Bài giảng Hóa đại cương: Liên kết hóa học và cấu tạo phân tử - Nguyễn Minh Kha

Chương III
LIÊN KẾT HÓA HỌC 
VÀ CẤU TẠO PHÂN TỬ
Giảng viên: ThS. Nguyễn Minh Kha
NỘI DUNG
I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LIÊN KẾT 
HÓA HỌC
II. LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ
III. LIÊN KẾT ION
IV. LIÊN KẾT KIM LOẠI
V. LIÊN KẾT VAN DER WAALS
VI. LIÊN KẾT HYDRO
I. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ LIÊN KẾT HÓA HỌC
1. Bản chất của liên kết 
2. Một số đặc trƣng liên kết 
a. Độ dài liên kết
b. Góc hóa trị
c. Bậc liên kết
d. Năng lƣợng liên kết
3. Các loại liên kết
BẢN CHẤT CỦA LIÊN KẾT
 Liên kết hóa học có bản chất điện vì cơ sở tạo
thành liên kết là lực tƣơng tác giữa các hạt
mang điện (e tích điện âm – hạt nhân tích điện
dƣơng)
 Electron hoá trị: ns(s), ns np(p) , (n-1)d ns(d),
(n-2)f (n-1)d ns(f)
MỘT SỐ ĐẶC TRƢNG LIÊN KẾT
Độ dài liên kết
Góc hóa trị
Bậc liên kết
Năng lượng liên kết
Đường cong thế năng
ĐƢỜNG CONG THẾ NĂNG CỦA H2
Khoảng cách 
giữa hai nhân
Thế 
năng
Đẩy (+)
Hút (-)
0
Hình thành liên kết
ĐỘ DÀI LIÊN KẾT
 Là khoảng cách giữa hai hạt nhân của hai 
nguyên tử tạo liên kết.
Độ dài 
liên kết 
của H2 là 
74pm
NĂNG LƢỢNG LIÊN KẾT
H2(k) H(k) + H(k) ΔH= Elk = 436kJ/mol
Năng lƣợng 
liên kết 
BẬC LIÊN KẾT
 Là số liên kết tạo thành giữa hai nguyên tử 
tham gia liên kết.
Acrylonitrile
Liên kết đơnLiên kết đôi
Liên kết ba
Liên kết dlk(pm) Elk (kJ/mol)
C - C 154 346
C = C 134 610
C Ξ C 120 835
N - N 145 163
N = N 123 418
N Ξ N 110 945
Bậc liên kết càng lớn thì liên kết càng bền
và chiều dài liên kết càng ngắn.
GÓC HÓA TRỊ (ABn n≥2 )
 Là góc hợp bởi hai đoạn thẳng nối hạt nhân
nguyên tử trung tâm với hai hạt nhân nguyên
tử liên kết
CÁC LOẠI LIÊN KẾT
 Liên kết cộng hoá trị theo cơ học lƣợng 
tử
 Liên kết ion
 Liên kết kim loại
 Liên kết hydro
 Liên kết Vanderwaals
II. LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ THEO CƠ HỌC LƢỢNG TỬ
1. Phƣơng pháp liên kết hóa trị (VB)
2. Phƣơng pháp orbital phân tử (MO)
3. Các phân tử cộng hóa trị và lƣỡng cực 
phân tử
PHƢƠNG PHÁP LIÊN KẾT HÓA TRỊ
PHƢƠNG PHÁP VB (Valence Bond)
1. Phƣơng pháp liên kết hóa trị (VB)
a. Quan niệm về liên kết cộng hóa trị theo 
phƣơng pháp VB 
b. Các loại liên kết cộng hóa trị và bậc liên 
kết
c. Các tính chất của liên kết cộng hóa trị
a. Quan niệm về liên kết cộng hóa trị theo VB 
 Lk cộng hóa trị hình thành trên cơ sở cặp e ↑↓
 Lk cộng hóa trị được hình thành do sự xen phủ 
của các AO hóa trị
 Liên kết càng bền khi mật độ xen phủ của các 
AO càng lớn
 Biểu diễn lk cộng hóa trị: H : H hoặc H – H 
 Điều kiện tạo lk cộng hóa trị bền:
Các AO có năng lƣợng xấp xỉ nhau
 Các AO có mật độ e đủ lớn
 Các AO có cùng tính định hƣớng
1 2
a b
Phƣơng trình sóng Schrodinger:
 0
8
2
2
2
2
2
2
2
2
  






