Hóa lai (hóa học)

Trong hóa học, quá trình lai hóa orbital (vân đạo) là việc kết hợp các orbital nguyên tử để tạo ra các orbital lai hóa mới với năng lượng và hình dạng khác biệt, phục vụ cho sự hình thành liên kết hóa học theo thuyết liên kết hóa trị. Orbital lai hóa giúp giải thích cấu trúc phân tử và tính chất liên kết nguyên tử. Mặc dù thường được dạy cùng với mô hình đẩy lùi cặp electron vỏ hóa trị (VSEPR), liên kết cộng hóa trị và lai hóa thực ra không phụ thuộc vào mô hình VSEPR. Các orbital tham gia vào quá trình lai hóa phải có năng lượng gần giống nhau.

Lịch sử

Linus Pauling lần đầu tiên đưa ra thuyết lai hóa vào năm 1931 để giải thích cấu trúc của các phân tử đơn giản như methane (CH₄) thông qua các orbital nguyên tử. Pauling chứng minh rằng một nguyên tử carbon có thể tạo ra bốn liên kết bằng cách sử dụng một orbital s và ba orbital p, từ đó suy luận rằng nguyên tử carbon sẽ tạo ba liên kết góc vuông với các orbital p và một liên kết yếu hơn với orbital s theo hướng tùy ý. Tuy nhiên, thực tế cho thấy methane có bốn liên kết đồng đều với góc tứ diện 109.5°. Pauling giải thích điều này bằng cách giả định sự hình thành của bốn nguyên tử hydrogen với các orbital s và p tạo thành bốn tổ hợp tương đương gọi là orbital lai hóa, mỗi tổ hợp được ký hiệu là sp. Khái niệm này đã được mở rộng và áp dụng rộng rãi trong hóa học hữu cơ, cung cấp một cách tiếp cận đơn giản để giải thích cấu trúc hợp chất hữu cơ, tương đương với cấu trúc Lewis. Thuyết lai hóa chủ yếu được sử dụng trong hóa học hữu cơ, ví dụ tiêu biểu nhất là quy tắc Baldwin.

Orbital (vân đạo) nguyên tử

Orbital (vân đạo) là mô hình đại diện cho sự di chuyển của các electron trong phân tử. Trong tạp chủng hóa đơn giản, mô hình này dựa trên các orbital nguyên tử, tương tự như các orbital của nguyên tử hydrogen, nguyên tử duy nhất mà phương trình Schrödinger có thể giải quyết chính xác. Đối với các nguyên tử nặng hơn như carbon, nitrogen và oxy, các orbital nguyên tử được sử dụng là 2s và 2p, giống như trạng thái orbital bị kích thích của hydro.

Tổng quan

Lai hóa orbital (sự kết hợp các orbital nguyên tử) được hiểu là sự pha trộn các orbital nguyên tử theo nhiều tỷ lệ khác nhau. Ví dụ, trong methan, các orbital lai hóa của carbon dùng cho các liên kết carbon-hydro chứa 25% đặc tính s và 75% đặc tính p, nên được gọi là lai hóa sp (đọc là s-p-ba). Cơ học lượng tử mô tả sự lai hóa này qua hàm sóng sp với dạng N(s + √3pσ), trong đó N là một hằng số chuẩn (tại đây là 1/2) và pσ là một orbital p định hướng dọc theo trục C-H để tạo thành liên kết sigma. Trong ví dụ này, hệ số tỷ lệ (thường ký hiệu là λ) là √3. Vì mật độ electron liên kết với một orbital tỷ lệ với bình phương hàm sóng, tỷ lệ của đặc tính p so với s là λ = 3. Đặc tính p hoặc khối lượng của phần p là Nλ = 3/4.

Số lượng đặc tính p và s, chủ yếu được xác định bởi sự lai hóa orbital, có thể dự đoán các thuộc tính của phân tử như tính axit hoặc tính base.

Khái niệm

Lai hóa (hay sự tạp chủng hóa) là quá trình kết hợp các orbital nguyên tử khác nhau để tạo ra những orbital hoàn toàn đồng nhất về hình dạng, kích thước và năng lượng, nhưng lại có các hướng khác nhau.

Chẳng hạn, trong phân tử CH₄, khi nguyên tử carbon (C) liên kết với bốn nguyên tử hydro (H) để tạo ra phân tử CH₄, các orbital 2s của carbon kết hợp với ba orbital 2p, tạo thành bốn orbital mới hoàn toàn giống nhau, được gọi là bốn orbital lai hóa sp. Những orbital lai hóa sp này giao thoa với bốn orbital 1s của các nguyên tử hydro, hình thành bốn liên kết C - H đồng nhất.

Sự lai hóa xảy ra vì các orbital hóa trị ở các phân lớp khác nhau có năng lượng và hình dạng khác nhau cần phải được điều chỉnh để tạo thành liên kết vững chắc với các nguyên tử khác.

