Khái niệm liên kết cộng hóa trị và các hợp chất liên quan

Trước khi đi sâu vào khái niệm liên kết cộng hóa trị, hãy cùng điểm qua lịch sử nghiên cứu và những mốc thời gian quan trọng liên quan đến khái niệm này.

• 1919: Irving Langmuir lần đầu tiên mô tả liên kết cộng hóa trị như là sự chia sẻ cặp electron giữa các nguyên tử gần nhau, mặc dù ý tưởng này có thể đã được hình thành trước đó.
• 1926: Gilbert N. Lewis trình bày về việc chia sẻ cặp electron giữa các nguyên tử, giới thiệu ký hiệu Lewis với các điểm electron xung quanh ký hiệu nguyên tử, giúp biểu diễn các liên kết cộng hóa trị, bao gồm liên kết đôi và ba qua các gạch ngang.
• 1927: Walter Heitler và Fritz London là những người đầu tiên giải thích thành công liên kết hóa học (như phân tử hydro) bằng cơ học lượng tử.
• 1939: Thuật ngữ “liên kết cộng hóa trị” được sử dụng lần đầu tiên.

1. Khái niệm về liên kết cộng hóa trị

Liên kết cộng hóa trị là loại liên kết được tạo ra giữa hai nguyên tử thông qua việc chia sẻ một hoặc nhiều cặp electron.

Ký hiệu: LKCHT

Nói cách khác, liên kết cộng hóa trị xảy ra khi hai nguyên tử hoặc ion chia sẻ các cặp electron với nhau.

Mỗi cặp electron được chia sẻ giữa hai nguyên tử gọi là cặp liên kết, trong khi các cặp không chia sẻ được gọi là cặp đơn độc. Việc chia sẻ electron giúp các nguyên tử đạt được cấu hình electron ổn định hơn.

2. Liên kết cộng hóa trị trong các nguyên tử tương đồng - Quá trình hình thành đơn chất

2.1. Quá trình hình thành phân tử hydro (H₂)

• Công thức electron: H : H
• Công thức cấu tạo: H - H. Giữa hai nguyên tử H có một cặp electron liên kết, được biểu thị bằng dấu gạch (-).
• Đây là liên kết đơn.

2.2. Quá trình hình thành phân tử nitơ (N₂)

Trong phân tử nito (N₂), mỗi nguyên tử nitơ cần chia sẻ 3 electron để đạt được cấu hình giống như nguyên tử khí hiếm gần nhất, tức là Neon.

Hai nguyên tử nitơ kết nối với nhau bằng ba cặp electron, và liên kết này được ký hiệu bằng ba gạch ngang ( = ), gọi là liên kết ba.

• Công thức electron: : N ( 6 chấm ) N :
• Công thức cấu tạo: N ( 3 gạch ) N

Do liên kết này rất bền, khí nitơ ít phản ứng hóa học ở nhiệt độ bình thường.

Kết luận:

Dựa trên quá trình hình thành phân tử nitơ và hidro, ta có thể kết luận về liên kết cộng hóa trị như sau:

• Liên kết cộng hóa trị được hình thành trong các phân tử Hidro và Nitơ.
• Liên kết cộng hóa trị là sự kết hợp của hai nguyên tử thông qua một hoặc nhiều cặp electron chung.
• Mỗi cặp electron chung tạo thành một liên kết cộng hóa trị.
• Các phân tử H₂ và N₂ được hình thành từ nguyên tử cùng một nguyên tố có độ âm điện tương tự, vì vậy các cặp electron chung không bị hút lệch về phía nguyên tử nào. Đây là liên kết cộng hóa trị không cực.

3. Liên kết giữa các nguyên tử khác nhau - Quá trình hình thành hợp chất

3.1. Quá trình hình thành phân tử hidro clorua (HCl)

Trong phân tử hidro clorua, mỗi nguyên tử hidro và clo chia sẻ một cặp electron để hình thành liên kết.

Độ âm điện của clo là 3,16, cao hơn so với độ âm điện của hidro là 2,2.

⇒ Do đó, cặp electron bị hút lệch về phía clo, tạo nên một liên kết cộng hóa trị phân cực.

Kết luận:

• Liên kết cộng hóa trị phân cực: Đây là loại liên kết cộng hóa trị trong đó cặp electron chung bị kéo về một nguyên tử, tạo ra sự phân cực.
• Trong công thức electron của phân tử có cực, cặp electron chung sẽ được biểu thị lệch về phía nguyên tử có độ âm điện cao hơn.