VE
h
m
zyx
2
2
1
2
2
2
1
2
12
22
bbaaab r
e
r
e
r
e
r
e
r
e
r
e
V 
- Khi 2 ngtử H ở xa nhau vô cùng: 11
1
ar
a e
 
2
1
2
br
b e
 
21 ba  
- Khi 2 ngtử H tiến lại gần nhau:
1222112 babaH
cc   
Ví dụ: xét phân tử H2
 1221 babaSS C   
 1221 babaAA C   
- Giải pt được 2 nghiệm: c1 = c2 = CS c1 = - c2 = CA
E0
Ψa
Ψs
rab
↑↑
↑↓
TẠO LIÊN KẾT
Đƣờng cong thế năng theo phƣơng pháp VB
- hàm đối xứng 
(s: symmetry)
- hàm phản đối xứng 
(a: asymmetry)
b. Các loại liên kết cộng hóa trị và bậc liên kết
• Chú ý: các vùng xen phủ phải cùng dấu
- Các liểu liên kết:
 Kiểu 
 Kiểu 
 Kiểu 
- Bậc liên kết:
 Bậc 1
 Bậc 2
 Bậc 3
Liên kết Sigma ()
 Các AO che phủ dọc theo trục liên kết
 Nhận trục liên kết làm trục đối xứng.
 Liên kết σ không làm cản trở sự quay tự do cuả 
các nguyên tử quanh trục liên kết
 Độ bền
σ(ns-ns) < σ(ns-np) < σ(np-np)
+
++
++ +- - -
+ +
Liên kết Pi ( )
 Hai AO che phủ ở 
hai phía của trục 
liên kết.
 Có mặt phẳng đối 
xứng chứa trục liên 
kết. Trục liên kết
++
__
 Do mật độ xen phủ nhỏ
hơn nên liên kết kém bền
hơn . Liên kết chỉ hình t
hành sau khi giữa hai nguy
ên tử đã có liên kết 
Liên kết 
 Các nguyên tử thuộc chu kỳ 2 có khả năng tạo lk 
 2p-2p hoặc 2p-3p
 Các nguyên tố thuộc chu kỳ 3 trở đi chỉ có khả 
năng hình thành liên kết p-d , d-d
Liên kết đơn
Liên kết đơn luôn luôn là liên kết σ
Liên kết bội
Trong liên kết bội thì sẽ có 1 liên kết σ phần 
còn lại sẽ là các liên kết 
Ví dụ: Phân tử Acetylene
Liên kết không định chỗ
 Cặp electron liên kết không thuộc hẳn về 
một cặp nguyên tử nào cả mà phân bố đồng 
đều cho một số hạt nhân nguyên tử kế cận.
Liên kết 
Liên kết  được tạo thành khi hai AOd che phủ 
bằng tất cả bốn cánh.
Liên kết  thường gặp trong phức chất của kim 
loại chuyển tiếp hoặc một số hợp chất của các 
nguyên tố thuộc chu kỳ 3.
Liên kết  của các AO d
Z
Y
X
Z
Z
Z
Y
Y
Y
X
X
X
Cách tính bậc liên kết theo phương pháp VB
 Bậc liên kết 
 Ví dụ:
 CH2=CH─CH=CH2 . 
 Blk= 1σ + 2π /3σ = ½(5lk.2 /3σ) = 1,67





