Giáo án Lai hóa obitan nguyên tử

 1. Khái niệm về sự lai hoá:
H
H
H
H
C
H
H
H
C
H
 	Để đưa ra khái niệm về sự lai hoá, sách giáo khoa đã đưa ra ví dụ về phân tử CH4. Từ công thức cấu tạo của phân tử CH4 : 
Nguyên tử C làm tâm và 4 nguyên tử H là 4 đỉnh của tứ diện đều và các góc liên kết HCH đều bằng 1090 28’ 
 	Mà từ cấu hình electron của nguyên tử C*
2s1
2s1
2p3
C*
 	Thấy rằng 4 electron hoá trị tạo ra 4 liên kết C- H không giống nhau ( gồm 1 electron s và 3 electron p ) mà vẫn tạo được 4 liên kết giống hệt nhau. Để giải thích hiện tượng này các nhà hoá học Slây – tơ và Pau – linh đã đề ra thuyết lai hoá , theo thuyết này đã có sự tổ hợp “trộn lẫn” một số obitan trong một nguyên tử, và trong trường hợp trên chính là obitan 2s đã tổ hợp “ trộn lẫn” với 3 obitan 2p để tạo ra 4 obitan lai hoá sp3 giống hệt nhau, bốn obitan lai hoá này xen phủ với 4 obitan 1s của 4 nguyên tử H tạo ra 4 liên kết C- H hoàn toàn giống nhau.
 	Sự lai hoá obitan nguyên tử là sự tổ hợp “ trộn lẫn” một số obitan trong một nguyên tử để được từng ấy obitan lai hoá giống nhau nhưng định hướng khác nhau trong không gian.
2. Điều kiện để trạng thái lai hoá obitan của nguyên tử xảy ra và tạo được liên kết bền:
 - Các obitan chỉ được lai hoá với nhau khi năng lượng của chúng xấp xỉ bằng nhau.
 - Mật độ electron của các obitan nguyên tử tham gia lai hoá phải đủ lớn để độ xen phủ của obitan lai hoá với obitan nguyên tử khác đủ lớn để tạo ra liên kết bền.
3. Các kiểu lai hóa thường gặp:
 a. Lai hoá sp: Là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 2 obitan lai hoá sp nằm thẳng hàng với nhau hướng về hai phía- lai hoá đường thẳng. Cần cho học sinh thấy rõ những loại hợp chất có kiểu lai hoá sp thường gặp có dạng AB2 như: BeCl2, ZnCl2, BeH2 hay C2H2
 Lai hoá sp là nguyên nhân dẫn đến tính thẳng hàng ( góc liên kết bằng 1800 ) của các liên kết trong những phân tử trên.
 b. Lai hoá sp2: Là sự tổ hợp của 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyên tử tạo thành 3 obitan lai hoá sp2 cùng nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ tâm đến đỉnh của tam giác đều – lai hoá tam giác.Thực tế hình dạng của phân tử BF3 là hình dạng tam giác đều nên ta chọn kiểu lai hoá sp2 để giải thích liên kết. Giáo viên giới thiệu những hợp chất AB3 có kiểu lai hoá sp2 thường gặp như BF3, BCl3, SO3 hay C2H4
 c. Lai hoá sp3: Là sự tổ hợp của 1 obitan s với 3 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 4 obitan lai hoá sp3 định hướng từ tâm đến 4 đỉnh của một tứ diện đều – lai hoá tứ diện. Sách giáo khoa giới thiệu kiểu lai hoá sp3 thường gặp ở các nguyên tử O,N,C như phân tử H2O, NH3,, CH4.Giáo viên cần giới thiệu luôn dạng phân tử thường gặp kiểu lai hoá này là AB4, ví dụ: CCl4, NH4+  
 *Ngoài ba kiểu lai hoá sp, sp2, sp3 còn có các kiểu lai hoá sau:
 - Lai hoá sp3d ( lưỡng chóp tam giác)
 	1AO s + 3AO p + 1AO d => 5 AO sp3d
 - Lai hoá dsp2 ( vuông phẳng )
 	1AO d + 1AO s + 2AO p => 4 AO sp2d
 - Lai hoá sp3d2 ( lưỡng chóp tứ giác hay bát diện )
 	1AOs + 3AO p + 2AO d => 6 AO sp3d2 