Lai (Sự tạp chủng) giữa orbital 2s và orbital 2p

Khi orbital 2s của nguyên tử carbon kết hợp với 1 hoặc nhiều orbital 2p, sẽ có ba trường hợp xảy ra như sau:

Obitan 2s kết hợp với 1 Obitan 2p tạo thành 2 Obitan lai hóa sp và còn lại 2 Obitan 2p

Obitan 2s kết hợp với 2 Obitan 2p tạo thành 3 Obitan lai hóa sp và còn lại 1 Obitan 2p

Obitan 2s kết hợp với 3 Obitan 2p tạo thành 4 Obitan lai hóa sp

Obitan lai hóa sẽ tham gia vào liên kết sigma với nguyên tử khác, trong khi các obitan còn lại tham gia vào liên kết pi. Obitan lai hóa sp thường kết nối với 2 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử, còn obitan lai hóa sp thường kết nối với 3 hoặc 4 nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử.

Lai (Sự tạp chủng) hóa sp

Lai hóa sp là sự kết hợp của 1 obitan s với 3 obitan p của một nguyên tử, tạo ra 4 obitan lai hóa sp định hướng đều từ trung tâm đến 4 đỉnh của hình tứ diện, với các trục đối xứng tạo với nhau góc khoảng 109°28'.

Lai hóa sp xuất hiện ở các nguyên tử O, N, C trong các phân tử như H₂O, NH₃, CH₄ và các ankan.

Ví dụ: phân tử methane CH₄

Cấu hình electron của nguyên tử carbon trong trạng thái kích thích:

$C^{\ast <!--\; \ast \; -->}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\downarrow <!--\; \downarrow \; -->}{1s}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2s}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_x}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_y}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_z}$

Orbital 2s lai hóa với ba orbital 2p tạo thành bốn orbital lai hóa sp

$C^{\ast <!--\; \ast \; -->}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\downarrow <!--\; \downarrow \; -->}{1s}\frac{\uparrow \; <div\; class="min-w-[250px]\; max-w-[94vw]\; md:max-w-[770px]">\; <ins\; class="adsbygoogle"\; style="display:block;\; text-align:center;"\; data-ad-layout="in-article"\; data-ad-format="fluid"\; data-ad-client="ca-pub-9247024304160346"\; data-ad-slot="4115752014"></ins>\; </div>\; <!--\; \uparrow \; -->}{s{p}^3}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{s{p}^3}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{s{p}^3}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{s{p}^3}$

Bốn orbital lai hóa sp của carbon giao thoa với orbital 1s của hydro, tạo ra bốn liên kết sigma.

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

Lai hóa sp (sự lai hóa)

Lai hóa sp là sự kết hợp của 1 orbital s và 2 orbital p của một nguyên tử, tạo ra 3 orbital lai hóa sp nằm trong mặt phẳng, hướng từ trung tâm đến các đỉnh của một tam giác đều. Góc liên kết là 120°.

Lai hóa sp xuất hiện trong các phân tử như BF₃, C₂H₄,...

Ví dụ: phân tử etilen C₂H₄:

Cấu hình electron của nguyên tử C khi bị kích thích:

$C^{\ast <!--\; \ast \; -->}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\downarrow <!--\; \downarrow \; -->}{1s}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2s}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_x}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_y}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_z}$

Orbital 2s kết hợp với 2 orbital 2p tạo thành 3 orbital lai hóa sp²

$C^{\ast <!--\; \ast \; -->}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\downarrow <!--\; \downarrow \; -->}{1s}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{s{p}^2}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{s{p}^2}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{s{p}^2}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{p}$

Ba orbital lai hóa sp tạo 1 liên kết sigma giữa hai nguyên tử carbon và 2 liên kết sigma với hai nguyên tử hydrogen. Các orbital p chưa tham gia lai hóa của mỗi nguyên tử carbon sẽ tạo liên kết pi khi chúng xen phủ với nhau.

Lai hóa (Sự tạp chủng) sp

Lai hóa sp là quá trình kết hợp 1 orbital s với 1 orbital p của một nguyên tử để tạo ra 2 orbital lai hóa sp nằm thẳng hàng, đối xứng nhau. Góc liên kết là 180°.

Lai hóa sp xuất hiện trong các phân tử như BeH₂, C₂H₂, BeCl₂, và nhiều hơn nữa.

Ví dụ: phân tử C₂H₂

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

$C^{\ast <!--\; \ast \; -->}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\downarrow <!--\; \downarrow \; -->}{1s}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2s}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_x}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_y}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{2p_z}$

Một obitan 2s và một obitan 2p kết hợp để tạo ra 2 obitan lai hóa sp.

$C^{\ast <!--\; \ast \; -->}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->\downarrow <!--\; \downarrow \; -->}{1s}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{sp}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{sp}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{p}\frac{\uparrow <!--\; \uparrow \; -->}{p}$

Hai obitan sp hình thành một liên kết sigma giữa hai nguyên tử carbon và hai liên kết sigma với hai nguyên tử hydrogen. Hai obitan p còn lại tạo thành hai liên kết pi bằng cách xen phủ từng đôi một.

Cũng tồn tại lai hóa spd và các dạng tạp chủng spd khác.