Bài tập Liên kết cộng hóa trị có đáp án

Liên kết mà các nguyên tử sử dụng chung các electron hóa trị để cùng thỏa mãn quy tắc octet được gọi là liên kết cộng hóa trị.

Vậy liên kết cộng hóa trị là liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử bằng một hay nhiều cặp electron dùng chung.

Các nguyên tử đã góp chung electron khi tham gia hình thành liên kết để mỗi nguyên tử đều đạt được cấu hình electron bền vững giống khí hiếm với 8 electron lớp ngoài cùng.(hoặc 2 electron ở lớp ngoài cùng giống khí hiếm helium).

- Để tạo thành liên kết trong phân tử HCl: Nguyên tử H và Cl, mỗi nguyên tử góp chung 1 electron tạo thành 1 cặp electron dùng chung. Khi đó H đạt được cấu hình electron của khí hiếm He với 2 electron lớp ngoài cùng. Cl đạt được cấu hình electron của khí hiếm Ar với 8 electron lớp ngoài cùng.

- Để tạo thành liên kết trong phân tử O$_{2}$: Mỗi nguyên tử O góp chung 2 electron tạo thành 2 cặp electron dùng chung. Khi đó mỗi nguyên tử O đều đạt được cấu hình electron của khí hiếm Ne với 8 electron lớp ngoài cùng.

- Để tạo thành liên kết trong phân tử N$_{2}$: Mỗi nguyên tử N góp chung 3 electron tạo thành 3 cặp electron dùng chung. Khi đó mỗi nguyên tử N đều đạt được cấu hình electron của khí hiếm Ne với 8 electron lớp ngoài cùng.

- Xét phân tử HCl:

+ Nguyên tử hydrogen (H) có cấu hình electron là 1s$^{1}$, chlorine (Cl) có cấu hình electron là [Ne]3s$^{2}$3p$^{5}$. 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. Lên kết giữa H và Cl được tạo nên bởi 1 cặp electron dùng chung

+ Nguyên tử oxygen (O) có cấu hình electron là 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{4}$. Để đạt được cấu hình của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử O đều cần thêm 2 electron. Vì vậy, mỗi nguyên tử O cùng góp 2 electron để tạo nên 2 cặp electron dùng chung cho cả hai nguyên tử.

+ Nguyên tử nitrogen (N) có cấu hình electron là 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{3}$$_{.}$Để đạt được cấu hình của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử N đều cần thêm 3 electron. Vì vậy, mỗi nguyên tử N cùng góp 3 electron để tạo nên 3 cặp electron dùng chung cho cả hai nguyên tử.

- Liên kết đơn là liên kết được tạo bởi 1 cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử, biểu diễn bằng một gạch nối “–”

- Liên kết đôi là liên kết được tạo bởi 2 cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử, biểu diễn bằng hai gạch nối “=”

- Liên kết ba là liên kết được tạo bởi 3 cặp electron dùng chung giữa hai nguyên tử, biểu diễn bằng ba gạch nối “≡”

Chlorine (Cl) có cấu hình electron là [Ne]3s$^{2}$3p$^{5}$. Để đạt được cấu hình của khí hiếm gần nhất, mỗi nguyên tử Cl đều cần thêm 1 electron. Vì vậy, mỗi nguyên tử Cl góp chung 1 electron để tạo nên cặp electron dùng chung cho cả hai nguyên tử.

+ Nguyên tử nitrogen (N) có cấu hình electron là 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{3}$$_{.}$Để đạt được cấu hình giống khí hiếm, nguyên tử N cần thêm 3 electron.

+ Nguyên tử hydrogen (H) có cấu hình electron là 1s$^{1}$. Để đạt được cấu hình giống khí hiếm, nguyên tử H cần thêm 1 electron.

+ Để tạo thành liên kết trong phân tử NH$_{3}$, mỗi nguyên tử H góp chung 1 electron với nguyên tử N tạo thành 3 cặp electron dùng chung.

- Cấu hình electron của O là: 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{4}$ ⇒ O có 6 electron ở lớp ngoài cùng ⇒ Cần nhận thêm 2 electron để đạt được cấu hình electron bền vững của khí hiếm.

