Bài 12. Liên kết cộng hoá trị

Nguyên tử phi kim có lớp electron hoá trị gần bão hoà và có xu hướng nhận thêm electron để đạt cấu hình electron bền vững của nguyên tử khí hiếm. Khi hai nguyên tử phi kim kết hợp với nhau tạo thành phân tử, chúng sẽ góp một hoặc nhiều electron để tạo thành các cặp electron dùng chung. Các cặp electron dùng chung được tính cho cả hai nguyên tử trong phân tử nên mỗi nguyên tử đều đạt được cấu hình bền vững theo quy tắc octet. Cặp electron dùng chung tạo ra liên kết cộng hoá trị giữa hai nguyên tử.

Cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử có thể được tạo thành theo hai kiểu khác nhau:

Mỗi nguyên tử góp một hay nhiều electron để tạo thành các cặp electron dùng chung:

Cặp electron dùng chung chỉ do một nguyên tử đóng góp, liên kết giữa hai nguyên tử là liên kết cộng hoá trị kiểu cho – nhận.

Phân tử chlorine: Mỗi nguyên tử chlorine có 7 electron hoá trị, hai nguyên tử chlorine liên kết với nhau bằng cách mỗi nguyên tử chlorine góp 1 electron, tạo thành một cặp electron dùng chung. Khi đó, trong phân tử $\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{X}}_2$, mỗi nguyên tử đều có 8 electron, thoả mãn quy tắc octet:

Từ công thức electron, thay một cặp electron dùng chung bằng một gạch nối thì thu được công thức Lewis (Li-uýt).

Có thể biểu diễn bằng sơ đồ:

$:\mathrm{C}\mathrm{l}\cdot +\cdot \mathrm{C}\mathrm{l}:\stackrel{}{\to }:\mathrm{C}\mathrm{l}:\mathrm{C}\mathrm{l}:$ ; $:\mathrm{C}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{l}:$ ; $\mathrm{C}\mathrm{l}-\mathrm{C}\mathrm{l}$ Công thức electron Công thức Lewis Công thức cấu tạo

Giữa hai nguyên tử chlorine có một cặp electron dùng chung (biểu diễn bằng một gạch nối), đó là liên kết đơn.

Phân tử hydrogen chloride: Nguyên tử hydrogen liên kết với nguyên tử chlorine bằng cách mỗi nguyên tử góp 1 electron tạo thành 1 cặp electron dùng chung trong phân tử HCl. Khi đó nguyên tử hydrogen có 2 electron (cấu hình electron bền vững của nguyên tử khí hiếm He) và nguyên tử chlorine có 8 electron, thoả mãn quy tắc octet.

$\mathrm{H}\cdot +\cdot \mathrm{C}\mathrm{l}:\stackrel{}{\to }\mathrm{H}:\mathrm{C}\mathrm{l}:$ ; $\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{l}$ Công thức electron Công thức Lewis Công thức cấu tạo

Giữa hai nguyên tử hydrogen và chlorine có một cặp electron dùng chung (biểu diễn bằng một gạch nối), đó là liên kết đơn.

Phân tử hợp chất có liên kết cho – nhận:

Trong phân tử $\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3$, lớp ngoài cùng của nguyên tử nitrogen có 5 electron, trong đó có cặp electron chưa liên kết. Ion $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ có orbital trống, không có electron. Khi phân tử $\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3$ kết hợp với ion $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$, nguyên tử nitrogen đóng góp cặp electron chưa liên kết để tạo liên kết với ion $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ tạo thành $\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{+}$. Khi đó, liên kết cho – nhận được hình thành, trong phân tử $\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{X}}_3$, nguyên tử nitrogen là nguyên tử cho, ion $\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}$ là nguyên tử nhận. Trong ion $\mathrm{N}\mathrm{H}{\phantom{X}}_4{\phantom{X}}^{+}$, bốn liên kết $\mathrm{N}-\mathrm{H}$ hoàn toàn tương đương nhau.