 	Thành tựu to lớn nhất của thuyết lai hoá là giải thích hình dạng của một số phân tử. Chẳng hạn: 
Kiểu
phân tử
Kiểu
lai hoá ở A
Hình dạng
Phân tử
Góc
hoá trị
Các phân tử ví dụ
AB2
sp
Đường thẳng
1800
BeCl2, ZnCl2, CO2
AB3
sp2
Tam giác
1200
BF3, BCl3, SO3
AB4
sp3
Tứ diện
109028’
CH4, CCl4, NH4+, 
AB4
dsp2
Vuông
900
PtCl42-, Cu(NH3)42-
AB5
sp3d
Lưỡng chóp
900 và 1200
PCl5
AB6
sp3d2
Bát diện
900
SF6, SiF62-
 	Kiểu lai hoá phụ thuộc vào cấu tao nguyên tử nguyên tố trung tâm nên sẽ phụ thuộc vào vị trí của nguyên tố trong bảng tuần hoàn. Bảng dưới đây hệ thống lại khả năng lai hoá các obitan của nguyên tử các nguyên tố và số phối trí tối đa mà nguyên tử có theo chu kỳ
Nguyên tố chu kỳ
Kiểu lai hoá và số phối trí ( viết trong dấu ngoặc )
Chu Kỳ II
Chu kỳ III
Chu kỳ IV
Chu kỳ V
Chu kỳ VI
 sp (2), sp2 (3), sp3 (4)
 sp3 (4), dsp3 (5), d2sp3 (6), sp3d2 (6)
 sp3 (4), dsp3 (5), d2sp3 (6), sp3d2 (6)
 d2sp3 (6), d2sp3f (7)
 d2sp3 (6), d2sp3f (7)
4. Cách phát hiện kiểu lai hoá và dạng hình học của một số phân tử đơn giản: 
Việc chọn kiểu lai hoá nào để giải thích sự liên kết trong phân tử tuỳ thuộc vào cấu trúc hình học thực nghiệm của phân tử. Tuy nhiên có thể dùng một số lý thuyết hay hoá lượng tử để xác định kiểu lai hoá mà không dựa vào giá trị thực nghiệm:
 	Kiểu lai hoá và hình dạng phân tử phụ thuộc vào số liên kết và số cặp electron hoá trị không tham gia liên kết của nguyên tử trung tâm. 
 	Xét phân tử có dạng: A XnEm , với A là nguyên tử trung tâm liên kết với n nguyên tử X bằng n liên kết và A có m cặp electron hoá trị không tham gia liên kết thì:
 	-Nếu n + m = 2 => A có lai hoá sp
 	-Nếu n + m = 3 => A có lai hoá sp2
 	-Nếu n + m = 4 => A có lai hoá sp3
 	-Nếu n + m = 5 => A có lai hoá sp3d
 	-Nếu n + m = 6 => A có lai hoá sp3d2 
Cụ thể: 
+)Trường hợp n + m = 2 . Nguyên tử trung tâm A ở trạng thái lai hoá sp
 Như: BeX2 , ZnX2 , BeH2, CO2Phân tử có dạng đường thẳng, góc liên kết là1800
+) Trường hợp n + m= 3 Nguyên tử trung tâm A ở trạng thái lai hoá sp2 . 
 Nếu phân tử hay ion có dạng AX3 chẳng hạn BF3 , AlCl3, SO3phân tử có dạng tam giác đều, góc liên kết là 1200 
 Nếu phân tử có dạng AX2E chẳng hạn SnCl2, SO2do cặp electron tự do chiếm không gian lớn hơn cặp electron liên kết nên góc liên kết hẹp lại và < 1200 
+) Trường hợp n + m = 4. Nguyên tử trung tâm A ở trạng thái lai hoá sp3 
 Nếu phân tử hoặc ion có dạng AX4 chẳng hạn CH4, NH4+, SO42-thì nó có dạng tứ diện đều, góc liên kết là 109028’ 
 Nếu phân tử có dạng: AX3E chẳng hạn NH3, PH3 .Phân tử có dạng tháp tam giác, cặp electron tự do chiếm không gian lớn hơn cặp electron liên kết nên góc liên kết < 109028’.
 Nếu phân tử có dạng AX2E2 chẳng hạn phân tử H2O, cặp electron tự do chiếm không gian lớn hơn cặp electron liên kết nên góc liên kết < 109028’.
 Nếu phân tử có dạng AXE3 chẳng hạn phân tử HF ; Phân tử có cấu tạo thẳng, góc liên kết là 1800 
+) Trường hợp n + m = 5: Nguyên tử trung tâm ở trạng thái lai hoá sp3d chẳng hạn phân tử có dạng AX5 như PCl5 – phân tử này có hình lưỡng tháp tam giác.
