Máy Tính Bậc Liên Kết - Xác Định Cường Độ Liên Kết Phân Tử

Bậc liên kết là gì?

Bậc liên kết là một con số cho biết có bao nhiêu liên kết hóa học nối hai nguyên tử trong một phân tử. Khái niệm này xuất phát từ thuyết obitan phân tử, một mô hình liên kết hóa học trong đó các electron điền vào những obitan chung bao quanh toàn bộ phân tử thay vì chỉ ở trên một nguyên tử. Bậc liên kết 1 nghĩa là liên kết đơn, 2 nghĩa là liên kết đôi và 3 nghĩa là liên kết ba. Bậc liên kết cũng dự đoán độ bền và độ dài liên kết: bậc liên kết càng cao thì liên kết càng ngắn và bền.

Công thức tính bậc liên kết

Obitan phân tử có hai loại. Obitan liên kết chứa các electron kéo hai nguyên tử lại gần nhau. Obitan phản liên kết chứa các electron đẩy hai nguyên tử ra xa nhau. Bậc liên kết được tính từ số electron trong mỗi loại:

$\text{Bậc liên kết} = \frac{\text{electron liên kết} - \text{electron phản liên kết}}{2}$

Chia cho 2 để tính đến thực tế rằng một liên kết tương ứng với một cặp electron dùng chung.

Cách tính bậc liên kết

1. Tìm giản đồ obitan phân tử của phân tử, hoặc xác định số electron hóa trị của nó.
2. Đếm số electron nằm trong các obitan liên kết (ký hiệu là σ và π).
3. Đếm số electron nằm trong các obitan phản liên kết (ký hiệu là σ* và π*).
4. Lấy số electron liên kết trừ số electron phản liên kết.
5. Chia kết quả cho 2.

Ví dụ có lời giải: oxi (O₂)

Oxi có 12 electron hóa trị. Khi điền electron vào giản đồ obitan phân tử, có 8 electron trong các obitan liên kết và 4 electron trong các obitan phản liên kết.

Bậc liên kết = (8 − 4) / 2 = 2

Kết quả này phù hợp với liên kết đôi O=O được các nhà hóa học quan sát bằng thực nghiệm. Mô hình obitan phân tử cũng giải thích vì sao O₂ có tính thuận từ (bị hút bởi từ trường): hai trong số các electron phản liên kết của nó chưa ghép đôi, điều mà một công thức Lewis đơn giản không thể thể hiện.

Các phân tử phổ biến và bậc liên kết của chúng

Bậc liên kết phân số, chẳng hạn 2,5 của nitơ monoxit (NO), xuất hiện khi phân tử có số electron lẻ hoặc khi cấu trúc của nó là sự kết hợp của nhiều cách sắp xếp. Benzen là một ví dụ nổi tiếng không có trong bảng này: mỗi liên kết cacbon–cacbon có bậc liên kết 1,5, nằm giữa liên kết đơn và liên kết đôi, vì các electron trong vòng được phân bố đều quanh cả sáu nguyên tử cacbon thay vì cố định tại một vị trí.

Liên kết ba của nitơ đặc biệt bền, đó là lý do khí N₂ khó bị phân tách dù nitơ chiếm phần lớn khí quyển Trái Đất. Flo, mặc dù là một nguyên tố có tính phản ứng cao, chỉ có liên kết đơn trong F₂; liên kết tương đối yếu này là một trong những lý do F₂ phản ứng dễ dàng với các chất khác.

Sử dụng máy tính

Nhập một công thức hóa học vào ô nhập, chẳng hạn như O2, N2, CO hoặc H2O, dùng các chữ số thông thường thay cho chỉ số dưới. Bậc liên kết xuất hiện tự động ngay khi nhập một công thức được nhận diện; không có nút riêng cần nhấn. Chọn Reset để xóa trường nhập.

Công thức có phân biệt chữ hoa chữ thường: CO (cacbon monoxit) không giống mục nhập co hoặc Co. Công cụ nhận diện một danh sách cố định gồm 37 phân tử phổ biến: 13 phân tử hai nguyên tử đồng hạt nhân như H₂ và O₂, cùng 24 hợp chất đơn giản như CO₂, NH₃ và NaCl. Với phân tử có hơn hai nguyên tử, công cụ cho biết bậc của liên kết chính thay vì một giá trị cho từng liên kết. Với CO₂, đó là liên kết C=O, nên đáp án là 2; với eten (C₂H₄), đó là liên kết C=C, nên đáp án cũng là 2, chứ không phải giá trị trung bình bao gồm bốn liên kết đơn C–H. Công thức nằm ngoài danh sách sẽ trả về thông báo cho biết bậc liên kết không khả dụng.

Giản đồ bên cạnh kết quả vẽ một đường cho mỗi liên kết hoàn chỉnh, giống như công thức cấu tạo: một đường cho liên kết đơn, hai đường cho liên kết đôi và ba đường cho liên kết ba. Bậc liên kết phân số thêm một đường nét đứt cho phần còn lại của liên kết, vì vậy NO (2,5) được vẽ bằng hai đường liền và một đường nét đứt.

