liên kết sigma và liên kết pi.

Đáp án

(a) Sai, liên kết đôi được tạo nên từ 1 liên kết \(\sigma\) và 1 liên kết \(\pi\).

(b) Sai, liên kết ba được tạo nên từ 1 liên kết \(\sigma\)và 2 liên kết \(\pi\).

(c) Đúng.

(d) Sai

Bài tập 3

Viết công thức Lewis cho các phân tử H2O và CH4. Mỗi phân tử này có bao nhiêu cặp electron hóa trị riêng?

Gợi ý

- Viết CT electron của phân tử H2O và CH4.

- Từ CT electron viết CT Lewis, xác định số cặp electron hóa trị riêng.

Đáp án

- Phân tử H2O:

⟹ Phân tử H2O có 2 cặp electron hóa trị riêng.

- Phân tử CH4:

⟹ Phân tử CH4 không có cặp electron hóa trị riêng.

Bài tập 4

Sử dụng bảng giá trị năng lượng liên kết ở Phụ lục 2.

a) Hãy tính tổng năng lượng liên kết trong mỗi phân tử H2S và H2O.

b) Nhiệt độ để bắt đầu phá vỡ liên kết (nhiệt độ phân hủy) trong hai chất trên ứng với một trong hai nhiệt độ sau: 400oC hoặc 1000oC. Em hãy dự đoán nhiệt độ phân hủy của chất nào cao hơn. Vì sao?

Gợi ý

a)- Xem năng lượng liên kết của một số loại liên kết (kJ mol-1), xác định năng lượng liên kết của S – H, O – H.

- Tính tổng năng lượng liên kết trong mỗi phân tử H2S và H2O.

b) Năng lượng liên kết càng lớn, liên kết đó càng bền.

⟹ Nhiệt độ phân hủy càng lớn.

⟹ Dự đoán nhiệt độ phân hủy của chất nào cao hơn.

Đáp án

a)- Phân tử H2S:

+ Năng lượng liên kết của S – H là: 368 kJ mol-1.

+ Vì có 2 liên kết S – H

⟹ Tổng năng lượng liên kết trong phân tử H2S là: 368.2 = 736 (kJ mol-1)

- Phân tử H2O:

+ Năng lượng liên kết của O – H là: 464 kJ mol-1.

+ Vì có 2 liên kết O – H

⟹ Tổng năng lượng liên kết trong phân tử H2O là: 464.2 = 928 (kJ mol-1)

b)- Ta thấy năng lượng liên kết của H2S là 38 kJ mol-1 ; của H2O là 928 kJ mol-1.

⟹ Năng lượng liên kết của H2S < H2O.

⟹ Liên kết của H2O bền hơn H2S.

⟹ Nhiệt độ phân hủy của H2O > H2S.

Bài tập 5

Khi phản ứng với H2, các phân tử như F2, N2 cần phải cắt đứt liên kết giữa các nguyên tử. Dựa vào năng lượng liên kết, em hãy dự đoán phản ứng của F2 hay của N2 với H2 sẽ thuận lợi hơn (dễ xảy ra hơn)?

Gợi ý

- Xem giá trị năng lượng liên kết của F – F trong phân tử F2 và năng lượng liên kết của N = N trong phân tử N2.

- So sánh 2 giá trị năng lượng này, nếu giá trị liên kết thấp hơn thì liên kết dễ bị phá vỡ.

⟹ Phản ứng với H2 sẽ thuận lợi hơn (dễ xảy ra hơn).

Đáp án

- Giá trị năng lượng liên kết của:

+ F – F trong phân tử F2: 159 kJ mol-1

+ N = N trong phân tử N2: 418 kJ mol-1

⟹ Năng lượng liên kết của F – F < N = N.

⟹ Liên kết của N2 bền hơn F2.

- Vậy phản ứng giữa F2 với H2 thuận lợi hơn (dễ xảy ra hơn) so với phản ứng giữa N2 với H2.