+) Trường hợp n + m = 6: Nguyên tử trung tâm ở trạng thái lai hoá sp3d2 
 Nếu phân tử hoặc ion có dạng AX6 chẳng hạn SF6 thì phân tử có dạng bát diện đều.
 Nếu phân tử hoặc ion có dạng AX5E chẳng hạn BrF5 thì phân tử có dạng tháp vuông.
 Nếu phân tử hoặc ion có dạng AX4E2 chẳng hạn XeF4 phân tử có dạng vuông phẳng.
Có thể coi tổng m + n là tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm. Lúc đó:
 - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 2 => lai hoá sp
 - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 3 => lai hoá sp2
 - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 4 => lai hoá sp3
 - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 5 => lai hoá sp3d
 - Nếu tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm là 6 => lai hoá sp3d2
* Để áp dụng lý thuyết về sự lai hoá các obitan nguyên tử, giải thích sự hình thành liên kết cộng hoá trị trong phân tử cần cho học sinh làm các bước sau:
 - Thiết lập công thức cấu tạo phân tử, có lưu ý đến các cặp electron tự do.
 - Xác định tổng số nhóm định cư xung quanh nguyên tử trung tâm. Mỗi nguyên tử hay (nhóm nguyên tử) liên kết với nguyên tử trung tâm và mỗi cặp electron tự do của nguyên tử trung tâm được coi là một nhóm định cư .
 - Dựa trên số nhóm định cư, xác định kiểu lai hoá của nguyên tử trung tâm để từ đó dự đoán hình dạng phân tử.
*Việc xác định dạng hình học của phân tử còn phụ thuộc vào số cặp electron tự do ở nguyên tử trung tâm:
-Lai hoá sp2 tạo dạng tam giác khi ba nhóm định cư đều là nguyên tử hay nhóm nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm. Nếu có một cặp electron tự do, phân tử còn có dạng chữ V. 
 	-Lai hoá sp3 tạo dạng tứ diện khi bốn nhóm định cư đều là nguyên tử hay nhóm nguyên tử liên kết với nguyên tử trung tâm. Nếu có một cặp electron tự do, phân tử còn dạng tháp đáy tam giác và nếu có hai cặp electron tự do thì phân tử còn có dạng chữ V. 
èTrong một số trường hợp có sự sai lệch về góc liên kết trên thực tế có khác so với lý thuyết. Ví dụ: trong phân tử H2O, NH3 các góc liên kết HOH(104,50) góc HNH (107,00) mặc dù các nguyên tử trung tâm O, N đều ở trạng thái lai hoá sp3. ở đây chúng ta cần phải hiểu sự sai lệch góc hoá trị do cặp electron không tham gia liên kết chiếm obitan lai hoá khuếch tán tương đối rộng hơn so với obitan lai hoá chiếm bởi cặp electron liên kết (tạo thành liên kết) nên có tác dụng đẩy các cặp electron khác mạnh hơn so với cặp electron liên kết.
 	Tuy nhiên để giải thích đúng hình dạng của phân tử, ngoài sự lai hoá còn vận dụng thêm một số giả thiết nữa. Ví dụ trong liên kết đôi, ba khi xét cấu trúc hình học của phân tử chủ yếu người ta chỉ chú ý đến liên kết vì chỉ liên kết mới quyết định hướng liên kết, tuy nhiên theo quy tắc Gillespie ( Di- let- pi) thì đám mây electron của liên kết đôi xốp hơn chiếm khoảng không gian lớn hơn đám mây liên kết đơn .Vì vậy, trong phân tử AX3 ( lai hoá sp2 ) có một liên kết thì góc liên kết sẽ lớn hơn 1200 và tất nhiên góc còn lại sẽ bé hơn 1200.
 Chẳng hạn trong phân tử HCHO có các góc liên kết như sau:
1220
O
C
H
H
116 0
 Còn đối với những phân tử sau đây, các nguyên tử trung tâm đều ở cùng một kiểu lai hoá sp3 của các obitan nhưng sự biến đổi của góc hoá trị được giải thích như sau:
 Góc hoá trị giảm xuống vì vai trò của s trong sự lai hoá sp3 giảm xuống
 Góc hoá trị H2O H2S H2Se H2Te
 Giảm xuống 1050 920 910 900
 vì số cặp NH3 PH3 AsH3 SbH3
electron tự do 1070 940 920 900 
 tăng lên CH4
 1090 28’ 
5. Vai trò của sự xen phủ obitan và thuyết lai hoá:
 	Như chúng ta đã đặt vấn đề khi đưa ra khái niệm về sự lai hoá, đó là thuyết lai hoá giải thích được hình dạng của một số phân tử mà theo thuyết liên kết cộng hoá trị thuần tuý sẽ không giải thích được hoặc giải thích bằng thuyết lai hoá sẽ sát với thực nghiệm hơn.
