Bài giảng Chương 2. liên kết hoá học và cấu tạo phân tử

Chương 2. liên kết hoá học và cấu tạo phân tử A. Tóm tắt lí thuyết 1. Liên kết hoá học Xu hướng chung của các nguyên tử kim loại hay phi kim là đạt đến cấu hình bền vững như của khí hiếm bằng cách cho, nhận electron tạo ra kiểu hợp chất ion, hay góp chung electron tạo ra hợp chất cộng hoá trị (nguyên tử). Không có ranh giới thật rõ ràng giữa các chất có kiểu liên kết ion và cộng hoá trị. Người ta thường dùng hiệu số độ âm điện (Dc ) để xét một chất có kiểu liên kết hoá học gì. Nếu hiệu số độ âm điện Dc ³ 1,7 thì chất đó có kiểu liên kết ion, nếu hiệu số độ âm điện Dc < 1,7 thì chất đó có kiểu liên kết cộng hoá trị (ngoại lệ HF có Dc ³ 1,7 nhưng vẫn thuộc loại liên kết cộng hoá trị ). Có thể so sánh hai kiểu liên kết hoá học qua bảng sau: Liên kết ion Liên kết cộng hoá trị Hình thành giữa kim loại điển hình và phi kim điển hình. Hiệu số độ âm điện Dc ³ 1,7 Hình thành giữa các nguyên tử giống nhau hoặc gần giống nhau. Hiệu số độ âm điện Dc < 1,7 Nguyên tử kim loại nhường electron trở thành ion dương. Nguyên tử phi kim nhận electron trở thành ion âm. Các ion trái dấu hút nhau bằng lực hút tĩnh điện. Thí dụ: NaCl, MgCl2… Bản chất: do lực hút tĩnh điện giữa các ion mang điện tích trái dấu. Các nguyên tử góp chung electron. Các electron dùng chung thuộc hạt nhân của cả hai nguyên tử. Thí dụ: H2, HCl… Liên kết cộng hoá trị không cực khi đôi electron dùng chung không bị lệch về nguyên tử nào: N2, H2… Liên kết cộng hoá trị có cực khi đôi electron dùng chung bị lệch về một nguyên tử : HBr, H2O Liên kết cho - nhận (phối trí) là một trường hợp riêng của liên kết cộng hoá trị. Trong đó đôi electron dùng chung được hình thành do một nguyên tử đưa ra. Thí dụ phân tử khí lưu huỳnh đioxit SO2 , công thức cấu tạo của SO2 Liên kết cho - nhận được kí hiệu bằng một mũi tên. Mỗi mũi tên biểu diễn một cặp electron dùng chung, trong đó gốc mũi tên là nguyên tử cho electron, đầu là nguyên tử nhận electron. 2. Cấu tạo phân tử a) Sự lai hoá và hình dạng phân tử Sự lai hoá obitan là sự tổ hợp tuyến tính của các obitan nguyên tử tạo thành các obitan lai hoá giống hệt nhau. Các dạng lai hoá thường gặp là: Lai hoá sp2 Lai hoá sp3 Lai hoá sp + Lai hoá sp3: tổ hợp một obitan s với ba obitan p tạo ra bốn obitan giống nhau. Góc lai hoá tứ diện là 109o 28’.Thí dụ phân tử CH4 có hình dạng tứ diện, nguyên tử cacbon nằm ở tâm tứ diện, bốn nguyên tử hiđro ở bốn đỉnh của tứ diện. + Lai hoá sp2: tổ hợp một obitan s với hai obitan p tạo thành ba obitan lai hoá. Góc lai hoá tam giác là 120o. Thí dụ trong phân tử C2H4, các obitan nguyên tử của cacbon lai hoá sp2, do đó hình dạng phân tử được quy định bởi góc liên kết là 120o. + Lai hoá sp: tổ hợp của một obitan s với một obitan p tạo ra hai obitan lai hoá. Gọc lai hoá sp là 180o. Thí dụ phân tử C2H2, cả bốn nguyên tử nằm trên một đường thẳng. Liên kết d và liên kết p: khi mật độ electron lớn nhất tập trung vào khoảng giữa đường nối hai hạt nhân nguyên tử, ta có sự xen phủ trục cácobitan nguyên tử gọi là liên kết d. Khi mật độ electron lớn nhất ở về hai phía của mặt phẳng phân tử, ta có sự xen phủ bên các obitan nguyên tử hay liên kết p. Liên kết p kém bền hơn liên kết s. Liên kết đơn: là liên kết hoá học bằng một cặp electron dùng chung. Liên kết đơn chỉ gồm liên kết d. Liên kết đôi gồm một liên kết d và một liên kết p. Liên kết ba gồm một liên kết d và hai liên kết p. b. Mạng tinh thể Tinh thể: Mạng tinh thể có