.2
1
lke
Bậc liên kết có thể là số lẻ khi có mặt liên kết 
không định chỗ
Cách tính bậc liên kết theo phương pháp VB
 Cách xác định số liên kết π:
 Với các nttt thuộc chu kỳ 2: có thể xác
định theo quy tắc bác tử
 Với các nttt thuộc chu kỳ 3: 
Số lk (ghép đôi)= (số oxh)nttt – số lkσ
 Ví dụ: N2O (2 π), CO (2 π), CO3
2- (1 π), 
BF3 (1 π), SO2 (2 π), SO3
2- (1 π). 
Cơ chế ghép đôi (góp chung): +
→ Khả năng tạo lk được quyết định bởi số AO hóa trị chứa e 
độc thân 
• Chú ý: Số e độc thân có thể tăng lên nhờ kích thích:
Ví dụ: nguyên tử C: → C*
Sự di chuyển điện tử trong quá trình kích thích thường xảy ra 
trong cùng một lớp.
↑ ↓
↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Cơ chế cho - nhận: +
chất cho chất nhận
→ Khả năng tạo lk đƣợc quyết định bởi số và số
↑↓
↑↓
↑
Khả năng tạo liên kết và tính bão hòa của lk cộng hóa trị
→ Khả năng tạo liên kết CHT (theo cả hai cơ chế) đƣợc quyết 
định bởi số AO hóa trị của nguyên tố:
Tính bão hòa của lk CHT: Mỗi nguyên tố hóa học chỉ có 
khả năng tạo số giới hạn liên kết cộng hóa trị và bằng với số 
AO hóa trị của nguyên tố.
Nguyên tử 
của
AO hóa trị Số AO hóa trị Số liên kết cht tối đa
CKI 1s 1 1
CKII 2s 2p 4 4
CKIII 3s 3p 3d 9 9
Nguyên tố d ns (n-1)d 
np
9 9
c. Các tính chất của liên kết cộng hóa trị
 Tính bão hòa
 Tính định hƣớng
 Tính phân cực
LIÊN KẾT CỘNG HÓA TRỊ CỦA H2S
Vì sao góc hóa trị không là 900 ?
Phương pháp lai hóa các AO
 Để tăng mật độ xen phủ, khi tạo liên kết, 
nguyên tử dùng các AO lai hóa thay thế cho các 
AO thuần túy s, p, d, f
 Các AOLH tạo thành do sự xen phủ của các AO 
trong nội bộ nguyên tử.
Đặc điểm của các AOLH
Số AOLH = số AO tham gia lai hóa
Phân bố đối xứng trong không gian
Hình dạng: giống nhau
Năng lượng: bằng nhau
Kích thước: bằng nhau
Định hướng không gian: khác nhau
Điều kiện để lai hóa bền
• Năng lượng của các AO tham gia lai hóa xấp xỉ nhau
• Mật độ e của các AO tham gia lai hóa đủ lớn
• Mức độ che phủ của các AO phải cao
Trong một chu kỳ: Es - p↑: khả năng LH ↓
Trong một phân nhóm: r ↑→ khả năng LH↓
Li Be B C N O F Ne
 E2s – 2p 1,9 2,8 5,7 8,1 11,4 18,9 22,6 26,8
N – số phối trí (thực chất là số AO lai hóa)
k - số e hóa trị tự do
n –số nguyên tử biên (số ngtử liên kết trực tiếp với 
ngtử trung tâm (nttt)) 
•k = x ± y – z
•Với: - x: số e lớp ngoài cùng của nttt.
- y: số e nhận/mất tương ứng với điện tích ion
- z: số e cần thiết để các ngtử biên đạt cấu hình 
khí trơ.
2
k
nN 
Dự đoán trạng thái lai hóa của A trong phân tử ABn
Ví dụ
–CO2: N =
–SO2 : N =
–NH3 : N =
–H2O : N =
–NH4
+: N =
–SO4
2-: N =
–NO2 : N =
Kiểu lai
hóa của
A
Phân tử dạng Cấu hình
không gian
của phân tử
sp AB2 Đường 
thẳng
sp2 AB2
(1AO tự do)
Góc
AB3 
(0AO tự do)
Tam giác
đều (1200)
sp3 AB2
(2AO tự do)
Góc
AB3 
(1AO tự do)
Tháp tam 
giác
AB4 
(0AO tự do)
Tứ diện đều
(10905’)
Dự đoán cấu hình không gian của phân tử
Lai hóa sp
 Số cặp e quanh A= 2 → A ở trạng thái lai hóa SP
 AB2 dạng thẳng góc lk 180
0
linear
LAI HOÁ SP
A * – 2s1 2p1
Lai hóa sp
BeCl2 (AB2E0) BLK=1; 180
0
số cặp e quanh Be= 2 + ½(2 + 0 – 2) =2 + 0=2→sp
Be: 2s2 2p0 