Dựa vào lý thuyết về sự xen phủ chúng ta có thể giải thích được những trường hợp hình thành hay không hình thành liên kết hoá học; liên kết tạo ra bền ( liên kết ) hay không bền ( liên kết ).
6. Một số bài tập vận dụng: 
 	Ví dụ 1: Dựa vào sự lai hoá, mô tả cấu trúc của các phân tử sau dưới dạng xen phủ obitan nguyên tử và cho biết dạng hình học của mỗi phân tử:
 	a. BeH2 b. BF3 c. CH4 
 	HD: muốn dựa vào sự lai hóa để mô tả cấu trúc phân tử thì trước hết phải xét cấu tạo nguyên tử trung tâm Be, B, C; xác định đúng công thức cấu tạo phẳng của các phân tử – nhất là xác định tổng số liên kết và số cặp electron không liên kết của nguyên tử trung tâm, kết hợp với cấu hình electron hoá trị của nguyên tử đó, từ đó xác định được trạng thái lai hoá của nguyên tử trung tâm và cách hình thành liên kết cộng hoá trị.
 BeH2
 BF3
 CH4
Cấu hình
electron
4Be 	
 2s1	2p1
1H
 1s1
5B
 2s1 2p2
9F
 2s2	 2p5
6C
 2s1	 2p3
 1H
 1s1
Công thức
 câú tạo
 H Be H
 F B F
 F
 H
 H C H
 H
 Nhóm
 định cư
 2
 3
 4
Lai hoá
 sp
 sp2
 sp3
 Dạng 
 hình
 học
 Đường thẳng
 Tam giác
 Tứ diện
Ví dụ 2: Hãy mô tả sự hình thành liên kết và cấu tạo của phân tử etan C2H6
 	HD: 
2s1
2p3
6C*
 	 Trong phân tử C2H6 hai nguyên tử C đều ở trạng thái lai hoá sp3, mỗi một obitan lai hoá có một electron độc thân. ở mỗi nguyên tử C, ba obitan lai hoá sp3 xen phủ với ba obitan1s của H có một electron độc thân tạo thành ba liên kết C- H. Hai obitan lai hoá sp3 còn lại ở hai nguyên tử C sẽ xen phủ với nhau tạo thành liên kết C-C. Tất cả những liên kết C – H và C – C đó là liên kết và là liên kết đơn. Các góc liên kết CCH, HCH đều có giá trị 1090 28’. Phân tử C2H6 có cấu tạo không gian:
C
C
 	Ví dụ 3 : Hãy cho biết dạng hình học của các phân tử sau đây: CO2, HNO3, SO2, H2SO4 , NH3, H2O.
 	HD: cần xác định số nhóm định cư xung quanh các nguyên tử trung tâm: C, N, S, O.
-Trong phân tử CO2 xung quanh nguyên tử trung tâm C có 2 nhóm định cư là 2 ngưyên tử O. 
-Trong phân tử HNO3 xung quanh nguyên tử trung tâm N có 3 nhóm định cư là 2 ngưyên tử O và 1 nhóm – OH.
 	-Trong phân tử SO2 xung quanh nguyên tử trung tâm S có 3 nhóm định cư là 2 nguyên tử O và một cặp electron không tham gia liên kết.
 	-Với phân tử H2SO4 xung quanh nguyên tử trung tâm S có 4 nhóm định cư gồm 2 nguyên tử O và 2 nhóm OH
 	-Với phân tử NH3 ,xung quanh nguyên tử trung tâm N có 4 nhóm định cư bao gồm 3 nguyên tử N và môt cặp electron chưa tham gia liên kết
 	-Phân tử H2O , xung quanh nguyên tử trung tâm O có 4 nhóm định cư bao gồm 2 nguyên tử O và 2 cặp electron không tham gia liên kết.
 CO2
 HNO3
 SO2
 H2SO4
 NH3
 H2O
Nhóm
định
cư
 2
 3
 3
 4
 4
 4
Kiểu
lai
hoá
sp
sp2
sp2
sp3
sp3
sp3
Dạng 
hình
học
O=C=O
 O
HO N
 O
 S
O O
 OH
 S
HO O
 O
 . .
 N
 H H
 H
 .. ..