$\mathrm{H}$ $\mathrm{H}:\mathrm{N}:+\mathrm{H}{\phantom{X}}^{+}\stackrel{}{\to }\mathrm{H}:\mathrm{N}:\mathrm{H}$ ; $\mathrm{H}-\mathrm{N}\stackrel{}{\to }\mathrm{H}$ $\mathrm{H}$ $\mathrm{H}$ $\mathrm{H}$ Công thức electron Công thức cấu tạo

Phân tử oxygen: Mỗi nguyên tử oxygen có 6 electron hoá trị, hai nguyên tử oxygen liên kết với nhau bằng cách mỗi nguyên tử đóng góp 2 electron, tạo thành 2 cặp electron dùng chung. Trong phân tử $\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$, mỗi nguyên tử oxygen đều có 8 electron, thoả mãn quy tắc octet.

$:\mathrm{O}\cdot +\cdot \mathrm{O}:\stackrel{}{\to }:\mathrm{O}::\mathrm{O}:$ ; $:\mathrm{O}=\mathrm{O}:$ ; $\mathrm{O}=\mathrm{O}$ Công thức electron Công thức Lewis Công thức cấu tạo

Giữa hai nguyên tử oxygen có hai cặp electron dùng chung (biểu diễn bằng hai gạch nối), đó là liên kết đôi.

Phân tử carbon dioxide: Nguyên tử carbon có 4 electron hoá trị, nguyên tử oxygen có 6 electron hoá trị. Hai nguyên tử oxygen liên kết một nguyên tử carbon bằng cách mỗi nguyên tử oxygen đóng góp 2 electron và nguyên tử carbon đóng góp 4 electron tạo thành bốn cặp electron dùng chung. Khi đó, trong phân tử $\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$, mỗi nguyên tử đều có 8 electron, thoả mãn quy tắc octet.

$:\mathrm{O}\cdot +\cdot \mathrm{C}\cdot +\cdot \mathrm{O}:\stackrel{}{\to }:\mathrm{O}::\mathrm{C}::\mathrm{O}:$ ; $:\mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{O}:$ ; $\mathrm{O}=\mathrm{C}=\mathrm{O}$ Công thức electron Công thức Lewis Công thức cấu tạo

Giữa nguyên tử C và nguyên tử O có 2 cặp electron dùng chung (biểu diễn bằng hai gạch nối), đó là liên kết đôi. Phân tử $\mathrm{C}\mathrm{O}{\phantom{X}}_2$ có hai liên kết đôi.

Phân tử nitrogen: Nguyên tử nitrogen có 5 electron hoá trị, hai nguyên tử nitrogen liên kết với nhau bằng cách mỗi nguyên tử nitrogen đóng góp 3 electron, tạo thành ba cặp electron dùng chung. Khi đó, trong phân tử $\mathrm{N}{\phantom{X}}_2$, mỗi nguyên tử đều có 8 electron, thoả mãn quy tắc octet.

$:\mathrm{N}\cdot +\cdot \mathrm{N}:\stackrel{}{\to }:\mathrm{N}:::\mathrm{N}:$ ; $:\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}:$ ; $\mathrm{N}\equiv \mathrm{N}$ Công thức electron Công thức Lewis Công thức cấu tạo

Giữa hai nguyên tử nitrogen có ba cặp electron dùng chung (biểu diễn bằng ba gạch nối), đó là liên kết ba.

Quan sát mô hình và cho biết số liên kết đơn, liên kết đôi, liên kết ba trong mỗi phân tử.

Độ âm điện đặc trưng cho khả năng hút electron của nguyên tử khi hình thành liên kết hoá học. Dựa vào sự khác nhau về độ âm điện giữa các nguyên tử tham gia liên kết, có thể dự đoán được loại liên kết giữa hai nguyên tử đó (Bảng 12.1):

Bảng 12.1. Mối quan hệ giữa hiệu độ âm điện với liên kết hoá học

Ví dụ:

Liên kết cộng hoá trị phân cực có thể được coi là dạng trung gian giữa liên kết cộng hoá trị không phân cực và liên kết ion.

