Đang tải bài học…

AP Chemistry

cộng hưởng

resonance

Còn gọi: hiện tượng cộng hưởng · hiệu ứng cộng hưởng · resonance stabilization

Cộng hưởng là hiện tượng electron phi định xứ trên nhiều nguyên tử, khiến cấu trúc thực là lai của nhiều công thức Lewis.

Trong nhiều phân tử (molecule) và ion, một công thức Lewis (Lewis diagram) duy nhất không thể mô tả đầy đủ sự phân bố êlectron liên kết. Khi hai hay nhiều công thức Lewis đều thoả mãn quy tắc bát tử cho cùng một cách sắp xếp nguyên tử (atom), ta nói hệ đó thể hiện cộng hưởng. Mỗi công thức đóng góp được gọi là một cấu trúc cộng hưởng, và không một cấu trúc riêng lẻ nào trong số đó là biểu diễn chính xác của phân tử thực.

Thực tế, các êlectron không "nhảy" qua lại giữa các vị trí như mũi tên hai đầu gợi ý. Thay vào đó, êlectron phi định xứ trải đều trên nhiều nguyên tử và tạo nên một lai cộng hưởng, tức là trung bình có trọng số (weighted average) của mọi cấu trúc đóng góp. Nhờ đó, liên kết trong phân tử thực luôn bền hơn bất kỳ cấu trúc đóng góp nào xét riêng lẻ. Độ bền tăng thêm này gọi là năng lượng ổn định cộng hưởng và giải thích vì sao các chất có hệ cộng hưởng thường khó phản ứng hơn dự đoán.

Tuy nhiên, không phải mọi cấu trúc đóng góp đều có vai trò ngang nhau trong việc tạo thành lai. Cấu trúc nào mang điện tích hình thức nhỏ hơn và đặt điện tích âm lên nguyên tử có độ âm điện lớn hơn sẽ đóng góp nhiều hơn vào lai cuối cùng. Ngược lại, cấu trúc mang điện tích hình thức lớn hoặc vi phạm quy tắc bát tử chỉ đóng góp rất ít. Do đó, khi so sánh tầm quan trọng tương đối của các cấu trúc, thí sinh cần xét đồng thời cả bát tử, điện tích hình thức và độ âm điện.

Ký hiệu

\leftrightarrow

(mũi tên hai đầu nối các cấu trúc đóng góp)

Trực giác: Giống như một đứa con mang nét trung bình của cả bố lẫn mẹ chứ không phải lúc giống bố lúc giống mẹ, phân tử cộng hưởng mang cấu trúc trung bình ổn định của mọi công thức đóng góp chứ không dao động giữa chúng.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Galileo GalileiHermann HelmholtzPaulingWheland

Từ "cộng hưởng" không sinh ra trong hóa học mà đến từ âm học (acoustics), nơi Galileo Galilei bàn về hiện tượng một dây đàn tự rung lên khi dây khác được gảy; mãi về sau tên gọi này mới được mang sang mô tả cấu trúc phân tử, gắn với các diễn giải của Pauling và Wheland.

Hay hiểu sai

Phân tử không nhảy qua lại giữa các cấu trúc cộng hưởng.

Cộng hưởng chỉ dịch chuyển electron, tuyệt đối không dịch chuyển nguyên tử.

Ba cấu trúc cộng hưởng không có nghĩa là phân tử có ba liên kết đôi.

Không được lấy một hình vẽ đơn lẻ làm câu trả lời về độ dài liên kết.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ion carbonate

CO_3^{2-}

có nguyên tử carbon ở trung tâm, ba nguyên tử oxygen bao quanh. Thực nghiệm nhiễu xạ cho thấy cả ba liên kết carbon–oxygen trong ion này đều dài đúng bằng nhau, khoảng

129

pm. Để so sánh, liên kết đơn

C-O

điển hình (như trong methanol) dài khoảng

143

pm, còn liên kết đôi

C=O

(như trong formaldehyde) chỉ dài khoảng

123

pm.

aGiải thích vì sao một cấu trúc Lewis đơn lẻ không mô tả được ion carbonate, và chỉ ra chỗ bắt buộc phải dùng cộng hưởng.
bTính bậc liên kết của mỗi liên kết carbon–oxygen theo mô hình cộng hưởng.
cDự đoán độ dài ba liên kết carbon–oxygen và đối chiếu với số liệu thực nghiệm đã cho.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc phân tử & ion · bài “Cộng hưởng và điện tích hình thức” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớiaxit cacboxylic (sắp có)hệ liên kết đôi liên hợp

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

cân bằng (equilibrium)equilibrium

Khác nhau ở đâuCộng hưởng mô tả một cấu trúc lai trùng duy nhất, không phải hai dạng lật qua lật lại. Cân bằng mô tả hai chất riêng biệt chuyển hoá lẫn nhau theo thời gian.

