Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá
Trường Đại Học sư phạm hà nội 2
Khoa hoá học
-----------0o0-----------

Nguyễn Thị Thành

Mô hình cấu trúc phân tử của một số chất vô cơ
và ứng dụng trong giảng dạy hoá học
phổ thông

Khoá luận tốt nghiệp đại học
Chuyên ngành: Hoá vô cơ

hà Nội - 2008

1


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá
Trường Đại Học sư phạm hà nội 2
Khoa hoá học
-----------0o0-----------

Nguyễn Thị Thành

Mô hình cấu trúc phân tử của một số chất vô cơ


Hà Nội, ngày 5 tháng 5 năm 2008
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Thành

3


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá
Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu, các số liệu được trình bày trong khoá luận là trung thực và không
trùng với kết quả của các tác giả khác.

Tác giả

Nguyễn Thị Thành

4


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

Mở đầu


Chương 1. Tổng quan
1.1 Lịch sử nghiên cứu vấn đề [11],[12]
Trong lịch sử nghiên cứu hoá học thì vấn đề cấu tạo phân tử và liên kết hoá
học được quan tâm từ rất lâu. Sự phát triển của các học thuyết cấu tạo, liên kết hoá
học và đặc biệt là sự ra đời của thuyết VB có thể tóm tắt qua những giai đoạn sau:
1.1.1 Từ TK XVIII đến TK XIX
Năm 1775 Becman - nhà hoá học Thuỵ Điển đã tìm cách giải thích “ái lực
hoá học” . Theo ông nó chính là khả năng tương tác hay “ lực hút đặc trưng” giữa
các nguyên tử trong phân tử bằng lực hấp dẫn vũ trụ. Đó cũng là quan điểm của các
nhà bác học như Lavoisier, Laplace, Becman, Ber tholet,…
Nhưng những quan điểm này không giải thích được một số đặc điểm của “ái lực hoá
học” như tính bão hoà, tính chọn lọc không tỉ lệ thuận với khối lượng của các hạt
tương tác và giảm nhanh theo khoảng cách.
Vào đầu thể kỷ XIX từ những phát minh trong lĩnh vực tĩnh điện và trong quá
trình điện phân Đavy cho rằng: Những nguyên tử có ái lực tương hỗ đều ở trạng thái
tích điện trái dấu. Và được nhà bác học Berzelius mở rộng năm 1812 cho mọi chất.
Nội dung: “Trong tất cả các hợp chất hoá học, lực liên kết có bản chất tĩnh điện” và
ông phát triển quan điểm trên thành thuyết điện hoá về liên kết. Về cơ bản, quan
điểm về bản chất liên kết hoá học của Berzelius là đúng nhưng những phát triển của
Berzelius lại không hoàn toàn chính xác.
1.1.2 Từ giữa thế kỷ XIX đến cuối thế kỷ XIX

6


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

học của các phân tử. Bởi vậy hiện nay thuyết VB được đưa vào giảng dạy ở bậc Đại
học, Cao đẳng (đối với những trường có dạy Hoá đại cương) và là cơ sở cho các
nghiên cứu về cấu tạo chất của hoá học hiện đại. và đối với học sinh bậc THPT các
em đã bước đầu tìm hiểu về những phạm vi, ứng dụng của thuyết VB qua chương
“Liên kết hoá học” của SGK hoá học 10
1.2 Một số vấn đề liên quan đến cấu trúc hình học của phân tử
Đặc trưng về cấu trúc hình học phân tử xét chủ yếu về vị trí tương đối giữa các
nguyên tử trong phân tử với nhau tạo nên hình dạng không gian. Độ dài liên kết và
góc liên kết
- Góc liên kết: là góc tạo bởi 2 nửa đường thẳng xuất phát từ hạt nhân của một
nguyên tử và đi qua hạt nhân của 2 nguyên tử liên kết trực tiếp với nguyên tử
đó.

 107 0
VD: Phân tử NH3 có góc liên kết HNH

Độ dài liên kết: là khoảng cách giữa 2 hạt nhân của 2 nguyên tử tham gia liên
kết. Độ dài liên kết phụ thuộc vào bản chất của các nguyên tử tham gia liên kết và
bản chất của liên kết. Độ dài của liên kết thường tính bằng Angstron (A0).
VD: - Liên kết H - N có độ dài liên kết là d = 0,71A0
- Liên kết N  N có độ dài liên kết là d = 1,097 A0
- Liên kết N - H có độ dài liên kết là d = 1,014 A0
1.3 Phương pháp VB
- Là một trong hai phương pháp được sử dụng rộng rãi để khảo sát liên kết hoá
học.
1.3.1 Luận điểm của thuyết VB

z
y

y

Hình 1.1- Sự xen phủ s – s(  )
x
x

x

x

z

z

y

y

Hình 1.2 - Sự xen phủ p - p   
x

y

Hình 1.3 - Sự xen phủ p - s   
x

x

Điện tử của nguyên tử a gọi là điện tử 1
Điện tử của nguyên tử b gọi là điện tử 2
1

r12
rb 1

2
ra2

r a1

r b2

a
b
Hình 1.6 – Mô hình
phân tử H2
Toán tử Hamiton
   1 2  1 2  1  1  1  1  1  1
H
1
2
2
2
ra 1 ra 2 rb1 rb 2 r12 R