 O
 H H
 Đường
 thẳng
Tam giác
 Chữ V
 Tứ diện
Tháp đáy
tam giác
 Chữ V
Ví dụ 4 : Hãy cho biết cấu trúc hình học của các phân tử: PF3 , PCl3, PH3 và hãy so sánh các góc liên kết giữa nguyên tử P với các nguyên tử khác trong phân tử.
HD: viết công thức cấu tạo: 
F
F
F
P
Cl
Cl
Cl
H
H
H
P
P
 Các phân tử trên đều thuộc loại AX3E( lai hoá tứ diện ). Tuy nhiên vì có cặp electron không liên kết nên góc liên kết nhỏ hơn góc tứ diện ( 109028’). Các góc liên kết cũng không đồng nhất vì các phối tử có độ âm điện khác nhau. Độ âm điện của các phối tử càng lớn, đám mây liên kết càng bị đẩy về phía các phối tử và do đó góc liên kết càng nhỏ.
 Vì độ âm điện giảm dần theo chiều: F > Cl > H. Nên góc FPF < góc ClPCl < góc HPH.
 Về vấn đề liên quan góc liên kết vẫn còn những quan điểm trái ngược nhau. Chẳng hạn, khi xét đến phân tử H2S, một số tài liệu cho rằng từ thực nghiệm là phân tử H2S có góc liên kết HSH = 920 ~ 900 nên các obitan của S không lai hoá vì nếu có lai hoá thì S ở trạng thái lai hoá sp3, góc liên kết phải gần với giá trị 109028’. Bên cạnh đó một số tài liệu lại nói rằng trong phân tử H2S thì S ở trạng thái lai hoá sp3. ở đây nguyên tử S có cấu hình electron 3s2 3p4 với 2 electron p độc thân sẽ liên kết với 2 nguyên tử H. Như chúng ta đã biết , trục của các obitan p luôn vuông góc với nhau nên góc HSH đáng lẽ phải là 900 nhưng trong thực tế góc liên kết HSH là 920. Sự sai khác chỉ vài độ giải thích sự lai hoá yêú không rõ rệt.Trong phân tử H2S, nguyên tử S vẫn ở trạng thái lai hoá sp3. 
 S H	
H
H
..
S
920
Hai obitan lai hoá, mỗi một có một cặp electron không liên kết còn hai obitan lai hoá còn lai mỗi một có một electron độc thân che phủ với obitan 1s có electron độc thân của hai nguyên tử H tạo thành hai liên kết cộng hoá trị. Phân tử có cấu tạo: 
 Ví dụ 5: 
 Dựa vào thuyết lai hoá hãy cho biết dạng hình học của hai phân tử: BeCl2 và NF3 Tính định hướng của liên kết cộng hoá trị thuần tuý ( không xét sự lai hoá ) có giải thích được dạng hình học của chúng không? Vì sao?
 HD: Be : 1s2 2s2 Be* : 1s2 2s12p1 
 -> Be có 2 electron độc thân tạo thành 2 liên kết với 2 nguyên tử clo, không còn có cặp electron hoá trị nào không tham gia liên kết -> Be trong BeCl2 lai hoá sp và phân tử BeCl2 có cấu trúc thẳng.
Bằng liên kết cộng hoá trị thuần tuý không khẳng định được cấu trúc thẳng của phân tử BeCl2 vì hướng xen phủ của 2 AO 2p của Be với AO hoá trị của Cl là xác định, còn hướng xen phủ của 2AO 2s của Be với AO hoá trị của Cl thứ hai là không xác định do AO s hình cầu nên xen phủ ở mọi hướng đều có giá trị như nhau.
N: 1s2 2s22p3 -> N có 3 electron độc thân trên 3 AO 2p khác nhau. Các AO 2p này đều nằm thẳng góc với nhau và đó cũng là hướng xen phủ lớn nhất với các hoá trị của 3 nguyên tử F. Vậy theo thuyết liên kết cộng hoá trị thuần tuý, phân tử có hình tháp tam giác với các góc liên kết FNF khoảng 900.
Theo thuyết lai hoá : ở N trong NF3 có sự lai hoá sp3 vì N tạo 3 liên kết với 3 nguyên tử F và vẫn còn một cặp electron hoá trị chưa tham gia liên kết. Vậy phân tử NF3 có hình tháp tam giác và góc FNF gần bằng góc tứ diện đều ( 1090 28’ ). Thực nghiệm xác nhận góc FNF gần bằng 1020, nghĩa là gần với góc tứ diện đều -> vậy cả hai thuyết đều giải thích được cấu hình của phân tử NF3 nhưng thuyết lai hoá dự đoán góc FNF gần sát với kết quả thực nghiệm hơn.