Mục lục bài họcĐang ở d03-b1

0/18 bài đã học xong

Chương 3 · Chemical Bonding · Bài 1/2 của chương · bài 5/18 của A-Level Chemistry

Ionic and covalent bonding, shapes of molecules and polarity

Liên kết ion, liên kết cộng hoá trị, hình học phân tử và tính phân cực

Lý thuyết · English

Three ways to hold atoms together

Ionic bonding is the electrostatic attraction between oppositely charged ions formed by electron transfer. Covalent bonding is the electrostatic attraction between two nuclei and a shared pair of electrons. In a dative (coordinate) covalent bond, both electrons of the shared pair come from the same atom; once formed it is identical to any other covalent bond.

VSEPR

Electron pairs around a central atom repel one another and take up positions as far apart as possible. Count all pairs — bonding and lone — to fix the arrangement, then name the shape from the positions of the atoms only. Repulsion increases in the order

$$\text{bonding–bonding} < \text{lone–bonding} < \text{lone–lone}$$

so each lone pair squeezes the bond angle by roughly $2.5^\circ$. A double bond counts as one region of electron density.

Electronegativity and polarity

Electronegativity is the ability of an atom to attract the electron pair in a covalent bond. A difference in electronegativity makes a bond polar. A molecule is polar only if the bond dipoles do not cancel: $\ce{CO2}$ has two polar bonds but is non-polar because it is linear, while $\ce{H2O}$ is bent so its dipoles add.

Large electronegativity differences give ionic character; small cations with high charge polarise large anions and give ionic compounds covalent character.

Giải thích tiếng Việt

Ba cách giữ nguyên tử lại với nhau. Liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa các ion trái dấu sinh ra do chuyển hẳn electron. Liên kết cộng hoá trị là lực hút tĩnh điện giữa hai hạt nhân và cặp electron dùng chung nằm giữa chúng — định nghĩa này phải viết ra được, vì đề Cambridge chấm theo đúng chữ "lực hút tĩnh điện" chứ không chấp nhận "hai nguyên tử chia sẻ electron". Trong liên kết cho–nhận, cả hai electron của cặp dùng chung đến từ một nguyên tử; nhưng khi đã hình thành thì nó giống hệt mọi liên kết cộng hoá trị khác về độ dài và độ bền.

Thuyết VSEPR. Các cặp electron quanh nguyên tử trung tâm đẩy nhau và sắp xếp sao cho xa nhau nhất. Đếm tất cả các cặp — cả cặp liên kết lẫn cặp chưa liên kết — để xác định cách sắp xếp, rồi mới gọi tên hình dạng theo vị trí của nguyên tử mà thôi. Thứ tự lực đẩy:

$$\text{liên kết–liên kết} < \text{riêng–liên kết} < \text{riêng–riêng}$$

nên mỗi cặp chưa liên kết ép góc lại khoảng $2{,}5^\circ$. Một liên kết đôi tính là một vùng mật độ electron, không phải hai.

Độ âm điện và tính phân cực. Độ âm điện là khả năng hút cặp electron liên kết về phía mình. Chênh lệch độ âm điện làm liên kết phân cực; nhưng phân tử chỉ phân cực khi các mômen lưỡng cực không triệt tiêu nhau. $\ce{CO2}$ có hai liên kết phân cực mà phân tử không phân cực vì nó thẳng; $\ce{H2O}$ gấp khúc nên hai mômen cộng lại. Cation nhỏ điện tích cao phân cực hoá anion lớn, làm hợp chất ion mang thêm tính cộng hoá trị.

Năm cách sắp xếp gốc, và quy tắc đọc hình phải theo đúng thứ tự hai bước. Bước một: đếm số cặp electron quanh nguyên tử trung tâm — hai cặp cho sắp xếp thẳng $180^\circ$, ba cặp cho tam giác phẳng $120^\circ$, bốn cặp cho tứ diện $109{,}5^\circ$, năm cặp cho lưỡng tháp tam giác ($120^\circ$ trong mặt phẳng và $90^\circ$ theo trục), sáu cặp cho bát diện $90^\circ$. Bước hai: gọi tên hình dạng theo vị trí các nguyên tử, bỏ qua chỗ mà cặp chưa liên kết chiếm. Đây là chỗ hình này quyết định điểm số: $\ce{NH3}$ có bốn cặp nên sắp xếp gốc là tứ diện, nhưng vì một cặp không mang nguyên tử nên hình dạng gọi là chóp tam giác, không phải tứ diện. Tương tự $\ce{ClF3}$ có năm cặp — sắp xếp gốc là lưỡng tháp — nhưng chỉ ba nguyên tử nên nó có dạng chữ T. Trả lời thẳng "tam giác phẳng" cho $\ce{ClF3}$ là đã đếm nguyên tử ngay từ bước một và bỏ qua hai cặp chưa liên kết.

Ví dụ — suy hình dạng và góc liên kết của một ion đa nguyên tử

Xác định hình dạng và góc liên kết gần đúng của ion $\ce{ClF4^-}$, và của phân tử $\ce{SF4}$.

