Lý thuyết Hóa học 10 Bài 12: Liên kết cộng hóa trị

- Liên kết cộng hóa trị là liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron chung.

- Cặp electron 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 hóa trị kiểu cho – nhận.

1. Sự tạo thành phân tử có liên kết đơn

a) Sự tạo thành phân tử chlorine

- Mỗi nguyên tử chlorine có 7 electron hóa 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 Cl₂, mỗi nguyên tử đều có 8 electron ở lớp ngoài cùng, thỏa mãn quy tắc octet.

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

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

b) Sự tạo thành phân từ 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 ở lớp ngoài cùng, thỏa mãn quy tắc octet.

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

c) Sự tạo thành phân tử hợp chất có liên kết cho - nhận

- Trong phân tử NH₃, lớp ngoài cùng của nguyên tử nitrogen có 5 electron, trong đó có cặp electron chưa liên kết. Ion H⁺ có orbital trống, không có electron.

- Khi phân tử NH₃ kết hợp với ion H⁺, nguyên tử nitrogen đóng góp cặp electron chưa liên kết để tạo liên kết với ion H⁺ tạo thành NH₄⁺. Khi đó, liên kết cho – nhận được hình thành, nguyên tử nitrogen là nguyên tử cho, ion H⁺ là nguyên tử nhận. Trong ion NH₄⁺, bốn liên kết N – H hoàn toàn tương đương nhau.

2. Sự tạo thành phân tử có liên kết đôi

a) Sự tạo thành phân tử oxygen

- Mỗi nguyên tử oxygen có 6 electron hóa trị, hai nguyên tử oxygen liên kết với nhau bằng cách mỗi nguyên tử đóng góp 2 electron, tạo thành hai cặp electron dùng chung. Trong phân tử O₂, mỗi nguyên tử oxygen đều có 8 electron ở lớp ngoài cùng, thỏa mãn quy tắc octet.

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

b) Sự tạo thành phân tử carbon dioxide

- Nguyên tử carbon có 4 electron hóa trị, nguyên tử oxygen có 6 electron hóa trị. Hai nguyên tử oxygen liên kết với 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 CO₂, mỗi nguyên tử đều có 8 electron ở lớp ngoài cùng thỏa mãn quy tắc octet.

- 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 CO₂ có hai liên kết đôi.

3. Sự tạo thành phân tử có liên kết ba – phân tử nitrogen

- Nguyên tử nitrogen có 5 electron hóa trị, hai nguyên tử nitrogen liên kết với nhau bằng cách mỗi nguyên tử nitrogen đóng góp 3 electron, tạo thành 3 cặp electron dùng chung. Khi đó, trong phân tử N₂, mỗi nguyên tử đều có 8 electron ở lớp ngoài cùng, thỏa mãn quy tắc octet.

- Giữa hai nguyên tử nitrogen có 3 cặp electron dùng chung (biểu diễn bằng ba gạch nối), đó là liên kết ba.

Chú ý:

+ Liên kết trong các phân tử Cl₂; O₂; N₂ … có cặp electron dùng chung không bị hút lệch về phía nguyên tử nào được gọi là liên kết cộng hóa trị không phân cực.

+ Liên kết trong phân tử HCl có cặp electron dùng chung lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn (Cl) được gọi là liên kết cộng hóa trị phân cực.

- Độ âm điện đặc trưng cho khả năng hút electron của nguyên tử khi hình thành liên kết hóa 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.

Ví dụ:

- Trong phân tử HCl, hiệu độ âm điện của Cl và H là: 3,16 – 2,2 = 0,96, do đó liên kết giữa H và Cl là liên kết cộng hóa trị phân cực.

- Trong phân tử NaCl, hiệu độ âm điện của Cl và Na là 3,16 – 0,93 = 2,23, do đó liên kết giữa Na và Cl là liên kết ion.

Chú ý: Tính chất của các chất có liên kết cộng hóa trị

- Trạng thái: Các chất có liên kết cộng hóa trị có thể tồn tại ở các trạng thái: rắn (iodine; đường glucose…); lỏng (nước, ancohol…); khí (hydrogen; carbon dioxide …).

- Tính tan: Nói chung, các chất có liên kết cộng hóa trị phân cực như ethanol, đường … tan nhiều trong nước; các chất có liên kết cộng hóa trị không phân cực như iodine, hydrocarbon ít tan trong nước, tan trong benzene, carbon tetrachloride,…

- Nhiệt độ nóng chảy: Hợp chất cộng hóa trị không có lực hút tĩnh điện mạnh như hợp chất ion nên chúng có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi thấp.

- Khả năng dẫn điện: Nói chung, các chất có liên kết cộng hóa trị không phân cực, không dẫn điện ở mọi trạng thái.

1. Sự xen phủ các orbital nguyên tử tạo liên kết 𝛔 (sigma)

Liên kết được tạo nên từ xen phủ trục của hai AO gọi là liên kết sigma (s).

- Sự xen phủ s – s

- Sự xen phủ s – p

- Sự xen phủ p – p

Chú ý:

+ Các liên kết cộng hóa 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.

2. Sự xen phủ các orbital nguyên tử tạo liên kết 𝛑 (pi)

- 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 liên kết pi (π).

- Ở những liên kết đôi và ba (như trong phân tử N₂; C₂H₄ …), ngoài liên kết σ còn có liên kết π.

- Liên kết đôi gồm một liên kết σ và một liên kết π; liên kết ba gồm 1 liên kết σ và hai liên kết π.

- Năng lượng liên kết (E_b) là năng lượng cần thiết để phá vỡ một liên kết hóa học trong phân tử ở thể khí thành các nguyên tử ở thể khí. Đơn vị của năng lượng liên kết thường là kJ mol^-1.

Ví dụ: Để phá vỡ liên kết H – H trong 1 mol khí H₂ ở 25^oC và 1 bar cần năng lượng là 436 kJ.

- Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền của liên kết. Năng lượng liên kết càng lớn, liên kết đó càng bền.

Ví dụ: Năng lượng liên kết của H – H là 436 kJ mol^-1, của H – I là 299 kJ mol^-1. Như vậy, liên kết H – H bền hơn liên kết H – I.

Chú ý: Dựa vào hiệu giữa năng lượng liên kết của các chất tham gia và tạo thành sau phản ứng có thể biết được phản ứng nào là tỏa nhiệt và phản ứng nào là thu nhiệt.