Khái niệm lai hóa orbital

Câu trả lời đúng nhất: Khái niệm lai hóa orbital là: Sự lai hóa obitan nguyên tử là sự tổ hợp "trộn lẫn" một số obitan trong một nguyên tử để được từng ấy obitan lai hóa giống nhau nhưng định hướng khác nhau trong không gian. Nguyên nhân của sự lai hóa là các obitan hóa trị ở các phân lớp khác nhau có năng lượng và hình dạng khác nhau cần phải đồng nhất để tạo được liên kết bền với các nguyên tử khác.

1. Khái niệm lai hóa orbital có từ đâu?

Nhà hóa học Linus Pauling lần đầu phát minh ra thuyết lai hóa vào năm 1931 để giải thích cấu trúc của những phân tử đơn giản như methan (CH₄) bằng cách dùng obitan nguyên tử. Pauling chỉ ra rằng một nguyên tử cacbon hình thành bốn liên kết bằng cách dùng một obitan s và ba obitan p, do đó "có thể suy ra" rằng một nguyên tử cacbon sẽ hình thành ba liên kết tại góc vuông (sử dụng các obitan p) và một liên kết thứ tư yếu hơn bằng obitan s với hướng tùy ý. Tuy nhiên theo thực tế, methan có bốn liên kết với sức mạnh bằng nhau và với góc liên kết tứ diện 109.5°. Pauling giải thích bằng cách giả sử sự xuất hiện của bốn nguyên tử hydro, obitan s và p hình thành bốn tổ hợp tương đương hay là obitan lai hóa, mỗi tổ hợp được biểu thị là sp³ để thể hiện thành phần của nó, thứ nằm dọc theo bốn liên kết C-H. Khái niệm này được phát triển cho hệ thống hóa học đơn giản nhưng sau này đã được áp dụng rộng rãi, ngày nay còn được coi là một phương pháp hiệu quả để giải thích hợp lý cấu trúc hợp chất hữu cơ. Nó cho ta một bức tranh đơn giản tương đương với cấu trúc Lewis. Thuyết lai hóa chủ yếu được sử dụng trong hóa hữu cơ, một trong những ví dụ thuyết phục nhất là quy tắc Baldwin.

>>> Xem thêm: Phản ứng hóa học đặc trưng của hợp chất hữu cơ chỉ toàn liên kết đơn

2. Khái niệm lai hóa orbital

 - Sự lai hóa obitan nguyên tử là sự tổ hợp "trộn lẫn" một số obitan trong một nguyên tử để được từng ấy obitan lai hóa giống nhau nhưng định hướng khác nhau trong không gian.

 - Nguyên nhân của sự lai hóa là các obitan hóa trị ở các phân lớp khác nhau có năng lượng và hình dạng khác nhau cần phải đồng nhất để tạo được liên kết bền với các nguyên tử khác.

3. Các kiểu lai hóa thường gặp

a. Lai hóa sp

Lai hóa 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 hóa sp nằm thẳng hàng với nhau về 2 phía, đối xứng nhau (hình 3.6).

Lai hóa sp được gặp trong phân tử BeH₂ (hình 3.7) và trong các phân tử C₂H₂, BeCl₂, ...

Như thế, sự lai hóa sp là nguyên nhân dẫn đến tính thẳng hàng (góc liên kết bằng 1800) của các liên kết trong những phân tử nêu trên.

b. Lai hóa sp²

Lai hóa sp2 là sự tổ hợp 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 3 obitan lai hóa sp² nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ tâm đến đỉnh của tam giác đều. lai hóa sp² được gặp trong các phân tử BF₃ (hình 3.8), C₂H₄,...

Sự lai hóa sp² là nguyên nhân dẫn đến các góc liên kết phẳng 1200 trong BF₃.

c. Lai hóa sp³

Lai hóa sp3 là sự tổ hợp 1 obitan s với 3 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 4 obitan lai hóa sp3 định hướng tử tâm đến 4 đỉnh của hình tứ diện đều, các trục đối xứng của chúng tạo với nhau một góc 109^o28' (hình 3.9).

Lai hóa sp³ được gặp ở các nguyên tử O, N, C nằm trong các phân tử H₂O, NH₃, CH₄ và ankan.

Chú ý: Các obitan chỉ lai hóa được với nhau khi năng lượng của chúng xấp xỉ bằng nhau.

4. Sự tạo thành liên kết đơn, liên kết đôi, liên kết ba

a. Liên kết đơn

Ta đã biết, mỗi cặp electron chung của hai nguyên tử được tính là một liên kết và được biểu diễn bằng một gạch nối giữa kí hiệu của hai nguyên tử đó. Các nguyên tử trong các phân tử đã xét như H−H, H−Cl đều liên kết với nhau bằng liên kết đơn. Liên kết đơn luôn luôn là liên kết  σ , được tạo thành từ sự xen phủ trục và thường bền vững.

b. Liên kết đôi

Trong phân tử etilen(C₂H₄), mỗi nguyên tử cacbon có sự lai hóa giữa một obitan s với hai obitan p theo kiểu lai hóa  sp². Các obitan lai hóa tạo một liên kết σ giữa hai nguyên tử cacbon và hai liên kết σ vơi hai nguyên tử hiđro. Mỗi nguyên tử cacbon còn một obitan p không tham gia lai hóa sẽ xen phủ bên với nhau tạo liên kết π. Liên kết giữa hai nguyên tử cacbon là liên kết đôi gồm một liên kết σ và một liên kết π. Các liên kết π kém bền hơn so với liên kết σ (hình 3.11).

c. Liên kết ba

Nguyên tử N có 5 electron lớp ngoài cùng, khi hình thành phân tử N2, mỗi nguyên tử góp 3 electron độc thân tạo thành ba liên kết. Người ta gọi đó là liên kết ba.

Chúng ta có thể dựa vào cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nitơ để giải thích liên kết trong phân tử nitơ.

Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử nitơ:

Mỗi nguyên tử nitơ dùng một obitan 2pz (quy ước lấy trục z làm trục liên kết) để tạo kiểu liên kết giữa hai nguyên tử theo kiểu xen phủ trục tạo liên kết σσ.

Hai obitan p còn lại (2px,2py) sẽ xen phủ bên với nhau từng đôi một tạo ra hai liên kết π. Mỗi liên kết kí hiệu bằng một gạch nối, công thức cấu tạo của phân tử nitơ có dạng liên kết ba: gồm một liên kết σ và hai liên kết π.

N≡N

Công thức cấu tạo của phân tử nitơ

Liên kết giữa hai nguyên tử được thực hiện bởi một liên kết σ và một hay hai liên kết π được gọi là liên kết bội.

----------------------------

Trên đây Top lời giải đã cùng các bạn tìm hiểu khái niệm lai hóa orbital. Chúng tôi hi vọng các bạn đã có thông tin hữu ích khi đọc bài viết này, chúc các bạn học tốt.