- Cấu hình electron của C là: 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{2}$⇒ C có 4 elctron ở lớp ngoài cùng ⇒ Cần nhận thêm 4 electron để đạt được cấu hình electron bền vững của khí hiếm.

⇒ Mỗi nguyên tử sẽ góp chung 2 electron để tạo thành 2 cặp electron chung.

- Khi đó nguyên tử C có 6 electron (chưa đủ octet), O có 8 electron ở lớp ngoài cùng

⇒ O sẽ sử dụng 1 cặp electron chưa liên kết làm cặp electron chung với nguyên tử C. Trong CO, nguyên tử O đóng góp cặp electron chung nên nguyên là nguyên tử cho, còn nguyên tử C không đóng góp electron nên đóng vai trò nhận

⇒ Công thức electron

Công thức cấu tạo:

Nguyên tử “cho” là nguyên tử đóng góp cặp electron chung, nguyên tử đó phải còn cặp electron chưa liên kết.

Nguyên tử “nhận” là nguyên tử không đóng góp electron, nguyên tử đó phải còn orbital trống, không chứa electron.

Trong phân tử NH$_{3}$, nguyên tử N còn 1 cặp electron chưa tham gia liên kết, ion H$^{+}$ có orbital trống, không chứa electron. Khi cho NH$_{3}$ kết hợp với ion H$^{+}$, nguyên tử N sử dụng một cặp electron chưa liên kết làm cặp electron chung với ion H$^{+}$ tạo thành ion NH$_{4}$$^{+}$.

Cặp electron bị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện lớn hơn.

Trong phân tử HCl, cặp electron bị lệch về phía nguyên tử Cl.

Trong phân tử NH$_{3}$, cặp electron bị lệch về phía nguyên tử N.

Trong phân tử CO$_{2}$, cặp electron bị lệch về phía nguyên tử O.

- Liên kết cộng hóa trị không phân cực: H$_{2}$, Br$_{2}$…

- Liên kết cộng hóa trị phân cực: H$_{2}$O, HBr, …

Liên kết cộng hóa trị trong phân tử A$_{2}$ luôn là liên kết cộng hóa trị không phân cực vì:

$Δχ=χ(A)-χ(A)=0$

$Δχ=χ(Cl)-χ(Mg)=3{,}16-1{,}31=1{,}85>1{,}7$

⇒ Liên kết Mg-Cl trong phân tử MgCl$_{2}$là liên kết ion.

$Δχ=χ(O)-χ(C)=3{,}44-2{,}55=0{,}89$

⇒ Liên kết C=O trong phân tử CO$_{2}$là liên kết cộng hóa trị phân cực.

$Δχ=χ(C)-χ(H)=2{,}55-2{,}2=0{,}35$

⇒ Liên kết C-H trong phân tử C$_{2}$H$_{4}$ là liên kết cộng hóa trị không phân cực.

- Liên kết σ (sigma) được hình thành do sự xen phủ trục của hai orbital.

- Liên kết π (pi) được hình thành do sự xen phủ bên của hai orbital.

Liên kết bội là liên kết được hình thành giữa hai nguyên tử bằng hai hoặc ba cặp electron góp chung. Liên kết này được biểu thị bằng hai gạch nối hoặc ba gạch nối.

Liên kết bội gồm cả liên kết σ và liên kết π.

- Phân tử Cl$_{2}$ được tạo thành bởi 1 cặp electron dùng chung:

⇒ Phân tử Cl$_{2}$ không chứa liên kết bội.

- Phân tử HCl được tạo thành bởi 1 cặp electron dùng chung:

⇒ Phân tử HCl không chứa liên kết bội.

- Phân tử O$_{2}$ được tạo thành bởi 2 cặp electron dùng chung:

⇒ Phân tử O$_{2}$ chứa liên kết bội.

- Phân tử N$_{2}$ được tạo thành bởi 3 cặp electron dùng chung:

⇒ Phân tử N$_{2}$ chứa liên kết bội.

- Liên kết đơn gồm 1 liên kết σ.

- Liên kết đôi gồm 1 liên kết σ và 1 liên kết π.