thể do phân tử, nguyên tử hay ion tạo nên. Các tiểu phân hình thành tinh thể bởi sự sắp xếp đều đặn, tuần hoàn theo một trật tự nhất định. Có bốn loại tinh thể chính là tinh thể nguyên tử (kim cương…), tinh thể phân tử ( iot, nước đá…), tinh thể ion ( muối ăn…) và tinh thể kim loại (Cu, Al…). B. bài tập có lời giải đề bài 31. Nguyên tử của các nguyên tố, trừ khí hiếm, có thể liên kết với nhau thành phân tử hoặc tinh thể, vì : A. Chúng có cấu hình electron lớp ngoài cùng chưa bão hoà. B. Chúng liên kết với nhau để đạt cấu hình electron lớp ngoài bền vững. C. Chúng liên kết với nhau bằng cách cho, nhận electron hoặc góp chung electron. D. Cả a và b đúng. 32. Các phân tử trong dãy nào sau đây có liên kết cộng hoá trị không phân cực? A. N2, Cl2, HCl, H2, F2. B. N2, Cl2, I2, H2, F2. C. N2, Cl2, CO2, H2, F2. D. N2, Cl2, HI, H2, F2. 33. Tinh thể nước đá cứng và nhẹ hơn nước lỏng, do đó khi mặt biển, hồ, sông bị đóng băng, chỉ có một lớp băng trên bề mặt. Nước nặng hơn sẽ chìm dưới lớp băng, cho nên các loại sinh vật sống trong nước không bị chết. Điều này được giải thích như sau : A. Nước lỏng gồm các phân tử nước chuyển động dễ dàng và ở gần nhau. B. Tinh thể nước đá có cấu trúc tứ diện đều rỗng, các phân tử nước được sắp xếp ở các đỉnh của tứ diện đều. Khoảng cách giữa các phân tử nước lớn hơn trong nước lỏng. C. Liên kết giữa các phân tử nước trong tinh thể nước đá là liên kết cộng hóa trị, một loại liên kết mạnh. D. Cả A và B đúng. 34. Điều kiện để hình thành liên kết cộng hoá trị không cực theo quy ước là: A. Các nguyên tử có hiệu độ âm điện < 0,4. B. Các nguyên tử tham gia liên kết của cùng một nguyên tố và có số electron lớp ngoài cùng lớn hơn hoặc bằng 4 và nhỏ hơn 8. C. Các nguyên tử của các nguyên tố kim loại điển hình và phi kim điển hình. D. Các nguyên tử của cùng một nguyên tố phi kim. 35. Trong số các loại tinh thể trong tự nhiên, loại nào có thể dẫn điện ở trạng thái nóng chảy và khi hòa tan trong nước? A. Tinh thể kim loại. B. Tinh thể phân tử. C. Tinh thể ion. D. Tinh thể nguyên tử. 36. Khoanh tròn vào chữ Đ nếu phát biểu đúng, chữ S nếu phát biểu sai trong những câu dưới đây: A. Phân tử NaCl có liên kết ion, tan nhiều trong nước. Đ - S B. Phân tử HCl có liên kết cộng hoá trị không cực. Đ - S C. Phân tử H2O có liên kết cộng hoá trị không cực. Đ - S D. Phân tử H2SO4 có liên kết cộng hoá trị có cực. Đ - S E. Dung môi không cực hoà tan phần lớn các chất không cực. Đ - S 37. Phân tử cacbon đioxit CO2 có cấu tạo thẳng, vì: A. Nguyên tử cacbon trong phân tử cacbon đioxit ở trạng thái lai hóa sp3. B. Nguyên tử cacbon trong phân tử cacbon đioxit ở trạng thái lai hóa sp2. C. Nguyên tử cacbon trong phân tử cacbon đioxit ở trạng thái lai hóa sp. D. Nguyên tử cacbon trong phân tử cacbon đioxit ở trạng thái lai hóa sp3d. Hãy chọn đáp án đúng. 38. Khoanh tròn vào chữ Đ nếu phát biểu đúng, chữ S nếu phát biểu sai trong những câu dưới đây: A. Liên kết đơn bền hơn liên kết đôi. Đ - S B. Liên kết đôi bền hơn liên kết ba. Đ - S C. Các chất có kiểu liên kết ion có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao hơn các chất có kiểu liên kết cộng hoá trị điều đó chứng tỏ rằng liên kết ion bền hơn liên kết cộng hoá trị Đ - S D. Các chất SO2, H2SO3, KHSO3 có điểm chung là trong phân tử lưu huỳnh có số oxi hoá +4 Đ - S E. Tinh thể nguyên tử bên hơn tinh thể phân tử Đ - S 39. Cho các chất sau: NH3, HCl, SO3, N2. Chúng đều có kiểu liên kết hoá học nào sau đây? A. Liên kết cộng hoá