AP Chemistry

liên kết đôi

double bond

Liên kết đôi là liên kết cộng hóa trị trong đó hai nguyên tử chia sẻ hai cặp electron.

Liên kết đôi là một loại liên kết cộng hóa trị trong đó hai nguyên tử chia sẻ hai cặp êlectron (electron) với nhau thay vì chỉ một. Trong cấu trúc Lewis, người ta biểu diễn liên kết này bằng hai gạch nối song song giữa hai ký hiệu nguyên tố, ví dụ như $O=O$ trong phân tử oxy. Việc chia sẻ bốn êlectron tổng cộng giúp các nguyên tử tham gia đạt được cấu hình êlectron bền vững theo quy tắc bát tử nhanh hơn so với khi chỉ dùng liên kết đơn.

Do đó, liên kết đôi thường ngắn và bền hơn liên kết đơn vì mật độ êlectron tập trung dày đặc hơn giữa hai hạt nhân. Tuy nhiên, độ bền này không lớn gấp đôi; năng lượng liên kết (bond energy) của liên kết đôi $C=C$ chỉ vào khoảng 614 kJ/mol, trong khi liên kết đơn $C-C$ là 348 kJ/mol. Sự chênh lệch này cho thấy thành phần liên kết thứ hai, tức liên kết pi (pi bond), kém bền hơn thành phần liên kết thứ nhất, tức liên kết sigma (sigma bond), và dễ tham gia phản ứng hóa học hơn.

Hơn nữa, sự hiện diện của liên kết đôi còn cố định vị trí tương đối của các nguyên tử, ngăn cản sự quay tự do quanh trục liên kết và dẫn đến độ dài liên kết giữa hai nguyên tử ngắn hơn. Điều này tạo ra các đồng phân hình học (geometric isomers) đặc trưng trong hóa học hữu cơ. Nhờ vậy, tính chất vật lý và hóa học của các chất chứa liên kết đôi phân biệt rõ rệt so với các chất chỉ có liên kết đơn.

Ký hiệu

A=B

Đơn vịkJ/mol, pm

Trực giác: Hãy tưởng tượng hai khúc gỗ được buộc chặt vào nhau bằng hai vòng dây thừng thay vì một, khiến chúng khó tách rời và không thể xoay trượt tự do.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1916Alexander ButlerovG. N. Lewis

Cách ký hiệu liên kết đôi bằng hai vạch song song do nhà hóa học người Nga Alexander Butlerov đưa vào ký pháp hóa học, còn cách hiểu liên kết là các cặp electron dùng chung được G. N. Lewis trình bày năm 1916; bản thân tên gọi tiếng Anh được ghi nhận lần đầu khoảng 1885–1890.

Vào nửa sau thế kỷ 19, các nhà hóa học đã biết mỗi nguyên tử có một "hóa trị" nhất định, nhưng vẽ công thức thế nào cho thấy carbon dùng hết bốn hóa trị trong những phân tử như ethylene thì vẫn còn lúng túng. Butlerov giải quyết bằng một quy ước rất gọn: nối hai nguyên tử bằng hai vạch ngắn song song, và ký pháp ấy trùng luôn với dấu bằng khi in ấn. Tuy vậy, phải đến năm 1916, khi Lewis giải thích rằng các nguyên tử kết hợp để đạt cấu hình electron của khí hiếm, người ta mới hiểu hai vạch đó thực chất là hai cặp electron dùng chung. Nhờ đó liên kết đôi từ một quy ước vẽ hình trở thành một khái niệm về cấu trúc electron.

Thử nghiệm tương tác

Xoay phân tử ethene — cả sáu nguyên tử không bao giờ rời khỏi một mặt phẳng

Hay hiểu sai

Liên kết đôi không mạnh gấp đôi và cũng không ngắn bằng một nửa liên kết đơn.

Khi dùng VSEPR, liên kết đôi chỉ tính là MỘT vùng mật độ electron.

Trong phân tử có cộng hưởng, không tồn tại một liên kết đôi cố định ở một vị trí.

Liên kết đôi gồm một liên kết sigma và một liên kết pi, không phải hai liên kết sigma.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một câu trắc nghiệm AP cho bốn phân tử: CH₂O, CO₂, C₂H₂ và N₂H₄. Cả bốn chất đều bền và đều tuân theo quy tắc bát tử (octet rule) đối với các nguyên tử chu kỳ 2. Thí sinh được yêu cầu vẽ cấu trúc Lewis rồi so sánh kiểu liên kết giữa các nguyên tử trung tâm.

aĐếm tổng số electron hóa trị và vẽ cấu trúc Lewis hợp lệ cho từng phân tử.
bPhân tử nào chỉ chứa đúng một liên kết đôi? Giải thích tại sao ba phân tử còn lại bị loại.