Giải.

Bước 1 — đếm electron hoá trị của nguyên tử trung tâm. Với $\ce{ClF4^-}$: clo có $7$ electron hoá trị, cộng $1$ cho điện tích âm, thành $8$. Bốn electron trong số đó dùng để tạo bốn liên kết với flo, nên còn $4$ electron, tức hai cặp chưa liên kết.

Bước 2 — tổng số cặp. Bốn cặp liên kết cộng hai cặp riêng bằng sáu cặp, nên sắp xếp gốc là bát diện.

Bước 3 — đặt cặp riêng vào chỗ ít đẩy nhau nhất. Trong bát diện, mọi vị trí tương đương nhau, nên hai cặp riêng chọn hai vị trí đối diện qua nguyên tử trung tâm ($180^\circ$) để lực đẩy riêng–riêng nhỏ nhất. Bốn nguyên tử flo còn lại nằm trong một mặt phẳng.

Hình dạng: vuông phẳng, góc $\ce{F-Cl-F}=90^\circ$. Ở đây góc không bị ép lệch, vì hai cặp riêng nằm cân đối hai bên nên chúng ép đều bốn liên kết.

Với $\ce{SF4}$: lưu huỳnh có $6$ electron hoá trị, bốn dùng cho liên kết, còn một cặp riêng. Tổng năm cặp cho sắp xếp lưỡng tháp tam giác.

Cặp riêng luôn chọn vị trí trong mặt phẳng xích đạo, vì ở đó nó chỉ có hai láng giềng ở $90^\circ$, còn nếu đặt theo trục thì có tới ba láng giềng ở $90^\circ$. Kết quả là hình dạng bập bênh, với góc xích đạo bị ép từ $120^\circ$ xuống khoảng $102^\circ$ và góc trục từ $180^\circ$ xuống khoảng $173^\circ$.

Hai câu này minh hoạ cùng một luật: số cặp quyết định khung, số nguyên tử quyết định tên gọi, và vị trí cặp riêng quyết định góc bị ép bao nhiêu.

Ba phân tử này có cùng khung tứ diện mà ba góc khác nhau, và chênh lệch đúng bằng số cặp chưa liên kết. Cả metan, amoniac và nước đều có bốn cặp electron quanh nguyên tử trung tâm, nên khung sắp xếp của cả ba là tứ diện. Nhưng metan có bốn cặp đều là cặp liên kết nên góc giữ nguyên $109{,}5^\circ$; amoniac có một cặp chưa liên kết nên góc tụt còn $107^\circ$; nước có hai cặp chưa liên kết nên tụt tiếp còn $104{,}5^\circ$. Mỗi cặp chưa liên kết ăn mất khoảng $2{,}5^\circ$, và con số ấy đủ đều để dùng làm quy tắc dự đoán. Lý do phải nói ra được khi trả lời: cặp chưa liên kết chỉ bị một hạt nhân giữ nên nó phình rộng hơn và ở gần nguyên tử trung tâm hơn cặp liên kết, vốn bị hai hạt nhân kéo căng ra hai phía. Vì phình rộng hơn nên nó đẩy mạnh hơn, và các liên kết bị dồn lại. Chỉ nói "vì có cặp electron tự do" mà không nêu lực đẩy của cặp riêng lớn hơn thì mất ý chính khi chấm.

Bẫy hay mất điểm — Gọi tên hình dạng theo số nguyên tử thay vì đếm số cặp electron trước. Với $\ce{SO2}$, ba nguyên tử làm người ta viết ngay "thẳng", nhưng lưu huỳnh còn một cặp chưa liên kết nên tổng là ba vùng mật độ electron: khung là tam giác phẳng và phân tử gấp khúc với góc khoảng $119^\circ$. Hậu quả kéo dài: vì gấp khúc nên $\ce{SO2}$ có mômen lưỡng cực, trong khi $\ce{CO2}$ thẳng nên không — hai kết luận trái ngược chỉ vì một cặp electron không nhìn thấy. Quy tắc để không sụp: viết cấu trúc chấm–chéo, hoặc ít nhất đếm electron hoá trị của nguyên tử trung tâm rồi trừ đi số electron dùng cho liên kết, trước khi nghĩ tới hình dạng. Bẫy đi kèm: liên kết đôi tính là một vùng, không phải hai — đếm mỗi liên kết đôi thành hai vùng sẽ cho $\ce{SO2}$ khung tứ diện và một góc sai hẳn.

Phải nhớ — Hai bước cố định cho mọi câu hình học: đếm cặp electron (kể cả cặp chưa liên kết) để lấy khung, rồi gọi tên theo vị trí nguyên tử. Với tính phân cực, luôn hỏi thêm một câu nữa: các mômen lưỡng cực có triệt tiêu nhau không — liên kết phân cực và phân tử phân cực là hai chuyện khác nhau.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Chemical Bonding gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →

← Bài trướcReacting quantities, limiting reagent, titration and yield Bài sau →Intermolecular forces, hydrogen bonding and giant structures