↑ ↑Be
* 2s1 2p1
Lai hoá 
sp




 


 
Hai AO lai hóa của 
Be
Cl: 3s2 3p5
Cl: 3s2 3p5
sp
↑
Lai hóa sp2
trigonal planar
Số cặp e quanh A= 3 → A ở trạng thái lai 
hóa SP2
AB3E0 ,AB2E1 - góc hóa trị 120
0
Lai hóa sp2
BF3 (AB3E0 ) BLK = 1,33 ; 120
0
số cặp e quanh B= 3 + ½(3 + 0 - 3) =3+0=3→sp2
B: 2s2 2p1
2p
  
 
  


F : 2s2 2p5
F : 2s2 2p5
F : 2s2 2p5
B* : 2s1 p2 

 



3 AO lai hóa sp2 của B
sp2



Lai hóa sp3
tetrahedral
Số cặp e quanh A= 4 → A ở trạng thái lai hóa 
sp3
AB4 E0 , AB3E1, AB2E2 - góc hóa trị 109
028’
CH4 (AB4) blk=1 ; 109
o 5
số cặp e quanh C= 4 + ½(4+0-4) =4+0=4→sp3
C : 2s2 2p2
  



C* : 2s1 2p3

H H H H
sp3 
   


NH3 (AB3E1) blk=1 ; HNH=107
0 3
số cặp e quanh N=3 + 1/2(5+0-3) =3+1=4→sp3
N : 2s2 2p3


 
 
  
H H H
sp3
Cặp e tự do
Tháp tam giác
H2O (AB2E2) blk=1 ; HOH= 104
0 5
số cặp e quanh O = 2 + ½(6+0-2) =2+2=4→sp3
O : 2s2 2p4