1Bước 1: Trước hết ta đếm electron hóa trị, vì con số này quyết định có đủ electron để tạo liên kết bội hay không. Với CH₂O:

4 + 2(1) + 6 = 12

electron; với CO₂:

4 + 2(6) = 16

; với C₂H₂:

2(4) + 2(1) = 10

; với N₂H₄:

2(5) + 4(1) = 14

. Mỗi cặp electron sau đó sẽ được phân bổ thành liên kết hoặc thành cặp electron chưa liên kết (lone pair).

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 “Các loại liên kết hóa học” — khoá AP Chemistry

Dẫn tớialkene (sắp có)phản ứng cộng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

liên kết ba (triple bond)triple bond

Khác nhau ở đâuLiên kết đôi gồm một liên kết sigma và một liên kết pi, nguyên tử lai hóa sp2. Liên kết ba gồm một liên kết sigma và hai liên kết pi, nguyên tử lai hóa sp.

Hay nhầm khiĐề hỏi số liên kết sigma và pi trong phân tử có cả liên kết đôi và liên kết ba, ví dụ propyne

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 257, 382, 392.

2Ví dụ 2/2

Cho các giá trị enthalpy liên kết trung bình (bond enthalpy): C–C là

348

kJ/mol, C=C là

614

kJ/mol, C–H là

413

kJ/mol và H–H là

436

kJ/mol. Xét phản ứng hydrogen hóa ethylene ở thể khí:

\mathrm{C_2H_4(g) + H_2(g) \rightarrow C_2H_6(g)}

aƯớc lượng $\Delta H$ của phản ứng từ các enthalpy liên kết trung bình.
bDựa vào số liệu, giải thích vì sao liên kết đôi không bền gấp đôi liên kết đơn C–C.

1Bước 1: Ta so sánh hai vế để biết liên kết nào thực sự thay đổi. Ethylene có một liên kết C=C và bốn liên kết C–H; ethane có một liên kết C–C và sáu liên kết C–H. Vì vậy chỉ cần phá vỡ C=C cùng H–H, rồi tạo mới C–C và hai liên kết C–H; bốn liên kết C–H cũ giữ nguyên nên triệt tiêu khỏi phép tính.

2Bước 2: Áp dụng công thức

\Delta H = \sum D_{\text{broken}} - \sum D_{\text{formed}}

, trong đó

D

là enthalpy của từng liên kết. Năng lượng phá vỡ là

614 + 436 = 1050

kJ, năng lượng tỏa ra khi tạo liên kết là

348 + 2(413) = 1174

kJ. Do đó

\Delta H = 1050 - 1174 = -124

kJ/mol, nghĩa là phản ứng tỏa nhiệt và phù hợp với giá trị thực nghiệm khoảng

-137

kJ/mol.

3Bước 3: Sang ý (b), ta lấy hiệu giữa liên kết đôi và liên kết đơn:

614 - 348 = 266

kJ/mol. Con số này chính là phần đóng góp của thành phần thứ hai trong liên kết đôi, và nó nhỏ hơn hẳn

348

kJ/mol của thành phần thứ nhất. Nguyên nhân là hai orbital chỉ xen phủ tốt dọc theo trục nối hạt nhân, còn phần xen phủ bên — liên kết pi (pi bond) — nằm lệch khỏi trục nên yếu hơn. Nhờ đó ta hiểu vì sao ethylene dễ cộng H₂: phản ứng chỉ cần bẻ phần yếu ấy chứ không đụng tới khung liên kết đơn.

Phản ứng hydrogen hóa ethylene tỏa nhiệt với $\Delta H \approx -124$ kJ/mol theo enthalpy liên kết trung bình. Bậc liên kết (bond order) của C=C bằng $2$ nên nó ngắn hơn và bền hơn C–C, nhưng độ bền chỉ tăng thêm khoảng $266$ kJ/mol chứ không gấp đôi, vì phần xen phủ bên yếu hơn phần xen phủ dọc trục. Chính sự chênh lệch này giải thích tính phản ứng đặc trưng của các phân tử chứa liên kết đôi.