Hay nhầm khiKhi đề vẽ hai công thức cấu tạo khác nhau cho cùng một chất và hỏi phải chăng phân tử nhảy giữa hai dạng

đồng phân (isomers)isomers

Khác nhau ở đâuĐồng phân là các chất khác nhau, cùng công thức phân tử nhưng khác vị trí nguyên tử. Cấu trúc cộng hưởng là các cách vẽ khác nhau của cùng một chất, nguyên tử giữ nguyên vị trí.

Hay nhầm khiKhi đề cho hai công thức Lewis khác nhau và hỏi đó là đồng phân hay cộng hưởng

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 15–16, 22.

Bài toán đầu tiên mà từ này phải trả lời hoàn toàn thuộc về âm thanh. Khi quan sát nhạc cụ, người ta thấy một dây đàn đang đứng yên bỗng ngân lên chỉ vì một dây khác gần đó được gảy; Galileo Galilei đã bàn đúng hiện tượng ấy trong cuốn Dialogues Concerning Two New Sciences, và nó được gọi là cộng hưởng đồng cảm (sympathetic resonance). Vì vậy, ý niệm gốc là hai hệ dao động ăn nhịp với nhau. Đến thập niên 1850, nhà khoa học người Đức Hermann Helmholtz đã dùng chính nguyên lý này để chế tạo một dụng cụ đo âm mới, chiếc "resonator". Cách nói ấy về sau được mượn sang hóa học, nơi lý thuyết cộng hưởng hình thành cùng những cách diễn giải của Pauling và Wheland.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi bắt nguồn từ tiếng Latin resonantia, nghĩa là "tiếng vọng", vốn đi ra từ động từ resonare — "vang lại", "dội tiếng". Do đó nghĩa đen của nó không dính gì đến electron: nó mô tả cảnh một vật phát ra âm thanh chỉ vì hưởng ứng theo rung động của vật khác. Chính vì gốc âm học ấy mà cái tên nghe có vẻ vô lý khi đặt vào hóa học, nơi phân tử chẳng "ngân" theo nghĩa nào cả. Người học nên nhớ rằng chữ này được mượn từ vật lý sang, và trong đề thi nó xuất hiện dưới dạng các cấu trúc cộng hưởng (resonance structures).

Vẽ mũi tên hai đầu $\leftrightarrow$ giữa các cấu trúc cộng hưởng, đừng vẽ mũi tên cân bằng.

Khi đề hỏi bậc liên kết, hãy viết hẳn phép trung bình ra giấy.

Liên hệ ngay cộng hưởng với ba đại lượng đề hay hỏi: độ dài, độ bền và năng lượng.

Tần suất trong đề AP ChemistryÍt gặp

Bước 1: Đếm tổng số electron hóa trị trước khi vẽ bất cứ thứ gì. Carbon đóng góp

4

, mỗi oxygen đóng góp

6

, và điện tích

2-

thêm

2

electron nữa:

4+3\times 6+2=24

electron, tức

12

cặp electron cần phân bố.

2Bước 2: Đặt carbon ở trung tâm và nối ba liên kết đơn tới ba oxygen. Cách này mới dùng

3

cặp liên kết và

9

cặp chưa liên kết là hết

24

electron, nhưng carbon chỉ có

6

electron quanh nó, chưa đủ bát tử. Do đó phải chuyển một cặp chưa liên kết của một oxygen thành liên kết đôi. Kiểm tra điện tích hình thức (formal charge): carbon

4-0-4=0

; oxygen nối đôi

6-4-2=0

; hai oxygen nối đơn mỗi nguyên tử

6-6-1=-1

. Tổng

0+0+(-1)+(-1)=-2

, đúng bằng điện tích của ion.

3Bước 3: Đây chính là chỗ cần cộng hưởng. Liên kết đôi có thể đặt vào oxygen thứ nhất, thứ hai hoặc thứ ba, cho ba cấu trúc Lewis (Lewis structure) khác nhau trên giấy nhưng hoàn toàn tương đương về số liên kết và về bộ điện tích hình thức. Vì không có lý do nào để chọn một cấu trúc, ta viết cả ba và nối chúng bằng mũi tên hai đầu

\leftrightarrow

. Ion thật không dao động qua lại giữa ba cấu trúc đó; nó là một trạng thái trung bình duy nhất, với cặp electron

\pi

trải đều trên cả ba liên kết.

4Bước 4: Lấy trung bình bậc liên kết (bond order) qua

n

cấu trúc đóng góp ngang nhau:

\mathrm{BO}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n} b_i=\frac{2+1+1}{3}=\frac{4}{3}\approx 1{,}33

Trong đó

b_i

là bậc của liên kết đang xét trong cấu trúc thứ

i

. Cách đếm nhanh tương đương: tổng cộng có

4

cặp electron liên kết chia cho

3

vị trí

C-O

5Bước 5: Bậc liên kết càng lớn thì liên kết càng ngắn và càng mạnh. Với bậc

1{,}33

, độ dài phải nằm giữa

123

pm và

143

pm nhưng lệch về phía liên kết đơn vì

1{,}33

gần

1

hơn gần

2

. Giá trị thực nghiệm

129

pm nằm đúng trong khoảng đó, và điều quan trọng hơn là cả ba liên kết bằng nhau — phù hợp với ion phẳng, đối xứng, góc

