Liên kết cộng hóa trị

I. Liên kết cộng hóa trị

Quy tắc octet có thể đạt được bằng cách góp chung electron.

Electron dùng chung là electron được coi như thuộc về đồng thời hai nguyên tử tham gia liên kết.

Liên kết cộng hóa trị thường gặp giữa phi kim với phi kim.

Ví dụ 1: Nguyên từ hydrogen (H) có cấu hình electron là 1s¹, chlorine (Cl) có cấu hình electron là [Ne]3s²3p⁵. Để đạt được cấu hình của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử này đều cần thêm 1 electron. Vì vậy, mỗi nguyên tử H và Cl cùng góp 1 electron để tạo nên 1 cặp electron dùng chung cho cả hai nguyên tử.

Sơ đồ mô tả sự hình thành cặp electron dùng chung của HCl

• Như vậy, liên kết giữa nguyên tử H và Cl được tạo nên bởi 1 cặp electron dùng chung.

Công thức trên được gọi là công thức electron của HCl.

• Nếu giữa hai nguyên tử chỉ có một cặp electron dùng chung thì cặp electron này được biểu diễn bằng một nối đơn (-) và được gọi là liên kết đơn. Khi đó HCl được biểu diễn như sau:

Công thức trên được gọi là công thức Lewis của HCl.

⇒ Do đó liên kết trong phân tử HCl được biểu diễn là H − Cl.

Lưu ý:

• Nếu giữa hai nguyên tử có hai cặp electron dùng chung thì hai cặp electron này được biểu diễn bằng một nối đôi (=) và gọi là liên kết đôi.

Ví dụ 1:

Giữa hai nguyên tử C và O trong phân tử CO₂ có hai cặp electron chung, được biểu diễn bằng hai gạch nối “=”, đó là liên kết đôi.

⇒ Do đó liên kết trong phân tử CO₂ được biểu diễn là C = O.

• Nếu giữa hai nguyên tử có ba cặp electron dùng chung thì ba cặp electron này được biểu diễn bằng một nối ba (≡) và gọi là liên kết ba.

Ví dụ 2: Sự hình thành liên kết ba trong phân tử N₂

Ví dụ 3: Phân tử ammonia kết hợp với ion H⁺ tạo ra cation ammonium (NH₄+ )

Sơ đồ mô tả sự hình thành liên kết cho – nhận trong cation ammonium

Trên nguyên tử N còn một cặp electron hóa trị riêng, khi hình thành ion NH₄⁺, cặp electron này trở thành cặp electron dùng chung cho cả N và H, cả N và các nguyên tử H đều thỏa mãn quy tắc octet.

Như vậy, liên kết đơn giữa nguyên tử N trong NH₃ với H⁺ được tạo thành bởi một cặp electron góp chung của nguyên tử N.

Để chỉ rõ sự khác biệt về nguồn gốc cặp electron dùng chung, liên kết tạo bởi cặp electron của N và ion H⁺ được kí hiệu là mũi tên (→) xuất phát từ N. Loại liên kết này được gọi là liên kết cho – nhận.

II. Phân loại liên kết theo độ âm điện

Dựa vào độ âm điện (Δχ, đọc là đen – ta khi) giữa hai nguyên tử A và B, có thể dự đoán được loại liên kết giữa hai nguyên tử đó.

Người ta có thể dựa vào hiệu độ âm điện (Δχ) giữa hai nguyên tử tham gia liên kết để dựa đoán loại liên kết giữa chúng.

Để tính hiệu độ liên kết giữa hai nguyên tử A và B:

Δχ = χ(B) - χ(A), trong đó χ(B) ≥ χ(A)

Phân loại liên kết theo độ âm điện

• 0 ≤ Δχ < 0,4: Liên kết cộng hoá trị không cực.

• 0,4 ≤ Δχ < 1,7: Liên kết cộng hoá trị có cực.

• Δ χ > 1,7: Liên kết ion

Ví dụ: Xét các hợp chất sau: Cl₂, HCl, NaCl

• Trong phân tử Cl₂

Hiệu độ âm điện của Cl - Cl: Δχ = 3,16 – 3,16 = 0 nên liên kết giữa hai nguyên tử Cl là liên kết cộng hóa trị không cực

• Trong phân tử HCl

Hiệu độ âm điện của Cl và H: 3,16 – 2,20 = 0,96.

→ Liên kết giữa H và Cl là liên kết cộng hóa trị phân cực.

• Trong phân tử NaCl

Hiệu độ âm điện của Cl và Na: 3,16 – 0,93 = 2,23.

→ Liên kết giữa Na và Cl là liên kết ion.

Lưu ý:

• Một số trường hợp ngoại lệ không tuân theo cách phân loại theo độ âm điện như: hợp chất cộng hóa trị HF, hợp chất ion MnI₂, ...
• Trong liên kết giữa nguyên tử A và B, nếu độ âm điện của nguyên tử A nhỏ hơn độ âm điện của nguyên tử B thì cặp electron dùng chung sẽ bị lệch về phía nguyên tử B. Nguyên tử B lúc này mang một phần điện tích âm (δ −), nguyên tử A mang một phần điện tích dương (δ +). Liên kết này gọi là liên kết cộng hóa trị có cực.''

III. Liên kết sigma (σ) và liên kết pi (π)

Liên kết cộng hóa trị được hình thành từ cặp electron dùng chung. Để tạo nên một cặp electron dùng chung, hai AO chứa electron độc thân (hoặc giữa một AO trống và 1 AO bão hòa electron) cần xen phủ với nhau.

Có hai kiểu xen phủ AO là xen phủ trục và xen phủ bên.

1. Xen phủ trục

Xen phủ trục là xen phủ giữa hai AO dọc theo trục nối (trục z) hai nguyên tử. Có ba khả năng xen phủ trục.

• Xen phủ giữa AO s với AO s

• Xen phủ giữa AO s với AO p

• Xen phủ giữa AO p với AO p

Liên kết được tạo nên từ xen phủ trục của hai AO gọi là liên kết sigma (σ).

2. Xen phủ bên

Xen phủ bên là sự xen phủ xảy ra giữa hai AO p song song với nhau.

Liên kết được tạo nên từ xen phủ bên của hai AO gọi là liên kết pi (π).

IV. Năng lượng của liên kết cộng hóa trị

Khi các nguyên tử liên kết với nhau sẽ tạo thành một hệ bền vững hơn, quá trình này giải phóng năng lượng. Do vậy, để phá vỡ liên kết giữa các nguyên tử thì phải cung cấp năng lượng.

Ví dụ: Để phá vỡ liên kết H – H trong 1 mol khí H₂ ở 25^oC và 1 bar cần năng lượng là 436 kJ.

Sơ đồ sự phá vỡ liên kết H – H

Ví dụ: Năng lượng liên kết H – H 436 kJ mol^-1, của F – F là 159 kJ mol^-1. Như vậy liên kết H – H bền hơn liên kết F – F.