- Liên kết ba gồm 1 liên kết σ và hai liên kết π.

Sơ đồ xen phủ orbital giữa 2 nguyên tử carbon hình thành liên kết đôi trong phân tử ethylene (C$_{2}$H$_{4}$):

Năng lượng liên kết đặc trưng cho độ bền của liên kết. Năng lượng liên kết càng lớn thì liên kết càng bền và ngược lại.

Năng lượng liên kết trong phân tử N$_{2}$ (E$_{b}$ = 945 kJ/mol) lớn hơn năng lượng liên kết trong phân tử H$_{2}$ (E$_{b}$ = 432 kJ/mol) ⇒ Liên kết trong phân tử N$_{2}$ bền hơn. Ngược lại liên kết trong phân tử H$_{2}$ kém bền hơn (dễ bị phá vỡ hơn).

Năng lượng liên kết trong phân tử N$_{2}$ là E$_{b}$ = 945 kJ/mol. Tức là để phá vỡ 1 mol phân tử N$_{2}$ cần cung cấp năng lượng là 945 kJ.

⇒ Phân tử N$_{2}$ rất khó bị phá vỡ ⇒ Bền ở điều kiện thường.

Các bước trong quá trình lắp ráp mô hình phân tử NH$_{3}$:

Bước 1: Xác định hình học phân tử của chất cần lắp ráp.

Phân tử NH$_{3}$ có dạng:

Công thức VESEPR của NH$_{3}$là AX$_{3}$E$_{1}$. Để giảm tối đa lực đẩy giữa 4 cặp electron hóa trị (gồm 3 cặp electron chung và 1 cặp electron riêng), 4 cặp electron này phải chiếm 4 khu vực điện tích âm sao cho lực đẩy giữa chúng là nhỏ nhất. Tuy nhiên cặp electron riêng đẩy mạnh hơn làm góc liên kết giảm, nên nhỏ hơn 109,5$^{o}$

Bước 2: Xác định số lượng các loại liên kết và kiểu liên kết trong phân tử, qua đó xác định số lượng mỗi loại khối cầu và số thanh nối cần dùng.

Chọn 3 thanh nối biểu diễn 3 liên kết đơn N-H. Chọn 1 quả cầu biểu diễn nguyên tử N và 3 quả cầu (khác màu với N) biểu diễn 3 nguyên tử H.

Bước 3: Hoàn chỉnh mô hình phân tử

- Phân tử CH$_{4}$ được tạo bởi 1 nguyên tử C và 4 nguyên tử H

- Phân tử CH$_{3}$Cl được tạo bởi 1 nguyên tử C, 3 nguyên tử H và 1 nguyên tử Cl

⇒ Mô hình trên gồm 3 loại nguyên tử khác màu gồm: 1 nguyên tử C được biểu diễn bằng quả cầu màu đen, 3 nguyên tử H được biểu diễn bằng quả cầu màu trắng và 1 nguyên tử Cl được biểu diễn bằng quả cầu màu xanh.

⇒ Mô hình trên biểu diễn phân tử của CH$_{3}$Cl

Bước 1: Xác định hình học phân tử của chất cần lắp ráp.

Toàn bộ các nguyên tử nằm trên cùng một đường thẳng.

Bước 2: Xác định số lượng các loại liên kết và kiểu liên kết trong phân tử, qua đó xác định số lượng mỗi loại khối cầu và số thanh nối cần dùng.

Chuẩn bị 5 thanh nối tương ứng với 5 liên kết.

2 quả cầu màu xám biểu diễn nguyên tử C, hai quả cầu màu trắng biểu diễn nguyên tử H.

Bước 3: Hoàn chỉnh mô hình phân tử

Đáp án đúng là: A

Trong phân tử iodine (I$_{2}$), mỗi nguyên tử iodine đã góp một electron để tạo cặp electron chung ⇒ Mỗi nguyên tử I đều đạt 8 electron lớp ngoài cùng.

Nguyên tử I có 5 lớp electron.

⇒ Giống cấu hình khí hiếm Xe.

- Sự tạo thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử H$_{2}$S:

+ Nguyên tử S có cấu hình electron là: 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{6}$3s$^{2}$3p$^{4}$. Cần 2 electron để đạt được cấu hình giống khí hiếm.

