Lai hóa (hóa học)

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

Trong thuyết hóa trị định hướng, khái niệm về sự lai hóa các obitan nguyên tử là quan trọng nhất. PaulingSlayter là người đề xuất vào năm 1931 để giải thích sự định hướngđộ bền của các hợp chất hữu cơvô cơ (chủ yếu là các phức chất).

Khái niệm[sửa | sửa mã nguồn]

Lai hoá là sự tổ hợp hay trộn lẫn các obitan có mức năng lượng xấp xỉ nhau để được từng ấy obitan có mức năng lượng giống nhau nhưng hướng về các trục trong không gian.

Ví dụ: Trong phân tử CH4, khi nguyên tử cacbon (C) tham gia liên kết với bốn nguyên tử H tạo thành phân tử CH4 thì obitan 2s đã trộn lẫn với ba obitan 2p tạo thành bốn obitan mới giống hệt nhau gọi là bốn obitan lai hóa sp3. Bốn obitan lai hóa sp3 xen phủ với bốn obitan 1s của bốn nguyên tử H tạo thành bốn liên kết C - H giống nhau.

Nguyên nhân của sự lai hoá là các obitan hóa trị ở các phân lớp khác nhau có năng lượng và hình dạng khác nhau cần phải đồng nhất để tạo được liên kết bền với các nguyên tử khác.

Lai hóa giữa obitan 2s và obitan 2p[sửa | sửa mã nguồn]

Khi obitan 2s của nguyên tử cacbon tổ hợp với 1 hoặc nhiều obitan 2p thì sẽ xảy ra ba trường hợp sau:

Obitan 2s + 1 Obitan 2p → 2 Obitan lai hóa sp + 2 Obitan 2p còn lại
Obitan 2s + 2 Obitan 2p → 3 Obitan lai hóa sp2 + 1 Obitan 2p còn lại
Obitan 2s + 3 Obitan 2p → 4 Obitan lai hóa sp3

Obitan lai hóa sẽ được dùng trong liên kết sigma với nguyên tử khác, các obitan còn lại được dùng cho liên kết pi. Obitan lai hóa sp thường được dùng để liên kết với 2 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử, obitan lai hóa sp2 thường liên kết với 3 và obitan lai hóa sp3 thường liên kết với 4 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử.

Lai hóa sp3[sửa | sửa mã nguồn]

4 obitan lai hóa sp3

Lai hóa sp3 là sự tổ hợp 1 obitan s với 3 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 4 obitan lai hóa sp3 định hướng từ tâm đến 4 đỉnh của hình tứ giác đều, các trục đối xứng của chúng tạo với nhau một góc khoảng 109°28'

Lai hóa sp3 được gặp ở các nguyên tử O, N, C trong các phân tử H2O, NH3, CH4 và các ankan.

Ví dụ: phân tử metan CH4

Cấu hình electron của nguyên tử C ở trạng thái kích thích:


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{2s}\;
\frac{\uparrow\,}{2p_x}
\frac{\uparrow\,}{2p_y}
\frac{\uparrow\,}{2p_z}

Obitan 2s lai hóa với 3 obitan 2p tạo thành 4 obitan lai hóa sp3


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^3}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^3}
\frac{\uparrow\,}{sp^3}
\frac{\uparrow\,}{sp^3}

4 obitan lai hóa sp3 xen phủ với obitan 1s của nguyên tử hyđro tạo thành 4 liên kết sigma.

Ch4 hybridization.svg chuyển thành Ch4-structure.png

Góc liên kết trong phân tử CH4 là 109°28'

Lai hóa sp2[sửa | sửa mã nguồn]

3 obitan lai hóa sp2
Mô hình phân tử C2H4

Lai hóa sp2 là sự tổ hợp 1 obitan s với 2 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 3 obitan lai hóa sp2 nằm trong một mặt phẳng, định hướng từ tâm đến đỉnh của tam giác đều. Góc liên kết là 120°.

Lai hóa sp2 được gặp trong các phân tử BF3, C2H4...

Ví dụ: phân tử etilen C2H4:

Cấu hình electron của nguyên tử C ở trạng thái kích thích:


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{2s}\;
\frac{\uparrow\,}{2p_x}
\frac{\uparrow\,}{2p_y}
\frac{\uparrow\,}{2p_z}

Obitan 2s lai hóa với 2 obitan 2p tạo thành 3 obitan lai hóa sp2


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^2}\;
\frac{\uparrow\,}{sp^2}
\frac{\uparrow\,}{sp^2}
\frac{\uparrow\,}{p}

Ba obitan lai hóa sp2 tạo 1 liên kết sigma giữa hai nguyên tử cacbon và 2 liên kết sigma với hai nguyên tử hyđro. Mỗi nguyên tử cacbon còn 1 obitan p không tham gia lai hóa sẽ xen phủ bên với nhau tạo liên kết pi.

Lai hóa sp[sửa | sửa mã nguồn]

Mô hình phân tử C2H2

Lai hóa sp là sự tổ hợp 1 obitan s với 1 obitan p của một nguyên tử tham gia liên kết tạo thành 2 obitan lai hóa sp nằm thẳng hàng với nhau hướng về 2 phía, đối xứng nhau. Góc liên kết là 180°.

Lai hóa sp được gặp trong các phân tử BeH2, C2H2, BeCl2...

Ví dụ: phân tử C2H2

Cấu hình electron của nguyên tử C ở trạng thái kích thích:


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{2s}\;
\frac{\uparrow\,}{2p_x}
\frac{\uparrow\,}{2p_y}
\frac{\uparrow\,}{2p_z}

Obitan 2s lai hóa với 1 obitan 2p tạo thành 2 obitan lai hóa sp


C^{*}\quad
\frac{\uparrow\downarrow}{1s}\;
\frac{\uparrow\,}{sp}\;
\frac{\uparrow\,}{sp}
\frac{\uparrow\,}{p}
\frac{\uparrow\,}{p}

Hai obitan lai hóa sp tạo 1 liên kết sigma giữa hai nguyên tử cacbon và 1 liên kết sigma với 2 nguyên tử hyđro. Hai obitan p còn lại xen phủ bên với nhau từng đôi một tạo ra 2 liên kết pi.