Trong đó :

1 2 1 2

H
1 1 1 1 1
h2
h2
1 


H

T

U




2  E2       
Với
1
2
2
8m
8m
 R r12 r1a r1b r2a r2b 
h2
h2
1 1 1 1
1 
2 1



Theo qui ước AO viết trước tương ứng với e1, tiếp theo là e2. Viết gọn là :
1   a . b
2   b . a

11


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

ứng với 2 giá trị ms  

1
1
và ms   các hàm riêng của điện tử được ký hiệu
2
2

là:
2
2
2
2
2
2
 T
 T
 e e e e e e

1
2

  H d
  d
2

e2 e2 e2 e2 e2 e2
     )
ra1 rb2 ra 2 rb1 r12 R

Đối với trường hợp 2 điện tử có spin đối song: Khi 2 nguyên tử H tiến lại gần
nhau thì có sự giảm năng lượng của hệ thống.
Đối với trường hợp 2 điện tử có spin song song: Khi 2 nguyên tử H tiến lại
gần nhau, năng lượng của hệ tăng liên tục.
E

12


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

2E

O

0,6



Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

Phương pháp Heitler-London khảo sát về phân tử H2 đã được phát triển và mở
rộng thành phương pháp liên kết hoá trị áp dụng cho mỗi phân tử.
1.3.3.1 Thuyết VB và hoá trị các nguyên tố
Trong bài toán về phân tử H2, Heiler- London đã chứng minh được rằng 2
điện tử trong phân tử H2 phải có spin đối song, kết quả này được mở rộng cho các
phân tử khác: Mỗi liên kết cộng hoá trị được hình thành từ sự ghép đôi của 2 điện tử
độc thân có spin đối song thuộc 2 nguyên tử liên kết. Như vậy nếu một nguyên tử A
có n điện tử độc thân thì A có khả năng tham gia n liên kết và có hoá trị n. Điều đó
có nghĩa là hóa trị của một nguyên tố do số điện tử độc thân của một nguyên tử
thuộc nguyên tố đó quyết định.
Ví dụ: O (Z = 8) : 1s 2 2s2 2p4
1s

2s

2p

O có 2 e độc thân nên có hoá trị II
1.3.3.2 Nguyên lý xen phủ cực đại và tính định hướng hoá trị.
Đối với 2 nguyên tử đồng hạch (trường hợp A  B ) ví dụ như N2 thì sự thừa
nhận mô hình hoá trị định cư xuất phát từ sự ghép đôi các điện tử độc thân
2pza  2pza ;2pxa  2pxb ;2p ya  2p yb thì sự liên kết trong phân tử được mô tả bằng sự xen

phủ của các cặp obitan. Công thức cấu tạo của N2 là N  N .
Đối với 2 nguyên tử dị hạch (như phân tử HCl) thì sự liên kết được mô tả bằng sự
xen phủ của 2 nguyên tử với một điện tử độc thân.
Công thức cấu tạo của HCl là H  Cl


Hình 1.9 – Sự xen phủ các orbital liên kết trong phân tử H2S
S  Z  16  :1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
H  Z  1 :1s

Sự liên kết ở đây được hình thành từ sự xen phủ của obitan :
( 3pzs 1sHa ;3pys 1sHb ).

15


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

Theo nguyên lí xen phủ cực đại: hạt nhân của các nguyên tử H phải trên trục
của obitan p của nguyên tử S nên nếu không có ảnh hưởng của các nguyên tố khác

 900 . Nhưng do có lực đẩy tĩnh điện của các nguyên tử H, xuất
thì góc liên kết HSH

 920 .
hiện do sự phân cực của liên kết S - H,… mà thực tế góc liên kết HSH

1.3.3.3 Sự lai hoá các obitan nguyên tử
Các obitan lai hoá là những tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử của
một nguyên tử. Ta thường gặp các dạng lai hoá sau:
 Lai hoá sp
- Các obitan lai hoá được hình thành từ sự tổ hợp tuyến tính một obitan s với một
obitan p nên gọi là lai hoá sp. Vì trục của hai obitan lai hoá cùng nằm trên một


Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

Tổng quát: 1AO  s  2AO  p  3AO  sp2
x
x

sp 
2

2z

y

z

 sp 

sp 

2

2

1

3

y


Ví dụ: Các phân tử H2O, NH3, CH4,… có lai hoá sp3
* Đối với các nguyên tố họ d, vì các obitan d cũng là những obitan hoá trị
nên các obitan này cũng có khả năng tham gia lai hoá như lai hoá sp2d;sp3d,sp3d 2 ,...
1.3.3.4 Các loại liên kết thường gặp trong phân tử.