+ Nguyên tử H có cấu hình electron là: 1s$^{1}$. Cần thêm 1 electron để đạt được cấu hình giống khí hiếm.

+ Khi hình thành phân tử, mỗi nguyên tử H sẽ góp chung 1 electron với nguyên tử S để tạo thành 2 cặp electron dùng chung.

- Sự tạo thành liên kết cộng hóa trị trong phân tử PH$_{3}$:

+ Nguyên tử P có cấu hình electron là: 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{6}$3s$^{2}$3p$^{3}$. Để đạt được cấu hình electron giống khí hiếm thì cần thêm 3 electron.

+ Nguyên tử H có cấu hình electron là: 1s$^{1}$. Để đạt được cấu hình electron giống khí hiếm thì cần thêm 1 electron.

+ Khi hình thành phân tử, mỗi nguyên tử H sẽ góp chung 1 electron với nguyên tử P để tạo thành 3 cặp electron dùng chung.

- Phân tử CS$_{2}$: Mỗi nguyên tử S sẽ góp chung 2 electron mới nguyên tử C tạo thành 4 cặp electron dùng chung được biểu thị bằng 4 gạch nối.

- Phân tử SCl$_{2}$: Mỗi nguyên tử Cl sẽ góp chung 1 electron với nguyên tử S để tạo thành 2 cặp electron dùng chung.

- Phân tử CCl$_{4}$: Mỗi nguyên tử Cl sẽ góp 1 electron với nguyên tử C để tạo thành 4 cặp electron dùng chung.

+ O có cấu hình electron là 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{4}$⇒ O có 6 electron ở lớp ngoài cùng ⇒ Cần nhận thêm 2 electron để đạt được cấu hình bền vững của khí hiếm.

+ S có cấu hình electron là 1s$^{2}$2s$^{2}$2p$^{6}$3s$^{2}$3p$^{4}$ ⇒ S có 6 elctron ở lớp ngoài cùng ⇒ Cần nhận thêm 2 electron để đạt được cấu hình bền vững của khí hiếm.

+ Khi hình thành phân tử, một nguyên tử O góp chung 2 electron với nguyên tử S để tạo thành 2 cặp electron dùng chung.

Nguyên tử O còn lại chưa được liên kết. Trong khi đó nguyên tử S vẫn còn 2 đôi electron chưa tham gia liên kết.

⇒ Nguyên tử S sẽ cho nguyên tử O chưa tham gia liên kết 1 cặp electron để dùng chung.

⇒ Công thức electron:

Công thức cấu tạo:

- Cấu hình electron lớp ngoài cùng của nguyên tử chlorine được biểu diễn trên cái orbital như sau:

- Sự hình thành liên kết giữa hai nguyên tử chlorine là do sự xen phủ trục giữa hai AO p chứa electron độc thân của mỗi nguyên tử chlorine. Liên kết được tạo thành giữa hai nguyên tử chlorine là liên kết σ.

Khi các nguyên tử liên kết với nhau, các AO phải được sắp xếp ở vị trí phù hợp. Chẳng hạn khi hình thành phân tử giữa hai nguyên tử, vị trí của các AO như sau:

- Hai AO p$_{z}$ nằm dọc trên cùng một trục nên chỉ có thể xen phủ trục với nhau ⇒ Chỉ tạo thành liên kết σ.

- Hai AO p$_{x}$ hoặc hai AO p$_{y}$ là song song nên chỉ có thể xen phủ bên với nhau ⇒ Tạo thành liên kết π.

- Phân tử C$_{2}$H$_{2}$ gồm:

+ Hai liên kết đơn C-H. Hai liên kết này đều là liên kết σ.

+ Một liên kết ba C≡C gồm 1 liên kết σ và 2 liên kết π

HX nào có năng lượng liên kết càng lớn thì độ bền liên kết càng cao.

Sắp xếp theo chiều tăng dần giá trị năng lượng liên kết: HI < HBr < HCl < HF

⇒ Sắp xếp theo chiều tăng dần độ bền liên kết: HI < HBr < HCl < HF