Đang tải bài học…

AP Chemistry

sự lai hoá orbital

hybridization

Sự lai hoá orbital là quá trình trộn lẫn các orbital nguyên tử thuần khiết để tạo ra các orbital lai hoá mới tương đương nhau.

Trong mô hình liên kết, các obitan nguyên tử thuần khiết như $s$ và $p$ thường không định hướng trùng với hình học phân tử mà thực nghiệm quan sát được. Chẳng hạn, bốn liên kết C–H trong methane đều tương đương và tạo thành tứ diện, nhưng obitan $2s$ lại có dạng cầu đối xứng còn ba obitan $2p$ thì vuông góc với nhau từng đôi một. Do đó, để giải quyết mâu thuẫn này, thuyết liên kết hoá trị đề xuất rằng các obitan nói trên trộn lẫn với nhau về mặt toán học trước khi tạo liên kết.

Quá trình trộn lẫn bảo toàn tổng số obitan, nghĩa là một obitan $s$ kết hợp với ba obitan $p$ của cùng một phân lớp sẽ sinh ra bốn obitan lai hoá hoàn toàn tương đương, gọi là $sp^3$ . Nhờ đó, bốn obitan mới này hướng về bốn đỉnh của một tứ diện đều và tạo ra các góc liên kết (bond angles) xấp xỉ $109{,}5^\circ$ . Tương tự, nếu chỉ một obitan $s$ kết hợp với hai obitan $p$ thì ta được ba obitan $sp^2$ định hướng tam giác phẳng, còn nếu nó chỉ kết hợp với một obitan $p$ duy nhất thì sinh ra hai obitan $sp$ thẳng hàng.

Hệ quả quan trọng là hình học xung quanh nguyên tử trung tâm (central atom) mới quyết định kiểu lai hoá, chứ không phải số lượng liên kết thực tế. Mặt khác, một cặp êlectron chưa liên kết cũng chiếm giữ một obitan lai hoá y hệt như một liên kết, do đó phân tử (molecule) có bốn vùng mật độ êlectron xung quanh nguyên tử trung tâm đều cần bốn obitan lai hoá $sp^3$ . Vì vậy, chỉ cần đếm số vùng mật độ này, tức tổng số liên kết $\sigma$ và số cặp chưa liên kết, là ta suy ra ngay trạng thái lai hoá của nguyên tử đó.

Ký hiệu

sp, sp^2, sp^3

Trực giác: Giống như việc pha trộn bốn màu sơn cơ bản để tạo ra bốn màu mới hoàn toàn giống nhau nhưng khác hẳn màu gốc, nhằm phủ đều về bốn hướng trong không gian ba chiều — như bốn góc của một khối tứ diện đều.

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1931Linus PaulingJohn C. SlaterCharles A. Coulson

Linus Pauling đưa ra khái niệm sự lai hoá orbital năm 1931 để giải thích vì sao các phân tử như methane lại có hình dạng và các liên kết hoàn toàn tương đương nhau; cùng năm đó John C. Slater công bố ý tưởng tương tự một cách độc lập.

Vào những năm 1920, các nhà hoá học đã biết khá rõ về methane: công thức $\mathrm{CH_4}$ , hình học tứ diện (tetrahedral) quanh nguyên tử carbon, góc liên kết H–C–H bằng $109.5^\circ$ , và bốn liên kết C–H hoàn toàn như nhau. Nhưng lớp electron ngoài cùng của carbon lại chứa bốn orbital khác nhau — một orbital $s$ và ba orbital $p$ ( $p_x$ , $p_y$ , $p_z$ ) — nên chẳng có lý do hiển nhiên nào để bốn liên kết sinh ra từ chúng lại giống hệt nhau. Pauling giải bài toán này bằng cách cho các orbital nguyên tử trộn lại thành một bộ orbital mới tương đương, và năm 1931 ông công bố mô hình đó; Slater đưa ra cách tiếp cận tương tự trong cùng năm.

Hay hiểu sai

Số lai hoá đếm theo miền electron, không phải theo số liên kết.

Liên kết đôi hay liên kết ba vẫn chỉ tính là một miền electron.

Lai hoá không đồng nghĩa với hình dạng phân tử.

