Liên kết cộng hóa trị

1. Sự hình thành liên kết trong các phân tử hydrogen chloride, oxygen và nitrogen

Ví dụ 1:

Sự hình thành liên kết trong phân tử HCl

Giữa nguyên tử hydrogen và nguyên tử chlorine trong phân tử HCl có một cặp electron chung, được biểu diễn bằng một gạch nối “-”, đó là liên kết đơn. Do đó liên kết trong phân tử HCl được biểu diễn là H-Cl.

Ví dụ 2:

Sự hình thành liên kết trong phân tử O₂

Giữa hai nguyên tử oxygen trong phần tử O, có hai cặp electron chung, được biểu diễn bằng hai gạch nối “=”, đó là liên kết đôi. Do đó liên kết trong phân tử O, được biểu diễn là O=O.

Ví dụ 3:

Sự hình thành liên kết trong phân tử N₂

Giữa hai nguyên tử nitrogen trong phân tử N, có ba cặp electron chung, được biểu diễn bằng ba gạch nối “≡”, đó là liên kết ba. Do đó liên kết trong phân tử N, được biểu diễn là

Các công thức H-Cl, O=O và N≡N gọi là công thức cấu tạo của HCl, O₂ và N_2.

2. Cách viết công thức Lewis

Công thức Lewis biểu diễn sự hình thành liên kết hóa học giữa các nguyên tử trong một phần tử. Công thức Lewis của một phân tử được xây dựng từ công thức electron của phân tử, trong đó mỗi cặp electron chung giữa hai nguyên tử tham gia liên kết được thay bằng một gạch nối"-".

Công thức electron, công thức Lewis và công thức cấu tạo của một số phân tử

Liên kết cộng hóa trị được hình thành giữa các nguyên tử của cùng một nguyên tố hoặc giữa các nguyên tử của các nguyên tố không khác nhau nhiều về độ âm điện.

1. Khái niệm về liên kết cho – nhận

Trong trường hợp cặp electron chung giữa hai nguyên tử tham gia liên kết chỉ do một nguyên tử đóng góp thì liên kết cộng hoá trị giữa hai nguyên tử là liên kết cho – nhận.

Ví dụ: Sự hình thành liên kết cho - nhận trong ion ammonium

Sơ đồ tạo liên kết cho nhận trong ion NH₄⁺

• Trong phân tử NH₃, nguyên tử N còn 1 cặp electron chưa tham gia liên kết, ion H⁺ có orbital trống, không chứa electron. Khi cho NH₃ kết hợp với ion H⁺, nguyên tử N sử dụng một cặp electron chưa liên kết làm cặp electron chung với ion H⁺ tạo thành ion NH₄⁺.
• Nguyên tử N đóng góp cặp electron chung nên là nguyên tử cho.
• Ion H⁺ không đóng góp electron, đóng vai trò nhận electron.

1. Phân biệt liên kết cộng hoá trị phân cực và không phân cực

Ta đã biết độ âm điện của một nguyên tử đặc trưng cho khả năng hút electron của nguyên tử đó khi tham gia hình thành các liên kết hoá học.

Quan sát công thức electron của các phân tử dưới đây, các cặp electron chung trong các phần tử O₂, và N₂ không lệch về phía nguyên tử nào, trong khi với các phân tử HCl, NH₃ và CO₂ cặp electron chung lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Liên kết cộng hoá trị trong các phân tử O₂, N₂ là liên kết cộng hóa trị không phân cực, trong khi các phân tử HCl, NH₃ và CO₂ là liên kết cộng hóa trị phân cực.

2. Phân biệt loại liên kết trong phân tử dựa trên giá trị hiệu độ âm điện

Có thể dựa vào hiệu độ âm điện giữa hai nguyên tử tham gia liên kết để dự đoán loại liên kết giữa chúng theo Bảng 10.2.