Mối liên hệ giữa bậc liên kết với độ bền và độ dài liên kết

Bậc liên kết và độ dài liên kết thay đổi theo chiều ngược nhau: khi bậc liên kết tăng, độ dài liên kết giảm. Bậc liên kết và độ bền liên kết thay đổi cùng chiều: khi bậc liên kết tăng, năng lượng cần để phá vỡ liên kết cũng tăng. Các liên kết cacbon–cacbon minh họa rõ quy luật này.

Quy luật tương tự cũng xuất hiện trong phổ hồng ngoại, một kỹ thuật nhận diện liên kết dựa trên tần số ánh sáng mà chúng hấp thụ. Liên kết ba dao động ở tần số cao hơn liên kết đôi, còn liên kết đôi dao động ở tần số cao hơn liên kết đơn, vì vậy các nhà hóa học thường có thể xác định loại liên kết chỉ dựa vào vị trí mà mẫu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại.

Những hạn chế của bậc liên kết

Công thức trên hoạt động tốt đối với các phân tử cộng hóa trị đơn giản, trong đó hai nguyên tử dùng chung electron trực tiếp. Ở những trường hợp khác, công thức này kém phù hợp hơn.

Các phân tử có cộng hưởng, chẳng hạn benzen hoặc ozon, chỉ nhận được bậc liên kết trung bình thay vì một giá trị cho một cấu trúc chính xác duy nhất. Các hợp chất của kim loại chuyển tiếp liên quan đến obitan d và những hiệu ứng khác mà công thức cơ bản lấy electron liên kết trừ electron phản liên kết không thể mô tả; trong những trường hợp đó, các nhà hóa học dùng những phương pháp chuyên biệt hơn, chẳng hạn bậc liên kết Mayer.

Hợp chất ion là một trường hợp hoàn toàn khác. Natri clorua (NaCl) được giữ với nhau nhờ lực hút điện giữa các ion Na⁺ và Cl⁻, chứ không phải nhờ một cặp electron dùng chung trong obitan phân tử. Bậc liên kết theo obitan phân tử không mô tả đúng kiểu liên kết này. Một số bảng tham khảo, trong đó có máy tính này, vẫn liệt kê một giá trị danh nghĩa được đếm từ công thức Lewis (1 đối với NaCl, 2 đối với MgO), nhưng con số đó không mang cùng ý nghĩa vật lý như đối với một phân tử cộng hóa trị như O₂ hoặc N₂.

Các câu hỏi thường gặp

Bậc liên kết là gì theo cách hiểu đơn giản? Đó là một con số cho biết có bao nhiêu liên kết giữ hai nguyên tử với nhau: 1 đối với liên kết đơn, 2 đối với liên kết đôi, 3 đối với liên kết ba và các phân số như 1,5 đối với các phân tử có cộng hưởng.

Bậc liên kết được tính như thế nào? Lấy số electron liên kết trừ số electron phản liên kết, rồi chia cho 2.

Vì sao nitơ (N₂) có bậc liên kết cao hơn oxi (O₂)? N₂ chỉ có 2 electron phản liên kết, trong khi O₂ có 4. Ít electron phản liên kết hơn có nghĩa là liên kết tổng thể bền hơn, vì vậy bậc liên kết của N₂ là 3, cao hơn bậc liên kết 2 của O₂.

Bậc liên kết có thể là phân số không? Có. Các phân tử có số electron hóa trị lẻ hoặc có sự cộng hưởng giữa nhiều cấu trúc có bậc liên kết phân số, chẳng hạn 2,5 đối với NO hoặc 1,5 đối với các liên kết cacbon–cacbon trong benzen.

Bậc liên kết cao hơn có luôn có nghĩa là phân tử bền hơn không? Thông thường, bậc liên kết cao hơn có nghĩa là một liên kết riêng lẻ bền hơn, nhưng độ bền tổng thể của phân tử còn phụ thuộc vào hình học, sự cộng hưởng và độ bền của các sản phẩm được tạo thành trong phản ứng.

Bậc liên kết có áp dụng cho các hợp chất ion như muối ăn không? Không, nếu xét theo nghĩa chặt chẽ của obitan phân tử. Hợp chất ion được giữ với nhau nhờ lực hút giữa các ion mang điện thay vì các cặp electron dùng chung, nên công thức lấy electron liên kết trừ electron phản liên kết không thực sự mô tả chúng, ngay cả khi một giá trị danh nghĩa được liệt kê để tiện tham khảo.

Tài liệu tham khảo

1. Mulliken, R. S. (1955). "Phân tích phân bố electron trên các hàm sóng phân tử LCAO-MO." The Journal of Chemical Physics, 23(10), 1833–1840.
2. Pauling, L. (1931). "Bản chất của liên kết hóa học." Journal of the American Chemical Society, 53(4), 1367–1400.
3. Atkins, P. W., & de Paula, J. (2014). Hóa lý Atkins (lần xuất bản thứ 10). Oxford University Press.
4. Housecroft, C. E., & Sharpe, A. G. (2018). Hóa học vô cơ (lần xuất bản thứ 5). Pearson.