trị phân cực. B. Liên kết cộng hoá trị không phân cực. C. Liên kết cộng hoá trị. D. Liên kết phối trí. 40. Khi cặp electron chung được phân bố một cách đối xứng giữa hai nguyên tử liên kết, người ta gọi liên kết trong các phân tử trên là: A. Liên kết cộng hoá trị có cực. B. Liên kết cộng hoá trị không phân cực. C. Liên kết cộng hoá trị. D. Liên kết phối trí. 41. So sánh các dạng thù hình của cacbon, giải thích vì sao kim cương là vật liệu cứng nhất trong tự nhiên, còn than chì lại mềm? (Xem hình vẽ). Than chì (graphit) Kim cương 42. So sánh các hợp chất với hiđro của oxi và lưu huỳnh, nhận thấy H2S ở điều kiện thường là chất khí, có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiều so với H2O. Hãy giải thích hiện tượng trên. 43. Muối ăn (NaCl) có nhiệt độ nóng chảy là 801oC, cao hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của nước đá (H2O) nhiệt độ nóng chảy là 0oC. Qua số liệu trên có thể kết luận rằng liên kết ion bền hơn liên kết cộng hoá trị được không? Tại sao? Tinh thể NaCl 44. Giải thích tại sao băng phiến (naphtalen) và iot dễ thăng hoa, nhưng không dẫn điện, trái lại muối ăn không thăng hoa nhưng dẫn điện khi tan trong nước hay nóng chảy. 45. Vì sao người ta sử dụng đồng tinh khiết làm dây dẫn điện, mà không dùng các hợp kim của đồng như đồng thau, đồng thiếc…? Hướng dẫn giải 31. D 32. B 33. D 34. A 35. C 37. C 39. C 40. B 36. Khoanh tròn vào chữ Đ nếu phát biểu đúng, chữ S nếu phát biểu sai trong những câu dưới đây: A. Phân tử NaCl có liên kết ion, tan nhiều trong nước. Đ B. Phân tử HCl có liên kết cộng hoá trị không cực. S C. Phân tử H2O có liên kết cộng hoá trị không cực S D. Phân tử H2SO4 có liên kết cộng hoá trị có cực. Đ E. Dung môi không cực hoà tan phần lớn các chất không cực Đ 38. Khoanh tròn vào chữ Đ nếu phát biểu đúng, chữ S nếu phát biểu sai trong những câu dưới đây: A. Liên kết đơn bền hơn liên kết đôi. S B. Liên kết đôi bền hơn liên kết ba. S C. Các hợp chất ion có nhiệt độ nóng chảy, nhiệt độ sôi cao hơn các chất cộng hoá trị vì liên kết ion bền hơn liên kết cộng hoá trị. S D. Các chất SO2, H2SO3, KHSO3 có điểm chung là trong phân tử, S có số oxi hoá +4 Đ E. Tinh thể nguyên tử bên hơn tinh thể phân tử. Đ 41. Sở dĩ có sự khác nhau là do cấu tạo tinh thể của kim cương và than chì. Kim cương: Trong tinh thể kim cương, mỗi nguyên tử cacbon có liên kết cộng hoá trị với 4 nguyên tử cacbon xung quanh, tạo thành tứ diện đều. Khoảng cách giữa các nguyên tử C là bằng nhau, bằng 0,154 nm. Sự đồng nhất và bền vững của các liên kết này làm cho kim cương rất cứng, là vật liệu cứng nhất trong tự nhiên. Kim cương có màu sắc rất đẹp, cho nên từ ngàn xưa là đồ trang sức rất quý giá. Trong công nghiệp, kim cương được sử dụng để chế tạo mũi khoan, dao cắt kính, thiết bị laze. Than chì: Tinh thể than chì (graphit) có cấu trúc nhiều lớp. Trong mỗi lớp, một nguyên tử C liên kết với 3 nguyên tử C khác bằng các liên kết cộng hoá trị, có khoảng cách bằng nhau (0,1415 nm). Các liên kết giữa các nguyên tử C trong cùng lớp rất bền vững. Lực liên kết giữa các lớp là rất yếu, khoảng cách giữa hai lớp lớn (0,335 nm). các lớp dễ trượt lên nhau, do đó than chì rất mềm, có thể làm ruột bút chì. Than chì dẫn điện tôt, nên được sử dụng rộng rãi làm điện cực trơ trong điện phân, sản xuất pin… 42. Nhiệt độ sôi cao của nước là do giữa các phân tử nước có liên kết hiđro. Nguyên tử hiđro có khả năng liên kết đồng thời với hai nguyên tử khác trong các điều kiện xác định. Thông thường, hiđro tạo liên kết cộng hóa trị bền với một nguyên tử, còn với nguyên tử kia là liên kết yếu. Loại liên kết này ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi của nhiều chất như nước, ancol, protit, ... 