O-C-O

bằng

120^\circ

Một cấu trúc Lewis đơn lẻ buộc phải phân biệt một liên kết đôi với hai liên kết đơn, điều mà thực nghiệm bác bỏ; vì vậy ion carbonate được mô tả bằng ba cấu trúc cộng hưởng tương đương. Mô hình này cho mỗi liên kết $C-O$ bậc $4/3\approx 1{,}33$ , tức ba liên kết giống hệt nhau và dài hơn $C=O$ nhưng ngắn hơn $C-O$ đơn. Dự đoán này khớp với số liệu $129$ pm, nằm gọn giữa $123$ pm và $143$ pm.

2Ví dụ 2/2

Trong phân tử acetic acid

CH_3COOH

, hai liên kết carbon–oxygen dài khác nhau rõ rệt: một liên kết dài

121

pm, liên kết còn lại (phía có hydrogen gắn vào oxygen) dài

136

pm. Khi acetic acid mất proton để tạo ion acetate

CH_3COO^-

, phép đo cho thấy hai liên kết carbon–oxygen trở nên giống hệt nhau, cùng dài

127

pm.

aMô tả các cấu trúc cộng hưởng của ion acetate và tính bậc liên kết của mỗi liên kết carbon–oxygen trong ion này.
bDùng kết quả trên giải thích vì sao hai liên kết trong acetic acid dài khác nhau còn hai liên kết trong acetate lại bằng nhau.

1Bước 1: Đếm electron hóa trị của ion acetate: hai carbon cho

2\times 4=8

, ba hydrogen cho

3

, hai oxygen cho

2\times 6=12

, điện tích

1-

thêm

1

, tổng cộng

8+3+12+1=24

electron, tức

12

cặp. Bộ khung gồm nhóm

CH_3

nối với carbon của nhóm carboxylate, carbon này nối tiếp với hai oxygen.

2Bước 2: Vẽ nhóm

-COO^-

với một liên kết đôi

C=O

và một liên kết đơn

C-O^-

; kiểm tra điện tích hình thức thấy carbon bằng

0

, oxygen nối đôi bằng

0

, oxygen nối đơn bằng

-1

. Bây giờ đổi vai trò hai oxygen cho nhau thì được cấu trúc thứ hai, có đúng cùng số liên kết và cùng bộ điện tích hình thức. Hai cấu trúc tương đương như vậy đóng góp ngang nhau, nên ta phải viết cả hai nối bằng mũi tên

\leftrightarrow

3Bước 3: Lấy trung bình cho từng vị trí liên kết:

\mathrm{BO}=\frac{2+1}{2}=1{,}5

Mỗi liên kết carbon–oxygen trong acetate có bậc

1{,}5

, tức nằm giữa đơn và đôi. Điện tích

-1

cũng bị chia đôi, mỗi oxygen mang

-\tfrac{1}{2}

, đúng nghĩa electron phi định xứ (delocalized electrons).

4Bước 4: Đối chiếu với số liệu: bậc

1{,}5

đòi hỏi độ dài nằm giữa

121

pm (bậc

2

) và

136

pm (bậc

1

), và giá trị

127

pm thỏa mãn điều đó. Quan trọng hơn, vì hai cấu trúc cộng hưởng tương đương nên hai liên kết bắt buộc phải bằng nhau — đúng như quan sát.

5Bước 5: Với acetic acid thì tình huống khác hẳn. Nguyên tử hydrogen gắn cố định vào một oxygen, khóa cặp electron của oxygen đó lại; nếu cố vẽ cấu trúc đảo liên kết đôi sang phía kia, ta sẽ tạo ra một oxygen mang

-1

và một oxygen mang

+1

. Cấu trúc có điện tích hình thức khác

0

đó kém bền hơn nhiều nên chỉ là cấu trúc đóng góp phụ (minor contributor), còn cấu trúc trung hòa là đóng góp chính. Vì vậy hai liên kết vẫn giữ đặc tính riêng: một liên kết gần như đôi hoàn toàn (

121

pm) và một liên kết gần như đơn hoàn toàn (

136

pm).

Ion acetate có hai cấu trúc cộng hưởng tương đương, nên mỗi liên kết carbon–oxygen có bậc $1{,}5$ và hai liên kết dài bằng nhau, $127$ pm — nằm giữa $121$ pm và $136$ pm. Ngược lại, trong acetic acid proton khóa một oxygen lại khiến hai cấu trúc không còn tương đương, cấu trúc trung hòa chiếm ưu thế, nên phân tử vẫn có một liên kết đôi ngắn và một liên kết đơn dài phân biệt rõ. Nói cách khác, chỉ khi các cấu trúc Lewis tương đương nhau thì cộng hưởng mới làm cho các liên kết trở nên đồng nhất.

Liên quancông thức Lewiselectron hóa trị phi định xứ (sắp có)bậc liên kết (sắp có)

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.