Hiệu độ âm điện (△)	Loại liên kết
0 ≤ |△| < 0,4	Cộng hóa trị không phân cực
0,4 ≤ |△| < 1,7	Cộng hóa trị phân cực
|△| ≥ 1,7	Ion

Hiệu độ âm điện và loại liên kết tương ứng

Hiệu độ âm điện và loại liên kết trong một số phân tử

Ví dụ 1: Xác định loại liên kết trong các phân tử sau

• Trong phân tử MgCl₂

Hiệu độ âm điện của Cl và Mg là: 3,16 - 1,31 = 1,85 > 1,7 

⇒ Liên kết Mg-Cl trong phân tử MgCl₂ là liên kết ion.

• Trong phân tử C₂H₄

Hiệu độ âm điện của C và H là: 2,55 - 2,2 = 0,35

⇒ Liên kết C-H trong phân tử C₂H₄ là liên kết cộng hóa trị không phân cực.

Ví dụ 2: X, A, Z là những nguyên tố có số điện tích hạt nhân là 9, 19, 8.

a) Viết cấu hình electron nguyên tử của các nguyên tố đó.

b) Dự đoán liên kết hóa học có thể có giữa các cặp X và A, A và Z, Z và X.

Hướng dẫn giải

a) ₉X : 1s²2s²2p⁵ Đây là F có độ âm điện là 3,98.

₁₉A : 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s¹ Đây là K có độ âm điện là 0,82.

₈Z: 1s²2s²2p⁴ Đây là O có độ âm điện là 3,44.

b) Cặp X và A, hiệu số độ âm điện là: 3,98 – 0,82 = 3,16, có liên kết ion.

Cặp A và Z, hiệu số độ âm điện là: 3,44 – 0,82 = 2,62, có liên kết ion.

Cặp X và Z, hiệu số độ âm điện là: 3,98 – 3,44 = 0,54, có liên kết cộng hóa trị có cực.

1. Tìm hiểu sự hình thành liên kết σ và liên kết π

Liên kết cộng hoá trị được hình thành khi các orbital nguyên tử của hai nguyên tố xen phủ lẫn nhau. Sự xen phủ này có thể xảy ra theo hai cách là xen phủ trục và xen phủ bên, hình thành nên hai loại liên kết cộng hoá trị tương ứng là liên kết σ và liên kết π.

Sự xen phủ giữa hai orbital 1s của hai nguyên tử hydrogen hình thành liên kết σ trong phân tử hydrogen

Sự xen phủ giữa orbital 1s của nguyên tử hydrogen và orbital 2p của nguyên tử fluorine hình thành liên kết σ trong phân tử hydrogen fluoride

Sự xen phủ giữa orbital 2p của nguyên tử fluorine hình thành liên kết σ trong phân tử fluorine

Sự xen phủ các AO hình thành liên kết σ và liên kếtπ trong phân tử oxygen

2. Khái niệm năng lượng liên kết (E_b)

Cho các phương trình phản ứng sau:

H₂ (g) → 2H (g) E_b = 432 kJ/mol (1)

N₂ (g) → 2N (g) E_b = 945 kJ/mol (2)

Ta nói năng lượng liên kết E_b trong phân tử H₂ và N₂ lần lượt là 432 kJ/mol và 945 kJ/mol. Điều này có nghĩa cân cung cấp 432 kg và 945 kg để lần lượt phá vỡ 1 mol khí H₂ và 1 mol khí N₂ thành các nguyên tử ở thể khí.

Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền của liên kết. Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền và ngược lại.

Đối với các phần tử nhiều nguyên tử, tổng năng lượng liên kết trong phân tử bằng năng lượng cần cung cấp để phá vỡ hoàn toàn 1 mol phân tử đó ở thể khi thành các nguyên tử thể khí.

Ví dụ: Tổng năng lượng liên kết trong phân tử CH₄ là 1 660 kJ/mol.

CH₄ (g) → C (g) + 4H (g) E_b = 1 660 kJ/mol

Do đó, năng lượng liên kết trung bình của một liên kết C-H là 1660 : 4 = 415 kJ/mol.