43. Không kết luận như vậy được. Lí do là khi nước nóng chảy và ngay cả khi sôi cũng không ảnh hưởng gì đến liên kết cộng hoá trị của nước. Để phá vỡ liên kết cộng hóa trị của nước, người ta cần cung cấp một năng lượng lớn, thí dụ sự điện phân nước. 44. Iot và băng phiến có cấu trúc tinh thể phân tử kém bền. NaCl có cấu trúc tinh thể ion bền vững. Khi tan trong nước hay nóng chảy, NaCl phân li tạo ra các ion tự do Na+ và Cl-, chính các ion này làm cho NaCl nóng chảy hay dung dịch NaCl dẫn điện. 45.Trong mạng tinh thể kim loại có ba thành phần là ion dương, nguyên tử kim loại và các electron tự do. Chính sự chuyển động của các electron tự do tạo nên tính chất dẫn điện của kim loại. Trong hợp kim, ngoài liên kết kim loại còn một phần liên kết cộng hoá trị, nên làm giảm mật độ electron tự do. Ngoài ra, sự có mặt của các ion lạ trong hợp kim cũng làm giảm độ dẫn điện. Do đó người ta không sử dụng hợp kim làm dây dẫn điện. C. bài tập tự luyện 46. Có những đồ vật được chế tạo từ sắt như: chảo, dao, dây thép gai. Vì sao chảo lại giòn, dao lại sắc và dây thép lại dẻo? Chảo gang Dao Dây thép gai 47. Contantan là hợp kim của đồng với 40% Ni. Vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện như: bàn là, dây điện trở của bếp điện … Tính chất nào của contantan làm cho nó được ứng dụng rộng rãi như vây? A. Contantan có điện trở lớn. B. Contantan có điện trở nhỏ. C. Contantan có giá thành rẻ. D. Một nguyên nhân khác. 48. Cho các chất NaCl, HBr, MgCl2, Br2, H2O, O2. a) Các chất có kiểu liên kết cộng hoá trị phân cực là………………… b) Các chất có kiểu liên kết cộng hoá trị không phân cực là………….. c) Các chất có kiểu liên kết ion là…………………………………….. 49*. Các cặp phân tử nào sau đây có hình dạng phân tử giống nhau nhiều nhất? A. BeH2 và H2O. B. BF3 và NH3. C. CO2 và SiO2. D. BeH2 và C2H2. Chọn đáp án đúng. 50. Điều kiện để trạng thái lai hoá obitan xảy ra và tạo được liên kết hoá học bền là: A. Các obitan có mức năng lượng xấp xỉ bằng nhau. B. Mật độ electron của các obitan nguyên tử tham gia lai hoá đủ lớn để độ xen phủ của obitan lai hoá với các obitan nguyên tử khác lớn tạo ra liên kết bền. C. Các obitan ở các lớp khác nhau. D. Cả A và B đúng. 51. Vì sao các kim loại kiềm đều có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tương đối thấp, mềm đến mức có thể cắt bằng dao, khối lượng riêng nhỏ? 52. Trong số các cặp kim loại sau đây, cặp nào bền vững trong không khí và nước nhờ có lớp màng oxit rất mỏng, rất bền vững bảo vệ? A. Fe và Al. B. Fe và Cr. C. Al và Cr. D. Mn và Al. Chọn đáp án đúng. 53. Các núi băng trôi ở Nam cực là mối nguy hiểm tiềm tàng cho các tàu thuyền đi lại trên biển. Năm 1912, một con tàu vào loại hiện đại nhất thế giới lúc bấy giờ, tàu Titanic đã đâm vào núi băng và bị đắm, làm thiệt mạng 1523 người. Thông thường, các chất ở trạng thái rắn có tỷ trọng lớn hơn ở trạng thái lỏng. Nước đá là một ngoại lệ. Hãy giải thích hiện tượng băng nhẹ hơn nước? Tàu Titanic 54. Khi bị nén hoặc làm lạnh, khí nitơ peoxit (NO2) có màu nâu đỏ chuyển hoá thành đi nitơ peoxit (N2O4) không màu. Hỏi vì sao các khí khác như CO2, SO2 không có tính chất này? 55. Vì sao lưu huỳnh thể hiện các số oxi hoá chẵn : 2, 4, 6, còn clo lại thể hiện các số oxi hoá lẻ : 1, 3, 5, 7 ?