Phân tử $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ tạo thành từ 2 nguyên tử H ($1\mathrm{s}{\phantom{X}}^1$). Khi 2 nguyên tử H tiến lại gần nhau, hạt nhân của nguyên tử này hút đám mây electron của nguyên tử kia, hai orbital nguyên tử xen phủ vào nhau một phần. Vùng xen phủ có mật độ điện tích âm lớn, làm tăng lực hút của mỗi hạt nhân với vùng này và làm cân bằng lực đẩy giữa hai hạt nhân, để hai nguyên tử liên kết với nhau.

Trong phân tử $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$, khoảng cách giữa tâm của hai hạt nhân nguyên tử H (độ dài liên kết $\mathrm{H}-\mathrm{H}$) là $74\text{ pm}$, ngắn hơn tổng bán kính của hai nguyên tử H ($106\text{ pm}$). Phân tử $\mathrm{H}{\phantom{X}}_2$ bền hơn và có năng lượng thấp hơn tổng năng lượng của hai nguyên tử H riêng rẽ.

Phân tử HF tạo thành khi orbital $1\mathrm{s}$ của nguyên tử H ($1\mathrm{s}{\phantom{X}}^1$) xen phủ với orbital $2\mathrm{p}$ của nguyên tử F ($2\mathrm{s}{\phantom{X}}_{\phantom{}}^{\phantom{22}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}22}\mathrm{p}{\phantom{X}}^5$) theo trục liên kết, tạo liên kết cộng hoá trị giữa H và F, vùng xen phủ càng lớn thì liên kết càng bền.

Phân tử $\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{X}}_2$ tạo thành khi hai orbital $3\mathrm{p}$ của hai nguyên tử Cl ($3\mathrm{s}{\phantom{X}}_{\phantom{}}^{\phantom{23}}{\phantom{X}}_{\phantom{2}}^{\phantom{2}23}\mathrm{p}{\phantom{X}}^5$) xen phủ theo trục liên kết của hai nguyên tử Cl.

Trong các trường hợp xen phủ trên, để vùng xen phủ cực đại, các orbital sẽ xen phủ với nhau theo trục liên kết. Sự xen phủ như thế gọi là xen phủ trục, tạo ra liên kết $\sigma$. Các liên kết cộng hoá trị đơn đều là liên kết $\sigma$. Trong liên kết $\sigma$, mật độ xác suất tìm thấy electron lớn nhất dọc theo trục liên kết.

Sự xen phủ, trong đó trục của các orbital tham gia liên kết song song với nhau và vuông góc với đường nối tâm của hai nguyên tử liên kết, được gọi là xen phủ bên. Sự xen phủ bên tạo ra liên kết $\pi$ (pi) (Hình 12.12).

Ở những liên kết đôi và ba (như trong phân tử $\mathrm{N}{\phantom{X}}_2$, $\mathrm{C}{\phantom{X}}_2\mathrm{H}{\phantom{X}}_4$,...), ngoài liên kết $\sigma$ còn có liên kết $\pi$.

Liên kết đôi gồm một liên kết $\sigma$ và một liên kết $\pi$. Liên kết ba gồm một liên kết $\sigma$ và hai liên kết $\pi$.

Ví dụ: Để phá vỡ 1 mol liên kết $\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{l}$ thành các nguyên tử H và Cl (ở thể khí) theo phương trình:

cần năng lượng là $432\text{ kJ}$, nên năng lượng liên kết $\mathrm{H}-\mathrm{C}\mathrm{l}$ là $\mathrm{E}{\phantom{X}}_b=432\text{ kJ/mol}$.

Bảng 12.2. Năng lượng liên kết trung bình của một số liên kết hoá học(*)

Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền của liên kết. Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền và phân tử càng khó bị phân huỷ.