Liên kết σ, π và năng lượng liên kết

Đếm σ, π; tổng E phá vỡ liên kết

Mục tiêu

Phân biệt liên kết $\sigma$ (xen phủ trục) và $\pi$ (xen phủ bên); đếm $\sigma$ , $\pi$ từ công thức cấu tạo.
Nêu quan hệ giữa bậc liên kết, độ dài và năng lượng liên kết.
Tính năng lượng cần để phá vỡ hết các liên kết của một mol phân tử và so sánh độ bền.

Khởi động

Vì sao khí $\mathrm{N_2}$ chiếm gần $4/5$ không khí mà gần như không phản ứng, còn $\mathrm{Cl_2}$ thì hoạt động mạnh? Và vì sao liên kết đôi $\mathrm{C=C}$ không "bền gấp đôi" liên kết đơn $\mathrm{C-C}$ ?

01Kiến thức cần nhớ

1. Liên kết $\sigma$ và $\pi$

Liên kết cộng hoá trị hình thành khi các orbital nguyên tử xen phủ nhau:

Liên kết $\sigma$ : xen phủ trục (đầu–đầu) dọc đường nối hai hạt nhân. Bền, đám mây electron tập trung giữa hai nguyên tử.
Liên kết $\pi$ : xen phủ bên (hai orbital $p$ song song), đám mây nằm ở hai phía mặt phẳng chứa trục liên kết. Xen phủ kém hơn nên yếu hơn $\sigma$ .

Mọi liên kết đơn là $\sigma$ . Liên kết đôi gồm $1\sigma + 1\pi$ . Liên kết ba gồm $1\sigma + 2\pi$ .

Liên kết	$\sigma$	$\pi$
Đơn	$1$	$0$
Đôi	$1$	$1$
Ba	$1$	$2$

Tương tácLiên kết σ và π trong 3D

Ethylene

C_{2} H_{4}

σ = 5, π = 1

Liên kết đơn: 1σ. Đôi: 1σ + 1π. Ba: 1σ + 2π. Que xanh là σ (xen phủ trục), thuỳ vàng là π (xen phủ bên).

Kéo để xoay. Chọn C₂H₆, C₂H₄, C₂H₂, N₂ và đếm: que xanh là σ, thuỳ vàng là π. Liên kết ba có hai cặp thuỳ vuông góc nhau. Tắt σ hoặc π để nhìn riêng từng loại.

2. Độ dài và năng lượng liên kết

Độ dài liên kết: khoảng cách giữa hai hạt nhân, đơn vị $\text{pm}$ .
Năng lượng liên kết $E_b$ : năng lượng cần để phá vỡ một mol liên kết ở thể khí thành nguyên tử, đơn vị $\text{kJ/mol}$ . $E_b$ càng lớn, liên kết càng bền, càng khó phá vỡ.

Cùng cặp nguyên tử, bậc liên kết tăng thì độ dài giảm, năng lượng tăng:

Liên kết	Độ dài (pm)	$E_b$ (kJ/mol)
$\mathrm{C-C}$	$154$	$346$
$\mathrm{C=C}$	$134$	$614$
$\mathrm{C\equiv C}$	$120$	$839$

Các giá trị là số liệu tham khảo (trung bình); đề thật cho bảng kèm theo. Năng lượng liên kết $\mathrm{C=C}$ ( $614$ ) nhỏ hơn $2\times346$ , vì liên kết $\pi$ yếu hơn $\sigma$ : $614 - 346 = 268$ cho $\pi$ .

Một số năng lượng liên kết (kJ/mol, tham khảo): $\mathrm{H-H}$ $436$ ; $\mathrm{Cl-Cl}$ $243$ ; $\mathrm{O=O}$ $498$ ; $\mathrm{N\equiv N}$ $945$ ; $\mathrm{C-H}$ $413$ ; $\mathrm{O-H}$ $463$ ; $\mathrm{N-H}$ $391$ ; $\mathrm{H-Cl}$ $431$ .

Tương tácPhá vỡ liên kết: tổng năng lượng

Phân tử

So sánh với

Liên kết	Số lượng	E_b (kJ/mol)	Tích (kJ)
H–O	2	463	926

H_{2} O

: 926 kJ/mol

\sum = 2 \cdot 463 = 926 kJ/mol

M = 18 g/mol \Rightarrow 51, 4 kJ/g

Chọn một phân tử: bảng đếm từng loại liên kết, nhân với năng lượng liên kết rồi cộng. Chọn thêm “So sánh với” N₂, O₂, Cl₂ để thấy liên kết ba bền nhất.

02Tóm tắt

Ý	Nội dung
$\sigma$	Xen phủ trục, bền; mọi liên kết có đúng $1\sigma$
$\pi$	Xen phủ bên, yếu hơn; đôi $1\pi$ , ba $2\pi$
Đếm	$\sigma =$ số liên kết; $\pi = n_{\text{đôi}} + 2n_{\text{ba}}$
$E_b$	Lớn thì bền và ngắn; tổng $= \sum(\text{số liên kết}\times E_b)$

Tiếp theoPhương pháp →