17


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

Là liên kết mà sự phân bố mật độ xác suất có mặt ở các điện tử liên kết có đối
xứng quay xung quanh trục liên kết.
Các liên kết  được hình thành do sự xen phủ các obitan s - s, s- p, p - p. dọc
theo trục liên kết (xen phủ trục đầu với đầu).
x

x

z
y

y

Hình 1.13 - Sự xen phủ s - s tạo liên kết s s
x

x


x

x

x

x

z

z
y

y

y

y

Hình 1.16 -Sự xen phủ p – p, p – d tạo liên kết (  )
x

x

z
y

y

Hình 1.17 - Sự xen phủ d - d


H

1.4 Vị trí chương “ Liên kết hoá học” trong sách giáo khoa hoá học 10 trung học
phổ thông. [1]
Năm học 2006 - 2007 là năm học đầu tiên ngành giáo dục - đào tạo chương
trình sách giáo khoa cải cách vào giảng dạy. Chương trình hoá học 10 - THPT cũng
được ban hành với 2 loại sách giáo khoa.
+ Chương trình SGK hoá học 10 chuẩn (dành cho ban cơ sở và ban khoa học xã
hội và nhân văn) gồm 7 chương và tổng số tiết là 2 tiết x 35 tuần = 70 tiết.
+ Chương trình SGK hoá học 10 chuẩn (dành cho ban cơ sở và ban khoa học xã
hội và nhân văn) gồm 7 chương và tổng số tiết là 2 tiết x 35 tuần = 70 tiết.
+ Chương trình SGK hoá học 10 nâng cao (dành cho ban khoa học tự nhiên)
gồm 7 chương và tổng số tiết là 2,5 x 3,5 = 87,5 tiết.
Chương “ Liên kết hoá học” đều nằm ở chương III của mỗi sách. Tuy nhiên
về lượng kiến thức, nội dung kiến thức của hai sách có sự khác nhau.
+ ở sách giáo khoa chuẩn (SGK hoá học 10), chương III gồm có 8 tiết (6 tiết
lí thuyết + 2 tiết luyện tập). Còn ở sách giáo khoa nâng cao (SGK hoá học 10 nâng
cao), chương 3 gồm 13 tiết (10 tiết lí thuyết + 3 tiết luyện tập).
+ Khái niệm về liên kết được nêu vắn tắt ở đầu chương ở sách giáo khoa hoá
học 10 còn ở sách giáo khoa hoá học 10 nâng cao được nêu thành mục riêng.

20


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

- Việc vận dụng thuyết VB đã được đưa ngay vào trong chương III này thể

2.2.2 Phạm vi nghiên cứu
- Nội dung, thuyết VB
- Cấu trúc các chất vô cơ theo VB và khai thác cấu trúc các chất trên mạng
Internet.
- Một số bài tập trắc nghiệm của chương “Liên kết hoá học”.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết bằng phương pháp tra cứu, tổng hợp, phân tích, xử lí
tài liệu, khai thác mạng những nội dung nghiên cứu.
- Thử nghiệm sư phạm: Tìm hiểu thực tế ở trường phổ thông qua các câu hỏi
trắc nghiệm nhiều lựa chọn.
2.4 ý nghĩa khoa học
+ Tiếp cận các phương pháp nghiên cứu cấu tạo chất và sản phẩm của công
nghệ hoá học.

22


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

Chương 3:

Kết quả nghiên cứu và thảo luận
3.1 Cấu trúc phân tử một số chất vô cơ
3.1.1 Các phân tử có cấu trúc thẳng
* Phân tử N2:
N :  Z  7  :1s 2 2s 2 2p3

2s 2

Cl(Z  17) :1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5

1AO  3p của nguyên tử Cl thứ nhất xen phủ với 1AO -3p của nguyên tử Clo thứ hai

tạo liên kết cộng hoá trị không phân cực, phân tử Cl 2 có độ dài liên kết Cl - Cl bằng
1,988A0.
x

x

z
y

y

Hình 3.2 - Sự xen phủ của 2AO nguyên tử Cl

24


Khoá luận tốt nghiệp

Nguyễn Thị Thành – K30A Hoá

 Phân tử CO:
C(Z  6) :1s 2 2s 2 2p 2

2s 2

2p 2