Khi đề hỏi lai hoá có thay đổi hay không, phải so sánh số miền hai bên phản ứng.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ion oxalat,

\text{C}_2\text{O}_4^{\,2-}

, có tổng cộng 34 electron hoá trị. Trong cấu trúc Lewis chấp nhận được của ion này, hai nguyên tử carbon liên kết trực tiếp với nhau; mỗi carbon còn tạo một liên kết đôi với một nguyên tử oxygen và một liên kết đơn với một nguyên tử oxygen mang điện tích hình thức

-1

. Không nguyên tử carbon nào mang cặp electron chưa liên kết.

aXác định trạng thái lai hoá của mỗi nguyên tử carbon và dự đoán góc liên kết O–C–O.
bCho biết trong ion oxalat có bao nhiêu liên kết sigma và bao nhiêu liên kết pi.

1Bước 1: Trước hết cần kiểm tra cấu trúc Lewis có tự nhất quán hay không, vì mọi kết luận về lai hoá đều dựa trên nó. Số electron hoá trị là

2(4) + 4(6) + 2 = 34

, trong đó số

2

cuối cùng đến từ điện tích

2-

của ion. Cấu trúc mô tả trong đề có 5 liên kết đơn và 2 liên kết đôi, tức

7

cặp electron liên kết, cộng với

3

cặp chưa liên kết trên mỗi oxygen đơn và

2

cặp trên mỗi oxygen đôi:

7(2) + [2(3) + 2(2)](2) = 14 + 20 = 34

. Con số khớp, nên ta yên tâm dùng cấu trúc này để đếm.

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 “Thuyết VSEPR và lai hóa” — khoá AP Chemistry

Cần trướcorbital nguyên tử (sắp có)cấu hình electron trạng thái cơ bản

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

orbital phân tử (molecular orbital)molecular orbital

Khác nhau ở đâuOrbital lai hóa trộn các orbital nguyên tử trên cùng một nguyên tử. Orbital phân tử kết hợp orbital từ nhiều nguyên tử khác nhau.

Hay nhầm khiKhi đề hỏi về loại orbital tạo thành liên kết mà không chỉ rõ dùng thuyết VB hay thuyết MO.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 434–436.

Vì sao mang đúng cái tên này? Tên gọi mượn thẳng nghĩa "lai" trong tiếng Anh: một orbital lai (hybrid orbital) là sản phẩm pha trộn của những orbital nguyên tử khác loại, và giống như mọi thứ được lai, nó mang đặc tính khác hẳn các thành phần sinh ra nó. Vì vậy cách viết $sp^3$ không phải một loại orbital mới lạ nào, mà chỉ là cách ghi "công thức lai": một phần $s$ trộn với ba phần $p$ . Chính vì tên gọi nhấn vào tỉ lệ pha trộn mà về sau Coulson còn mở rộng thành khái niệm chỉ số lai hoá, cho phép tỉ lệ $s$ – $p$ không nguyên chứ không chỉ dừng ở $sp$ , $sp^2$ , $sp^3$ . Cần nhớ rằng đây là một công cụ lý thuyết thuộc thuyết liên kết hoá trị (valence bond theory) chứ không phải một hiện tượng quan sát được: người ta "lai" orbital trên giấy để lời giải thích khớp với hình học đo được của phân tử.

Luôn vẽ cấu trúc Lewis ra giấy trước khi ghi bất kỳ đáp án lai hoá nào.

Khi đếm liên kết sigma và pi, nhớ mỗi cặp nguyên tử chỉ có đúng một liên kết sigma.

Với nguyên tố chu kì 2, đừng bao giờ viết $sp^3d$ hay $sp^3d^2$ .

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

2Bước 2: Kế tiếp, đếm số miền electron (electron domain) quanh mỗi nguyên tử carbon. Một liên kết đôi chỉ tính là một miền, do đó carbon có ba miền: liên kết với carbon kia, liên kết đôi với một oxygen và liên kết đơn với oxygen còn lại. Vì không có cặp electron chưa liên kết trên carbon, cả ba miền đều là miền liên kết.

3Bước 3: Theo lý thuyết liên kết hoá trị (valence bond theory), số miền electron quyết định số orbital lai hoá cần có: ba miền đòi hỏi ba orbital, nên nguyên tử carbon trộn một orbital

2s

với hai orbital

2p

để tạo ba orbital lai hoá

sp^2

. Ba orbital này hướng về ba đỉnh của một tam giác đều nằm trong cùng mặt phẳng, cho hình học tam giác phẳng (trigonal planar) và góc liên kết lý tưởng

120^\circ

. Vì vậy góc O–C–O dự đoán xấp xỉ

120^\circ

; trên thực tế giá trị đo được lệch nhẹ khỏi

120^\circ

do lực đẩy giữa hai oxygen mang điện tích âm không hoàn toàn giống nhau.