sp3
 
H H
Góc
2elk↔2elk
Lực đẩy
2etd↔2etd
Lực đẩy
2etd↔2elk
Lực đẩy
> >
Ảnh hƣởng của cặp điện tử tự do đến góc hóa trị
 Khi hình thành hợp chất, các AO không liên 
kết chiếm vị trí sao cho cách xa các AO liên kết 
nhất
Dự đoán cấu hình không gian của phân tử
• Đối với các phân tử ABn không có chứa AOLH tự do: 
Góc lk = góc LH
• Đối với các phân tử ABn có AOLH tự do: 
o Hiệu ứng đẩy của ↑↓ tự do > của ↓↑ LK > của ↑ → 
phân tử càng có nhiều ↓↑ tự do, góc lk càng bị thu 
hẹp
o Nếu χA < χB: Đám mây e nằm lệch về phía B hơn → 
góc dễ bị thu hẹp hơn
o Nếu χA > χB: Đám mây e nằm lệch về phía A hơn → 
đẩy mạnh → mở rộng góc liên kết
2elk↔2elk
Lực đẩy
2etd↔2etd
Lực đẩy
2etd↔2elk
Lực đẩy
< <
Ảnh hƣởng của cặp điện tử tự do
AB5
trigonal bipyramidal
Lai hoá sp3d
Lai hoá sp3d
PF5 P [Ne]3s
23p33d0 → P* [Ne] 3s13p33d1
AB6 Lai hóa sp
3d2
octahedral
Lai hóa sp3d2
Lai hoá sp3d2
SF6
S:[Ne] 3s23p4 → S* :[Ne] 3S13p33d2
Tính phân cực của liên kết
Đám mây e liên kết phân bố giữa 2 hạt nhân ngtử:
 Khi 2 ngtử tƣơng tác giống nhau: liên kết không phân 
cực
 Khi 2 ngtử tƣơng tác khác nhau: liên kết phân cực.
o Đám mây e lệch về phía nguyên tử có độ âm điện 
lớn hơn → nguyên tử phân cực âm
o Nguyên tử kia sẽ phân cực dƣơng
A – B A – B A – B
χA = χB χA < χB χA << χB
cht đồng cực cht có cực ion
Sự phân cực của liên kết cộng hoá trị
F – F H – Cl Na Cl
F = F  H <  Cl  Na << 
Cl
Lk cht đồng cực lk cht có cực Lk ion
H+ → Cl-
Cl bị phân cực âm
H bị phân cực dƣơng
Momen lƣỡng cực và phân tử cht có cực
H F
electron rich
region
electron poor
region
d+ d-
Momen lƣỡng cực m =  x ℓ
 : Điện tích [đơn vị tĩnh điện]
ℓ : khoảng cách giữa hai điện tích [cm]
ℓ
ĐIỀU KIỆN PHÂN TỬ CỘNG HÓA TRỊ CÓ CỰC
 Liên kết cộng hóa trị có cực
 Cấu tạo phân tử không đối xứng
Momen lưỡng cực của phân tử là tổng
vectơ momen lưỡng cực của các liên kết
và cặp electron hoá trị tự do trong các AO
lai hóa có trong phân tử.
Có cực hay không cực?
BF3, Cl2CO, và NH3.
Phân tử không cực,BF3
F
F F
B
Nguyên tử B bị 
phân cực dƣơng 
và nguyên tử F
bị phân cực âm.
Liên kết B—F trong ptử BF3 là 
có cực.
Nhƣng phân tử có cấu tạo đối 
xứng nên không cực.
Phân tử có cực, HBF2
B bị phân cực 
dƣơng nhƣng H & F 
bị phân cực âm.
H
F F
B
Liên kết B—F và B—H trong 
HBF2 là có cực. Nhƣng do ptử 
không đối xứng nên có cực.
Substituted Ethylene - cis
 Liên kết C—F phân cực mạnh hơn liên 
kết C—H. 
 Do cả hai liên kết C—F ở cùng một 
phía, phân tử có cực.
Substituted Ethylene - trans
 Liên kết C—F phân cực mạnh hơn liên 
kếtC—H. 
 Do cả hai liên kết C—F nằm ở hai phía 
đối nhau , phân tử không phân cực
ỨNG DỤNG
 Xác định kiểu lai hóa, dạng hình học và cực tính 
của các phân tử sau:
 CS2 , NO3
- , NO2
- , NH2
- , NH4
+
 COS , ClO4
- , O3 , CCl3H , SO2Cl2 
Nhận xét về phƣơng pháp VB
ƢU ĐIỂM: Phƣơng pháp VB giải quyết đƣợc 
một số vấn đề của liên kết cộng hóa trị:
 Khả năng tạo liên kết cộng hóa trị
 Các đặc trƣng của liên kết
 Giải thích đƣợc cấu trúc và tính chất hóa học
của nhiều phân tử
 Dễ hình dung 
Nhận xét về phương pháp VB
NHƯỢC ĐIỂM: Chưa được tổng quát, còn nhiều 
hiện tượng thực nghiệm không thể giải thích được 
bằng phương pháp này:
 Tính thuận từ của O2
 Sự tồn tại khá bền của ion phân tử mặc dù có số 
electron lẻ
 Màu sắc, quang phổ của phân tử 
Tính chất từ của phân tử
- Chất thuận từ (Paramagnetic): chất có electron độc thân. 
Chất này khi đặt trong từ trường sẽ bị nam châm hút.
- Chất nghịch từ (Diamagnetic):chất không có điện tử độc 
thân. Chất này khi đặt trong từ trường sẽ bị đẩy.