           Ví dụ: H : Cl

3.2. Quá trình hình thành phân tử khí cacbon dioxit (CO₂) với cấu trúc thẳng:

Trong phân tử CO₂, nguyên tử carbon nằm giữa hai nguyên tử oxy. Carbon cung cấp 2 electron cho mỗi nguyên tử oxy, và mỗi oxy cũng cung cấp 2 electron cho carbon, tạo thành 2 liên kết đôi.

• Trong công thức electron, mỗi nguyên tử carbon hoặc oxy đều có 8 electron ở lớp vỏ ngoài cùng, đạt cấu hình bền vững như khí hiếm.
• Oxy có độ âm điện là 3,44, cao hơn so với độ âm điện của carbon là 2,55, do đó cặp electron chung bị kéo về phía oxy.
• Liên kết giữa oxy và carbon là phân cực, nhưng với cấu trúc thẳng của CO₂, hai liên kết đôi phân cực (C = O) triệt tiêu lẫn nhau, khiến CO₂ trở thành phân tử không phân cực.

4. Liên kết cộng hóa trị có bao nhiêu loại?

4.1. Liên kết cộng hóa trị phân cực

Liên kết cộng hóa trị có cực xuất hiện khi các electron được chia sẻ giữa các nguyên tử không đều. Điều này xảy ra khi một nguyên tử có độ âm điện cao hơn nguyên tử còn lại, dẫn đến sự phân chia không đồng đều của các electron.

• Điều kiện: một nguyên tử có độ âm điện cao hơn nguyên tử còn lại, tạo ra lực hút không đồng đều giữa các nguyên tử.
• Đặc điểm: phân tử nghiêng về phía nguyên tử có độ âm điện thấp hơn, trong khi phía còn lại chứa nguyên tử có độ âm điện cao hơn.
• Kết quả: hợp chất cộng hóa trị hình thành sẽ có sự phân bố điện tích không đều.

4.2. Liên kết hóa trị không cực

Liên kết cộng hóa trị không cực hình thành khi các nguyên tử chia sẻ electron một cách đồng đều.

Điều kiện hình thành: cả hai nguyên tử có độ âm điện tương đương hoặc gần giống nhau. Sự hấp dẫn giữa các nguyên tử càng mạnh khi giá trị điện tử của chúng gần nhau hơn, hiện tượng này thường thấy trong các phân tử khí (điatomic).

4.3. Liên kết đơn phân tử

Liên kết đơn phân tử xuất hiện khi hai phân tử chia sẻ một cặp electron duy nhất. So với liên kết đôi và ba, liên kết đơn có sức mạnh yếu hơn và mật độ thấp hơn, nhưng lại ổn định nhất do phản ứng của liên kết thấp, giảm nguy cơ mất electron.

4.4. Liên kết đôi phân tử

Liên kết đôi phân tử xảy ra khi hai nguyên tử chia sẻ hai cặp electron với nhau. Liên kết này được biểu thị bằng hai đường gạch ngang giữa hai nguyên tử trong một phân tử. Liên kết đôi mạnh hơn liên kết đơn nhưng không ổn định bằng.

4.5. Liên kết ba phân tử

Liên kết ba phân tử là loại liên kết cộng hóa trị ít ổn định nhất. Nó hình thành khi ba cặp electron được chia sẻ giữa hai nguyên tử trong cùng một phân tử.

5. Tính chất của các chất có liên kết cộng hóa trị

- Dạng tồn tại: Các chất có liên kết cộng hóa trị có thể ở dạng rắn (như lưu huỳnh, đường, sắt), lỏng (như rượu, nước) hoặc khí (như clo, cacbonic, hidro). Những chất này thường có điểm nóng chảy và điểm sôi thấp, với entanpi hóa hơi và nhiệt hạch cũng thấp.

- Chất có cực: Ví dụ như đường, ancol etylic... dễ tan trong dung môi có cực như nước.

- Chất không cực: Ví dụ như ion, lưu huỳnh... tan trong dung môi không cực như cacbon tetraclorua, benzen... Các chất chỉ có liên kết cộng hóa trị không cực không dẫn điện ở bất kỳ trạng thái nào.

Bài viết trên Mytour đã cung cấp thông tin về liên kết cộng hóa trị và các chất liên kết cộng hóa trị. Hy vọng rằng thông tin trong bài viết sẽ hữu ích cho bạn. Cảm ơn bạn đã đọc.