Lý thuyết Liên kết cộng hóa trị – Hóa 10 Kết nối tri thức

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

A. Lý thuyết Liên kết cộng hóa trị

I. Sự tạo thành liên kết cộng hóa trị

Nguyên tử phi kim có xu hướng nhận thêm electron để đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm.

Khi hai nguyên tử phi kim kết hợp với nhau tạo thành phân tử, chúng sẽ góp chung một hoặc nhiều electron để tạo thành các cặp electron dùng chung. Các cặp electron dùng chung được tính cho cả hai nguyên tử trong phân tử nên mỗi nguyên tử đều đạt cấu hình bền vững theo quy tắc octet. Cặp electron dùng chung tạo ra liên kết cộng hóa trị giữa hai nguyên tử.

Cặp electron dùng 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:

Ví dụ:

A× + ×B $\to$ A : B hoặc A – B (liên kết A – B là liên kết cộng hóa trị).

- 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.

Ví dụ:

Khi cặp electron dùng chung chỉ do nguyên tử B đóng góp, nguyên tử B là nguyên tử cho electron, nguyên tử A là nguyên tử nhận electron. Kí hiệu B $\to$ A.

1. Sự tạo thành phân tử có liên kết đơn

- Phân tử chlorine (Cl₂):

Cấu hình electron của nguyên tử Cl (Z = 17): [Ne]3s²3p⁵ (có 7 electron hóa trị).

Hai nguyên tử chlorine liên kết với nhau bằng cách mỗi nguyên tử chlorine góp 1 electron, tạo thành 1 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 (Li-uýt):

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

- Phân tử hydrogen chloride (HCl):

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 bền vững của nguyên tử khí hiếm helium) 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 1 gạch nối), đó là liên kết đơn.

- 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 $N{H}_4^{+}$. Khi đó, liên kết cho – nhận được hình thành, nguyên tử nitrogen là nguyên tử cho, ion H⁺ là nguyên tử nhận. Trong ion $N{H}_4^{+}$, bốn liên kết N – H hoàn toàn tương đương nhau.

2. Sự tạo thành phân tử có liên kết đôi

- Phân tử oxygen (O₂):

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 2 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.

- Phân tử carbon dioxide (CO₂):

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 4 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.

Phân tử CO₂ có hai liên kết đôi.

3. Sự tạo thành phân tử có liên kết ba

Phân tử nitrogen (N₂):

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 ba cặp electron dùng chung (biểu diễn bằng ba gạch nối), đó là liên kết ba.

Kết luận:

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

- 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.

II. Độ âm điện và 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: 3,16 – 2,20 = 0,96.

$\to$ Liên kết giữa H và Cl là liên kết cộng hóa trị phân cực.

- Trong phân tử CO₂, hiệu độ âm điện của O và C: 3,44 – 2,55 = 0,89.

$\to$ Liên kết giữa C và O là liên kết cộng hóa trị phân cực. Tuy nhiên, do phân tử CO₂ có cấu tạo thẳng nên độ phân cực của hai liên kết đôi (C=O) triệt tiêu nhau, dẫn đến toàn bộ phân tử không bị phân cực.

- Trong phân tử NaCl, hiệu độ âm điện của Cl và Na: 3,16 – 0,93 = 2,23.

$\to$Liên kết giữa Na và Cl là liên kết ion.

Chú ý:

Liên kết cộng hóa trị phân cực có thể được coi là dạng trung gian giữa liên kết công hóa trị không phân cực và liên kết ion.

III. Mô tả liên kết cộng hóa trị bằng sự xen phủ các orbital nguyên tử

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

- Sự xen phủ s – s:

Phân tử H₂ tạo thành từ hai nguyên tử H (1s¹). Khi 2 nguyên tử H tiến lại gần nhau, hạt nhân của nguyên tử này hút đám mây electron của nguyên tử kia, hai orbital nguyên tử xen phủ vào nhau một phần. Vùng xen phủ có mật độ điện tích âm lớn, làm tăng lực hút của mỗi hạt nhân với vùng này và làm cân bằng lực đẩy giữa hai hạt nhân, để hai nguyên tử liên kết với nhau.

- Sự xen phủ s – p:

Phân tử HF tạo thành khi orbital 1s của nguyên tử H (1s¹) xen phủ với orbital 2p của nguyên tử F (2s²2p⁵) theo trục liên kết, tạo liên kết cộng hóa trị giữa H và F, vùng xen phủ càng lớn thì liên kết càng bền.

