Điều gì giữ các nguyên tử lại với nhau?
Liên kết hóa học là thứ làm giảm năng lượng của một nhóm nguyên tử khi chúng giữ gắn kết. Các nguyên tử sắp xếp electron theo ba cách chính: chuyển chúng (ion), chia sẻ chúng giữa hai hạt nhân (cộng hóa trị), hoặc gom chung chúng trên toàn mạng tinh thể (kim loại). Các chất thực tế là một dải liên tục — sự chia sẻ trong liên kết C–H công bằng hơn nhiều so với liên kết O–H — nhưng mọi cấu trúc trên trang này được xây dựng từ một câu hỏi: với các electron hóa trị, các nguyên tử phải nằm ở đâu?
Quy tắc duy nhất cần nhớ: lực đẩy được xếp: cặp electron tự do–cặp electron tự do > cặp electron tự do–liên kết > liên kết–liên kết. Cặp electron tự do chỉ được giữ bởi một hạt nhân, nên chúng chiếm không gian rộng hơn cặp liên kết, ép các liên kết lại gần nhau — đó là lý do CH4 là 109,5° nhưng H2O là 104,5°.
Ba họ liên kết
| Aspect | Ion | Cộng hóa trị | Kim loại |
|---|
| Điều gì xảy ra | Electron chuyển từ kim loại sang phi kim; các điện tích trái dấu hút nhau | Cặp electron được chia sẻ giữa hai hạt nhân | Electron phân bố trên toàn bộ các cation kim loại |
| Ví dụ | NaCl, MgO | H2O, CO2, diamond | Cu, Fe |
| Hành vi điển hình | Điểm nóng chảy cao, giòn, chỉ dẫn điện khi nóng chảy hoặc hòa tan | Hình dạng phân tử xác định, nhiệt độ sôi thấp (chất rắn phân tử) | Dẫn điện ở thể rắn, dễ dát mỏng, có ánh kim |
Hiệu số độ âm điện ΔEN phân loại dải liên tục: gần 0 thì chia sẻ đều (cộng hóa trị không phân cực), khoảng 0,4–1,7 thì lệch (cộng hóa trị phân cực), và trên khoảng 1,7 thì mô tả chuyển electron thường thắng. Độ âm điện tăng sang phải và lên trên trong bảng tuần hoàn, đó là lý do F kéo mạnh nhất.
Độ phân cực liên kết và độ phân cực phân tử
Liên kết phân cực có một lưỡng cực liên kết — một vectơ nhỏ hướng từ đầu dương về nguyên tử âm (tham electron). Phân tử có phân cực hay không là bài toán hình học: cộng các vectơ. CO2 và H2O đều chứa liên kết phân cực mạnh, nhưng CO2 thẳng (AX2, 180°) nên hai lưỡng cực của nó ngược hướng và triệt tiêu, còn H2O gấp khúc (AX2E2, 104,5°) nên chúng cộng lại thành lưỡng cực thực 1,85 D. Khung Độ phân cực ở trên chạy đúng lập luận này cho từng hình học.
VSEPR: hình dạng từ việc đếm miền electron
Thuyết đẩy cặp electron hóa trị dự đoán hình dạng bằng cách đếm miền electron quanh nguyên tử trung tâm — mỗi liên kết đơn, đôi hoặc ba được tính là một miền, cũng như mỗi cặp electron tự do. Hai miền sắp xếp thẳng, ba miền tam giác phẳng, bốn miền tứ diện, năm miền lưỡng tháp tam giác, sáu miền bát diện. Ký hiệu AXE ghi lại kết quả: nguyên tử trung tâm A, Xn nguyên tử liên kết, Em cặp electron tự do. Hãy xem các góc thu hẹp khi cặp electron tự do thay chỗ liên kết trong dãy đẳng electron CH4 (109,5°) → NH3 (107°) → H2O (104,5°): cùng bốn miền, nhưng càng nhiều miền là cặp electron tự do. Hình học phân tử khác hình học miền electron bất cứ khi nào có cặp electron tự do — các miền của nước là tứ diện dù các nguyên tử tạo thành hình gấp khúc. Đó là lý do hai cặp electron tự do của nước làm nó gập lại 104,5°, trong khi hai liên kết đôi của CO2 giữ nó thẳng cứng.
Lai hóa và điện tích hình thức
Thuyết liên kết hóa trị giải thích các liên kết có hướng của các hình học này bằng cách trộn các orbital s và p của nguyên tử thành các orbital lai hướng về đúng nơi các miền hướng tới: 2 miền → sp (180°), 3 → sp² (120°), 4 → sp³ (109,5°), 5 → sp³d, 6 → sp³d². Hãy xem nhãn này như cách ghi chép “có ngần này hướng tương đương” hơn là một công thức đúng nghĩa. Điện tích hình thức là phần ghi chép bổ sung cho việc chọn cấu trúc Lewis nào để vẽ: FC = electron hóa trị − electron của cặp tự do − một nửa electron liên kết. Carbon trong CH4 có 4 − 0 − 4 = 0; cấu trúc tốt nhất là cấu trúc làm cực tiểu điện tích hình thức và loại chúng khỏi bên trong. Cộng hưởng là sự thừa nhận trung thực rằng một bản vẽ là không đủ — cả hai liên kết S–O trong SO2 đều tương đương với bậc liên kết 1,5, không phải xen kẽ đơn và đôi.
Tính linh hoạt của quy tắc octet
Các nguyên tử hàng thứ hai (C, N, O, F) bị giới hạn nghiêm ngặt ở tám electron. Vượt quá đó, quy tắc trở nên linh hoạt hơn: BF3 tồn tại chỉ với sáu electron quanh boron (khiến nó là chất nhận cặp electron đói), còn các nguyên tử hàng ba trở đi mở rộng không phản đối — PCl5 và SF6 giữ 10 và 12, còn XeF4 xếp bốn liên kết cộng hai cặp electron tự do vào sắp xếp bát diện, rồi phẳng thành vuông phẳng.
Những hiểu lầm phổ biến
- Liên kết phân cực tạo phân tử phân cực. Chỉ khi hình học không triệt tiêu chúng — CO2, BF3, CH4, SF6 và XeF4 đều chứa liên kết phân cực hoặc đồng nhất được sắp xếp đủ đối xứng để không phân cực.
- Liên kết đôi là hai miền. Nó đẩy như một miền đơn lớn; hai liên kết đôi C=O của CO2 vẫn cho số steric là 2 và hình dạng thẳng.
- Hình học phân tử = hình học electron. Chỉ đúng khi không có cặp electron tự do nào; các miền của NH3 là tứ diện, còn các nguyên tử của nó tạo hình chóp tam giác.
- Cấu trúc Lewis chính là phân tử. Đó là một bản phác thảo ghi chép; cộng hưởng (SO2), delocalization (benzen) và phép đo (cả hai liên kết S–O bằng nhau) thường quan trọng hơn bất kỳ bản vẽ đơn lẻ nào.
Công cụ liên quan: Cấu hình electron (đếm electron hóa trị tạo nên liên kết), Hóa hữu cơ (hình dạng của nhóm chức), và Trình soạn cấu trúc (vẽ phân tử).