4Bước 4: Cuối cùng, hãy nhớ rằng liên kết đơn gồm một liên kết sigma, còn liên kết đôi gồm một sigma và một pi. Ion có 1 liên kết C–C, 2 liên kết C–O đơn và 2 liên kết C=O, nên số liên kết sigma là

1 + 2 + 2 = 5

và số liên kết pi là

2

. Các liên kết sigma hình thành từ sự xen phủ trục của orbital lai hoá

sp^2

, còn liên kết pi hình thành từ sự xen phủ bên của orbital

2p

chưa lai hoá còn lại trên mỗi carbon.

Mỗi nguyên tử carbon trong ion oxalat có ba miền electron nên ở trạng thái lai hoá $sp^2$ , với góc O–C–O gần $120^\circ$ và ba nguyên tử quanh mỗi carbon nằm trong một mặt phẳng. Toàn ion chứa 5 liên kết sigma và 2 liên kết pi; mỗi carbon giữ lại một orbital $2p$ chưa lai hoá vuông góc với mặt phẳng đó để tạo liên kết pi với oxygen.

2Ví dụ 2/2

Ethene phản ứng với bromine theo phương trình

\text{C}_2\text{H}_4(g) + \text{Br}_2(g) \rightarrow \text{C}_2\text{H}_4\text{Br}_2(g)

. Trong sản phẩm, mỗi nguyên tử carbon liên kết với hai nguyên tử hydrogen, một nguyên tử bromine và nguyên tử carbon còn lại; không nguyên tử carbon nào mang cặp electron chưa liên kết.

aTrạng thái lai hoá của các nguyên tử carbon có thay đổi khi phản ứng xảy ra hay không? Giải thích.
bSo sánh góc liên kết H–C–H cùng số liên kết sigma và pi ở chất phản ứng và ở sản phẩm.

1Bước 1: Bắt đầu từ chất phản ứng. Trong ethene, mỗi carbon liên kết với hai hydrogen và tạo một liên kết đôi với carbon kia; liên kết đôi vẫn chỉ chiếm một miền electron, nên carbon có ba miền. Ba miền ứng với ba orbital lai hoá

sp^2

, hình học tam giác phẳng, góc H–C–H lý tưởng

120^\circ

, và toàn bộ phân tử nằm trong một mặt phẳng.

2Bước 2: Sang sản phẩm, mỗi carbon nay liên kết với hai hydrogen, một bromine và một carbon, tức bốn miền electron và không có cặp chưa liên kết. Bốn miền đòi hỏi bốn orbital, nên carbon trộn orbital

2s

với cả ba orbital

2p

để tạo bốn orbital lai hoá

sp^3

hướng về bốn đỉnh của một tứ diện (tetrahedral). Góc liên kết lý tưởng giảm còn khoảng

109{,}5^\circ

, và phân tử không còn phẳng nữa.

3Bước 3: Do đó câu trả lời cho ý (a) là có: lai hoá thay đổi từ

sp^2

sang

sp^3

. Nguyên nhân sâu xa nằm ở chỗ liên kết pi của

\text{C=C}

bị phá vỡ; orbital

2p

trước đây dùng để xen phủ bên nay được dùng để tạo liên kết sigma mới với bromine, và số miền electron quanh carbon tăng từ ba lên bốn. Nói cách khác, lai hoá thay đổi vì số miền thay đổi, chứ không phải vì bản thân nguyên tử carbon đổi bản chất.

4Bước 4: Với ý (b), hãy đếm liên kết ở hai phía. Ethene có

4

liên kết C–H và

1

liên kết C–C, tức

5

liên kết sigma, cộng thêm

1

liên kết pi. Sản phẩm có

4

liên kết C–H,

1

liên kết C–C và

2

liên kết C–Br, tức

7

liên kết sigma và không còn liên kết pi nào. Kết quả này hợp lý vì phản ứng đã bẻ gãy một liên kết pi cùng liên kết sigma Br–Br để tạo hai liên kết sigma C–Br.

Khi phản ứng xảy ra, mỗi nguyên tử carbon chuyển từ lai hoá $sp^2$ (ba miền electron, tam giác phẳng, góc H–C–H khoảng $120^\circ$ ) sang lai hoá $sp^3$ (bốn miền electron, tứ diện, góc khoảng $109{,}5^\circ$ ). Đồng thời số liên kết sigma tăng từ 5 lên 7 và liên kết pi duy nhất trong ethene biến mất, đúng như dự đoán khi một liên kết đôi được cộng thêm hai nguyên tử bromine.

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