- Sự xen phủ p – p:

Phân tử Cl₂ tạo thành khi hai orbital 3p của hai nguyên tử Cl (3s²3p⁵) xen phủ theo trục liên kết của hai nguyên tử Cl.

Nhận xét:

Các liên kết cộng hóa trị đơn đều là liên kết s. Trong liên kết s, 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 p (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 ra liên kết p (pi).

Liên kết đôi gồm một liên kết s và một liên kết p. Liên kết ba gồm một liên kết s và hai liên kết p.

IV. Năng lượng liên kết cộng hóa trị

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. Năng lượng liên kết thường có đơn vị là kJ/mol.

Ví dụ: Để phá vỡ 1 mol liên kết H–Cl thành các nguyên tử H và Cl (ở thể khí) theo phương trình:

HCl(g) $\to$ H(g) + Cl(g)

cần năng lượng là 432 kJ, nên năng lượng liên kết H–Cl là E_b = 432 kJ/mol.

Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền của liên kết. Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền và phân tử càng khó bị phân hủy.

B. Trắc nghiệm Liên kết cộng hóa trị

Câu 1. Nguyên tử phi kim có xu hướng

A. nhường đi electron để đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm.

B. nhận thêm electron để đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm.

C. nhường đi hoặc nhận thêm electron để đạt cấu hình electron bền vững của khí hiếm.

D. nhường đi 1 electron để đạt cấu hình electron của khí hiếm gần nhất.

Câu 2. Liên kết cộng hóa trị được tạo thành

A. giữa nguyên tử kim loại điển hình và nguyên tử phi kim điển hình.

B. giữa hai nguyên tử bằng lực hút tĩnh điện.

C. giữa hai nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron dùng chung.

D. giữa nguyên tử kim loại và nguyên tử oxygen.

Câu 3. Cặp electron dùng chung chỉ do một nguyên tử đóng góp, liên kết giữa hai nguyên tử là

A. liên kết cộng hóa trị phân cực.

B. liên kết cộng hóa trị không phân cực.

C. liên kết cộng hóa trị kiểu cho – nhận.

D. liên kết ion.

Câu 4. Khi cặp electron dùng chung chỉ do nguyên tử B đóng góp, nguyên tử B là nguyên tử cho electron, nguyên tử A là nguyên tử nhận electron. Kí hiệu là

A. A – B.

B. A = B.

C. A $\to$ B.

D. B $\to$ A.

Câu 5. Trong phân tử chlorine (Cl₂), hai nguyên tử chlorine liên kết với nhau bằng cách

A. mỗi nguyên tử chlorine góp 1 electron.

B. mỗi nguyên tử chlorine góp 2 electron.

C. mỗi nguyên tử chlorine góp 3 electron.

D. một nguyên tử chlorine nhận 1 electron, một nguyên tử chlorine nhường 1 electron.

Câu 6. Công thức cấu tạo của phân tử chlorine là

A. Cl–Cl.

B. Cl=Cl.

C. ClºCl.

D. Cl»Cl.

Câu 7. Trong phân tử hydrogen chlorine (HCl), liên kết giữa hai nguyên tử hydrogen và chlorine là

A. liên kết đơn.

B. liên kết đôi.

C. liên kết ba.

D. liên kết ion.

Câu 8. Phân tử hay ion nào sau đây có liên kết cho – nhận?

A. O₂.

B. Cl₂.

C. HCl.

D. .

Câu 9. Nhận xét nào sau đây không đúng khi nói về phân tử carbon dioxide (CO₂)?

A. Phân tử carbon dioxide có công thức cấu tạo là O=C=O.

B. 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 2 electron.

C. Phân tử CO₂ có hai liên kết đôi.

D. Liên kết tạo thành trong phân tử CO₂ là liên kết cộng hóa trị.

Câu 10. Liên kết trong phân tử nào sau đây là liên kết cộng hóa trị phân cực?

A. O₂.

B. HCl.

C. N₂.

D. Cl₂.

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Hóa học 10 sách Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 13: Liên kết hydrogen và tương tác van der waals

Lý thuyết Bài 14: Ôn tập chương 3

Lý thuyết Bài 15: Phản ứng oxi hóa - khử

Lý thuyết Bài 16: Ôn tập chương 4

Lý thuyết Bài 17: Biến thiên enthalpy trong các phản ứng hóa học